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状态机的介绍和使用

状态机的介绍和使用 京东云开发者
2023-08-03
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一、状态机简介


1.1 定义
我们先来给出状态机的基本定义。一句话：
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。
先来解释什么是“状态”（ State ）。现实事物是有不同状态的，例如一个自动门，就有 open 和 closed 两种状态。我们通常所说的状态机是有限状态机，也就是被描述的事物的状态的数量是有限个，例如自动门的状态就是两个open和 closed。
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，一般就是指一张状态转换图。例如，根据自动门的运行规则，我们可以抽象出下面这么一个图。
自动门有两个状态，open 和 closed ，closed 状态下，如果读取开门信号，那么状态就会切换为 open 。open 状态下如果读取关门信号，状态就会切换为 closed 。
状态机的全称是有限状态自动机，自动两个字也是包含重要含义的。给定一个状态机，同时给定它的当前状态以及输入，那么输出状态是可以明确地运算出来的。例如对于自动门，给定初始状态 closed ，给定输入“开门”，那么下一个状态是可以运算出来的。
这样状态机的基本定义我们就介绍完毕了。重复一下：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。

1.2 四大概念

下面来给出状态机的四大概念。
第一个是 State ，状态。一个状态机至少要包含两个状态。例如上面自动门的例子，有 open 和 closed 两个状态。
第二个是 Event ，事件。事件就是执行某个操作的触发条件或者口令。对于自动门，“按下开门按钮”就是一个事件。
第三个是 Action ，动作。事件发生以后要执行动作。例如事件是“按开门按钮”，动作是“开门”。编程的时候，一个 Action 一般就对应一个函数。
第四个是 Transition ，变换。也就是从一个状态变化为另一个状态。例如“开门过程”就是一个变换。


二、DSL


2.1 DSL

DSL是一种工具，它的核心价值在于，它提供了一种手段，可以更加清晰地就系统某部分的意图进行沟通。

这种清晰并非只是审美追求。一段代码越容易看懂，就越容易发现错误，也就越容易对系统进行修改。因此，我们鼓励变量名要有意义，文档要写清楚，代码结构要写清晰。基于同样的理由，我们应该也鼓励采用DSL。

按照定义来说，DSL是针对某一特定领域，具有受限表达性的一种计算机程序设计语言。
这一定义包含3个关键元素：
语言性（language nature）：DSL是一种程序设计语言，因此它必须具备连贯的表达能力——不管是一个表达式还是多个表达式组合在一起。
受限的表达性（limited expressiveness）：通用程序设计语言提供广泛的能力：支持各种数据、控制，以及抽象结构。这些能力很有用，但也会让语言难于学习和使用。DSL只支持特定领域所需要特性的最小集。使用DSL，无法构建一个完整的系统，相反，却可以解决系统某一方面的问题。
针对领域（domain focus）：只有在一个明确的小领域下，这种能力有限的语言才会有用。这个领域才使得这种语言值得使用。
比如正则表达式，/\d{3}-\d{3}-\d{4}/就是一个典型的DSL，解决的是字符串匹配这个特定领域的问题。

2.2 DSL的分类

按照类型，DSL可以分为三类：内部DSL（Internal DSL）、外部DSL（External DSL）、以及语言工作台（Language Workbench）。
Internal DSL是一种通用语言的特定用法。用内部DSL写成的脚本是一段合法的程序，但是它具有特定的风格，而且只用到了语言的一部分特性，用于处理整个系统一个小方面的问题。用这种DSL写出的程序有一种自定义语言的风格，与其所使用的宿主语言有所区别。例如我们的状态机就是Internal DSL，它不支持脚本配置，使用的时候还是Java语言，但并不妨碍它也是DSL。 
builder.externalTransition()                .from(States.STATE1)                .to(States.STATE2)                .on(Events.EVENT1)                .when(checkCondition())                .perform(doAction());
External DSL是一种“不同于应用系统主要使用语言”的语言。外部DSL通常采用自定义语法，不过选择其他语言的语法也很常见（XML就是一个常见选 择）。比如像Struts和Hibernate这样的系统所使用的XML配置文件。
Workbench是一个专用的IDE，简单点说，工作台是DSL的产品化和可视化形态。
三个类别DSL从前往后是有一种递进关系，Internal DSL最简单，实现成本也低，但是不支持“外部配置”。Workbench不仅实现了配置化，还实现了可视化，但是实现成本也最高。他们的关系如下图所示：
2.3 DSL示例

