推荐一款高性能状态机管理解决方案
在实际软件开发中，尤其是工业软件，每一款设备都有复杂的状态以及状态之间的切换的功能需求，在这种情况下，如何管理状态以及状态之间切换，和对应状态下的功能控制，成为非常重要的一个问题。如果处理不好，那这种繁复的状态将成为“像面条一样”缠绕耦合，一团乱麻，真的就是“剪不断，理还乱”。那如何解决这个问题呢？今天我们以一篇简单的小例子，简述如何通过Stateless组件，完成状态的管理和触发，仅供学习分享使用，如有不足之处，还请指正。什么是状态模式？
关于状态模式和状态机，如下所示：
[*]状态模式："允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它所属的类 "。(State Pattern: "Allow an object to alter its behavior when its internal state changes. The object will appear to change its class ".)。对于这个定义，有点抽象，变通理解一下可以这么理解：状态拥有者将变更行为委托给状态对象，状态拥有者本身只拥有状态(当然也可以抛弃状态对象)，状态对象履行变更职责。
[*]状态机："依照指定的状态流程图，根据当前执行的动作，将当前状态按照预定的条件变更到新的状态 "。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
[*]状态迁移图："在UML建模中，常常可见，用来描述一个特定的对象所有可能的状态,以及由于各种事件的发生而引起的状态之间的转移和变化，也是配置状态机按照何种行径的前提 "。
什么是Stateless?
Stateless是一个轻量级、高性能的状态机库，它基于.Net Standard实现，在.Net Framework和.Net Core项目中都可以使用，能够轻松地帮助我们实现状态转换的逻辑。
github：https://github.com/dotnet-state-machine/stateless
实例场景说明
本文主要通过Stateless组件实现如下一个状态的管理和触发，
当前有一个设备软件，它拥有如下几个状态(State)：
[*]Idle状态，表示当前没有运行任务，处于空闲状态。
[*]Running状态，表示当前正在工作，处于运行状态。
[*]Malfunction状态，表示当前有异常，出于故障状态。
[*]Recovery状态，表示经过维修，从故障中恢复了，处于修复状态。
它拥有触发动作(Trigger)：
[*]Work，表示当前开始工作，它可以由Idle状态进入，也可以从Recovery状态进入，程序会进入Running状态。
[*]Fatal，表示遇到异常，它只可以由Running状态进入，程序会进入Malfunction状态。
[*]Repair，表示修复异常，它只可以由Malfunction状态进入，程序会进入Recovery状态。
[*]Finish，表示完成，它可以由Running状态进入，也可以由Recovery状态进入，程序会进入Idle状态。
上述状态（State）和触发动作（Trigger）以及之间的流转，如下图所示：
创建项目
为了演示状态变化，我们创建一个WinForm应用程序“Okcoder.Stateless.WinTool”和一个公共库“Okcoder.Stateless.Common”，如下所示：
安装Stateless组件
在Visual Studio 2022开发工具中，可以通过Nuget包管理器进行安装。在解决方案右键，打开右键菜单，然后点击“管理解决方案的Nuget程序包”在打开的Nuget包解决方案，搜索Stateless，然后安装即可。当前最新版为v5.18.0，如下所示：
定义状态和触发器
状态机管理状态的变化和触发事件，所以定义状态和触发器，它们是枚举类型，根据实例场景说明进行定义ToolState如下所示：
namespace Okcoder.Stateless.Common
{
/// <summary>
/// 工具状态
/// </summary>
public enum ToolState
{
Idle=0, //空闲状态
Running=1, //运行状态
Malfunction = 2, // 故障状态
Recovery=3, //已恢复状态
}
}ToolTrigger定义如下所示：
namespace Okcoder.Stateless.Common
{
public enum ToolTrigger
{
Work = 0, // 开始运转
Fatal = 1, // 出异常
Finish = 2, // 完成
Repair=3, //维修
}
}
定义接口
定义IToolStateService接口，它表示状态机所具备的能力，如触发动作，状态判断，状态机导出DotGraph等，如下所示：
namespace Okcoder.Stateless.Common
{
/// <summary>
/// 状态机接口
/// </summary>
public interface IToolStateService
{
/// <summary>
/// 初始化状态
/// </summary>
void Init();
/// <summary>
/// 开始工作
/// </summary>
/// <returns></returns>
ToolResult Work();
/// <summary>
/// 遇到严重错误
/// </summary>
/// <returns></returns>
ToolResult Fatal();
/// <summary>
/// 维修
/// </summary>
/// <returns></returns>
ToolResult Repair();
/// <summary>
/// 完成
/// </summary>
/// <returns></returns>
ToolResult Finish();
/// <summary>
/// 是否是Idle状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
bool IsIdleState();
/// <summary>
/// 是否运行状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
bool IsRunningState();
/// <summary>
/// 是否故障状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
bool IsMalfunctionState();
/// <summary>
/// 是否恢复状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
bool IsRecoveryState();
/// <summary>
