19、基于Jini和JavaSpaces的工作流系统解析

基于Jini和JavaSpaces的工作流系统解析

1. 引言

随着点对点（P2P）革命对应用开发的影响，去中心化和动态社区形成的概念愈发重要。Jini和JavaSpaces为满足去中心化和临时群组形成的需求提供了优秀的技术选择。Jini具备在网络上发现服务和设备的能力，而JavaSpaces则轻松支持网络会合点，可用于提供消息传递、事件通知和内容空间定义等功能。接下来，我们将深入探讨如何利用Jini和JavaSpaces构建工作流系统。

2. 工作流基础概念

工作流是指根据一组程序规则，将文档、信息或任务从一个参与者传递到另一个参与者以进行操作的业务流程的自动化（部分或全部）。工作流管理则是对工作流程的自动化协调和控制。工作流在电子商务中扮演着战略角色，成功的电子商务需要将业务交易集成到工作流流程和后端系统中。

然而，将工作流与遗留系统集成一直是复杂且成本高昂的。JavaSpaces为网络资源之间的动态通信、协调和对象共享提供了简化的方法，它充当网络服务提供者和请求者之间的虚拟空间，允许分布式解决方案中的参与者以Java对象的形式交换任务、请求和信息。Jini与JavaSpaces协同工作，通过远程事件和持久共享内存模型为松散耦合的系统提供了一种机制，使流程能够通过公共空间交换信息，并通过异步事件接收更改通知。

3. 工作流管理系统

工作流管理系统（Workflow Management System）是通过使用运行在一个或多个工作流引擎上的软件来定义、创建和管理工作流执行的系统。它能够解释流程定义、与工作流参与者交互，并在需要时调用IT工具和应用程序。工作流管理系统的好处包括降低运营成本、提高生产力、加快处理时间和改善沟通。

4. 工作流系统框架

工作流管理系统支持不同类型的控制和自动化执行模型，可根据部署特征和执行目标对工作流框架进行分类，具体如下：
| 工作流类型 | 特点 |
| ---- | ---- |
| 生产工作流 | 管理大量相似任务，通过自动化尽可能多的活动来优化生产力，仅在处理异常时需要人工输入，可与现有（遗留）系统紧密集成，性能至关重要。 |
| 自主工作流引擎 | 无需额外应用程序软件即可运行，是独立的应用程序软件，通常用于支持多种不同的应用程序，但其建模需要指定被调用应用程序的接口信息、相关数据结构和涉及的参与者，可能具有挑战性。 |
| 嵌入式工作流 | 只有与周围（嵌入）系统（如企业资源规划（ERP）系统）一起使用时才起作用，用于控制应用程序功能的顺序、管理队列和协助异常处理。 |
| 协作工作流 | 专注于团队为共同目标而合作，团队规模可从小型项目导向团队到广泛分散但有共同兴趣的人员不等。 |
| 临时工作流 | 允许用户根据情况快速轻松地创建和修改流程定义，灵活性高，流程定义的实例数量几乎可以与定义数量相同。 |

5. 工作流参考模型

工作流管理联盟定义的工作流参考模型包含五个可互操作的接口：
- 流程定义 ：包含手动定义和工作流定义的流程的计算机化表示，负责将流程定义从外部工具传递到工作流引擎进行执行。
- 工作流客户端和被调用应用程序 ：涵盖工作流API（WAPIs），支持这些接口的工作流管理产品允许实现需要访问工作流管理引擎功能（工作流服务）的前端应用程序，可将工作流任务集成到常见桌面中。
- 工作流执行服务 ：由一个或多个工作流引擎组成的软件服务，用于创建、管理和执行工作流实例。应用程序可通过工作流应用程序编程接口（WAPI）与之交互，该接口定义了工作流产品供应商需要实现的机制，以便一个工作流引擎可以请求另一个工作流引擎选择、实例化和执行已知的流程定义，并传递上下文数据和接收状态信息及执行结果。
- 审计和监控 ：支持该规范的工作流产品允许对异构工作流产品的一致审计数据进行分析，企业可根据这些信息确定工作流管理的业务操作中发生了什么，并采取适当的行动。