2.3.1 内部DSL示例

HTML: 通过自然语言编写
在Groovy中，通过DSL可以用易读的写法生成XML 
 

  
    
   
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def s = new StringWriter()def xml = new MarkupBuilder(s)xml.html{    head{        title("Hello - DSL")        script(ahref:"https://xxxx.com/vue.js")        meta(author:"marui116")    }    body{        p("JD-ILT-ITMS")    }}println s.toString()
最后将生成 
 

  
    
   
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<html>  <head>    <title>Hello - DSL</title>    <script ahref='https://xxxx.com/vue.js' />    <meta author='marui116' />  </head>  <body>    <p>JD-ILT-ITMS</p>  </body></html>
MarkupBuilder的作用说明： 
 

  
    
   
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A helper class for creating XML or HTML markup. The builder supports various 'pretty printed' formats.Example:  new MarkupBuilder().root {    a( a1:'one' ) {      b { mkp.yield( '3 < 5' ) }      c( a2:'two', 'blah' )    }  }  Will print the following to System.out:  <root>    <a a1='one'>      <b>3 < 5</b>      <c a2='two'>blah</c>    </a>  </root>
这里相对于Java这样的动态语言，最为不同的就是xml.html这个并不存在的方法居然可以通过编译并运行，它内部重写了invokeMethod方法，并进行闭包遍历，少写了许多POJO对象，效率更高。

2.3.2 外部DSL

以plantUML为例，外部DSL不受限于宿主语言的语法，对用户很友好，尤其是对于不懂宿主语言语法的用户。但外部DSL的自定义语法需要有配套的语法分析器。常见的语法分析器有：YACC、ANTLR等。
https://github.com/plantuml/plantuml
https://plantuml.com/zh/

2.3.3 DSL & DDD（领域驱动）

DDD和DSL的融合有三点：面向领域、模型的组装方式、分层架构演进。DSL 可以看作是在领域模型之上的一层外壳，可以显著增强领域模型的能力。
它的价值主要有两个，一是提升了开发人员的生产力，二是增进了开发人员与领域专家的沟通。外部 DSL 就是对领域模型的一种组装方式。


三、状态机实现的调研


3.1 Spring Statemachine

官网：https://spring.io/projects/spring-statemachine#learn
源码：https://github.com/spring-projects/spring-statemachine
API：https://docs.spring.io/spring-statemachine/docs/3.2.0/api/
Spring Statemachine is a framework for application developers to use state machine concepts with Spring applications. Spring Statemachine 是应用程序开发人员在Spring应用程序中使用状态机概念的框架。
Spring Statemachine 提供如下特色：
  • Easy to use flat one level state machine for simple use cases.（易于使用的扁平单级状态机，用于简单的使用案例。）
  • Hierarchical state machine structure to ease complex state configuration.（分层状态机结构，以简化复杂的状态配置。）
  • State machine regions to provide even more complex state configurations.（状态机区域提供更复杂的状态配置。）
  • Usage of triggers, transitions, guards and actions.（使用触发器、transitions、guards和actions。）
  • Type safe configuration adapter.（应用安全的配置适配器。）
  • Builder pattern for easy instantiation for use outside of Spring Application context（用于在Spring Application上下文之外使用的简单实例化的生成器模式）
  • Recipes for usual use cases（通常用例的手册）
  • Distributed state machine based on a Zookeeper State machine event listeners.（基于Zookeeper的分布式状态机状态机事件监听器。）
  • UML Eclipse Papyrus modeling.（UML Eclipse Papyrus 建模）
  • Store machine config in a persistent storage.（存储状态机配置到持久层）
  • Spring IOC integration to associate beans with a state machine.（Spring IOC集成将bean与状态机关联起来）
Spring StateMachine提供了papyrus的Eclipse Plugin，用来辅助构建状态机。
更多Eclipse建模插件可参见文档：https://docs.spring.io/spring-statemachine/docs/3.2.0/reference/#sm-papyrus
Spring状态机的配置、定义、事件、状态扩展、上下文集成、安全性、错误处理等，可以参看如下文档：
https://docs.spring.io/spring-statemachine/docs/3.2.0/reference/#statemachine