/// 获取当前状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
ToolState GetToolState();
/// <summary>
/// 状态机导出DotGraph
/// </summary>
/// <param name="path"></param>
void ExportDotGraph(string path);
}
}定义设备工作IToolWorkService接口，它表示设备运行工作，执行操作。如下所示：
namespace Okcoder.Stateless.Common
{
/// <summary>
/// 设备工作流程接口
/// </summary>
public interface IToolWorkService
{
/// <summary>
/// 是否制造故障
/// </summary>
bool IsMakeFatal { get; set; }
/// <summary>
/// 开始工作
/// </summary>
void DoWork();
/// <summary>
/// 维修
/// </summary>
void Repair();
}
}
实现服务
实现状态机服务ToolStateService，它主要应用Stateless组件实现状态的管理和触发动作切换状态，如下所示：
using Stateless;
using Stateless.Graph;
using System.Text;
namespace Okcoder.Stateless.Common
{
/// <summary>
/// 状态机服务
/// </summary>
public class ToolStateService : IToolStateService
{
private Action<ToolState> toolAction;// 动作
private StateMachine<ToolState, ToolTrigger> toolStateMachine;
public ToolStateService(Action<ToolState> toolAction)
{
//定义状态机
this.toolStateMachine = new StateMachine<ToolState, ToolTrigger>(ToolState.Idle);
//配置每一个状态所允许的动作
this.toolStateMachine.Configure(ToolState.Idle).Permit(ToolTrigger.Work, ToolState.Running);
this.toolStateMachine.Configure(ToolState.Running).Permit(ToolTrigger.Fatal, ToolState.Malfunction).Permit(ToolTrigger.Finish, ToolState.Idle);
this.toolStateMachine.Configure(ToolState.Malfunction).Permit(ToolTrigger.Repair, ToolState.Recovery);
this.toolStateMachine.Configure(ToolState.Recovery).Permit(ToolTrigger.Work, ToolState.Running).Permit(ToolTrigger.Finish, ToolState.Idle);
this.toolAction = toolAction;
}
/// <summary>
/// 初始化状态
/// </summary>
public void Init()
{
this.toolAction(ToolState.Idle);
}
/// <summary>
/// 响应触发动作
/// </summary>
/// <param name="trigger"></param>
private ToolResult Fire(ToolTrigger trigger)
{
ToolResult toolResult = new ToolResult();
try
{
if (!this.toolStateMachine.CanFire(trigger))
{
toolResult.IsOk = false;
toolResult.Desc = $"当前状态是{this.toolStateMachine.State},不允许执行{trigger}操作";
}
else
{
this.toolStateMachine.Fire(trigger);
toolResult.IsOk = true;
toolResult.Desc = "Ok";
DoAction();
}
}
catch (InvalidOperationException ex)
{
toolResult.IsOk = false;
toolResult.Desc = ex.Message;
}
return toolResult;
}
/// <summary>
/// 判断是否在状态
/// </summary>
/// <param name="toolState"></param>
/// <returns></returns>
private bool IsInState(ToolState toolState)
{
return this.toolStateMachine.IsInState(toolState);
}
/// <summary>
/// 事件通知
/// </summary>
private void DoAction()
{
if (this.toolAction != null)
{
this.toolAction(this.toolStateMachine.State);
}
}
/// <summary>
/// 开始工作
/// </summary>
public ToolResult Work()
{
return this.Fire(ToolTrigger.Work);
}
/// <summary>
/// 遇到严重错误
/// </summary>
public ToolResult Fatal()
{
return this.Fire(ToolTrigger.Fatal);
}
/// <summary>
/// 维修
/// </summary>
public ToolResult Repair()
{
return this.Fire(ToolTrigger.Repair);
}
/// <summary>
/// 完成
/// </summary>
public ToolResult Finish()
{
return this.Fire(ToolTrigger.Finish);
}
/// <summary>
/// 是否是Idle状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
public bool IsIdleState()
