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深入了解 Spring 状态机：入门篇

在复杂的企业应用开发中，我们经常需要处理业务对象在不同状态之间根据特定事件进行流转的场景。例如，一个订单可能有“待支付”、“已支付”、“已发货”、“已完成”、“已取消”等状态；一个审批流程可能包含“草稿”、“待审批”、“审批中”、“审批通过”、“审批拒绝”等环节。如果使用大量的 if/else if 或 switch 语句来管理这些状态和转换逻辑，代码会变得非常冗长、难以理解和维护，并且容易出错。

状态机（State Machine）作为一种行为设计模式，提供了一种结构化的方式来建模和管理对象在其生命周期内的状态变化。它通过明确定义状态、事件以及状态之间的转换规则，使得复杂的状态流转逻辑变得清晰和可控。

Spring State Machine (SSM) 是 Spring 生态系统中的一个子项目，它提供了一个强大的框架，用于在 Spring 应用程序中创建和管理状态机。SSM 充分利用了 Spring 的特性，如依赖注入 (DI)、面向切面编程 (AOP) 和事务管理，使得状态机的构建、配置和集成变得非常方便。

本文将作为 Spring State Machine 的入门篇，带领读者深入了解状态机的基本概念，探讨为什么选择 Spring State Machine，详细介绍 SSM 的核心组件，并通过一个简单的示例展示如何使用 JavaConfig 配置和运行一个状态机。

为什么需要状态机？为什么是 Spring State Machine？

为什么需要状态机？

  1. 清晰性与可视化: 状态机提供了一种直观的方式来表示系统的行为。状态和它们之间的转换可以很容易地绘制成图（状态图），这有助于团队成员理解复杂的业务流程。
  2. 可维护性: 将状态转换逻辑从分散的 if/else 块中抽象出来，集中管理，使得代码更模块化、更容易修改和扩展。
  3. 可测试性: 状态机模型的清晰性使得针对不同状态和事件组合的测试变得更加系统化和容易。可以独立测试状态转换的正确性。
  4. 减少错误: 强制执行定义好的转换规则，可以有效防止非法状态或非法转换的发生，从而减少潜在的 bug。
  5. 形式化建模: 状态机是一种成熟的形式化建模工具，可以用于对系统行为进行严格的分析和验证。

为什么选择 Spring State Machine？

在众多的状态机实现中，Spring State Machine 具有以下显著优势：

  1. 深度集成 Spring: 作为 Spring 生态的一部分，SSM 可以无缝集成到任何 Spring 应用中。你可以利用 Spring 的 DI 容器管理状态机的各个组件（如动作、守卫、监听器），利用 Spring AOP 进行切面编程，甚至与 Spring Data 集成实现状态的持久化。
  2. 多种配置方式: SSM 支持多种配置状态机的方式，包括 JavaConfig（基于代码的配置）、XML 配置和基于注解的配置。其中 JavaConfig 提供了极高的灵活性和类型安全性。
  3. 丰富的功能: SSM 提供了丰富的功能，包括：
    • Actions (动作): 在进入/退出状态或执行转换时触发自定义业务逻辑。
    • Guards (守卫): 在执行转换前进行条件判断，只有满足条件才能进行转换。
    • Listeners (监听器): 监听状态机的各种事件（如状态改变、转换发生、错误发生），以便进行额外的处理或日志记录。
    • Extended State (扩展状态): 允许在状态机实例中存储与当前业务对象相关的上下文数据。
    • Hierarchical and Parallel States (分层和并行状态): 支持更复杂的状态建模。
    • Persistence (持久化): 支持将状态机的当前状态及扩展状态保存到数据库或其他存储介质。
    • Distributed State Machines (分布式状态机): 支持在分布式环境中同步状态。
  4. 易于测试: SSM 提供了测试工具，简化了状态机的单元测试和集成测试。

