1 概述:状态机
1.0 状态机 vs 工作流
- 在介绍状态机之前,先介绍一个工作流(WorkFlow),初学者通常容易将两个概念混淆。
- 工作流(WorkFlow),大体是指业务过程(整体或者部分)在计算机应用环境下的自动化,是对工作流程及其各操作步骤之间业务规则的描述。在计算机系统中,工作流属于计算机支持的协同工作(CSCW)的一部分。
- 状态机是工作流(WorkFlow)的一种类型,包括顺序工作流(Sequential)和状态机工作流(State Machine)。
- 状态机是有限状态自动机的简称,是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。
特性 | 状态机(State Machine) | 工作流(WorkFlow) |
---|---|---|
关注点 | 单个任务 | 状态流转 |
循环 | 可以简单的实现循环 | 无循环 |
实现难度 | 比较麻烦,需要记录任务当前状态 | 实现简单 |
表达方式 | 表达更灵活 | 串行表达,不是很灵活 |
运行效率 | 高 | 低,可并行 |
1.1 定义
- 状态机是一种描述系统行为的工具,通过定义一组状态和状态转换规则,可以模拟和控制系统的状态变化。
在软件工程中,状态机被广泛应用于实现系统的行为和流程控制,特别是在处理业务流程、游戏逻辑或并发程序时。
状态机可以用于控制系统的不同状态,以及状态之间的转换条件和转换逻辑。
- 内部状态流转 vs 外部状态流转
- 外部转换会触发进入转换和退出转换,而内部转换则不会。
- 外部转换是复合状态与其他状态之间发生的状态转换,内部转换是在复合状态内部的子状态之间发生的转换。
- Cola StateMachine 状态机框架的定义
- External Transition: 外部流转,表示当前状态与下一个状态不同
- Internal Transition: 内部流转,表示状态不发生变化,只是触发了某个事件
/*
* 设置一个外部状态转义类型的builder,并设置from\to\on\when\perform
*/
builder.externalTransition() //外部状态流转
.from(OrderStatusEnum.INITIAL)//起始状态 : 初始化状态
// .fromAmong(States.STATE1, States.STATE2, States.STATE3) //起始状态 :有多个起始状态
.to(OrderStatusEnum.PAY_PENDING)//目标状态 : 待支付
.on(OrderEventEnum.CREATE_ORDER)//触发事件 : 创建订单
.when(createOrderHandler.condition()) //条件检查
.perform(createOrderHandler.action()); //条件满足时的执行动作
builder.internalTransition() //内部状态流转
.within(OrderState.WAIT_PAYMENT) //等待支付
.on(OrderStatusChangeEvent.PAYED) //事件 : 已支付
.when(payedOrderHandler.condition()())
.perform(payedOrderHandler.action()); //执行
1.2 状态机的组成
- 一般的,状态机由状态、转移和事件三个基本组成部分。
- 状态是系统可能处于的不同情况
- 转移定义了状态之间的关系和切换条件
- 事件则是触发状态转换的因素。
通过定义状态和转移,状态机能够将复杂系统的行为和状态分离,实现清晰的逻辑分离和模块化。
1.3 状态机的优点
- 在实际应用中,状态机的使用可以提高代码的可读性和可维护性,降低系统复杂度,方便对系统行为进行建模和控制。
同时,状态机的设计也可以帮助开发者更好地理解和组织系统流程,简化开发过程。
1.4 状态机的典型应用
-
业务流程控制:状态机可以用于描述复杂的业务流程,将业务逻辑分解为一系列离散的状态和转换规则,使代码更加清晰、可维护和可扩展。例如,在电商系统中,订单状态机可以包含多种状态(已创建、已支付、已发货等),并定义了各个状态之间的转换规则和处理逻辑。
-
UI交互设计:状态机可以用于描述UI界面的各种状态和用户操作之间的关系,例如表单验证、导航菜单、游戏场景等,通过状态图来设计和呈现UI界面的交互逻辑,提高用户体验和操作效率。
-
并发编程:状态机可以用于实现复杂的并发控制逻辑,例如多线程调度、协程管理等,通过状态和转移规则来控制不同任务之间的切换和执行顺序,提高程序的可伸缩性和性能。
1.5 状态机的选型
原始手搓版
- 流程引擎易滥用,但状态机却实用且使用广泛,主要有以下两个原因:
- 实现简单。最简单、轻量的状态机用一个 Enum 就能实现,基本是零成本。
