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技術之路不迷路~

前言

在平常的后端項目開發(fā)中，狀態(tài)機模式的使用其實沒有大家想象中那么常見，筆者之前由于不在電商領域工作，很少在業(yè)務代碼中用狀態(tài)機來管理各種狀態(tài)，一般都是手動get/set狀態(tài)值。去年筆者進入了電商領域從事后端開發(fā)。電商領域，狀態(tài)又多又復雜，如果仍然在業(yè)務代碼中東一塊西一塊維護狀態(tài)值，很容易陷入出了問題難于Debug，難于追責的窘境。

碰巧有個新啟動的項目需要進行訂單狀態(tài)的管理，我著手將Spring StateMachine接入了進來，管理購物訂單狀態(tài)，不得不說，Spring StateMachine全家桶的文檔寫的是不錯，并且Spring StateMachine也是有官方背書的。但是，它實在是太”重“了，想要簡單修改一個訂單的狀態(tài)，需要十分復雜的代碼來實現(xiàn)。具體就不在這里展開了，不然我感覺可以吐槽一整天。

說到底Spring StateMachine上手難度非常大，如果沒有用來做重型狀態(tài)機的需求，十分不推薦普通的小項目進行接入。

最最重要的是，由于Spring StateMachine狀態(tài)機實例不是無狀態(tài)的，無法做到線程安全，所以代碼要么需要使用鎖同步，要么需要用Threadlocal，非常的痛苦和難用。 例如下面的Spring StateMachine代碼就用了重量級鎖保證線程安全，在高并發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應用中，這種頻繁的獲取釋放鎖會造成嚴重的性能問題。

private?synchronized?boolean?sendEvent(Message?message,?OrderEntity?orderEntity)?{
????????boolean?result?=?false;
????????try?{
????????????stateMachine.start();
????????????//?嘗試恢復狀態(tài)機狀態(tài)
????????????persister.restore(stateMachine,?orderEntity);
????????????//?執(zhí)行事件
????????????result?=?stateMachine.sendEvent(message);
????????????//?持久化狀態(tài)機狀態(tài)
????????????persister.persist(stateMachine,?(OrderEntity)?message.getHeaders().get("purchaseOrder"));
????????}?catch?(Exception?e)?{
????????????log.error("sendEvent?error",?e);
????????}?finally?{
????????????stateMachine.stop();
????????}
????????return?result;
????}

吃了一次虧后，我再一次在網(wǎng)上翻閱各種Java狀態(tài)機的實現(xiàn)，有大的開源項目，也有小而美的個人實現(xiàn)。結果在COLA架構中發(fā)現(xiàn)了COLA還寫了一套狀態(tài)機實現(xiàn)。COLA的作者給我們提供了一個無狀態(tài)的，輕量化的狀態(tài)機，接入十分簡單。并且由于無狀態(tài)的特點，可以做到線程安全，支持電商的高并發(fā)場景。

COLA是什么？如果你還沒聽說過COLA，不妨看一看我之前的文章，傳送門如下：

https://mp.weixin.qq.com/s/07i3FjcFrZ8rxBCACgeWVQ

如果你確實需要在項目中引入狀態(tài)機，此時此刻，我會推薦使用COLA狀態(tài)機。

COLA狀態(tài)機介紹

COLA狀態(tài)機是在Github開源的，作者也寫了介紹文章：

https://blog.csdn.net/significantfrank/article/details/104996419

官方文章的前半部分重點介紹了DSL（Domain Specific Languages），這一部分比較抽象和概念化，大家感興趣，可以前往原文查看。我精簡一下DSL的主要含義：

什么是DSL? DSL是一種工具，它的核心價值在于，它提供了一種手段，可以更加清晰地就系統(tǒng)某部分的意圖進行溝通。
比如正則表達式，/\d{3}-\d{3}-\d{4}/就是一個典型的DSL，解決的是字符串匹配這個特定領域的問題。

文章的后半部分重點闡述了作者為什么要做COLA狀態(tài)機？想必這也是讀者比較好奇的問題。我?guī)痛蠹揖喴幌略牡谋硎觯?/p>

首先，狀態(tài)機的實現(xiàn)應該可以非常的輕量，最簡單的狀態(tài)機用一個Enum就能實現(xiàn)，基本是零成本。
其次，使用狀態(tài)機的DSL來表達狀態(tài)的流轉，語義會更加清晰，會增強代碼的可讀性和可維護性。
開源狀態(tài)機太復雜：就我們的項目而言（其實大部分項目都是如此）。我實在不需要那么多狀態(tài)機的高級玩法：比如狀態(tài)的嵌套（substate），狀態(tài)的并行（parallel，fork，join）、子狀態(tài)機等等。
開源狀態(tài)機性能差：這些開源的狀態(tài)機都是有狀態(tài)的（Stateful）的，因為有狀態(tài)，狀態(tài)機的實例就不是線程安全的，而我們的應用服務器是分布式多線程的，所以在每一次狀態(tài)機在接受請求的時候，都不得不重新build一個新的狀態(tài)機實例。

