摘要：狀態機狀態機是模型層面的概念，與編程語言無關。狀態機具有良好的可實現性和可測試性。在代碼里，這是一個，但是我們在狀態機模型中要把他理解為事件。

這一篇是這個系列的開篇，沒有任何高級內容，就講講狀態機。

狀態機是模型層面的概念，與編程語言無關。它的目的是為對象行為建模，屬于設計范疇。它的基礎概念是狀態（state）和事件（event）。

對象的內部結構描述為一組狀態S1, S2, ... Sn，它的行為的trigger，包括內部的和外部的，描述成為一組事件E1, E2, ... En，在任何狀態下，任何事件到來，對象狀態的改變用Sx -> Sy的狀態遷移（State Transition）來描述，這個狀態遷移就是對象的行為（behavior）。

對對象行為的完備定義就是{ S } x { E }的矩陣，如果存在(Sx, Ey)的組合未定義行為，這個對象行為模型在設計層面上就不完備，當然實際的代碼不可能沒有行為，這往往就是錯誤發生的地方。

狀態機具有良好的可實現性和可測試性。完備定義的狀態機很容易寫出對應的代碼，也很容易遍歷全部的狀態遷移過程完成測試，當然這只意味著代碼實現和設計（模型）相符，并不意味著設計是正確的。

設計的正確性是一個復雜的多的話題，嚴格的定義是設計符合Specification。什么是符合Specification？要去看Robin Milner, Tony Hoare, Leslie Lamport等人的書了，老實說我也不懂，所以就此打住。

這篇文章不會詳細介紹狀態機，網上有非常多的資料，四人幫的書上有State Pattern - OO語言下的狀態機實現，UML有State Diagram，是非常好的圖示工具；這里只給出一個代碼例子，對照這個實例幫助理解狀態機模型的代碼實現。

假定我們要解決這樣一個任務：我們有一個模塊是為了存儲（save）一個文件，寫狀態機的目的是為了解決并發操作時排隊存儲的請求，因為請求是并發的，如果寫入文件的io操作也是并發的話，這個文件可能被損壞。這是一個非常常見的應用場景。

這個模塊定義有三種狀態：

Idle， 這是不工作的狀態；

Pending，這是等待工作的狀態，等待的目的是為了，如果在很短的時間內出現連續多次的寫入請求，我們只寫入最后一個，減少io操作的次數；

Working，該狀態下在執行寫入操作，如果在執行io操作的時候收到寫入請求，我們把請求內容保存在一個臨時的位置；

Idle狀態沒有任何特殊資源，只有一個save請求事件；當有save請求時，它遷移到Pending狀態。

Pending狀態具有的特殊資源是一個timer，它可能有兩個事件：來自外部的save請求，和來自內部的timeout。在JavaScript代碼里，這是一個callback，但是我們在狀態機模型中要把他理解為事件。在Pending狀態中如果有save請求，不發生狀態遷移，新的請求數據會覆蓋舊的版本，原來的timer會被清除，重新開始新的timer。在timeout發生時，遷移到Working狀態。

Working狀態在進入時會啟動存儲文件的操作，它可能有兩個事件：來自外部的save請求，和來自內部的保存文件操作的異步返回，同樣的，它也被理解為一個（內部）事件。當外部的save請求到來時，該請求被保存在內部的next變量里；當文件操作返回時：

如果操作成功

如果存在next，向Pending狀態遷移

如果不存在next，向Idle狀態遷移

如果操作失敗

如果存在next，向Pending狀態遷移，用next作為數據

如果不存在next，也向Pending狀態遷移，仍然使用當前數據，相當于等待后retry

我偷個懶，沒給出圖示，實際上這樣的語言描述不如State Diagram來得直觀。下面的表格是上述語言描述的歸納，史稱狀態遷移表（State Transition Table），有了State Diagram或者State Transition Table，任何人寫出來的代碼都一樣。為了表述清晰，表中把Working狀態的文件操作返回分成了兩個事件：success和error。

下面是代碼，首先有個base class，三個狀態都繼承自這個base class：

class State {

  constructor(ctx) {
    this.ctx = ctx
  }

  setState(nextState, ...args) {
    this.exit()
    this.ctx.state = new nextState(this.ctx, ...args)
  }

  exit() {}
}

在狀態機的代碼實現上，標志性的方法名稱是setState，它負責狀態遷移；其次是enter和exit，分別對應進入該狀態和離開該狀態。

狀態機模式（State Pattern）的一個顯著的編程收益是：每個狀態都有自己的資源，在遷入該狀態的時候建立資源，在離開該狀態的時候釋放資源，這很容易保證資源的正確使用。