- 解耦、可阅读性高、可维护性高。使用状态机的 DSL 来表达状态的流转,语义会更加清晰,会增强代码的可读性和可维护性。
成熟框架
状态机的主要选型有3个:
- Spring Statemachine
- Squirrel statemachine
Spring Statemachine
和Squirrel statemachine
的优点:功能很完备
但缺点也是功能很完备,使用起来比较复杂,并且是非线程安全
- 在正常的中小型项目,其实是不需要用到那么多状态机的高级玩法。
如,状态的嵌套(substate),状态的并行(parallel,fork,join)、子状态机等等。
所以,这时候我们就需要一个轻量级、高性能的状态机框架。这就是我们今天的主角:Cola-StateMachine
。
Cola-StateMachine
https://github.com/alibaba/COLA/tree/master/cola-components/cola-component-statemachine
- 是阿里云团队开源的一款轻量级、高性能的状态机框架,用于解决业务流程中状态流转的控制问题。
- 它基于无状态化设计,支持事件驱动和分布式事务,适用于构建复杂、且高并发的状态机模型。
- 主要特点是无状态、采用纯Java实现,使用Fluent Interface(连贯接口)来定义状态和事件
- 适用于管理状态转换的场景,如订单状态、支付状态等简单有限状态场景。
- Cola-StateMachine可以帮助开发者方便地管理业务对象的状态转换,提高开发效率。
可以说,Cola-StateMachine 很适合在电商等项目场景的使用
- 小结
状态机引擎 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|
Spring StateMachine | 1. 强大的生命周期管理 2. 易于集成 3. 良好的文档和社区支持 | 1. 学习曲线较陡峭 2. 可能增加项目复杂性 |
Squirrel StateMachine | 1. 轻量级 2. 简单易用 3. 性能高效 | 1. 功能相对有限 |
Cola-StateMachine | 1. 高度可扩展 2. 语义清晰、可读性强 3. 线程安全 | 1. 文档和社区支持相对较少 |
2 Cola-StateMachine
2.1 核心概念
- State:状态
- Event:事件,状态由事件触发,引起变化
- Transition:流转,表示从一个状态到另一个状态
- External Transition:外部流转,两个不同状态之间的流转
- Internal Transition:内部流转,同一个状态之间的流转
- Condition:条件,表示是否允许到达某个状态
- Action:动作,到达某个状态之后,可以做什么
- StateMachine:状态机
2.2 状态流转模型的实现步骤
具体来说,Cola-StateMachine的流转模型可以通过以下步骤实现:
- 定义状态:使用连贯接口定义系统的不同状态,每个状态可以通过类或接口来表示。
- 定义事件:定义触发状态转换的事件,每个事件可以通过类或接口来表示。
- 定义转移:根据业务规则定义状态之间的关系和转换条件。在Cola-StateMachine中,可以使用transition()方法来定义转移,指定起始状态、结束状态、事件和条件等参数。
- 定义条件:使用condition()方法来定义是否允许到达某个状态。条件可以是一个布尔表达式或一个返回布尔值的函数。
- 定义动作:在状态转换过程中,可以定义一些动作来执行特定的操作。使用action()方法来定义动作,指定一个执行特定操作的函数或Lambda表达式。
- 创建状态机实例:根据定义的流转模型,创建Cola-StateMachine的实例。通过实例化状态机对象,可以控制系统的状态转换和行为。
- 触发状态转换:通过调用状态机实例的方法来触发状态转换。根据事件的类型和条件,状态机会自动执行相应的动作并更新系统的状态。
通过以上步骤,Cola-StateMachine的流转模型可以帮助开发者实现清晰的状态转换逻辑和控制流程。
2.3 核心API
StateMachine
状态机接口定义
public interface StateMachine<S, E, C> extends Visitable{
/**
* Verify if an event {@code E} can be fired from current state {@code S}
* @param sourceStateId
* @param event
* @return
*/
boolean verify(S sourceStateId,E event);
/**
* Send an event {@code E} to the state machine.