{
return this.IsInState(ToolState.Idle);
}
/// <summary>
/// 是否运行状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
public bool IsRunningState()
{
return this.IsInState(ToolState.Running);
}
/// <summary>
/// 是否故障状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
public bool IsMalfunctionState()
{
return this.IsInState(ToolState.Malfunction);
}
/// <summary>
/// 是否恢复状态
/// </summary>
/// <returns></returns>
public bool IsRecoveryState()
{
return this.IsInState(ToolState.Recovery);
}
public ToolState GetToolState()
{
return this.toolStateMachine.State;
}
/// <summary>
/// 状态机导出DotGraph
/// </summary>
/// <param name="path"></param>
public void ExportDotGraph(string path)
{
var info = this.toolStateMachine.GetInfo();
string graph = UmlDotGraph.Format(info);
using (FileStream stream = File.OpenWrite(path))
{
using (StreamWriter writer = new StreamWriter(stream))
{
writer.Write(graph);
writer.Close();
}
stream.Close();
}
}
}
}其中StateMachine是状态机的核心类，它有两个泛型参数，分别表示ToolState和ToolTrigger，构造函数中传入初始状态，在本示例中，传入ToolStage.Idle即可。
StateMachine通过对象实例的Configure方法配置允许的状态及通过Permit方法配置当前状态允许通过Trigger转换的新的状态。
配置完成后，通过Fire方法响应触发动作，通过IsInState方法判断当前是否处于指定的状态。
在状态机服务类构造函数中，接收一个Action的委托方法，用于输出状态到UI层，当然也可以采用其他事件订阅发布的解耦方法。
其中ToolResult返回值，表示状态机执行后返回的接口，它是一个类，如下所示：
namespace Okcoder.Stateless.Common
{
/// <summary>
/// 工具执行结果
/// </summary>
public class ToolResult
{
public bool IsOk { get; set; }
public string Desc { get; set; }
}
}
实现工作服务ToolWorkService，主要是模拟设备工具运行，当开始工作时，输出文本到UI页面上，如果有异常，则停止；若无异常，则运行完成，如下所示：
namespace Okcoder.Stateless.Common
{
/// <summary>
/// 设备工作服务
/// </summary>
public class ToolWorkService:IToolWorkService
{
private Action<string> _progress;
private IToolStateService _toolStateService;
private bool _isMakeFatal=false;
public bool IsMakeFatal
{
get { return _isMakeFatal; }
set { _isMakeFatal = value; }
}
public ToolWorkService(IToolStateService toolStateService, Action<string> progress,bool isMakeFatal=false)
{
_progress = progress;
_toolStateService = toolStateService;
_isMakeFatal = isMakeFatal;
}
public void DoWork()
{
BeginWork();
Work();
Finish();
}
public void Repair()
{
var result = this._toolStateService.Repair();
if (result.IsOk)
{
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} 故障被修好了");
}
else
{
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} 故障没有被修好");
}
}
/// <summary>
/// 开始工作
/// </summary>
private void BeginWork()
{
var result = this._toolStateService.Work();
if (result.IsOk)
{
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} 开始工作了");
}
else
{
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} 开始工作失败了");
}
}
/// <summary>
/// 工作过程
/// </summary>
private void Work()
{
for (int i = 0; i < 30; i++)
{
if (_isMakeFatal)
{
if (i > 10)
{
MarkFatal();// 运行一段时间，报故障
break;
}
}
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} 当前正在工作 - {i}");
Thread.Sleep(300);
}
}
/// <summary>
/// 完成工作
/// </summary>
private void Finish()
{
var result = this._toolStateService.Finish();
if (result.IsOk)
{
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} 完成工作了");
