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支付系统的心脏:简洁而精妙的状态机设计与核心代码实现



本篇主要讲清楚什么是状态机,简洁的状态机对支付系统的重要性,状态机设计常见误区,以及如何设计出简洁而精妙的状态机,核心的状态机代码实现等。


我前段时间面试一个工作过4年的同学竟然没有听过状态机。假如你没有听过状态机,或者你听过但没有写过,或者你是使用if else 或switch case来写状态机的代码实现,建议花点时间看看,一定会有不一样的收获。


1. 前言


在线支付系统作为当今数字经济的基石,每年支撑几十万亿的交易规模,其稳定性至关重要。在这背后,是一种被誉为支付系统“心脏”的技术——状态机。本文将一步步介绍状态机的概念、其在支付系统中的重要性、设计原则、常见误区、最佳实践,以及一个实际的Java代码实现。


2. 什么是状态机


状态机,也称为有限状态机(FSM, Finite State Machine),是一种行为模型,由一组定义良好的状态、状态之间的转换规则和一个初始状态组成。它根据当前的状态和输入的事件,从一个状态转移到另一个状态。


下图就是在《支付交易的三重奏:收单、结算与拒付在支付系统中的协奏曲》中提到的交易单的状态机。



从图中可以看到,一共4个状态,每个状态之间的转换由指定的事件触发。


3. 状态机对支付系统的重要性


想像一下,如果没有状态机,支付系统如何知道你的订单已经支付成功了呢?如果你的订单已经被一个线程更新为“成功”,另一个线程又更新成“失败”,你会不会跳起来?


在支付系统中,状态机管理着每笔交易的生命周期,从初始化到完成或失败。它确保交易在正确的时间点,以正确的顺序流转到正确的状态。这不仅提高了交易处理的效率和一致性,还增强了系统的鲁棒性,使其能够有效处理异常和错误,确保支付流程的顺畅。


4. 状态机设计基本原则


无论是设计支付类的系统,还是电商类的系统,在设计状态机时,都建议遵循以下原则:


明确性: 状态和转换必须清晰定义,避免含糊不清的状态。


完备性: 为所有可能的事件-状态组合定义转换逻辑。


可预测性: 系统应根据当前状态和给定事件可预测地响应。


最小化: 状态数应保持最小,避免不必要的复杂性。


5. 状态机常见设计误区


工作多年,见过很多设计得不好的状态机,导致运维特别麻烦,还容易出故障,总结出来一共有这么几条:


过度设计: 引入不必要的状态和复杂性,使系统难以理解和维护。


不完备的处理: 未能处理所有可能的状态转换,导致系统行为不确定。


硬编码逻辑: 过多的硬编码转换逻辑,使系统不具备灵活性和可扩展性。


举一个例子感受一下。下面是亲眼见过的一个交易单的状态机设计,而且一眼看过去,好像除了复杂一点,整体还是合理的,比如初始化,受理成功就到ACCEPT,然后到PAYING,如果直接成功就到PAIED,退款成功就到REFUND。



我说说这个状态机有几个不合理的地方:



  1. 过于复杂。一些不必要的状态可以去掉,比如ACCEPT没有存在的必要。
  2. 职责不明确。支付单就只管支付,到PAIED就支付成功,就是终态不再改变。REFUND应该由退款单来负责处理,否则部分退款怎么办。

我们需要的改造方案:



  1. 精简掉不必要的状态,比如ACCEPT。
  2. 把一些退款、请款等单据单独抽出去,这样状态机虽然多了,但是架构更加清晰合理。

主单:



普通支付单:



预授权单:



请款单:



退款单:



6. 状态机设计的最佳实践


在代码实现层面,需要做到以下几点:


