Spring State Machine（状态机）入门

2023-12-27

说起 Spring 状态机，大家很容易联想到这个状态机和设计模式中状态模式的区别是啥呢？没错，Spring 状态机就是状态模式的一种实现，在介绍 Spring 状态机之前，让我们先来看看设计模式中的状态模式。

1、状态模式

状态模式的定义如下：

状态模式（State Pattern） 是一种行为型设计模式，它允许对象在内部状态发生变化时改变其行为。在状态模式中，一个对象的行为取决于其当前状态，而且可以随时改变这个状态。状态模式将对象的状态封装在不同的状态类中，从而使代码更加清晰和易于维护。当一个对象的状态改变时，状态模式会自动更新该对象的行为，而不需要在代码中手动进行判断和处理。

通常业务系统中会存在一些拥有状态的对象，而且这些状态之间可以进行转换，并且在不同的状态下会表现出不同的行为或者不同的功能，比如交通灯控制系统中会存在红灯、绿灯和黄灯，再比如订单系统中的订单会存在已下单、待支付、待发货、待收货等状态，这些状态会通过不同的行为进行相互转换，这时候在系统设计时就可以使用状态模式。

下面是 状态模式 的类图：

状态模式

可以看到状态模式主要包含三种类型的角色：

上下文（Context）：封装了状态的实例，负责维护状态实例，并将请求委托给当前的状态对象。
抽象状态（State）：定义了表示不同状态的接口，并封装了该状态下的行为。所有具体状态都实现这个接口。
具体状态（Concrete State）：具体实现了抽象状态角色的接口，并封装了该状态下的行为。

下面是使用状态模式实现 红绿灯 状态变更的一个简单案例：

抽象状态类：

/**
 * @description: 抽象状态类
 */
public abstract class MyState {
    abstract void handler();
}

具体状态类 A：

/**
 * @description: 具体状态A
 */
public class RedLightState extends MyState{

    @Override
    void handler() {
        System.out.println("红灯停");
    }
}

具体状态类 B：

/**
 * @description: 具体状态B
 */
public class GreenLightState extends MyState{

    @Override
    void handler() {
        System.out.println("绿灯行");
    }
}

上下文类：维护当前状态对象，并提供了切换状态的方法。

/**
 * @description: 环境类
 */
public class MyContext {

    private MyState state;

    public void setState(MyState state) {
        this.state = state;
    }

    public void handler() {
        state.handler();
    }
}

测试类：

/**
 * @description: 测试状态模式
 */
public class TestStateModel {
    public static void main(String[] args) {
        MyContext myContext = new MyContext();

        RedLightState redLightState = new RedLightState();
        GreenLightState greenLightState = new GreenLightState();

        myContext.setState(redLightState);
        myContext.handler(); //红灯停

        myContext.setState(greenLightState);
        myContext.handler(); //绿灯行
    }
}

下图是对应的执行结果：

状态机执行结果

可以发现，使用状态模式中的状态类在一定程度上也消除了 if/else 逻辑校验，看到这里，有些人可能会有疑问：状态模式和策略模式的区别是什么呢？

状态模式更关注对象在不同状态的行为和状态之间的流转，而策略模式更关注对象不同策略的选择。

上面我们介绍了设计模式中的状态模式，接下来我们来看看 Spring 状态机。

2、Spring State Machine（状态机）

状态机，也就是 State Machine ，不是指一台实际机器，而是指一个数学模型 。说白了，就是指一张状态转换图。状态机是状态模式的一种应用，相当于上下文角色的一个升级版。在工作流或游戏等各种系统中有大量使用，如各种工作流引擎，它几乎是状态机的子集和实现，封装状态的变化规则。Spring 也提供了一个很好的解决方案。Spring 中的组件名称就叫作状态机（StateMachine）。状态机帮助开发者简化状态控制的开发过程，让状态机结构更加层次化。

通过定义，我们很容易分析得到状态机应当具备一下几个要素：

当前状态：也就是状态流转的起始状态。
触发事件：引起状态之间流转的一些列动作。
响应函数：触发事件到下一个状态之间的规则。
目标状态：状态流转的目标状态。

对于组件化的状态机，当前使用较多的主要是两种：一种是 Spring 状态机，一种是 COLA 状态机，这两种状态机的对比如下表所示：

	Spring 状态机	COLA 状态机
API 调用	使用 Reactive 的 `Mono`、`Flux` 方式进行 API 调用	同步的 API 调用，如果有需要也可以将方法通过 MQ、定时任务、多线程等方式进行异步调用
代码量	core 包 284 个接口和类	36 个接口和类
生态	非常丰富	较为贫瘠
定制化难度	困难	简单