}
else
{
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} {result.Desc}");
}
}
private void MarkFatal()
{
var result = this._toolStateService.Fatal();
if (result.IsOk)
{
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} 哎呀，出错了呢？");
}
else
{
OutPutInfo($"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")} 制造故障失败");
}
}
/// <summary>
/// 输出信息
/// </summary>
/// <param name="msg"></param>
private void OutPutInfo(string msg)
{
if (_progress != null)
{
_progress(msg);
}
}
}
}其中构造函数接收一个Action的委托，用于向UI输出信息，当然也可以是其他的形式。
UI调用
在Okcoder.Stateless.WinTool项目中，创建FrmMain页面，在构造函数中定义IToolStateService和IToolWorkService的对象实例，并且在Load方法中初始化。
当用户点击Work时，开始调用IToolWorkService的Work方法，在执行过程中，会输出信息到UI页面。
在UI页面有一个复选框，用于设置是否触发异常，可以模拟有异常的场景，如果出现异常，则点击Repair按钮进行修复。
在执行各个动作时，可以看到不同的状态变化。如下所示：
using Okcoder.Stateless.Common;
namespace Okcoder.Stateless.WinTool
{
public partial class FrmMain : Form
{
private IToolStateService toolStateService;
private IToolWorkService toolWorkService;
public FrmMain()
{
InitializeComponent();
this.toolStateService = new ToolStateService(ToolStateAction);
this.toolWorkService = new ToolWorkService(toolStateService, ToolWorkProcessAction, this.chkFatal.Checked);
}
private void FrmMain_Load(object sender, EventArgs e)
{
this.toolStateService.Init();
}
/// <summary>
/// 开始工作
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void btnWork_Click(object sender, EventArgs e)
{
this.txtInfo.Text = string.Empty;
this.toolWorkService.IsMakeFatal = this.chkFatal.Checked;
Task.Run(() =>
{
this.toolWorkService.DoWork();
});
}
/// <summary>
/// 维修
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void btnRepair_Click(object sender, EventArgs e)
{
this.toolWorkService.Repair();
}
/// <summary>
/// 导出状态机DotGraph文件
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void btnExport_Click(object sender, EventArgs e)
{
SaveFileDialog saveFileDialog = new SaveFileDialog();
saveFileDialog.DefaultExt = "txt";
saveFileDialog.Filter = "txt文件|*.txt";
saveFileDialog.FileName = "Okcoder.txt";
if (saveFileDialog.ShowDialog() == DialogResult.OK)
{
var filePath = saveFileDialog.FileName;
this.toolStateService.ExportDotGraph(filePath);
MessageBox.Show("导出成功");
}
}
private void ToolStateAction(ToolState toolState)
{
this.Invoke(() =>
{
this.lblState.Text = toolState.ToString();
switch (toolState)
{
case ToolState.Idle:
case ToolState.Recovery:
this.btnWork.Enabled = true;
this.btnRepair.Enabled = false;
this.lblState.ForeColor = Color.Black;
break;
case ToolState.Running:
this.btnWork.Enabled = false;
this.btnRepair.Enabled = false;
this.lblState.ForeColor = Color.Goldenrod;
break;
case ToolState.Malfunction:
this.btnWork.Enabled = false;
this.btnRepair.Enabled = true;
this.lblState.ForeColor = Color.Red;
break;
}
this.Refresh();
});
}
private void ToolWorkProcessAction(string msg)
{
this.Invoke(() =>
{
this.txtInfo.AppendText(msg + "\r\n");
});
}
}
}
实例演示
经过上述步骤，运行程序，然后点击Work按钮，默认无故障时如下所示：
当勾选故障，模拟出现故障时，如下所示：
以上就是《推荐一款高性能状态机管理解决方案》，旨在抛砖引玉，一起学习，共同进步。
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