6. 协作工作流框架示例

协作工作流注重团队为共同目标而合作，在各类企业的成功中被认为是至关重要的元素。下面我们将使用Jini和JavaSpaces构建一个协作工作流服务，该系统具备以下能力：
- 定义流程定义和工作项
- 安排任务和分配资源
- 当依赖任务完成且新任务可以开始时通知参与者

此示例主要关注工作流应用的三个方面：
- 将活动状态的变化建模为对象流
- 使用事件邮箱服务作为远程事件通知平台
- 将流程工作者与JavaSpaces和事件邮箱服务集成

以下是该协作工作流框架的任务流程 mermaid 流程图：

graph LR
    A[管理员/流程所有者定义模板] --> B[导出到远程工作流服务]
    B --> C[工作流服务引擎激活流程]
    C --> D[工人更新任务]
    D --> E[工作流服务引擎更新活动]
    E --> F[监控流程进度]

管理员或流程所有者负责定义工作流模板，这些模板定义了分配给团队成员的工作项，包括任务描述以及开始和停止时间参数。流程建模完成后，定义将被导出到远程工作流服务。工作流服务提供流程定义接口和工作流程接口，其引擎负责激活工作流流程，并在工人更新相关任务时更新活动。工人异步接收任务分配和任务状态，并且可以监控流程的整体进度。

7. 支持服务

协作工作流需要一些特定的Jini服务，除了查找服务外，还需要JavaSpaces和事务服务。JavaSpaces为存储活动定义和状态更改通知提供了网络可共享的空间，而事务服务是JavaSpaces所必需的。此外，还使用事件邮箱服务（mercury）来存储工作流应用中为工人（资源）定义的事件通知。

同时，还定义了三个新服务：
- WorkflowService ：实现工作流执行和工作流引擎流程。
- StarService ：提供带有额外工作流语义的JavaSpace API代理。
- MailboxManager ：为事件邮箱服务提供用户映射管理器。

8. 活动状态变化作为对象流

在协作工作流中，定义了一些关键的条目和概念。StarEntry是JavaSpaces中定义的基本元组，它封装了流程活动及其支持环境的定义，具体包括：
- Space ：活动需要了解的与位置相关的地方，在示例工作流服务中，使用流程ID作为JavaSpaces中位置的唯一引用。
- Time ：用于安排活动的开始和完成时间，还可扩展以包括其他基于时间的测量，如跟踪性能、确定租赁期限和安排警报通知。
- Activity ：流程步骤的基本定义，封装了活动描述和流程步骤的预期输出或结果。
- Resource ：抽象了将个人、组或其他系统分配给活动的过程。

StarEntries通过StarInterface写入JavaSpaces，并且可以链接形成星座，从而提供任务之间关系和依赖的图形视图，类似于项目管理工具中常用的甘特图。

9. 将状态建模为对象

ActivityState接口定义了工作流系统中所有状态对象实现的接口。状态对象实现了一个公共接口，其行为会根据活动的当前状态而变化。例如，在“就绪”任务上调用start方法是明确的，但在“完成”任务上调用start方法会抛出无效状态更改异常。以下是ActivityState接口的代码：

package org.jworkplace.workflow;

import java.rmi.RemoteException;
import java.io.Serializable;

public interface ActivityState extends Serializable {
    public static final String TASK_INIT = "inactive";
    public static final String TASK_READY = "ready";
    public static final String TASK_START = "start";
    public static final String TASK_COMPLETE = "complete";
    public static final String TASK_SUSPEND = "suspend";

    public void start() throws RemoteException;
    public void terminate() throws RemoteException;
    public void suspend() throws RemoteException;
    public void resume() throws RemoteException;
}