3.2 COLA状态机DSL实现

COLA 是 Clean Object-Oriented and Layered Architecture的缩写，代表“整洁面向对象分层架构”。目前COLA已经发展到COLA v4。COLA提供了一个DDD落地的解决方案，其中包含了一个开源、简单、轻量、性能极高的状态机DSL实现，解决业务中的状态流转问题。
COLA状态机组件实现一个仅支持简单状态流转的状态机，该状态机的核心概念如下图所示，主要包括：
  1. State：状态
  2. Event：事件，状态由事件触发，引起变化
  3. Transition：流转，表示从一个状态到另一个状态
  4. External Transition：外部流转，两个不同状态之间的流转
  5. Internal Transition：内部流转，同一个状态之间的流转
  6. Condition：条件，表示是否允许到达某个状态
  7. Action：动作，到达某个状态之后，可以做什么
  8. StateMachine：状态机
整个状态机的核心语义模型（Semantic Model）：


四、状态机DEMO


4.1 Spring状态机示例

例如，起始节点为SI、结束节点为SF，起始节点后续有S1、S2、S3三个节点的简单状态机。
Spring Boot项目需引入Spring状态机组件。 
 

  
    
   
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<dependency>    <groupId>org.springframework.statemachine</groupId>    <artifactId>spring-statemachine-core</artifactId>    <version>3.2.0</version></dependency>

4.1.1 构造状态机

 

  
    
   
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@Configuration@EnableStateMachine@Slf4jpublic class SimpleStateMachineConfiguration extends StateMachineConfigurerAdapter<String, String> {    /**     * 定义初始节点、结束节点和状态节点     * @param states the {@link StateMachineStateConfigurer}     * @throws Exception     */    @Override    public void configure(StateMachineStateConfigurer<String, String> states) throws Exception {        states.withStates()            .initial("SI")            .end("SF")            .states(new HashSet<String>(Arrays.asList("S1", "S2", "S3")));    }
    /**     * 配置状态节点的流向和事件     * @param transitions the {@link StateMachineTransitionConfigurer}     * @throws Exception     */    @Override    public void configure(StateMachineTransitionConfigurer<String, String> transitions) throws Exception {        transitions.withExternal()                .source("SI").target("S1").event("E1").action(initAction())                .and()                .withExternal()                .source("S1").target("S2").event("E2").action(s1Action())                .and()                .withExternal()                .source("S2").target("SF").event("end");    }
    /**     * 初始节点到S1     * @return     */    @Bean    public Action<String, String> initAction() {        return ctx -> log.info("Init Action -- DO: {}", ctx.getTarget().getId());    }
    /**     * S1到S2     * @return     */    @Bean    public Action<String, String> s1Action() {        return ctx -> log.info("S1 Action -- DO: {}", ctx.getTarget().getId());    }}
4.1.2 状态机状态监听器 
 

  
    
   
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@Component@Slf4jpublic class StateMachineListener extends StateMachineListenerAdapter<String, String> {     @Override    public void stateChanged(State from, State to) {        log.info("Transitioned from {} to {}", from == null ? "none" : from.getId(), to.getId());    }}

4.1.3 状态机配置

 

  
    
   
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@Configuration@Slf4jpublic class StateMachineConfig implements WebMvcConfigurer {    @Resource    private StateMachine<String, String> stateMachine;
    @Resource    private StateMachineListener stateMachineListener;
    @PostConstruct    public void init() {        stateMachine.addStateListener(stateMachineListener);    }}

4.1.4 接口示例

4.1.4.1 获取状态机状态列表

 

  
    
   
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@RequestMapping("info")public String info() {    return StringUtils.collectionToDelimitedString(            stateMachine.getStates()                    .stream()                    .map(State::getId)                    .collect(Collectors.toList()),                    ",");}

4.1.4.2 状态机开启

在对Spring状态机进行事件操作之前，必须先开启状态机 
 

  
    