综上所述，Spring State Machine 是一个强大、灵活且易于集成的状态机框架，特别适合于构建复杂的、状态驱动的业务应用。

Spring State Machine 核心概念

在使用 SSM 之前，我们需要理解其核心概念：

  1. State (状态):

    • 表示业务对象在某个特定时刻所处的状态。例如，订单的 “待支付”、”已支付” 等。
    • 每个状态通常由一个唯一的标识符表示（通常是枚举类型或字符串）。
    • 一个状态机必须有一个 Initial State (初始状态)，表示状态机启动时的状态。
    • 可以有一个或多个 End State (结束状态)，表示业务流程的最终状态。当状态机进入结束状态时，通常会停止运行。
    • SSM 还支持 Entry Actions (进入动作) 和 Exit Actions (退出动作)，分别在进入或退出某个状态时执行。

  2. Event (事件):

    • 触发状态机从一个状态转换到另一个状态的外部刺激或内部信号。例如，订单的 “支付成功”、”用户取消” 等。
    • 事件通常也由一个唯一的标识符表示（通常是枚举类型或字符串）。
    • 状态机通过接收事件来驱动其状态变化。

  3. Transition (迁越/转换):

    • 表示从一个状态（Source State）到另一个状态（Target State）的移动。
    • 一个转换由 Source State、Event 和 Target State 定义，即“当状态机处于 Source State 时，接收到 Event 事件，将转换到 Target State”。
    • SSM 支持不同类型的转换：
      • External (外部转换): 最常见的类型，状态机退出源状态，执行转换动作，进入目标状态。
      • Internal (内部转换): 事件触发动作执行，但状态机不改变当前状态，不执行 Entry/Exit 动作。
      • Local (本地转换): 类似于 External，但不退出/进入父状态（在分层状态机中使用）。
    • 转换可以有关联的 Actions (动作) 和 Guards (守卫)。

  4. Action (动作):

    • 一段需要在状态转换过程中执行的业务逻辑代码。
    • 动作可以与状态关联（Entry/Exit Actions），也可以与转换关联（Transition Actions）。
    • 动作是 Spring bean，可以注入其他服务。
    • 动作通常实现 org.springframework.statemachine.action.Action 接口。

  5. Guard (守卫):

    • 一个布尔表达式或方法，用于在执行转换之前进行条件判断。
    • 只有当守卫的评估结果为 true 时，该转换才能发生。如果为 false，则转换被阻止。
    • 守卫是 Spring bean，通常实现 org.springframework.statemachine.guard.Guard 接口。

  6. Extended State (扩展状态):

    • 一个映射（Map），允许在状态机实例中存储与当前业务流程相关的运行时数据。
    • 这些数据可以在 Actions 或 Guards 中访问和修改。
    • 例如，存储订单金额、操作用户信息等。

  7. StateMachine (状态机实例):

    • 代表了一个特定业务对象（如某个订单）的当前状态机实例。
    • 每个实例都有其当前状态和自己的扩展状态。
    • 通过 sendEvent() 方法向状态机实例发送事件。

  8. StateMachineFactory (状态机工厂):

    • 用于创建状态机实例的工厂。
    • 通常通过配置来定义状态机的结构（状态、事件、转换等）。
    • 从工厂获取的状态机实例是基于相同结构的，但每个实例维护自己的状态和扩展状态。

构建一个简单的 Spring State Machine

现在，我们通过一个简单的文档审批流程示例来演示如何使用 Spring State Machine。

假设文档审批流程有以下状态和事件：

  • 状态 (States):
    • DRAFT (草稿) – 初始状态
    • UNDER_REVIEW (待审批)
    • APPROVED (审批通过) – 结束状态
    • REJECTED (已拒绝) – 结束状态
  • 事件 (Events):
    • SUBMIT (提交审批)
    • APPROVE (批准)
    • REJECT (拒绝)

流程规则:

  1. 文档从 DRAFT 状态开始。
  2. 在 DRAFT 状态下，接收到 SUBMIT 事件，转换为 UNDER_REVIEW 状态。
  3. 在 UNDER_REVIEW 状态下，接收到 APPROVE 事件，转换为 APPROVED 状态。
  4. 在 UNDER_REVIEW 状态下，接收到 REJECT 事件，转换为 REJECTED 状态。

