状态机模型，你真的搞懂并用对了吗？
状态机模型，你真的搞懂并用对了吗？
状态机是计算机科学和软件工程中的一个重要概念，广泛应用于系统设计、业务逻辑处理、流程控制等领域。本文将从状态机的本质出发，探讨其在工程实践中的问题，并分享相应的最佳实践。
1 引言
状态机对于业务和技术人员并不陌生，大家在做技术方案设计时多数情况下会有对实体状态流转进行可视化建模，并通过诸如UML 状态机图的形式进行可视化。我们将从状态机的本质出发，探讨其在工程实践中的问题，并探讨相应的实践。
2 状态机的本质
状态机（State Machine）是计算机科学和软件工程中一个重要的概念，广泛应用于系统设计、业务逻辑处理、流程控制等领域。状态机通过抽象系统的行为，描述系统的状态、事件、转换和动作，帮助开发者更好地理解和设计复杂的系统。
2.1 状态机的基本概念
状态机是一种抽象的形式化模型，用于描述系统在不同状态之间的转换。它由以下几个基本元素组成：
•状态（State）：系统在某一时刻的特定条件或模式。
•事件（Event）：触发状态转换的外部或内部动作。
•转换（Transition）：从一个状态到另一个状态的过程。
•动作（Action）：在状态转换过程中执行的操作。
状态机可以分为两类：有限状态机（Finite State Machine, FSM，状态数量确定）和无限状态机（Infinite State Machine，状态数量不确定）业务系统建设中多数情况下我们面对的是有限状态机。
2.2 业务状态机与系统状态机
在工程实践中，状态机的应用可以分为两大类：业务状态机和系统状态机。在业务分析或产品拆解阶段，对于业务域实体的状态转换多用业务状态机表述。在工程实现阶段，实体状态由系统状态机体现。
业务状态机
业务状态机主要用于描述业务对象的状态变化。例如，在电子商务系统中，订单的状态可能包括“待支付”、“已支付”、“已发货”、“已完成”等。业务状态机的设计通常需要与业务需求紧密对齐，确保系统能够准确地反映业务规则和流程。业务状态机的特点是：
•与业务逻辑紧密耦合：业务状态机的设计直接反映了业务规则，因此需要与业务需求保持高度一致。
•状态转换的复杂性：业务状态机的状态转换可能涉及多个业务规则和条件，因此转换逻辑可能较为复杂。
•可扩展性：随着业务需求的变化，业务状态机可能需要不断扩展和调整。
系统状态机
系统状态机主要用于描述系统内部的状态变化。例如，在网络通信协议中，连接的状态可能包括“未连接”、“连接中”、“已连接”、“断开连接”等。系统状态机的设计通常关注系统的内部行为和性能，确保系统能够高效地处理各种事件和状态转换。系统状态机具有以下特点：
•与系统架构紧密耦合：系统状态机的设计需要与系统架构保持一致，确保系统能够高效地处理各种状态转换。
•状态转换的简洁性：系统状态机的状态转换通常较为简洁，重点关注系统的性能和可靠性。
•稳定性：系统状态机的设计通常较为稳定，不会频繁变化。
业务状态机与系统状态机并不是完全一致，因为二者的视角不同。在技术视角看，因为引入的实现所需要的技术细节，比如采用了分布式架构设计、网络异常的考量等等，系统状态机会在基于实现进行细化和衍生。
2.3 状态机的本质
状态机的本质在于对系统行为的抽象和建模：通过状态机，开发者可以将复杂的系统行为分解为一系列的状态和转换，从而简化系统的设计和实现。状态机的核心思想是状态驱动，即系统的行为由当前状态和触发事件共同决定。
状态机的另一个重要特性是确定性： 在确定性的状态机中，给定当前状态和触发事件，系统的下一个状态和执行的动总是确定的。这种确定性使得状态机在设计和调试过程中具有较高的可预测性。
3 工程实践中的问题
尽管状态机在理论上具有简洁性和清晰性，但在实际工程实践中，状态机的设计和实现往往面临诸多挑战：
1. 状态爆炸
状态机状态数量随着系统复杂度的增加而急剧增加，复杂的业务系统中，业务对象的状态可能涉及多个维度和条件。状态爆炸会导致状态机的设计和实现变得复杂，难以维护和扩展。抽象、分层和结构化是解决复杂性的有效方式。
2. 可维护性
状态机的可维护性是一个重要的问题。随着业务需求的变化，状态机可能需要不断调整和扩展。如果状态机的设计不够灵活，维护和扩展将变得困难。
3. 性能
状态机的性能也是一个需要考虑的问题。在一些高性能系统中，状态机的实现可能成为性能瓶颈，状态机的状态转换需要快速响应，否则可能导致系统性能下降。
4. 删除状态的处理
在状态机的设计中，删除状态的处理是一个值得探讨的问题。删除状态是否应该显式地表示成一个节点，还是直接关联到状态结束？这个问题需要根据具体的业务需求来决定。显式地表示删除状态可以增加状态机的清晰性和可维护性，但也可能导致状态数量的增加。直接关联到状态结束可以简化状态机的设计，但可能降低状态机的可读性和可维护性。
4 最佳实践
1. 设计原则
•单一职责原则：每个状态机应该只负责一个特定的功能或业务逻辑，避免状态机过于复杂。
•开闭原则：状态机的设计应该对扩展开放，对修改关闭。确保状态机在扩展时不需要修改现有的状态和转换逻辑。
•清晰性原则：状态机的设计应该清晰易懂，确保开发者和业务人员能够理解状态机的行为和规则。
2. 状态机的实现
•状态模式：在面向对象编程中，状态模式是一种常用的实现状态机的方法。通过将每个状态封装成一个对象，可以简化状态转换逻辑的实现。
•事件驱动架构：在事件驱动架构中，状态机可以通过事件触发状态转换。这种架构可以提高系统的灵活性和可扩展性。
•状态机的可视化：通过可视化工具和统一模型进行可视化表述
3. 状态机的优化
•减少状态数量：通过合并相似的状态或引入复合状态，可以减少状态数量，避免状态爆炸。
•异步处理：在高性能系统中，可以通过异步处理状态转换，提高系统的响应速度和吞吐量。
•状态机的分层设计：在复杂的系统中，可以通过分层设计状态机，将系统状态机和业务状态机分离，降低系统的复杂度。
5 结语
状态机时一种非常有效的抽象的系统行为的分析建模工具，在工程实践中具有较高价值。通过对实体状态建模，有利于业务与技术对领域有一致性理解，并能够有效指导后续的工程实现。值得注意的是，技术人员要对业务状态机和系统状态机有清晰认识，不要混为一谈。由于二者出发视角的不同，技术视角的系统状态机更加偏重于实现，业务状态机更加面向客户。