*
* @param sourceState the source state
* @param event the event to send
* @param ctx the user defined context
* @return the target state
*/
S fireEvent(S sourceState, E event, C ctx);
/**
* MachineId is the identifier for a State Machine
* @return
*/
String getMachineId();
/**
* Use visitor pattern to display the structure of the state machine
*/
void showStateMachine();
String generatePlantUML();
}
-
首先,泛型机接口声明了3个泛型类,
S
表示状态类型,E
表示事件类型,C
表示上下文类型 -
接口定义了以下方法:
- verify(S sourceStateId, E event):验证当前状态是否可以接收指定事件,返回布尔值。该方法是状态机进行状态转换前的预处理过程,可以根据业务规则和当前状态来判断事件是否合法。
- fireEvent(S sourceState, E event, C ctx):将指定事件发送给状态机,触发状态转换,并返回目标状态。该方法是状态机进行状态转换的核心逻辑,可以根据当前状态和事件来计算出目标状态,并执行相应的动作或逻辑。
- getMachineId():获取状态机的唯一标识符。该方法可以用于区分不同的状态机实例,方便进行管理和监控。
- showStateMachine():使用访问者模式展示状态机的结构。该方法可以将状态机的状态、事件、转移规则等信息以图形化形式展示出来,方便理解和调试。
- generatePlantUML():生成PlantUML格式的状态机图。该方法可以将状态机的信息以PlantUML语言的形式输出,方便进行文档记录和分享。
2.3 Cola 状态机框架的3种流转模式
StateMachineBuilder<States, Events, Context> builder = StateMachineBuilderFactory.create();
//external transition
builder.externalTransition()
.from(States.STATE1)
.to(States.STATE2)
.on(Events.EVENT1)
.when(checkCondition())
.perform(doAction());
//internal transition
builder.internalTransition()
.within(States.STATE2)
.on(Events.INTERNAL_EVENT)
.when(checkCondition())
.perform(doAction());
//external transitions
builder.externalTransitions()
.fromAmong(States.STATE1, States.STATE2, States.STATE3)
.to(States.STATE4)
.on(Events.EVENT4)
.when(checkCondition())
.perform(doAction());
builder.build(machineId);
StateMachine<States, Events, Context> stateMachine = StateMachineFactory.get(machineId);
stateMachine.showStateMachine();
2.4 Cola-StateMachine的集成与使用
以订单状态机为例,使用cola-statemachine实现一个状态机
step1 引入依赖
添加依赖,Spring Boot 项目依赖如下
<dependency>
<groupId>com.alibaba.cola</groupId>
<artifactId>cola-component-statemachine</artifactId>
<version>4.4.0</version>
</dependency>
step2 定义状态
创建一个枚举类来给我们的订单定义状态
@Getter
public enum OrderStatusEnum {
INITIAL(0,"初始状态"),
PAY_PENDING(1,"待支付"),
PAY_FAILED(3,"支付失败"),
PAY_SUCCESS(4,"已支付"),
CANCELED("已取消"),
;
private int statusCode;
private String statusDesc;
OrderStatusEnum(int statusCode, String statusDesc) {
this.statusCode = statusCode;
this.statusDesc = statusDesc;
}
}
step3 定义事件
同样的,我们用枚举来定义一个事件枚举类
/**
* 订单事件枚举类
*/
@Getter
public enum OrderEventEnum {
CREATE_ORDER, // 创建订单
PAYING, //订单支付确认
PAY_SUCCESS, //订单支付成功
PAY_FAIL //支付失败
;
}
step4 定义上下文
- 在状态机接口中有一个泛型C用来表示状态机的上下文信息,使用上下文信息,我们可以在状态转换过程中传递一些额外的数据和参数,方便进行状态机的状态转换和业务逻辑的处理。
上下文类可以帮我们传递参数,比如下面的上下文可以帮我们传递订单ID和金额
/**
* 上下文信息类
*/
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