我们将使用 Spring Boot 和 JavaConfig 来实现这个状态机。

步骤 1: 添加 Maven 依赖

在 pom.xml 文件中添加 Spring State Machine Starter 依赖：

xml
<dependency>
<groupId>org.springframework.statemachine</groupId>
<artifactId>spring-statemachine-core</artifactId>
<version>3.2.1</version> <!-- 使用最新稳定版本 -->
</dependency>
(注：请根据实际情况使用最新的稳定版本)

步骤 2: 定义状态和事件枚举

使用枚举类型来定义状态和事件，这是一种清晰且类型安全的方式。

“`java
// 定义状态枚举
public enum DocumentStates {
DRAFT,
UNDER_REVIEW,
APPROVED,
REJECTED
}

// 定义事件枚举
public enum DocumentEvents {
SUBMIT,
APPROVE,
REJECT
}
“`

3. 定义动作 (Actions) 和守卫 (Guards) (可选但推荐)

虽然这个简单示例可能不需要复杂的动作或守卫，但为了演示如何集成它们，我们定义一些简单的 Spring Bean。

一个简单的 Action (记录日志):

“`java
import org.springframework.statemachine.StateContext;
import org.springframework.statemachine.action.Action;
import org.springframework.stereotype.Component;

// 定义一个 Spring Bean 作为动作
@Component
public class MyAction implements Action {

private String actionName;

// 构造函数注入动作名称
public MyAction(String actionName) {
    this.actionName = actionName;
}

@Override
public void execute(StateContext<DocumentStates, DocumentEvents> context) {
    System.out.println("执行动作: " + actionName);
    // 可以在这里访问 context 获取当前状态、事件、扩展状态等信息
    // System.out.println("当前状态: " + context.getSource().getId());
    // System.out.println("触发事件: " + context.getEvent());
}

}
“`
(注：上面 MyAction 的构造函数需要一个 String 参数，这在 JavaConfig 中配置时会体现。也可以使用无参构造函数)

简化一下，使用无参构造函数的 Action：

“`java
import org.springframework.statemachine.StateContext;
import org.springframework.statemachine.action.Action;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class LogAction implements Action {

private final String message;

// 使用构造函数注入日志信息
public LogAction(String message) {
    this.message = message;
}

@Override
public void execute(StateContext<DocumentStates, DocumentEvents> context) {
    System.out.println("Log Action Executed: " + message);
    // 可以在这里访问 context 获取更多信息
    // System.out.println("  From State: " + context.getSource().getId());
    // System.out.println("  To State: " + context.getTarget().getId());
    // System.out.println("  Event: " + context.getEvent());
}

}
“`

一个简单的 Guard (总是返回 true):

“`java
import org.springframework.statemachine.StateContext;
import org.springframework.statemachine.guard.Guard;
import org.springframework.stereotype.Component;

// 定义一个 Spring Bean 作为守卫
@Component
public class AlwaysTrueGuard implements Guard {

@Override
public boolean evaluate(StateContext<DocumentStates, DocumentEvents> context) {
    System.out.println("执行守卫: AlwaysTrueGuard");
    return true; // 守卫总是通过
}

}
“`
(注：这个守卫只是为了演示，实际应用中会有更复杂的条件判断)

4. 配置状态机 (使用 JavaConfig)

创建一个配置类，通常继承 StateMachineConfigurerAdapter。

“`java
import java.util.EnumSet;

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.statemachine.config.EnableStateMachineFactory;
import org.springframework.statemachine.config.StateMachineConfigurerAdapter;
import org.springframework.statemachine.config.builders.StateMachineConfigurationConfigurer;
import org.springframework.statemachine.config.builders.StateMachineStateConfigurer;
import org.springframework.statemachine.config.builders.StateMachineTransitionConfigurer;
import org.springframework.statemachine.listener.StateMachineListener;
import org.springframework.statemachine.listener.StateMachineListenerAdapter;
import org.springframework.statemachine.state.State;

// 启用状态机工厂
@Configuration
@EnableStateMachineFactory // 使用 Factory 模式，可以创建多个状态机实例
public class DocumentStateMachineConfig extends StateMachineConfigurerAdapter {

// 定义 Action Bean
@Bean
public LogAction submitAction() {
    return new LogAction("Performing submit action...");
}