10. 控制和管理流程流

活动的基本流程控制状态如下：
- Inactive ：活动的初始状态，已定义但尚未开始。
- Start/Running ：活动被工人确认后的状态，表示基础活动正在进行中，并根据当前计划参数进行跟踪。
- Complete ：活动已满足完成条件，将执行任何内部操作（如记录审计数据或统计信息），表示依赖的后续任务可以进入“就绪”状态。
- Suspend ：活动被暂停的状态，在通过恢复命令使流程返回运行状态之前，不会开始任何活动。
- Ready ：活动的所有依赖任务已完成，但尚未被用户或系统确认或启动（通过start命令）的状态。

系统为每个定义的状态定义了一个关联的状态对象条目，该条目扩展了TaskEntry类。以下是TaskEntry类的代码：

package org.jworkplace.workflow;

import java.rmi.RemoteException;
import net.jini.entry.AbstractEntry;
import com.sun.jini.proxy.UUID;

public class TaskEntry extends AbstractEntry implements ActivityState {

    public UUID processId;
    public String taskId;

    public TaskEntry() { this(null); }

    public TaskEntry(UUID processId) { this(null, null); }

    public TaskEntry(UUID processId, String taskId) {
        this.processId = processId;
        this.taskId = taskId;
    }

    // 子类根据当前状态实现每个命令的所需行为
    public void start() throws RemoteException { }
    public void terminate() throws RemoteException { }
    public void suspend() throws RemoteException { }
    public void resume() throws RemoteException { }
}

扩展TaskEntry的状态类包括InactiveTask、ActiveTask、ReadyTask、CompleteTask和SuspendTask。随着工人确认、接受和完成活动，相应的任务对象将被写入JavaSpaces。

11. StarService

StarInterface提供了映射到JavaSpace API的方法，它将请求委托给JavaSpace代理，并为工作流处理提供一些额外的隐含语义。StarService实现了StarInterface，并负责解析对JavaSpaces服务的引用。以下是StarInterface接口的代码：

package org.jworkplace.workflow;

import java.rmi.RemoteException;
import java.rmi.MarshalledObject;
import java.io.IOException;
import net.jini.core.entry.Entry;
import net.jini.core.transaction.TransactionException;
import net.jini.core.entry.UnusableEntryException;
import net.jini.core.event.RemoteEventListener;

public interface StarInterface extends java.io.Serializable {

    public void setRemoteEventListener(Entry template,
                                       MarshalledObject handback,
                                       RemoteEventListener listener);
    public Entry read(Entry template);
    public Entry readIfExists(Entry template);
    public void write(Entry entry);
    public void write(Entry entry, long leaseTime);
    public Entry take(Entry entry);
    public Entry takeIfExists(Entry entry);
}

setRemoteEventListener方法接受一个Entry模板、一个MarshalledObject和一个RemoteEventListener对象作为参数，并调用JavaSpace的notify方法来注册远程事件通知，这为跟踪状态对象写入空间提供了一种简单的机制。

当调用StarInterface的write方法为工作流流程中定义的每个活动写入StarEntry时，StarService实现会写入StarEntry和一个与活动当前状态平行的关联TaskEntry。具体代码如下：

public void write(Entry entry)
        throws RemoteException,
        TransactionException,
        UnusableEntryException,
        InterruptedException {
    if (entry instanceof StarEntry) {
        StarEntry template = (StarEntry) entry;
        // 从StarEntry获取位置、taskId和状态
        UUID location = template.location;
        String taskId = template.taskId;
        String command = template.status;
        // 使用StarEntry的processID和taskID
        // 移除工作流程活动的当前TaskEntry（状态对象）
        TaskEntry taskTemplate = new TaskEntry(location, taskId);
        takeIfExists(taskTemplate);

