.NET中的状态机库Stateless的操作流程

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介绍

什么是状态机和状态模式

状态机是一种用来进行对象建模的工具，它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前” 节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态，状态机停止。

状态模式主要用来解决对象状态转换比较复杂的情况。它把状态的逻辑判断转移到不同的类中，可以把复杂的逻辑简单化。

状态机的要素

状态机有4个要素，即现态、条件、动作、次态。其中，现态和条件是“因”，动作和次态是“果”。

现态 - 是指当前对象的状态
条件 - 当一个条件满足时，当前对象会触发一个动作
动作 - 条件满足之后，执行的动作
次态 - 条件满足之后，当前对象的新状态。次态是相对现态而言的，次态一旦触发，就变成了现态

Stateless

Stateless是一款基于.NET的开源状态机库，最新版本4.2.1, 使用它你可以很轻松的在.NET中创建状态机和以状态机为基础的轻量级工作流。

由于整个项目基于.NET Standard的编写的，所以在.NET Framework和.NET Core项目中都可以使用。

项目源代码 https://github.com/dotnet-state-machine/stateless

以下是一个使用Stateless编写的打电话流程

var phoneCall = new StateMachine<State, Trigger>(State.OffHook);

phoneCall.Configure(State.OffHook)
    .Permit(Trigger.CallDialled, State.Ringing);
	
phoneCall.Configure(State.Ringing)
    .Permit(Trigger.CallConnected, State.Connected);
 
phoneCall.Configure(State.Connected)
    .OnEntry(() => StartCallTimer())
    .OnExit(() => StopCallTimer())
    .Permit(Trigger.LeftMessage, State.OffHook)
    .Permit(Trigger.PlacedOnHold, State.OnHold);

// ...

phoneCall.Fire(Trigger.CallDialled);
Assert.AreEqual(State.Ringing, phoneCall.State);

代码解释

当前初始化了一个状态机来描述点电话的状态，这里电话的初始状态为挂机状态(OffHook)

当电话处于挂机状态时，如果触发被呼叫事件，电话的状态会变为响铃状态(Ringing)

当电话处于响铃状态时，如果触发通过连接事件，电话的状态会变为已连接状态(Connected)

当电话处于已连接状态时，系统会开始计时，已连接状态变为其他状态时，系统会结束计时

当电话处于已连接状态时，如果触发留言事件，电话的状态会变为挂机状态(OffHook)

当电话处于已连接状态时，如果触发挂起事件，电话的状态会变为挂起状态(OnHold)

Fire是触发事件的函数，这里触发了一个呼叫事件

触发呼叫事件之后，电话的状态变更为响铃状态，所以Assert.AreEqual(State.Ringing, phoneCall.State)的断言是正确的。

Stateless支持的特性

对任何.NET类型的状态和触发器的通用支持
分层状态
状态的进入和退出事件
保护子句以支持条件转换
内省

与此同时，还提供一些有用的扩展：

支持外部的状态存储（例如：由ORM跟踪属性）
参数化触发器
可重入状态
支持DOT格式图导出

分层状态

在以下例子中，OnHold状态是Connected状态的子状态。这意味着电话挂起的时候，还是连接状态的。

phoneCall.Configure(State.OnHold)
    .SubstateOf(State.Connected)
    .Permit(Trigger.TakenOffHold, State.Connected)
    .Permit(Trigger.PhoneHurledAgainstWall, State.PhoneDestroyed);

状态的进入和退出事件

在前面的例子中，StartCallTimer()方法会在通话连接时执行，StopCallTimer()方法会在通话结束时执行（或者电话挂起的时候，或者把电话被扔到墙上毁坏的时候.）。

当电话的状态从已连接(Connected)变为挂起(OnHold)时, 不会触发StartCallTimer()方法和StopCallTimer()方法，这是因为OnHold是Connected的子状态。