@Bean
public LogAction approveAction() {
    return new LogAction("Performing approve action...");
}

@Bean
public LogAction rejectAction() {
    return new LogAction("Performing reject action...");
}

// 定义 Guard Bean
@Bean
public AlwaysTrueGuard alwaysTrueGuard() {
    return new AlwaysTrueGuard();
}

// 配置状态机的基本配置
@Override
public void configure(StateMachineConfigurationConfigurer<DocumentStates, DocumentEvents> config)
        throws Exception {
    config
        .withConfiguration()
            .autoStartup(true) // 状态机创建后自动启动
            .listener(stateMachineListener()); // 添加监听器
}

// 配置状态
@Override
public void configure(StateMachineStateConfigurer<DocumentStates, DocumentEvents> states)
        throws Exception {
    states
        .withStates()
            .initial(DocumentStates.DRAFT) // 定义初始状态
            .states(EnumSet.allOf(DocumentStates.class)) // 定义所有状态 (可以手动列举)
            .end(DocumentStates.APPROVED) // 定义结束状态 (可选，可以有多个)
            .end(DocumentStates.REJECTED);
            // .stateEntry(DocumentStates.DRAFT, draftEntryAction()) // 可以为状态定义进入/退出动作
            // .stateExit(DocumentStates.APPROVED, approvedExitAction());
}

// 配置状态转换
@Override
public void configure(StateMachineTransitionConfigurer<DocumentStates, DocumentEvents> transitions)
        throws Exception {
    transitions
        // 配置 DRAFT -> UNDER_REVIEW 转换 (事件 SUBMIT)
        .withExternal() // 外部转换
            .source(DocumentStates.DRAFT)
            .target(DocumentStates.UNDER_REVIEW)
            .event(DocumentEvents.SUBMIT)
            .action(submitAction()) // 关联动作
            .guard(alwaysTrueGuard()) // 关联守卫
            .and() // 结束当前转换配置链，开始新的转换配置
        // 配置 UNDER_REVIEW -> APPROVED 转换 (事件 APPROVE)
        .withExternal()
            .source(DocumentStates.UNDER_REVIEW)
            .target(DocumentStates.APPROVED)
            .event(DocumentEvents.APPROVE)
            .action(approveAction()) // 关联动作
            .and()
        // 配置 UNDER_REVIEW -> REJECTED 转换 (事件 REJECT)
        .withExternal()
            .source(DocumentStates.UNDER_REVIEW)
            .target(DocumentStates.REJECTED)
            .event(DocumentEvents.REJECT)
            .action(rejectAction()); // 关联动作
}

// 定义状态机监听器 Bean (可选)
@Bean
public StateMachineListener<DocumentStates, DocumentEvents> stateMachineListener() {
    return new StateMachineListenerAdapter<DocumentStates, DocumentEvents>() {
        @Override
        public void stateChanged(State<DocumentStates, DocumentEvents> from, State<DocumentStates, DocumentEvents> to) {
            // 当状态发生改变时触发
            System.out.printf("状态改变: 从 %s 到 %s%n", from != null ? from.getId() : "无", to != null ? to.getId() : "无");
        }

        @Override
        public void transition(org.springframework.statemachine.transition.Transition<DocumentStates, DocumentEvents> transition) {
            // 当转换发生时触发 (包括内部转换)
            if (transition.getSource() != null && transition.getTarget() != null) {
                 System.out.printf("转换发生: 从 %s 到 %s 通过事件 %s%n",
                         transition.getSource().getId(),
                         transition.getTarget().getId(),
                         transition.getEvent() != null ? transition.getEvent() : "无");
            }
        }

        // 还可以重写其他方法，如 stateMachineStarted, stateMachineStopped, eventNotAccepted 等
    };
}