分离状态和处理逻辑:使用状态模式,将每个状态的行为封装在各自的类中。


使用事件驱动模型:通过事件来触发状态转换,而不是直接调用状态方法。


确保可追踪性:状态转换应该能被记录和追踪,以便于故障排查和审计。


具体的实现参考第7部分的“JAVA版本状态机核心代码实现”。


7. 常见代码实现误区


经常看到工作几年的同学实现状态机时,仍然使用if else或switch case来写。这是不对的,会让实现变得复杂,且容易出现问题。


甚至直接在订单的领域模型里面使用String来定义,而不是把状态模式封装单独的类。


还有就是直接调用领域模型更新状态,而不是通过事件来驱动。


错误的代码示例:


if (status.equals("PAYING") {
status = "SUCCESS";
} else if (...) {
...
}

或者:


class OrderDomainService {
public void notify(PaymentNotifyMessage message) {
PaymentModel paymentModel = loadPaymentModel(message.getPaymentId());
// 直接设置状态
paymentModel.setStatus(PaymentStatus.valueOf(message.status);
// 其它业务处理
... ...
}
}

或者:


public void transition(Event event) {
switch (currentState) {
case INIT:
if (event == Event.PAYING) {
currentState = State.PAYING;
} else if (event == Event.SUCESS) {
currentState = State.SUCESS;
} else if (event == Event.FAIL) {
currentState = State.FAIL;
}
break;
// Add other case statements for different states and events
}
}

8. JAVA版本状态机核心代码实现


使用Java实现一个简单的状态机,我们将采用枚举来定义状态和事件,以及一个状态机类来管理状态转换。


定义状态基类


/**
* 状态基类
*/

public interface BaseStatus {
}

定义事件基类


/**
* 事件基类
*/

public interface BaseEvent {
}

定义“状态-事件对”,指定的状态只能接受指定的事件


/**
* 状态事件对,指定的状态只能接受指定的事件
*/

public class StatusEventPairextends BaseStatus, E extends BaseEvent> {
/**
* 指定的状态
*/

private final S status;
/**
* 可接受的事件
*/

private final E event;

public StatusEventPair(S status, E event) {
this.status = status;
this.event = event;
}

@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (obj instanceof StatusEventPair) {
StatusEventPair other = (StatusEventPair)obj;
return this.status.equals(other.status) && this.event.equals(other.event);
}
return false;
}

@Override
public int hashCode() {
// 这里使用的是google的guava包。com.google.common.base.Objects
return Objects.hashCode(status, event);
}
}
,>
,>

定义状态机


/**
* 状态机
*/

public class StateMachineextends BaseStatus, E extends BaseEvent> {
private final Map, S> statusEventMap = new HashMap<>();

/**
* 只接受指定的当前状态下,指定的事件触发,可以到达的指定目标状态
*/

public void accept(S sourceStatus, E event, S targetStatus) {
statusEventMap.put(new StatusEventPair<>(sourceStatus, event), targetStatus);
}

/**
* 通过源状态和事件,获取目标状态
*/

public S getTargetStatus(S sourceStatus, E event) {
return statusEventMap.get(new StatusEventPair<>(sourceStatus, event));
}
}

定义支付的状态机。注:支付、退款等不同的业务状态机是独立的


/**
* 支付状态机
*/

public enum PaymentStatus implements BaseStatus {

INIT("INIT", "初始化"),
PAYING("PAYING", "支付中"),
PAID("PAID", "支付成功"),
FAILED("FAILED", "支付失败"),
;

// 支付状态机内容
private static final StateMachine STATE_MACHINE = new StateMachine<>();
static {
// 初始状态
STATE_MACHINE.accept(null, PaymentEvent.PAY_CREATE, INIT);
// 支付中
STATE_MACHINE.accept(INIT, PaymentEvent.PAY_PROCESS, PAYING);
// 支付成功
STATE_MACHINE.accept(PAYING, PaymentEvent.PAY_SUCCESS, PAID);
// 支付失败
STATE_MACHINE.accept(PAYING, PaymentEvent.PAY_FAIL, FAILED);
}

// 状态
private final String status;
// 描述
private final String description;

PaymentStatus(String status, String description) {
this.status = status;
this.description = description;
}

/**
* 通过源状态和事件类型获取目标状态
*/

public static PaymentStatus getTargetStatus(PaymentStatus sourceStatus, PaymentEvent event) {
return STATE_MACHINE.getTargetStatus(sourceStatus, event);
}
}
,>

定义支付事件。注:支付、退款等不同业务的事件是不一样的


/**
* 支付事件
*/

public enum PaymentEvent implements BaseEvent {
// 支付创建
PAY_CREATE("PAY_CREATE", "支付创建"),
// 支付中
PAY_PROCESS("PAY_PROCESS", "支付中"),
// 支付成功
PAY_SUCCESS("PAY_SUCCESS", "支付成功"),
// 支付失败
PAY_FAIL("PAY_FAIL", "支付失败");