   
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@GetMapping("start")public String start() {    stateMachine.startReactively().block();    return state();}

4.1.4.3 事件操作

 

  
    
   
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@PostMapping("event")public String event(@RequestParam(name = "event") String event) {    Message<String> message = MessageBuilder.withPayload(event).build();    return stateMachine.sendEvent(Mono.just(message)).blockLast().getMessage().getPayload();}

4.1.4.4 获取状态机当前状态

 

  
    
   
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@GetMapping("state")public String state() {    return Mono.defer(() -> Mono.justOrEmpty(stateMachine.getState().getId())).block();}

4.1.4.5 一次状态转换的控制台输出

 

  
    
   
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: Completed initialization in 0 ms: Transitioned from none to SI: Init Action -- DO: S1: Transitioned from SI to S1: S1 Action -- DO: S2: Transitioned from S1 to S2: Transitioned from S2 to SF
可以看到，状态从none到SI开始节点，再到S1、S2，然后S2通过E2事件到SF结束节点。

4.2 COLA状态机示例

例如：iTMS中的运输需求单的状态目前有：待分配、已分配、运输中、部分妥投、全部妥投、全部拒收、已取消。

4.2.1 构造状态机

com.jd.ilt.component.statemachine.demo.component.statemachine.TransNeedStateMachine 
 

  
    
   
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StateMachineBuilder<TransNeedStatusEnum, TransNeedEventEnum, Context> builder = StateMachineBuilderFactory.create();
//  接单后，运输需求单生成运输规划单builder.externalTransition()        .from(None)        .to(UN_ASSIGN_CARRIER)        .on(Create_Event)        .when(checkCondition())        .perform(doAction());
//  运输规划单生成调度单，调度单绑定服务商builder.externalTransition()        .from(UN_ASSIGN_CARRIER)        .to(UN_ASSIGN_CAR)        .on(Assign_Carrier_Event)        .when(checkCondition())        .perform(doAction());
//  服务商分配车辆、司机builder.externalTransition()        .from(UN_ASSIGN_CAR)        .to(ASSIGNED_CAR)        .on(Assign_Car_Event)        .when(checkCondition())        .perform(doAction());
//  货物揽收builder.externalTransition()        .from(ASSIGNED_CAR)        .to(PICKUPED)        .on(Trans_Job_Status_Change_Event)        .when(checkCondition())        .perform(doAction());
//  揽收货物更新到运输中builder.externalTransition()        .from(ASSIGNED_CAR)        .to(IN_TRANSIT)        .on(Trans_Job_Status_Change_Event)        .when(checkCondition())        .perform(doAction());
//  运输中更新到过海关builder.externalTransition()        .from(IN_TRANSIT)        .to(PASS_CUSTOMS)        .on(Trans_Job_Status_Change_Event)        //  检查是否需要过海关        .when(isTransNeedPassCustoms())        .perform(doAction());
//  妥投builder.externalTransition()        .from(PASS_CUSTOMS)        .to(ALL_DELIVERIED)        .on(All_Delivery_Event)        .when(checkCondition())        .perform(doAction());
// 车辆揽收、运输、过海关的运输状态，都可以直接更新到妥投Stream.of(PICKUPED, IN_TRANSIT, PASS_CUSTOMS)        .forEach(status ->                builder.externalTransition()                        .from(status)                        .to(ALL_DELIVERIED)                        .on(Trans_Job_Status_Change_Event)                        .when(checkCondition())                        .perform(doAction())        );
//  待分配、待派车、已派车可取消Stream.of(UN_ASSIGN_CARRIER, UN_ASSIGN_CAR, ASSIGNED_CAR)        .forEach(status ->                builder.externalTransition()                        .from(status)                        .to(CANCELED)                        .on(Order_Cancel_Event)                        .when(checkCondition())                        .perform(doAction())        );
//  妥投、和取消可结束归档Stream.of(ALL_DELIVERIED, CANCELED)        .forEach(status ->                builder.externalTransition()                        .from(status)                        .to(FINISH)                        .on(Order_Finish)                        .when(checkCondition())                        .perform(doAction())        );
stateMachine = builder.build("TransNeedStatusMachine");
从代码中，可以方便的扩展状态和对应的事件，状态机自动进行业务状态的流转。生成的状态流转图如下所示： 
 