        // 现在创建并更新当前TaskEntry以反映StarEntry状态
        // 初始化 - 创建一个非活动任务
        if (command.equals(ActivityState.TASK_INIT)) {
            InactiveTask task = new InactiveTask(location, taskId);
            space.write(task, null, Long.MAX_VALUE);
        // 开始 - 将任务移动到开始状态
        } else if (command.equals(ActivityState.TASK_START)) {
            ActiveTask task = new ActiveTask(location, taskId);
            task.start();
            space.write(task, null, Long.MAX_VALUE);
        // 准备激活 - 将任务移动到就绪状态
        } else if (command.equals(ActivityState.TASK_READY)) {
            ReadyTask task = new ReadyTask(location, taskId);
            space.write(task, null, Long.MAX_VALUE);
        // 完成 - 将任务移动到完成状态
        } else if (command.equals(ActivityState.TASK_COMPLETE)) {
            CompleteTask task = new CompleteTask(location, taskId);
            task.terminate();
            space.write(task, null, Long.MAX_VALUE);
        // 暂停 - 将任务移动到暂停状态
        } else if (command.equals(ActivityState.TASK_SUSPEND)) {
            SuspendTask task = new SuspendTask(location, taskId);
            task.suspend();
            space.write(task, null, Long.MAX_VALUE);
        }
    }
}

通过以上对基于Jini和JavaSpaces的工作流系统的详细解析，我们可以看到它们在构建分布式工作流系统方面的强大能力和灵活性。无论是从基础概念的理解，到不同类型工作流框架的应用，再到具体的代码实现，都展示了如何利用这些技术来实现高效、可扩展的工作流管理。

基于Jini和JavaSpaces的工作流系统解析

12. 活动状态变化的实际应用

在实际的工作流系统中，活动状态的变化起着关键作用。以下通过一个具体的示例来说明活动状态是如何在系统中流转的。

假设我们有一个软件开发项目的工作流，其中一个任务是编写代码。这个任务的初始状态是 Inactive ，当管理员或流程所有者定义好任务并将其分配给开发人员后，任务进入 Ready 状态。开发人员接收到任务分配通知后，开始编写代码，此时任务状态变为 Start/Running 。当开发人员完成代码编写并进行了初步的测试，认为任务完成时，任务状态变为 Complete 。如果在编写代码过程中遇到了一些问题，需要暂停任务进行讨论或等待其他资源，任务状态则会变为 Suspend 。

下面是这个示例在代码层面的简单模拟：

// 初始化任务为 Inactive 状态
TaskEntry initialTask = new InactiveTask(new UUID(), "coding_task");
// 模拟任务进入 Ready 状态
if (initialTask.status.equals(ActivityState.TASK_INIT)) {
    ReadyTask readyTask = new ReadyTask(initialTask.processId, initialTask.taskId);
    // 这里可以调用 StarService 的 write 方法更新任务状态
    // StarService.write(readyTask);
}
// 模拟任务进入 Start/Running 状态
if (readyTask.status.equals(ActivityState.TASK_READY)) {
    ActiveTask activeTask = new ActiveTask(readyTask.processId, readyTask.taskId);
    activeTask.start();
    // StarService.write(activeTask);
}
// 模拟任务进入 Complete 状态
if (activeTask.status.equals(ActivityState.TASK_START)) {
    CompleteTask completeTask = new CompleteTask(activeTask.processId, activeTask.taskId);
    completeTask.terminate();
    // StarService.write(completeTask);
}
// 模拟任务进入 Suspend 状态
if (activeTask.status.equals(ActivityState.TASK_START)) {
    SuspendTask suspendTask = new SuspendTask(activeTask.processId, activeTask.taskId);
    suspendTask.suspend();
    // StarService.write(suspendTask);
}

通过这个示例，我们可以清晰地看到活动状态是如何根据实际情况进行变化的，以及如何通过代码来实现状态的转换。

13. 工作流系统的性能优化

在使用 Jini 和 JavaSpaces 构建工作流系统时，性能优化是一个重要的考虑因素。以下是一些可以采取的优化措施：

优化措施	具体方法
合理使用事务	事务服务对于 JavaSpaces 是必需的，但过多的事务操作可能会影响性能。因此，需要合理规划事务的范围，避免不必要的事务嵌套。例如，在写入多个相关的任务状态时，可以将它们放在一个事务中处理，但要确保事务的执行时间尽可能短。
优化事件通知	事件邮箱服务（mercury）用于存储事件通知，但过多的事件通知可能会导致系统负担过重。可以通过设置合理的事件过滤规则，只让相关的工作者接收必要的事件通知。例如，只在任务状态发生关键变化时发送通知，而不是每次状态微小调整都发送。
缓存机制	对于一些频繁访问的数据，可以使用缓存机制来减少对 JavaSpaces 的访问次数。例如，将常用的任务模板或活动定义缓存到本地内存中，当需要使用时，先从缓存中查找，如果找不到再从 JavaSpaces 中获取。