所以COLA狀態(tài)機設計的目標很明確，有兩個核心理念：

簡潔的僅支持狀態(tài)流轉的狀態(tài)機，不需要支持嵌套、并行等高級玩法。
狀態(tài)機本身需要是Stateless（無狀態(tài)）的，這樣一個Singleton Instance就能服務所有的狀態(tài)流轉請求了。

COLA狀態(tài)機的核心概念如下圖所示，主要包括：

State：狀態(tài) Event：事件，狀態(tài)由事件觸發(fā)，引起變化 Transition：流轉，表示從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài) External Transition：外部流轉，兩個不同狀態(tài)之間的流轉 Internal Transition：內部流轉，同一個狀態(tài)之間的流轉 Condition：條件，表示是否允許到達某個狀態(tài) Action：動作，到達某個狀態(tài)之后，可以做什么 StateMachine：狀態(tài)機

COLA狀態(tài)機原理

這一小節(jié)，我們先講幾個COLA狀態(tài)機最重要兩個部分，一個是它使用的連貫接口，一個是狀態(tài)機的注冊和使用原理。如果你暫時對它的實現(xiàn)原理不感興趣，可以直接跳過本小節(jié)，直接看后面的實戰(zhàn)代碼部分。

PS：講解的代碼版本為cola-component-statemachine 4.2.0-SNAPSHOT

下圖展示了COLA狀態(tài)機的源代碼目錄，可以看到非常的簡潔。

1. 連貫接口 Fluent Interfaces

COLA狀態(tài)機的定義使用了連貫接口Fluent Interfaces，連貫接口的一個重要作用是，限定方法調用的順序。比如，在構建狀態(tài)機的時候，我們只有在調用了from方法后，才能調用to方法，Builder模式?jīng)]有這個功能。

下圖中可以看到，我們在使用的時候是被嚴格限制的：

StateMachineBuilder?builder?=?StateMachineBuilderFactory.create();
????????builder.externalTransition()
????????????????.from(States.STATE1)
????????????????.to(States.STATE2)
????????????????.on(Events.EVENT1)
????????????????.when(checkCondition())
????????????????.perform(doAction());

這是如何實現(xiàn)的？其實是使用了Java接口來實現(xiàn)。

2. 狀態(tài)機注冊和觸發(fā)原理

這里簡單梳理一下狀態(tài)機的注冊和觸發(fā)原理。

用戶執(zhí)行如下代碼來創(chuàng)建一個狀態(tài)機，指定一個MACHINE_ID：

StateMachine?stateMachine?=?builder.build(MACHINE_ID);

COLA會將該狀態(tài)機在StateMachineFactory類中，放入一個ConcurrentHashMap，以狀態(tài)機名為key注冊。

static?Map?stateMachineMap?=?new?ConcurrentHashMap<>();

注冊好后，用戶便可以使用狀態(tài)機，通過類似下方的代碼觸發(fā)狀態(tài)機的狀態(tài)流轉：

stateMachine.fireEvent(StateMachineTest.States.STATE1,?StateMachineTest.Events.EVENT1,?new?Context("1"));

內部實現(xiàn)如下：

首先判斷COLA狀態(tài)機整個組件是否初始化完成。
通過routeTransition尋找是否有符合條件的狀態(tài)流轉。
transition.transit執(zhí)行狀態(tài)流轉。

transition.transit方法中：

檢查本次流轉是否符合condition，符合，則執(zhí)行對應的action。

COLA狀態(tài)機實戰(zhàn)

**PS：以下實戰(zhàn)代碼取自COLA官方倉庫測試類

一、狀態(tài)流轉使用示例

從單一狀態(tài)流轉到另一個狀態(tài)

@Test
public?void?testExternalNormal(){
????StateMachineBuilder?builder?=?StateMachineBuilderFactory.create();
????builder.externalTransition()
????????????.from(States.STATE1)
????????????.to(States.STATE2)
????????????.on(Events.EVENT1)
????????????.when(checkCondition())
????????????.perform(doAction());