}
“`

配置类解释：

  • @EnableStateMachineFactory: 这个注解告诉 Spring 创建一个 StateMachineFactory Bean。通过工厂可以按需创建状态机实例。如果只需要一个状态机实例，可以使用 @EnableStateMachine 注解，Spring 会直接创建一个 StateMachine Bean。对于大多数业务场景（如每个订单都需要一个独立的状态机实例），使用 Factory 模式更常见。
  • configure(StateMachineConfigurationConfigurer...): 配置状态机的全局设置，如是否自动启动 (autoStartup)，添加监听器 (listener) 等。autoStartup(true) 在开发和测试中方便，但在生产环境中，通常会根据业务需求手动启动状态机。
  • configure(StateMachineStateConfigurer...): 配置状态机的状态。initial() 指定初始状态，states() 指定所有可能的状态，end() 指定结束状态。可以使用 stateEntry() 和 stateExit() 方法为特定的状态配置进入和退出时执行的动作。
  • configure(StateMachineTransitionConfigurer...): 配置状态机的转换规则。
    • withExternal(): 开始定义一个外部转换。
    • source(): 指定源状态。
    • target(): 指定目标状态。
    • event(): 指定触发转换的事件。
    • action(): 关联一个或多个动作。这里通过 Bean 的方式引用了上面定义的 LogAction Bean。如果动作不需要是 Spring Bean，也可以直接在这里 new 一个 Action 实现类的实例，但这不如使用 Spring Bean 灵活（无法注入其他依赖）。
    • guard(): 关联一个或多个守卫。同样通过 Bean 的方式引用。只有当守卫通过时，转换才发生。
    • and(): 用于分隔不同的转换配置链。

5. 运行状态机

在 Spring Boot 应用的主类或任何 Spring 管理的 Bean 中，可以注入 StateMachineFactory 或 StateMachine (如果使用了 @EnableStateMachine) 来获取状态机实例并发送事件。

“`java
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.CommandLineRunner;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.statemachine.StateMachine;
import org.springframework.statemachine.config.StateMachineFactory;
import org.springframework.statemachine.service.StateMachineService;

import reactor.core.publisher.Mono; // SSM 3.x 使用 Project Reactor

@SpringBootApplication
public class DocumentStateMachineApplication implements CommandLineRunner {

// 注入状态机工厂
@Autowired
private StateMachineFactory<DocumentStates, DocumentEvents> stateMachineFactory;

// 注意: 如果你使用了 @EnableStateMachine 则直接注入 StateMachine
// @Autowired
// private StateMachine<DocumentStates, DocumentEvents> stateMachine;

public static void main(String[] args) {
    SpringApplication.run(DocumentStateMachineApplication.class, args);
}

@Override
public void run(String... args) throws Exception {
    System.out.println("--- 启动文档审批状态机示例 ---");

    // 从工厂获取一个新的状态机实例
    StateMachine<DocumentStates, DocumentEvents> stateMachine = stateMachineFactory.getStateMachine();

    // 启动状态机 (如果 autoStartup 为 false)
    // stateMachine.startReactively().block(); // SSM 3.x 使用 Project Reactor

    System.out.println("当前状态: " + stateMachine.getState().getId()); // 应该处于 DRAFT

    // 发送 SUBMIT 事件
    System.out.println("发送事件: SUBMIT");
    stateMachine.sendEvent(Mono.just(DocumentEvents.SUBMIT)).blockLast(); // SSM 3.x 使用 Project Reactor

    System.out.println("当前状态: " + stateMachine.getState().getId()); // 应该处于 UNDER_REVIEW

    // 发送 APPROVE 事件
    System.out.println("发送事件: APPROVE");
    stateMachine.sendEvent(Mono.just(DocumentEvents.APPROVE)).blockLast();

    System.out.println("当前状态: " + stateMachine.getState().getId()); // 应该处于 APPROVED (结束状态)

    System.out.println("--- 文档审批状态机示例结束 ---");

    // 如果状态机处于结束状态，通常就停止了
    // 可以根据需要手动停止状态机
    // stateMachine.stopReactively().block();
}

}
“`

(注：SSM 3.x 基于 Project Reactor 构建，所以发送事件和启动/停止方法返回 Mono 或 Flux，需要使用 .block() 或 .blockLast() 来等待操作完成，这在实际应用中通常在响应式流中处理或在非响应式代码中使用 block() 进行同步等待。)