@Data
public class OrderContext {
/**
* 订单ID
*/
private String orderId;
/**
* 订单金额
*/
private Integer payAmount;
}
step5 定义状态机处理器
- 在我们构造状态机的转移规则时,需要使用到两个方法:
- 过滤条件方法 when(Condition condition)
- 转换过程中要执行的动作 perform(Action<S, E, C> action);
这两个方法需要我们提供一个
Condition condition
和Action<S, E, C> action
,为了方便管理和整洁,我们可以定义一个接口,然后定义两个方法提供这两个参数
下面,我就定义一个处理器接口,定义一个 condition()
方法用于返回条件对象, action()
用于我们执行的动作
状态机处理器接口如下:
StateMachineHandler
/**
* 处理器接口,用于定义状态扭转的条件和执行的动作
* @param <S>
* @param <E>
* @param <C>
*/
public interface StateMachineHandler <S,E,C>{
/**
* 过滤条件
* @return
*/
Condition<C> condition();
/**
* 执行动作
* @return
*/
Action<S, E, C> action();
}
condition()
:在状态机处理过程中,当某个事件发生并试图进行状态转移时,会先检查当前条件是否满足。条件通常根据上下文信息来决定是否允许状态转换。条件对象(Condition)表示在当前状态和事件下是否应该执行该处理器。
action()
: 当状态转移被允许后,该动作将会被执行。动作(Action)通常定义了状态转移前后需要执行的操作,比如数据库更新、发送消息等。如果返回值为null
,则表示不需要执行任何操作。
Condition
Condition 是一个JDK自带的泛型接口,其中的类型参数 C 表示上下文类型。
public interface Condition<C> {
/**
* @param context context object
* @return whether the context satisfied current condition
*/
boolean isSatisfied(C context);
default String name(){
return this.getClass().getSimpleName();
}
}
Condition 接口定义了一个 isSatisfied()
方法,该方法接收一个上下文对象,并返回一个布尔值,表示该上下文对象是否满足当前条件,符合返回true
Action
Action 是一个泛型接口,其中的类型参数 S 表示状态类型,E 表示事件类型,C 表示上下文类型。
public interface Action<S, E, C> {
public void execute(S from, S to, E event, C context);
}
-
Action 接口定义了一个 execute() 方法,该方法接收起始状态 from、目标状态 to、触发事件 event 和上下文对象 context,用于执行相应的动作。
-
type(): 表示这个处理器的类型或标识。这可以用于区分不同的处理器,并在状态机配置中引用它们。
step6 创建 CreateOrderHandler : 由创始状态到待支付的创建订单事件处理器
我创建一个由创始状态到待支付的创建订单事件处理器
/**
* 创建订单的处理器
*/
@Component
public class CreateOrderHandler implements StateMachineHandler<OrderStatusEnum, OrderEventEnum, OrderContext> {
@Override
public Condition<OrderContext> condition() {
//进行条件判断,这里是通过上下文获取订单金额,订单金额大于0就符合条件
return (context -> {return context.getPayAmount()>0;});
}
@Override
public Action<OrderStatusEnum, OrderEventEnum, OrderContext> action() {
//执行逻辑操作
return (from,to,event,context)->{ // 即 : CreateOrderAction
//生成订单等操作,具体逻辑大家按实际情况实现
};
}
}
CreateOrderAction
public class CreateOrderAction implements Action<OrderStatusEnum, OrderEventEnum, OrderContext> {
@Override
public void execute(OrderStatusEnum from, OrderStatusEnum to, OrderEventEnum event, OrderContext context) {
// ...
// 1.获取状态机
StateMachine<OrderStatusEnum, OrderEventEnum, OrderContext> stateMachine = getStateMachine();
// 2.组状态机 messageContext
OrderContext orderContext = buildContext();
// 3.状态机事件触发
stateMachine.fireEvent(OrderStatusEnum.INIT, OrderEventEnum.CREATE_ORDER, orderContext);
// ...