可以看到，Spring 状态机锁提供的内容较为丰富，当然对于自定义的支持就不如 COLA 状态机好，如果对自定义的需求比较高，那建议使用 COLA 状态机。

本文以 Spring 状态机为例，展示如何在业务系统中使用状态机。

为了便于大家了解 Spring 状态机的实现原理和使用方式以及其提供的功能，下面列出了官方文档和源码，感兴趣的话可以阅读阅读。

官方文档： docs.spring.io/spring-statemachine/docs/4.0.0/reference/index.html
源代码： github.com/spring-projects/spring-statemachine

3、Spring 状态机实现订单状态流转

对于状态模式，Spring 封装好了一个组件，就叫状态机（StateMachine）。Spring 状态机可以帮助我们开发者简化状态控制的开发过程，让状态机结构更加层次化。下面用 Spring 状态机模拟一个订单状态流转的过程。

3.1、环境准备

首先，如果要使用 spring 状态机，需要引入对应的 jar 包，这里我的 Spring Boot 版本是：2.2.1.RELEASE

<dependency>
    <groupId>org.springframework.statemachine</groupId>
    <artifactId>spring-statemachine-core</artifactId>
    <version>${springboot.version}</version>
</dependency>

下面是简化的订单的定义，以及订单状态和订单转换行为的枚举

/**
 * @description: 模拟订单类
 */
@Data
public class Order {
    private Long orderId;
    private OrderStatusEnum orderStatus;
}

/**
 * @description: 订单状态
 */
public enum OrderStatusEnum {
    // 待支付
    WAIT_PAYMENT,
    // 待发货
    WAIT_DELIVER,
    // 待收货
    WAIT_RECEIVE,
    // 完成
    FINISH;
}

/**
 * @description:订单状态转换行为
 */
public enum OrderStatusChangeEventEnum {
    //支付
    PAYED,
    //发货
    DELIVERY,
    //收货
    RECEIVED;
}

3.2、构造订单状态机

在引入 jar 包之后，需要构建一个针对订单状态流转的状态机

订单状态机配置类如下：

/**
 * @description: 订单状态机
 */
@Configuration
@EnableStateMachine
public class OrderStatusMachineConfig extends StateMachineConfigurerAdapter<OrderStatusEnum, OrderStatusChangeEventEnum> {

    /**
     * 配置状态
     */
    @Override
    public void configure(StateMachineStateConfigurer<OrderStatusEnum, OrderStatusChangeEventEnum> states) throws Exception {
        states.withStates()
                .initial(OrderStatusEnum.WAIT_PAYMENT)
                .end(OrderStatusEnum.FINISH)
                .states(EnumSet.allOf(OrderStatusEnum.class));
    }

    /**
     * 配置状态转换事件关系
     */
    @Override
    public void configure(StateMachineTransitionConfigurer<OrderStatusEnum, OrderStatusChangeEventEnum> transitions) throws Exception {
        transitions.withExternal().source(OrderStatusEnum.WAIT_PAYMENT).target(OrderStatusEnum.WAIT_DELIVER)
                .event(OrderStatusChangeEventEnum.PAYED)
                .and()
                .withExternal().source(OrderStatusEnum.WAIT_DELIVER).target(OrderStatusEnum.WAIT_RECEIVE)
                .event(OrderStatusChangeEventEnum.DELIVERY)
                .and()
                .withExternal().source(OrderStatusEnum.WAIT_RECEIVE).target(OrderStatusEnum.FINISH)
                .event(OrderStatusChangeEventEnum.RECEIVED);
    }
}

3.3、编写状态机监听器

监听状态变更事件，完成状态转换。

/**
 * @description: 状态监听
 */
@Component
@WithStateMachine
@Transactional
public class OrderStatusListener {
    @OnTransition(source = "WAIT_PAYMENT", target = "WAIT_DELIVER")
    public boolean payTransition(Message message) {
        Order order = (Order) message.getHeaders().get("order");
        order.setOrderStatus(OrderStatusEnum.WAIT_DELIVER);
        System.out.println("支付，状态机反馈信息：" + message.getHeaders().toString());
        return true;
    }

    @OnTransition(source = "WAIT_DELIVER", target = "WAIT_RECEIVE")
    public boolean deliverTransition(Message message) {
        Order order = (Order) message.getHeaders().get("order");
        order.setOrderStatus(OrderStatusEnum.WAIT_RECEIVE);
        System.out.println("发货，状态机反馈信息：" + message.getHeaders().toString());
        return true;
    }