14. 工作流系统的扩展性

随着业务的发展，工作流系统可能需要不断扩展以满足新的需求。Jini 和 JavaSpaces 提供了良好的扩展性支持。

• 添加新的服务 ：可以根据业务需求添加新的 Jini 服务。例如，如果需要对工作流中的数据进行更复杂的分析，可以添加一个数据分析服务。这个服务可以与现有的工作流服务进行集成，通过 JavaSpaces 进行数据的交互。
• 扩展工作流类型 ：可以根据不同的业务场景扩展工作流类型。比如，在现有的协作工作流基础上，增加生产工作流或临时工作流。这只需要根据不同工作流类型的特点，调整相应的流程定义和状态管理逻辑。

以下是一个简单的 mermaid 流程图，展示了工作流系统扩展性的实现方式：

graph LR
    A[现有工作流系统] --> B[添加新服务]
    A --> C[扩展工作流类型]
    B --> D[集成新服务到系统]
    C --> E[调整流程定义和状态管理]
    D --> F[系统扩展完成]
    E --> F

15. 工作流系统的安全性

在工作流系统中，安全性是至关重要的。以下是一些保障工作流系统安全的措施：

• 身份验证 ：对参与工作流的用户和系统进行身份验证，确保只有授权的人员和系统可以访问和操作工作流。可以使用 Jini 的安全机制，如基于证书的身份验证。
• 数据加密 ：对存储在 JavaSpaces 中的敏感数据进行加密，防止数据泄露。可以使用常见的加密算法，如 AES 加密算法。
• 访问控制 ：根据用户的角色和权限，对工作流的不同操作进行访问控制。例如，管理员可以进行流程定义和任务分配，而普通工人只能查看和操作自己的任务。

以下是一个简单的访问控制列表示例：
| 用户角色 | 可执行操作 |
| ---- | ---- |
| 管理员 | 定义工作流模板、分配任务、查看所有任务状态 |
| 普通工人 | 查看自己的任务、更新任务状态 |

16. 总结

基于 Jini 和 JavaSpaces 的工作流系统为分布式工作流管理提供了强大而灵活的解决方案。通过去中心化和动态社区形成的特性，能够更好地适应现代业务的变化需求。

从工作流的基础概念出发，我们了解了工作流的定义、管理系统以及不同类型的工作流框架。协作工作流框架示例展示了如何利用 Jini 和 JavaSpaces 构建一个实际的工作流系统，包括任务流程的设计、支持服务的使用以及活动状态的管理。

在技术实现方面，通过 StarEntry、ActivityState 接口和 TaskEntry 类等定义，以及 StarService 的实现，我们可以清晰地看到如何将工作流活动建模为对象流，并实现状态的变化和管理。

同时，我们还探讨了工作流系统的性能优化、扩展性和安全性等方面的问题。通过合理的优化措施、良好的扩展性设计和严格的安全保障，能够确保工作流系统在实际应用中稳定、高效地运行。

在未来的工作和学习中，我们可以进一步探索 Jini 和 JavaSpaces 在更多领域的应用，不断完善和优化工作流系统，以满足日益复杂的业务需求。例如，可以将工作流系统与人工智能技术相结合，实现更智能的任务分配和决策支持；也可以将其应用于物联网领域，实现设备之间的自动化协作。

总之，基于 Jini 和 JavaSpaces 的工作流系统具有广阔的应用前景和发展潜力，值得我们深入研究和实践。