  
    
   
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@startumlNone --> UN_ASSIGN_CARRIER : Create_EventUN_ASSIGN_CARRIER --> UN_ASSIGN_CAR : Assign_Carrier_EventUN_ASSIGN_CAR --> ASSIGNED_CAR : Assign_Car_EventASSIGNED_CAR --> CANCELED : Order_Cancel_EventASSIGNED_CAR --> PICKUPED : Trans_Job_Status_Change_EventASSIGNED_CAR --> IN_TRANSIT : Trans_Job_Status_Change_EventIN_TRANSIT --> PASS_CUSTOMS : Trans_Job_Status_Change_EventPASS_CUSTOMS --> ALL_DELIVERIED : Trans_Job_Status_Change_EventPASS_CUSTOMS --> ALL_DELIVERIED : All_Delivery_EventIN_TRANSIT --> ALL_DELIVERIED : Trans_Job_Status_Change_EventALL_DELIVERIED --> FINISH : Order_FinisUN_ASSIGN_CAR --> CANCELED : Order_Cancel_EventUN_ASSIGN_CARRIER --> CANCELED : Order_Cancel_EventPICKUPED --> ALL_DELIVERIED : Trans_Job_Status_Change_EventCANCELED --> FINISH : Order_Finis@enduml

4.2.2 状态机事件处理

 

  
    
   
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/** * 一种是通过Event来进行事件分发，不同Event通过EventBus走不同的事件响应* 另一种是在构造状态机时，直接配置不同的Action * @return */private Action<TransNeedStatusEnum, TransNeedEventEnum, Context> doAction() {    log.info("do action");    return (from, to, event, ctx) -> {        log.info(ctx.getUserName()+" is operating trans need bill "+ctx.getTransNeedId()+" from:"+from+" to:"+to+" on:"+event);        if (from != None) {            TransNeed transNeed = ctx.getTransNeed();            transNeed.setStatus(to.name());            transNeed.setUpdateTime(LocalDateTime.now());            transNeedService.update(transNeed);        }
        eventBusService.invokeEvent(event, ctx);    };}
Event和EventBus简单Demo示例： 
/** * @author marui116 * @version 1.0.0 * @className TransNeedAssignCarrierEvent * @description TODO* @date 2023/3/28 11:08 */@Component@EventAnnonation(event = TransNeedEventEnum.Assign_Carrier_Event)@Slf4jpublic class TransNeedAssignCarrierEvent implements EventComponent {
    @Override    public void invokeEvent(Context context) {        log.info("分配了服务商，给服务商发邮件和短信，让服务商安排");    }}
 

  
    
   
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/** * @author marui116 * @version 1.0.0 * @className TransNeedAssignCarEvent * @description TODO* @date 2023/3/28 11:05 */@Component@EventAnnonation(event = TransNeedEventEnum.Assign_Car_Event)@Slf4jpublic class TransNeedAssignCarEvent implements EventComponent {    @Override    public void invokeEvent(Context context) {        log.info("分配了车辆信息，给运单中心发送车辆信息");    }}

 

 

  
    
   
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/** * @author marui116 * @version 1.0.0 * @className EventServiceImpl * @description TODO* @date 2023/3/28 10:57 */@Servicepublic class EventBusServiceImpl implements EventBusService {    @Resource    private ApplicationContextUtil applicationContextUtil;
    private Map<TransNeedEventEnum, EventComponent> eventComponentMap = new ConcurrentHashMap<>();
    @PostConstruct    private void init() {        ApplicationContext context = applicationContextUtil.getApplicationContext();        Map<String, EventComponent> eventBeanMap = context.getBeansOfType(EventComponent.class);        eventBeanMap.values().forEach(event -> {            if (event.getClass().isAnnotationPresent(EventAnnonation.class)) {                EventAnnonation eventAnnonation = event.getClass().getAnnotation(EventAnnonation.class);                eventComponentMap.put(eventAnnonation.event(), event);            }        });    }
    @Override    public void invokeEvent(TransNeedEventEnum eventEnum, Context context) {        if (eventComponentMap.containsKey(eventEnum)) {            eventComponentMap.get(eventEnum).invokeEvent(context);        }    }}