/**
* 事件
*/

private String event;
/**
* 事件描述
*/

private String description;

PaymentEvent(String event, String description) {
this.event = event;
this.description = description;
}
}

在支付单模型中声明状态和根据事件推进状态的方法:


/**
* 支付单模型
*/

public class PaymentModel {
/**
* 其它所有字段省略
*/


// 上次状态
private PaymentStatus lastStatus;
// 当前状态
private PaymentStatus currentStatus;


/**
* 根据事件推进状态
*/

public void transferStatusByEvent(PaymentEvent event) {
// 根据当前状态和事件,去获取目标状态
PaymentStatus targetStatus = PaymentStatus.getTargetStatus(currentStatus, event);
// 如果目标状态不为空,说明是可以推进的
if (targetStatus != null) {
lastStatus = currentStatus;
currentStatus = targetStatus;
} else {
// 目标状态为空,说明是非法推进,进入异常处理,这里只是抛出去,由调用者去具体处理
throw new StateMachineException(currentStatus, event, "状态转换失败");
}
}
}

代码注释已经写得很清楚,其中StateMachineException是自定义,不想定义的话,直接使用RuntimeException也是可以的。


在支付业务代码中的使用:只需要paymentModel.transferStatusByEvent(PaymentEvent.valueOf(message.getEvent()))


/**
* 支付领域域服务
*/

public class PaymentDomainServiceImpl implements PaymentDomainService {

/**
* 支付结果通知
*/

public void notify(PaymentNotifyMessage message) {
PaymentModel paymentModel = loadPaymentModel(message.getPaymentId());
try {

// 状态推进
paymentModel.transferStatusByEvent(PaymentEvent.valueOf(message.getEvent()));
savePaymentModel(paymentModel);
// 其它业务处理
... ...
} catch (StateMachineException e) {
// 异常处理
... ...
} catch (Exception e) {
// 异常处理
... ...
}
}
}

上面的代码只需要加完善异常处理,优化一下注释,就可以直接用起来。


好处:



  1. 定义了明确的状态、事件。
  2. 状态机的推进,只能通过“当前状态、事件、目标状态”来推进,不能通过if else 或case switch来直接写。比如:STATE_MACHINE.accept(INIT, PaymentEvent.PAY_PROCESS, PAYING);
  3. 避免终态变更。比如线上碰到if else写状态机,渠道异步通知比同步返回还快,异步通知回来把订单更新为“PAIED”,然后同步返回的代码把单据重新推进到PAYING。

9. 并发更新问题


留言中“月朦胧”同学提到:“状态机领域模型同时被两个线程操作怎么避免状态幂等问题?”


这是一个好问题。在分布式场景下,这种情况太过于常见。同一机器有可能多个线程处理同一笔业务,不同机器也可能处理同一笔业务。


业内通常的做法是设计良好的状态机 + 数据库锁 + 数据版本号解决。



简要说明:



  1. 状态机一定要设计好,只有特定的原始状态 + 特定的事件才可以推进到指定的状态。比如 INIT + 支付成功才能推进到sucess。
  2. 更新数据库之前,先使用select for update进行锁行记录,同时在更新时判断版本号是否是之前取出来的版本号,更新成功就结束,更新失败就组成消息发到消息队列,后面再消费。
  3. 通过补偿机制兜底,比如查询补单。
  4. 通过上述三个步骤,正常情况下,最终的数据状态一定是正确的。除非是某个系统有异常,比如外部渠道开始返回支付成功,然后又返回支付失败,说明依赖的外部系统已经异常,这样只能进人工差错处理流程。

10. 结束语


状态机在支付系统中扮演着不可或缺的角色。一个专业、精妙的状态机设计能够确保支付流程的稳定性和安全性。本文提供的设计原则、常见误区警示和最佳实践,旨在帮助开发者构建出更加健壮和高效的支付系统。而随附的Java代码则为实现这一关键组件提供了一个清晰、灵活的起点。希望这些内容能够对你有用。



作者:隐墨星辰
来源:juejin.cn/post/7321569896453521419

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