支付系统核心逻辑 — — 状态机（JavaGolang版本）

支付系统核心逻辑 — — 状态机

代码地址：https://github.com/ziyifast/ziyifast-code_instruction/tree/main/state_machine_demo

1 概念：FSM（有限状态机），模式之间转换

状态机，也叫有限状态机（FSM，Finite State Machine），是一种行为模式，是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。

  • 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。

2 实战：支付核心逻辑

2.1 支付交易三重奏：收单、结算、拒付款

下图中我们可以看到，一共4种状态，每个状态之间的转换都通过指定事件触发。
在这里插入图片描述

2.2 状态机设计原则

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

  1. 明确性：状态和转换必须清晰定义，避免含糊不清的状态。
  2. 完备性：为所有可能的事件-状态组合定义转换逻辑。
  3. 可预测性：系统应根据当前状态和给定事件可预测地响应。
  4. 最小化：状态数应保持最小，避免不必要的复杂性。
①明确性：状态与转换必须定义清晰
②完备性：需要考虑所有事件-状态的转换组合
③可预测性：需根据当前状态+给定事件可预测响应
④最小化：状态数要少，避免过于复杂
常见误区
  1. 过度设计：引入不必要的状态
  2. 不完备的处理：没有考虑到状态与事件所有可能的转换关系，导致系统行为不确定
  3. 硬编码逻辑：过多硬编码转换逻辑，导致系统不具备可扩展性和灵活性

比如下面的设计：

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。

在这里插入图片描述

不合理的地方：

  1. 流程复杂。第一眼看过去会发现不那么清晰，流程比较繁琐，比较复杂，有很多状态都可以简化或者舍去。比如ACCEPT没有存在的必要。
  2. 职责不明确。支付单只管支付，到PAIED就算支付成功，最终状态不再改变。不应该后面还有REFUND状态。REFUND应该由退款单来负责处理，否则如果客户部分退款，我们就不好处理了。

改进方案：

  • 删除不必要的状态。如：ACCEPT
  • 将一个大型状态机抽取为多份小的状态机。比如把一些退款REFUND、请款等单据单独抽取出来。这个样子，虽然状态机数量多了，但是每个状态机都更加清晰明了。
  1. 主单：
    在这里插入图片描述
  1. 普通支付单
    在这里插入图片描述
  1. 预授权单
    在这里插入图片描述
  1. 请款单
    在这里插入图片描述
  1. 退款单
    在这里插入图片描述
最佳实践及代码规范

代码层面：

  1. 分离状态和处理逻辑：使用状态模式，将每个状态的行为都封装在各自的类中
  2. 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
  3. 确保可追踪性：状态转换应被记录和追踪，以便故障排查和审计

上面几点也就要求我们不应该使用if else或者switch case来写，会让代码看起来复杂。我们应该将每个状态封装为单独的类。

2.3 Java版本实现

  1. 定义状态基类
/**
 * 状态基类
 */
public interface BaseStatus {
}
  1. 定义事件基类
/**
 * 事件基类
 */
public interface BaseEvent {
}
  1. 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 StatusEventPair<S extends 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<S, E> other = (StatusEventPair<S, E>)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);
     }
}
  1. 定义状态机
/**
 * 状态机
 */
public class StateMachine<S extends BaseStatus, E extends BaseEvent> {
    private final Map<StatusEventPair<S, E>, 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));
    }
}
  1. 定义支付状态机。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<PaymentStatus, PaymentEvent> 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);
    }
}
  1. 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;
    }
}
  1. 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。

上面写法的好处：

  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。

2.4 Golang版本实现

项目结构：
在这里插入图片描述

①定义基础状态机：base_state_machine.go
package model

type BaseStatus interface {
}

type BaseEvent interface {
}

type StatusEventPair struct {
	status BaseStatus
	event  BaseEvent
}

func (pair StatusEventPair) equals(other StatusEventPair) bool {
	return pair.status == other.status && pair.event == other.event
}

type StateMachine struct {
	statusEventMap map[StatusEventPair]BaseStatus
}

func (sm *StateMachine) accept(sourceStatus BaseStatus, event BaseEvent, targetStatus BaseStatus) {
	pair := StatusEventPair{status: sourceStatus, event: event}
	sm.statusEventMap[pair] = targetStatus
}