外部状态存储

有时候，当前对象的状态需要来自于一个ORM对象，或者需要将当前对象的状态保存到一个ORM对象中。为了支持这种外部状态存储，StateMachine类的构造函数支持了读写状态值。

var stateMachine = new StateMachine<State, Trigger>(
    () => myState.Value,
    s => myState.Value = s);

内省

状态机可以通过StateMachine.PermittedTriggers属性，提供一个当前对象状态下，可以触发的触发器列表。并提供了一个方法StateMachine.GetInfo()来获取有关状态的配置信息。

保护子句

状态机将根据保护子句在多个转换之间进行选择。

phoneCall.Configure(State.OffHook)
    .PermitIf(Trigger.CallDialled, State.Ringing, () => IsValidNumber)
    .PermitIf(Trigger.CallDialled, State.Beeping, () => !IsValidNumber);

注意：

配置中的保护子句必须是互斥的，子状态可以通过重新指定来覆盖状态转换，但是子状态不能覆盖父状态允许的状态转换。

参数化触发器

Stateless中支持将强类型参数指定给触发器。

var assignTrigger = stateMachine.SetTriggerParameters<string>(Trigger.Assign);

stateMachine.Configure(State.Assigned)
    .OnEntryFrom(assignTrigger, email => OnAssigned(email));

stateMachine.Fire(assignTrigger, "[email protected]");

导出DOT图

Stateless还提供了一个在运行时生成DOT图代码的功能，使用生成的DOT图代码，我们可以生成可视化的状态机图。

这里我们可以使用UmlDotGraph.Format()方法来生成DOT图代码。

phoneCall.Configure(State.OffHook)
    .PermitIf(Trigger.CallDialled, State.Ringing, IsValidNumber);
    
string graph = UmlDotGraph.Format(phoneCall.GetInfo());

生成的DOT图代码例子

digraph {
	compound=true;
	node [shape=Mrecord]
	rankdir="LR"

	subgraph clusterOpen
    {
        label = "Open"
		Assigned [label="Assigned|exit / Function"];
	}
	Deferred [label="Deferred|entry / Function"];
	Closed [label="Closed"];

	Open -> Assigned [style="solid", label="Assign / Function"];
	Assigned -> Assigned [style="solid", label="Assign"];
	Assigned -> Closed [style="solid", label="Close"];
	Assigned -> Deferred [style="solid", label="Defer"];
	Deferred -> Assigned [style="solid", label="Assign / Function"];
}

图形化之后的DOT图例子

一个BugTracker的例子

看完了这么多介绍，下面我们来操练一下，编写一个Bug的状态机。

假设在当前的BugTracker系统中，Bug有4个种状态Open, Assigned, Deferred, Closed。由此我们可以创建一个枚举类State。

public enum State
    {
        Open,
        Assigned,
        Deferred,
        Closed
    }

如果想改变Bug的状态，这里有3种动作，Assign, Defer, Close。

public enum Trigger
    {
        Assign,
        Defer,
        Close
    }

下面我们列举一下Bug对象可能的状态变化。

每个Bug的初始状态是Open
如果当前Bug的状态是Open, 触发动作Assign, Bug的状态会变为Assigned
如果当前Bug的状态是Assigned, 触发动作Defer, Bug的状态会变为Deferred
如果当前Bug的状态是Assigned, 触发动作Close, Bug的状态会变为Closed
如果当前Bug的状态是Assigned, 触发动作Assign, Bug的状态会保持Assigned(变更Bug修改者的场景)

如果当前Bug的状态是Deferred, 触发动作Assign, Bug的状态会变为Assigned由此我们可以编写Bug类

public class Bug
    {
        State _state = State.Open;
        StateMachine<State, Trigger> _machine;
        StateMachine<State, Trigger>.TriggerWithParameters<string> _assignTrigger;

        string _title;
        string _assignee;

        public Bug(string title)
        {
            _title = title;