????StateMachine?stateMachine?=?builder.build(MACHINE_ID);
????States?target?=?stateMachine.fireEvent(States.STATE1,?Events.EVENT1,?new?Context());
????Assert.assertEquals(States.STATE2,?target);
}

private?Condition?checkCondition()?{
??return?(ctx)?->?{return?true;};
}

private?Action?doAction()?{
????return?(from,?to,?event,?ctx)->{
????????System.out.println(ctx.operator+"?is?operating?"+ctx.entityId+"?from:"+from+"?to:"+to+"?on:"+event);
????????};
}

可以看到，每次進行狀態(tài)流轉時，檢查checkCondition()，當返回true，執(zhí)行狀態(tài)流轉的操作doAction()。

后面所有的checkCondition()和doAction()方法在下方就不再重復貼出了。

從多個狀態(tài)流傳到新的狀態(tài)

@Test
public?void?testExternalTransitionsNormal(){
????StateMachineBuilder?builder?=?StateMachineBuilderFactory.create();
????builder.externalTransitions()
????????????.fromAmong(States.STATE1,?States.STATE2,?States.STATE3)
????????????.to(States.STATE4)
????????????.on(Events.EVENT1)
????????????.when(checkCondition())
????????????.perform(doAction());

????StateMachine?stateMachine?=?builder.build(MACHINE_ID+"1");
????States?target?=?stateMachine.fireEvent(States.STATE2,?Events.EVENT1,?new?Context());
????Assert.assertEquals(States.STATE4,?target);
}

狀態(tài)內部觸發(fā)流轉

@Test
public?void?testInternalNormal(){
????StateMachineBuilder?builder?=?StateMachineBuilderFactory.create();
????builder.internalTransition()
????????????.within(States.STATE1)
????????????.on(Events.INTERNAL_EVENT)
????????????.when(checkCondition())
????????????.perform(doAction());
????StateMachine?stateMachine?=?builder.build(MACHINE_ID+"2");

????stateMachine.fireEvent(States.STATE1,?Events.EVENT1,?new?Context());
????States?target?=?stateMachine.fireEvent(States.STATE1,?Events.INTERNAL_EVENT,?new?Context());
????Assert.assertEquals(States.STATE1,?target);
}

多線程測試并發(fā)測試

@Test
public?void?testMultiThread(){
?buildStateMachine("testMultiThread");

??for(int?i=0?;?i<10?;?i++){
???Thread?thread?=?new?Thread(()->{
??????StateMachine?stateMachine?=?StateMachineFactory.get("testMultiThread");
??????States?target?=?stateMachine.fireEvent(States.STATE1,?Events.EVENT1,?new?Context());
??????Assert.assertEquals(States.STATE2,?target);
??????});
??????thread.start();
????}


????for(int?i=0?;?i<10?;?i++)?{
??????Thread?thread?=?new?Thread(()?->?{
??????StateMachine?stateMachine?=?StateMachineFactory.get("testMultiThread");
??????States?target?=?stateMachine.fireEvent(States.STATE1,?Events.EVENT4,?new?Context());
??????Assert.assertEquals(States.STATE4,?target);
??????});
??????thread.start();
????}

????for(int?i=0?;?i<10?;?i++)?{
??????Thread?thread?=?new?Thread(()?->?{
??????StateMachine?stateMachine?=?StateMachineFactory.get("testMultiThread");
??????States?target?=?stateMachine.fireEvent(States.STATE1,?Events.EVENT3,?new?Context());
??????Assert.assertEquals(States.STATE3,?target);
??????});
??????thread.start();
??}

}

由于COLA狀態(tài)機時無狀態(tài)的狀態(tài)機，所以性能是很高的。相比起來，SpringStateMachine由于是有狀態(tài)的，就需要使用者自行保證線程安全了。

二、多分支狀態(tài)流轉示例

/**
*?測試選擇分支，針對同一個事件：EVENT1
*?if?condition?==?"1",?STATE1?-->?STATE1
*?if?condition?==?"2"?,?STATE1?-->?STATE2
*?if?condition?==?"3"?,?STATE1?-->?STATE3
*/
@Test
public?void?testChoice(){
??StateMachineBuilder?builder?=?StateMachineBuilderFactory.create();
??builder.internalTransition()
??.within(StateMachineTest.States.STATE1)
??.on(StateMachineTest.Events.EVENT1)
??.when(checkCondition1())
??.perform(doAction());
??builder.externalTransition()
??.from(StateMachineTest.States.STATE1)
??.to(StateMachineTest.States.STATE2)
??.on(StateMachineTest.Events.EVENT1)
??.when(checkCondition2())
??.perform(doAction());
??builder.externalTransition()
??.from(StateMachineTest.States.STATE1)
??.to(StateMachineTest.States.STATE3)
??.on(StateMachineTest.Events.EVENT1)
??.when(checkCondition3())
??.perform(doAction());