func (sm *StateMachine) getTargetStatus(sourceStatus BaseStatus, event BaseEvent) BaseStatus {
	pair := StatusEventPair{status: sourceStatus, event: event}
	baseStatus := sm.statusEventMap[pair]
	return baseStatus
}
②定义支付状态机：payment_state_machine.go
package model

type PaymentStatus string

const (
	INIT   PaymentStatus = "INIT"
	PAYING PaymentStatus = "PAYING"
	PAID   PaymentStatus = "PAID"
	FAILED PaymentStatus = "FAILED"
)

type PaymentEvent string

const (
	PAY_CREATE  PaymentEvent = "PAY_CREATE"
	PAY_PROCESS PaymentEvent = "PAY_PROCESS"
	PAY_SUCCESS PaymentEvent = "PAY_SUCCESS"
	PAY_FAIL    PaymentEvent = "PAY_FAIL"
)

var PaymentStateMachine = StateMachine{statusEventMap: map[StatusEventPair]BaseStatus{}}

func init() {
	//支付状态机初始化，包含所有可能的情况
	PaymentStateMachine.accept(nil, PAY_CREATE, INIT)
	PaymentStateMachine.accept(INIT, PAY_PROCESS, PAYING)
	PaymentStateMachine.accept(PAYING, PAY_SUCCESS, PAID)
	PaymentStateMachine.accept(PAYING, PAY_FAIL, FAILED)
}

func GetTargetStatus(sourceStatus PaymentStatus, event PaymentEvent) PaymentStatus {
	status := PaymentStateMachine.getTargetStatus(sourceStatus, event)
	if status != nil {
		return status.(PaymentStatus)
	}
	panic("获取目标状态失败")
}

type PaymentModel struct {
	lastStatus    PaymentStatus
	CurrentStatus PaymentStatus
}

func (pm *PaymentModel) TransferStatusByEvent(event PaymentEvent) {
	targetStatus := GetTargetStatus(pm.CurrentStatus, event)
	if targetStatus != "" {
		pm.lastStatus = pm.CurrentStatus
		pm.CurrentStatus = targetStatus
	} else {
		// 处理异常
		panic("状态转换失败")
	}
}
③使用及测试

main.go：

package main

import (
	"github.com/kataras/iris/v12"
	"github.com/kataras/iris/v12/context"
	"github.com/ziyifast/log"
	"myTest/demo_home/state_machine_demo/model"
	"time"
)

var (
	testOrder = new(model.PaymentModel)
)

func main() {
	application := iris.New()
	application.Get("/order/create", createOrder)
	application.Get("/order/pay", payOrder)
	application.Get("/order/status", getOrderStatus)
	application.Listen(":8899", nil)
}

func createOrder(context *context.Context) {
	testOrder.CurrentStatus = model.INIT
	context.WriteString("create order succ...")
}

func payOrder(context *context.Context) {
	testOrder.TransferStatusByEvent(model.PAY_PROCESS)
	log.Infof("call third api....")
	//调用第三方支付接口和其他业务处理逻辑
	time.Sleep(time.Second * 15)
	log.Infof("done...")
	testOrder.TransferStatusByEvent(model.PAY_SUCCESS)
}

func getOrderStatus(context *context.Context) {
	context.WriteString(string(testOrder.CurrentStatus))
}

声明：为了快速验证以及让代码更加简洁，没有按照标准的规范来编写controller、service、dao等。

测试：

  1. 启动程序，调用create接口，创建订单
http://localhost:8899/order/create

在这里插入图片描述

  1. 调用支付接口支付订单
http://localhost:8899/order/pay

我们手动模拟调用第三方支付接口，sleep了几十秒（实际调用肯定比这个快多了），所以不会立即返回结果，我们需要新开一个窗口，直接查询订单状态

在这里插入图片描述

  1. 立即调用查询接口获取订单状态，查看是否为支付中
http://localhost:8899/order/status

在这里插入图片描述

  1. 等待支付成功后，调用接口查看订单状态，是否为已支付

等待后台日志打印done之后重新调用查询接口：

在这里插入图片描述

http://localhost:8899/order/status

在这里插入图片描述

3 并发更新问题：多线程修改同一状态机（db版本号）

“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。

在这里插入图片描述
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。

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。

参考文章：https://juejin.cn/post/7321569896453521419

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