            _machine = new StateMachine<State, Trigger>(() => _state, s => _state = s);

            _assignTrigger = _machine.SetTriggerParameters<string>(Trigger.Assign);

            _machine.Configure(State.Open).Permit(Trigger.Assign, State.Assigned);
            _machine.Configure(State.Assigned)
                .OnEntryFrom(_assignTrigger, assignee => _assignee = assignee)
                .SubstateOf(State.Open)
                .PermitReentry(Trigger.Assign)
                .Permit(Trigger.Close, State.Closed)
                .Permit(Trigger.Defer, State.Deferred);

            _machine.Configure(State.Deferred)
                .OnEntry(() => _assignee = null)
                .Permit(Trigger.Assign, State.Assigned);
        }
        
        public string CurrentState
        {
            get
            {
                return _machine.State.ToString();
            }
        }
        
        public string Title
        {
            get
            {
                return _title;
            }
        }

        public string Assignee
        {
            get
            {
                if (string.IsNullOrWhiteSpace(_assignee))
                {
                    return "Not Assigned";
                }

                return _assignee;
            }
        }

        public void Assign(string assignee)
        {
            _machine.Fire(_assignTrigger, assignee);
        }

        public void Defer()
        {
            _machine.Fire(Trigger.Defer);
        }

        public void Close()
        {
            _machine.Fire(Trigger.Close);
        }
    }

代码解释：

每个Bug都应该有个指派人和标题，所以这里我添加了一个Assignee和Title属性

当指派Bug时，需要指定一个指派人，所以Assign动作的触发器我使用的是一个参数化的触发器

当Bug对象进入Assigned状态时，我将当前指定的指派人赋值给了_assignee字段。最终效果

这里我们先展示一个正常的操作流程。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Bug bug = new Bug("Hello World!");

            Console.WriteLine($"Current State: {bug.CurrentState}");

            bug.Assign("Lamond Lu");

            Console.WriteLine($"Current State: {bug.CurrentState}");
            Console.WriteLine($"Current Assignee: {bug.Assignee}");

            bug.Defer();

            Console.WriteLine($"Current State: {bug.CurrentState}");
            Console.WriteLine($"Current Assignee: {bug.Assignee}");

            bug.Assign("Lu Nan");

            Console.WriteLine($"Current State: {bug.CurrentState}");
            Console.WriteLine($"Current Assignee: {bug.Assignee}");

            bug.Close();

            Console.WriteLine($"Current State: {bug.CurrentState}");
        }
    }

运行结果

下面我们修改代码，我们在创建一个Bug之后，立即尝试关闭它

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Bug bug = new Bug("Hello World!");
            bug.Close();
        }
    }

重新运行程序之后，程序会抛出以下异常。

Unhandled Exception: System.InvalidOperationException: No valid leaving transitions are permitted from state 'Open' for trigger 'Close'. Consider ignoring the trigger.

当Bug处于Open状态的时候，触发Close动作，由于没有任何次态定义，所以抛出了异常，这与我们前面定义的逻辑相符，如果希望程序支持Open -> Closed的状态变化，我们需要修改Open状态的配置，允许Open状态通过Close动作变为Closed状态。

_machine.Configure(State.Open)
	.Permit(Trigger.Assign, State.Assigned)
	.Permit(Trigger.Close, State.Closed);

由此可见我们完全可以根据自身项目的需求，定义一个简单的工作流，Stateless会自动帮我们验证出错误的流程操作。

总结

今天我为大家分享了一下.NET中的状态机库Stateless, 使用它我们可以很容易的定义出自己业务需要的状态机，或者基于状态机的工作流，本文大部分的内容都来自官方Github，有兴趣的同学可以深入研究一下。

到此这篇关于.NET中的状态机库Stateless的操作流程的文章就介绍到这了,更多相关.NET状态机Stateless内容请搜索极客世界以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持极客世界！

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