4.2.3 状态机上下文

 

  
    
   
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@Data@NoArgsConstructor@AllArgsConstructor@Builderpublic class Context {    private String userName;    private Long transNeedId;    private TransNeed transNeed;}

4.2.4 状态枚举

 

  
    
   
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public enum TransNeedStatusEnum {    /**     * 开始状态     */    None,    /**     * 待分配陆运服务商     */    UN_ASSIGN_CARRIER,    /**     * 待分配车辆和司机     */    UN_ASSIGN_CAR,    /**     * 订单已处理，已安排司机提货     */    ASSIGNED_CAR,    /**     * 已完成提货     */    PICKUPED,    /**     * 运输中     */    IN_TRANSIT,    /**     * 已通过内地海关     */    PASS_CUSTOMS,    /**     * 您的货物部分妥投部分投递失败     */    PARTIAL_DELIVERIED,    /**     * 您的货物妥投     */    ALL_DELIVERIED,    /**     * 您的货物被拒收     */    ALL_REJECTED,    /**     * 委托订单被取消     */    CANCELED,    /**     * 单据结束归档     */    FINISH;
}

4.2.5 事件枚举

 

  
    
   
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public enum TransNeedEventEnum {        // 系统事件        Create_Event,        Normal_Update_Event,        /**         * 分配服务商事件         */        Assign_Carrier_Event,        /**         * 派车事件         */        Assign_Car_Event,
        // 车辆任务(trans_jbo)执行修改调度单(trans_task)状态的事件        Trans_Job_Status_Change_Event,
        // 派送事件        Partial_Delivery_Event,        All_Delivery_Event,        Partial_Reject_Event,        All_Reject_Event,
        // 调度单中的任务单取消事件        Order_Cancel_Event,
        //  单据结束        Order_Finish;
        public boolean isSystemEvent() {                return this == Create_Event ||                        this == Normal_Update_Event;        }}

4.2.6 接口Demo

4.2.6.1 创建需求单

 

  
    
   
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/** *  接单* @return */@RequestMapping("/start/{fsNo}/{remark}")public Context start(@PathVariable("fsNo") String fsNo, @PathVariable("remark") String remark) {    Context context = contextService.getContext();    Object newStatus = stateMachine.getStateMachine().fireEvent(TransNeedStatusEnum.None, TransNeedEventEnum.Create_Event, context);    TransNeed transNeed = transNeedService.createTransNeed(fsNo, remark, newStatus.toString());    context.setTransNeed(transNeed);    context.setTransNeedId(transNeed.getId());    return context;}

4.2.6.2 分配服务商

 

  
    
   
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/** * 运输规划单生成调度单，调度单绑定服务商*/@RequestMapping("/assignCarrier/{id}")public Context assignCarrier(@PathVariable("id") Long id) {    Context context = contextService.getContext(id);    TransNeedStatusEnum prevStatus = TransNeedStatusEnum.valueOf(context.getTransNeed().getStatus());    stateMachine.getStateMachine().fireEvent(prevStatus, TransNeedEventEnum.Assign_Carrier_Event, context);    return context;}

4.2.6.3 分配车辆

 

  
    
   
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@RequestMapping("/assignCar/{id}")public Context assignCar(@PathVariable("id") Long id) {    Context context = contextService.getContext(id);    TransNeedStatusEnum prevStatus = TransNeedStatusEnum.valueOf(context.getTransNeed().getStatus());    log.info("trans need id: {}, prev status: {}", id, prevStatus);    stateMachine.getStateMachine().fireEvent(prevStatus, TransNeedEventEnum.Assign_Car_Event, context);    return context;}


五、状态机对比


综上，如果是直接使用状态机的组件库，可以考虑使用Spring的状态机，如果是要渐进式的使用状态机，逐步按照自己的需求去定制化状态机以满足业务需求，建议使用COLA的状态机。


六、iTMS使用状态机的计划


iTMS准备渐进式的使用COLA的状态机组件，先轻量级使用状态机进行运输相关域的状态变更，后续按照DDD的状态和事件的分析，使用CQRS的设计模式对命令做封装，调用状态机进行业务流转。
-end-

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