6. 运行结果

运行 DocumentStateMachineApplication 类，控制台输出大致如下：

--- 启动文档审批状态机示例 ---
状态改变: 从 无 到 DRAFT
当前状态: DRAFT
发送事件: SUBMIT
执行守卫: AlwaysTrueGuard
执行动作: Performing submit action...
转换发生: 从 DRAFT 到 UNDER_REVIEW 通过事件 SUBMIT
状态改变: 从 DRAFT 到 UNDER_REVIEW
当前状态: UNDER_REVIEW
发送事件: APPROVE
执行动作: Performing approve action...
转换发生: 从 UNDER_REVIEW 到 APPROVED 通过事件 APPROVE
状态改变: 从 UNDER_REVIEW 到 APPROVED
当前状态: APPROVED
--- 文档审批状态机示例结束 ---

可以看到，状态机按照我们定义的规则进行了状态转换，并且在转换过程中执行了相应的动作和守卫，同时监听器也捕获到了状态的变化和转换的发生。

核心功能回顾与扩展

通过上面的简单示例，我们已经了解了如何配置状态、事件、转换，以及如何集成动作和守卫。此外，Spring State Machine 还提供了许多其他有用的功能：

  • Entry/Exit Actions: 在状态配置中使用 stateEntry() 和 stateExit() 为进入或退出某个状态配置动作。这对于执行状态特有的初始化或清理逻辑非常有用。
  • Extended State: 通过 StateContext.getExtendedState() 方法可以在动作或守卫中访问和操作扩展状态。可以使用 context.getExtendedState().getVariables().put("key", "value") 存入数据，用 context.getExtendedState().getVariables().get("key") 获取数据。
  • Event Headers: 发送事件时可以携带 header 信息，这些信息可以在 StateContext.getMessageHeaders() 中获取，常用于传递事件相关的附加参数。
  • Error Handling: 可以配置错误处理机制，捕获状态机执行过程中发生的异常。
  • Persistence: SSM 提供了多种持久化策略，可以将状态机的当前状态和扩展状态保存到数据库（如 JPA, Redis 等），以便在应用重启后恢复状态机的运行。这对于长时间运行的业务流程至关重要。
  • Hierarchical and Parallel States: 支持更复杂的状态建模。分层状态允许状态机进入一个包含子状态的状态（父状态）。并行状态允许状态机同时处于多个正交区域中的状态。

这些高级功能超出了“入门篇”的范围，但在实际应用中非常重要。理解了基本概念和配置方法后，可以进一步深入学习这些功能。

常见使用场景

Spring State Machine 非常适用于以下场景：

  • 订单生命周期管理: 跟踪订单从创建到完成/取消的所有状态和转换。
  • 审批工作流: 管理文档、请假单等在不同审批环节之间的流转。
  • 支付流程: 建模支付从发起、处理、成功、失败等不同阶段。
  • 设备控制/协议解析: 根据接收到的指令或信号控制设备状态或解析通信协议。
  • UI 导航: 根据用户操作控制页面或界面的显示状态。
  • 游戏逻辑: 管理游戏角色的状态（站立、行走、跳跃、攻击等）和行为。

总结

本文详细介绍了 Spring State Machine 的入门知识。我们首先理解了状态机的核心概念及其在软件开发中的价值，然后探讨了为什么选择 Spring State Machine。接着，我们深入剖析了 SSM 的核心组件：状态、事件、转换、动作、守卫、扩展状态等。最后，通过一个简单的文档审批示例，我们展示了如何使用 JavaConfig 完整地配置和运行一个状态机，包括定义状态和事件、配置转换规则、集成动作和守卫，以及使用监听器观察状态变化。

Spring State Machine 提供了一个强大且灵活的框架来管理复杂的有状态逻辑，通过将状态转换的规则显式化和结构化，大大提高了代码的可读性、可维护性和可测试性。掌握 SSM 的基本用法是处理复杂业务流程的有力工具。

希望这篇入门篇能够帮助读者建立对 Spring State Machine 的基本认识，并能够开始在自己的项目中尝试使用它。对于更复杂的业务场景，SSM 还提供了丰富的进阶功能等待你去探索。

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