}
}
step7 状态机配置,构建状态扭转规则
状态机配置,构建状态扭转规则
-
配置不同状态下对不同事件的响应,也就是如何从一个状态转移到另一个状态
-
我们通过在配置类中配置StateMachine来实现,下面是一个简单的StateMachine配置类,我只配置了创建订单的状态转换,还有其他状态转换,可以按照创建订单这个模式进行配置
@Slf4j
@Configuration
public class StateMachineConfig {
/**
* 状态机ID
*/
private static final String MACHINE_ID = "Order_StateMachine";
@Autowired
private CreateOrderHandler createOrderHandler;
/**
* 状态机配置
* @return
*/
@Bean
public StateMachine<OrderStatusEnum,OrderEventEnum,OrderContext> stateMachine(){
//创建 一个StateMachineBuilder 实例,用于构建和配置状态机
StateMachineBuilder<OrderStatusEnum,OrderEventEnum,OrderContext> builder = StateMachineBuilderFactory.create();
//创建订单事件
/** 单个起始状态-外部状态流转 | 描述:订单起始状态为“初始化”,当发生“创建订单”事件执行状态转义,当满足 CheckCondition 时,执行 CreateOrderAction。 **/
builder.externalTransition()
.from(OrderStatusEnum.INITIAL)
.to(OrderStatusEnum.PAY_PENDING)
.on(OrderEventEnum.CREATE_ORDER)
.when(createOrderHandler.condition())
.perform(createOrderHandler.action());
//创建状态机
StateMachine<OrderStatusEnum, OrderEventEnum, OrderContext> build = builder.build(MACHINE_ID);
return build;
}
}
- 配置解析:
- 通过
StateMachineBuilderFactory.create()
方法创建了一个StateMachineBuilder
的实例,并使用泛型参数<OrderStatusEnum,OrderEventEnum,OrderContext>
指定了状态、事件和上下文类型。- 使用
builder.externalTransition()
方法开始配置一个外部转移(external transition
),表示在接收到特定事件时从一个状态转移到另一个状态。- 通过
.from(OrderStatusEnum.INITIAL)
指定了转移的起始状态为OrderStatusEnum.INITIAL
。
- 有时候,可能会有多个起始状态,这就要使用
fromAmong
方法
例如.fromAmong(OrderStatusEnum.INITIAL,OrderStatusEnum.PAY_PENDING)
- 通过 .to(OrderStatusEnum.PAY_PENDING) 指定了转移的目标状态为 OrderStatusEnum.PAY_PENDING。
- 通过 .on(OrderEventEnum.CreateOrder) 指定了触发转移的事件为 OrderEventEnum.CreateOrder。
- 通过 .when(createOrderHandler.condition()) 指定了执行该转移的条件。代码中使用createOrderHandler的 condition() 方法获取条件对象。
- 通过 .perform(createOrderHandler.action()) 指定了转移时要执行的动作。使用 createOrderHandler的 action() 方法获取动作对象。
总结一下:from指定起始状态,to指定目标状态,on指定触发事件,when指定转移条件,perform指定状态转移时执行的动作
内部状态扭转
-
除了外部状态流转,状态机还有一种内部状态流转
-
内部状态流转是指当一个事件发生时,状态机并不切换到新的状态,而是在当前状态下执行一些操作或者更新内部状态,但保持在同一个状态内。
这种情况下,尽管状态看起来没有改变,但实际上可能进行了某种处理或者完成了某些业务逻辑。
- 内部状态流转的配置如下
builder.internalTransition()
.within(OrderState.WAIT_PAYMENT)
.on(OrderStatusChangeEvent.PAYED)
.when(checkCondition())
.perform(doAction());
可以看到内部流转没有目标状态,只有一个within
的内部流转状态和一个on
触发事件
上面例子的内部转换发生在WAIT_PAYMENT
状态下,当发生PAYED
事件时执行状态流转,当满足checkCondition()
时,执行doAction
操作,执行成功则返回状态WAIT_PAYMENT
,即状态没有发生改变,只是执行了某些操作
step8 触发事件
- 当我们触发一个事件、并想执行相应的状态转换时,就可以使用fireEvent方法进行操作
//构造上下文对象
OrderContext orderContext = new OrderContext();;
//根据状态机ID获取状态机
StateMachine<OrderStatusEnum, OrderEventEnum, OrderContext> stateMachine =
StateMachineFactory.get(MACHINE_ID);
//将指定事件发送给状态机,第一个参数为当前状态,第二个参数为触发事件,第三个参数为上下文对象
OrderStatusEnum resultOrderStatusEnum = stateMachine.fireEvent(OrderStatusEnum.INITIAL, OrderEventEnum.CreateOrder, orderContext);
// 根据返回的目标状态进行相应操作
if (resultOrderStatusEnum == OrderStatusEnum.PAY_PENDING) {
// 状态转换成功后的其他业务逻辑处理
} else {
// 异常的状态转换处理逻辑
}
StateMachine
的fireEvent()方法用于触发状态机上的事件并执行相应的状态转换。这个方法通常接收三个参数:sourceState
: 当前的状态(源状态)。event
: 需要触发的事件。context
: 用户自定义的上下文对象,可能包含与当前状态或事件关联的数据。
X 参考文献
- 状态(机)模式 - 博客园
- Cola
标签:状态,定义,StateMachine,流转,状态机,事件,设计模式,轻量 From: https://www.cnblogs.com/johnnyzen/p/18406389基于 Cola