在上述代碼中，constructor充當了enter邏輯的角色，所以沒有提供獨立的enter方法；JavaScript Class是一個語法糖，沒有和constructor相對應的destructor，所以我們這里寫一個exit函數，如果繼承類里沒有exit邏輯，這個基類上的方法就是一個fallback。

ctx是一個外部容器，相當于所有狀態對象的上下文（context），它同時具有一個叫做state的成員，該成員是一個Idle，Pending，或者Working類的實例；無論ctx.state是哪個狀態，ctx都把save方法forward到state上，這樣寫是一個很標準的State Pattern。

setState的實現有點tricky，是JavaScript的特色。它首先調用當前類的exit函數遷出狀態，然后使用new來構造下一個類，這意味著第一個參數nextState是一個構造函數；后面的參數使用了spread operator，把這些參數傳入了構造函數，同時把新對象安裝到了ctx，即把自己替換了；這不是唯一的做法，是比較簡潔的一種寫法。

Idle類的實現非常簡單，在save的時候用data作為參數構造了Pending對象。

class Idle extends State{

  save(data) {
    this.setState(Pending, data)
  }
}

Pending類的save方法里保存了data和啟動timer。它的構造函數重用了save方法。因為JavaScript的clearTimeout方法是安全的，這樣寫沒什么問題。

exit函數實際上沒有必要，但這樣書寫是推薦的，它確保資源清理，如果未來設計變更出現其他的狀態遷出邏輯，這個代碼就有用了。

timeout時Pending向Working狀態遷移。

class Pending extends State {

  constructor(ctx, data) {
    super(ctx)
    this.save(data)
  }

  save(data) {
    clearTimeout(this.timer)
    this.data = data 
    this.timer = setTimeout(() => {
      this.setState(Working, this.data) 
    }, this.ctx.delay)
  }

  exit() {
    clearTimeout(this.timer)
  }
}

Working代碼稍微多點，但是對照狀態遷移表很容易讀懂。不贅述每個方法了。保存文件的操作采用了先寫入臨時文件然后重命名的做法，這是保證文件完整性的常規做法，系統即使斷電也不會損壞磁盤文件。

class Working extends State {

  constructor(ctx, data) { 
    super(ctx)
    this.data = data 

    // console.log("start saving data", data)
    let tmpfile = path.join(this.ctx.tmpdir, UUID.v4())
    fs.writeFile(tmpfile, JSON.stringify(this.data), err => {

      if (err) return this.error(err)
      fs.rename(tmpfile, this.ctx.target, err => {

        // console.log("finished saving data", data, err)
        if (err) return this.error(err)
        this.success()
      }) 
    })
  } 

  error(e) {
    // console.log("error writing persistent file", e)
    if (this.next)    
      this.setState(Pending, this.next)
    else
      this.setState(Pending, this.data)
  }

  success() {
    if (this.next)
      this.setState(Pending, this.next)
    else 
      this.setState(Idle)
  }

  save(data) {
    // console.log("Working save", data)
    this.next = data
  }
}

最后是ctx，我們在實際項目中稱之為Persistence。它初始化時設置state為Idle狀態；把所有的save操作都forward到內部對象state上。

class Persistence {

  constructor(target, tmpdir, delay) {
    this.target = target 
    this.tmpdir = tmpdir
    this.delay = delay || 500
    this.state = new Idle(this) 
  }

  save(data) {
    this.state.save(data)
  }
}

這一篇粗略的講了兩個問題：狀態機模型和狀態機模式（State Pattern）。他們兩個不是一回事。

狀態機模式是一種寫法，上述寫法不唯一；不使用Class，僅僅在Persistence類中使用（枚舉）變量表示狀態也是可以的，使用Class則相當于用變量類型來代表狀態。

狀態機模式的顯著優點在于：

不同狀態的資源和行為邏輯分開

在setState, enter, exit等標志性方法中不需要使用if / then或switch語句

在對象行為定義發生變化時，修改容易，不易犯錯誤；感謝enter和exit的封裝，它強制了資源回收邏輯

狀態機模型的意義對后面的內容更為重要。上面的例子具有這樣幾個特征：

狀態具有顯式定義

事件內外有別

外部事件對所有狀態成立，因此Persistence類的使用非常簡單，從外部其實看不到內部有什么狀態定義，黑盒意義上說，Persistence是無態的，這對使用便利性來說極為重要；