    @OnTransition(source = "WAIT_RECEIVE", target = "FINISH")
    public boolean receiveTransition(Message message) {
        Order order = (Order) message.getHeaders().get("order");
        order.setOrderStatus(OrderStatusEnum.FINISH);
        System.out.println("收货，状态机反馈信息：" + message.getHeaders().toString());
        return true;
    }

}

3.4、编写订单服务类

模拟对订单的一些业务操作：

/**
 * @description: 订单服务
 */
@Service
public class OrderServiceImpl implements OrderService {

    @Resource
    private StateMachine<OrderStatusEnum, OrderStatusChangeEventEnum> orderStateMachine;

    private long id = 1L;

    private Map<Long, Order> orders = Maps.newConcurrentMap();

    @Override
    public Order create() {
        Order order = new Order();
        order.setOrderStatus(OrderStatusEnum.WAIT_PAYMENT);
        order.setOrderId(id++);
        orders.put(order.getOrderId(), order);
        System.out.println("订单创建成功:" + order.toString());
        return order;
    }

    @Override
    public Order pay(long id) {
        Order order = orders.get(id);
        System.out.println("尝试支付，订单号：" + id);
        Message message = MessageBuilder.withPayload(OrderStatusChangeEventEnum.PAYED).
                setHeader("order", order).build();
        if (!sendEvent(message)) {
            System.out.println(" 支付失败, 状态异常，订单号：" + id);
        }
        return orders.get(id);
    }

    @Override
    public Order deliver(long id) {
        Order order = orders.get(id);
        System.out.println(" 尝试发货，订单号：" + id);
        if (!sendEvent(MessageBuilder.withPayload(OrderStatusChangeEventEnum.DELIVERY)
                .setHeader("order", order).build())) {
            System.out.println(" 发货失败，状态异常，订单号：" + id);
        }
        return orders.get(id);
    }

    @Override
    public Order receive(long id) {
        Order order = orders.get(id);
        System.out.println(" 尝试收货，订单号：" + id);
        if (!sendEvent(MessageBuilder.withPayload(OrderStatusChangeEventEnum.RECEIVED)
                .setHeader("order", order).build())) {
            System.out.println(" 收货失败，状态异常，订单号：" + id);
        }
        return orders.get(id);
    }


    @Override
    public Map<Long, Order> getOrders() {
        return orders;
    }

    /**
     * 发送状态转换事件
     * @param message
     * @return
     */
    private synchronized boolean sendEvent(Message<OrderStatusChangeEventEnum> message) {
        boolean result = false;
        try {
            orderStateMachine.start();
            result = orderStateMachine.sendEvent(message);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (Objects.nonNull(message)) {
                Order order = (Order) message.getHeaders().get("order");
                if (Objects.nonNull(order) && Objects.equals(order.getOrderStatus(), OrderStatusEnum.FINISH)) {
                    orderStateMachine.stop();
                }
            }
        }
        return result;
    }
}

3.5、测试

这里编写一个 Controller，模拟 c 端用户请求，为了便于展示，这里使用一个测试方法完成所有的操作

@RestController
public class OrderController {

    @Resource
    private OrderService orderService;

    @RequestMapping("/testOrderStatusChange")
    public String testOrderStatusChange(){
        orderService.create();
        orderService.create();
        orderService.pay(1L);
        orderService.deliver(1L);
        orderService.receive(1L);
        orderService.pay(2L);
        orderService.deliver(2L);
        orderService.receive(2L);
        System.out.println("全部订单状态：" + orderService.getOrders());
        return "success";
    }

}

下面是对应的执行结果：

状态机执行结果

可以看到 Spring 状态机很好的控制了订单在各个状态之间的流转。

4、思考

针对状态机的特点，还有其他思路实现一个状态机吗？下面是一些常规思路！

消息队列方式

订单状态的流转可以通过 MQ 发布一个事件，消费者根据业务条件把订单状态进行流转，可以根据不同的事件发送到不同的 Topic。
定时任务驱动

每隔一段时间启动一下 job，根据特定的状态从数据库中拿对应的订单记录，然后判断订单是否有条件到达下一个状态。
规则引擎方式

业务团队可以在规则引擎里编写一系列的状态及其对应的转换规则，由规则引擎根据已经加载的规则对输入数据进行解析，根据解析的结果执行相应的动作，完成状态流转。

5、总结

本文主要介绍了设计模式中的状态模式，并在此基础上介绍了 Spring 状态机相关的概念，并根据常见的订单流转场景，介绍了 Spring 状态机的使用方式。

Ref：https://my.oschina.net/u/4090830/blog/10322627