??StateMachine?stateMachine?=?builder.build("ChoiceConditionMachine");
??StateMachineTest.States?target1?=?stateMachine.fireEvent(StateMachineTest.States.STATE1,?StateMachineTest.Events.EVENT1,?new?Context("1"));
??Assert.assertEquals(StateMachineTest.States.STATE1,target1);
??StateMachineTest.States?target2?=?stateMachine.fireEvent(StateMachineTest.States.STATE1,?StateMachineTest.Events.EVENT1,?new?Context("2"));
??Assert.assertEquals(StateMachineTest.States.STATE2,target2);
??StateMachineTest.States?target3?=?stateMachine.fireEvent(StateMachineTest.States.STATE1,?StateMachineTest.Events.EVENT1,?new?Context("3"));
??Assert.assertEquals(StateMachineTest.States.STATE3,target3);
??}

可以看到，編寫一個多分支的狀態(tài)機也是非常簡單明了的。

三、通過狀態(tài)機反向生成PlantUml圖

沒想到吧，還能通過代碼定義好的狀態(tài)機反向生成plantUML圖，實現(xiàn)狀態(tài)機的可視化。（可以用圖說話，和產(chǎn)品對比下狀態(tài)實現(xiàn)的是否正確了。）

四、特殊使用示例

不滿足狀態(tài)流轉條件時的處理

@Test
public?void?testConditionNotMeet(){
??StateMachineBuilder?builder?=?StateMachineBuilderFactory.create();
??builder.externalTransition()
??.from(StateMachineTest.States.STATE1)
??.to(StateMachineTest.States.STATE2)
??.on(StateMachineTest.Events.EVENT1)
??.when(checkConditionFalse())
??.perform(doAction());

??StateMachine?stateMachine?=?builder.build("NotMeetConditionMachine");
??StateMachineTest.States?target?=?stateMachine.fireEvent(StateMachineTest.States.STATE1,?StateMachineTest.Events.EVENT1,?new?StateMachineTest.Context());
??Assert.assertEquals(StateMachineTest.States.STATE1,target);
}

可以看到，當checkConditionFalse()執(zhí)行時，永遠不會滿足狀態(tài)流轉的條件，則狀態(tài)不會變化，會直接返回原來的STATE1。相關源碼在這里：

重復定義相同的狀態(tài)流轉

@Test(expected?=?StateMachineException.class)
public?void?testDuplicatedTransition(){
??StateMachineBuilder?builder?=?StateMachineBuilderFactory.create();
??builder.externalTransition()
??.from(StateMachineTest.States.STATE1)
??.to(StateMachineTest.States.STATE2)
??.on(StateMachineTest.Events.EVENT1)
??.when(checkCondition())
??.perform(doAction());

??builder.externalTransition()
??.from(StateMachineTest.States.STATE1)
??.to(StateMachineTest.States.STATE2)
??.on(StateMachineTest.Events.EVENT1)
??.when(checkCondition())
??.perform(doAction());
}

會在第二次builder執(zhí)行到on(StateMachineTest.Events.EVENT1)函數(shù)時，拋出StateMachineException異常。拋出異常在on()的verify檢查這里，如下：

重復定義狀態(tài)機

@Test(expected?=?StateMachineException.class)
public?void?testDuplicateMachine(){
??StateMachineBuilder?builder?=?StateMachineBuilderFactory.create();
??builder.externalTransition()
??.from(StateMachineTest.States.STATE1)
??.to(StateMachineTest.States.STATE2)
??.on(StateMachineTest.Events.EVENT1)
??.when(checkCondition())
??.perform(doAction());

??builder.build("DuplicatedMachine");
??builder.build("DuplicatedMachine");
}

會在第二次build同名狀態(tài)機時拋出StateMachineException異常。拋出異常的源碼在狀態(tài)機的注冊函數(shù)中，如下：

結語

為了不把篇幅拉得過長，在這里無法詳細地橫向對比幾大主流狀態(tài)機（Spring Statemachine，Squirrel statemachine等）和COLA的區(qū)別，不過基于筆者在Spring Statemachine踩過的深坑，目前來看，COLA狀態(tài)機的簡潔設計適合用在訂單管理等小型狀態(tài)機的維護，如果你想要在你的項目中接入狀態(tài)機，又不需要嵌套、并行等高級玩法，那么COLA是個十分合適的選擇。

我是后端工程師，蠻三刀醬。

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