內部事件僅僅對某些狀態成立，所有異步函數的返回都理解為事件，而且是唯一的內部事件；

從并發角度說，Persistence類是一個同步器（Synchronizer），即并發的save操作在這里被排序執行了；當然我們沒有設計更復雜的邏輯，例如任務隊列，但顯然那不是很難；

純粹的狀態機（automata）對于并發編程是無力的，這是一種共識，因為并發帶來的狀態組合會迅速爆炸狀態空間，我們要找到辦法對付這個問題，此其一。

其二，實際的程序模塊組合時常見包含關系，用經典的狀態機模型會產生組合狀態機（Hierarchical State Machine），它的代碼書寫遠比上述例子的Flat State Machine難寫，除非在語言一級或者有類庫支持，否則可讀性和可維護性都很差，設計變更時代碼改動幅度非常大，不是解決常見問題的好辦法，雖然在一些特殊應用領域卓有建樹，例如嵌入式設備的通訊協議棧。

事件(Event)和線程(Thread)是形式上對立，但是數學上對等，的兩個編程方式。兩者各有利弊，戰爭也是古老的，你在網絡上很容易搜索到Why Event (Model) is Evil或者Why Thread (Model) is Evil的學術文章，都有大量的支持者。

Node.js的與眾不同之處在于它的強制non-blocking i/o設計。這給習慣Thread編程的開發者制造了麻煩，所以在過去的幾年里新的過程原語被發明出來解決這個問題，包括promise，generator，async/await。bluebird的使用者越來越多，而caolan的曾經很流行的async庫用戶越來越少。

但是眾所周知JavaScript語言是事件模型的。在基礎特性上尋求類thread編程形式去解決一切問題本身就是表里不一的，而且promise和async/await的實現本身也有很多不盡人意的地方。

這讓我們倒回來思考兩個問題：

尋求各種CPS（Continuation Passing Style）是解決non-blocking i/o的必經之路嗎？

事件和狀態機模型真的沒有辦法寫規?；牟l程序嗎？

Node原作者Ryan Dahl最近在一次訪談里說了他對Node的看法。他說在最初的兩三年中他是狂熱的支持Node的強制non-blocking i/o設計的，達到那種認為“原來我們都做錯了”的程度，但是慢慢的他的態度發生了轉變，尤其是在接觸了Go語言之后；現在他的看法是，最初他以為Node可以做到是end-all或者for-all的，但是現在他沒那么有信心了，在并發編程上他認為Go可能是更好的設計。

我的個人觀點，談Node必談callback hell的開發者，并不熟悉在Event Model下的并發編程技術，promise和async/await本質上，絕大多數情況下是在serialize過程，如果只是serialize，那么結果和blocking i/o的編程并不會有區別。Promise對parallel的支持很有限，它只是在serial的過程序列上偶爾撒一點parallel的flavor。而且如果你喜歡的就是Thread Model，那么就應該選擇對它有良好支持的編程語言或環境，例如Go或者fibjs。

如果你像我一樣，喜歡JavaScript語言的簡單，喜歡Event Model的簡單，而不只是因為Node有良好的生態圈和海量的npm包可用而選擇了Node——如果你只是因為這兩點選擇了Node，你肯定會后悔的——那么擺在我們面前的問題就是：事件模型，顯式狀態，non-blocking i/o，我們能不能找到一種辦法，一種end-all和for-all的辦法，最好能夠直接體現在代碼形式上，或者至少體現在一個簡單、直覺、不易錯、同時保持經典狀態機模型的完備性的Mental Model上，能夠為復雜的并發編程問題建模和書寫代碼？

在這里經典狀態機模式可以給我們一個簡單啟迪：我們不僅可以用值來表示狀態，我們也可以用對象類型表示狀態，而且有明顯的收益。同樣的，在事件模型下解決并發問題的關鍵，就是把這個設計繼續向前推進一步，我們還可以用結構來表示狀態。具體怎么寫和怎么思考建模，則是這個系列文章的主旨。

這在數學層面上非常容易理解：所謂并發編程，它就是在structure過程（Rob Pike）。函數或者類函數，包括promise，async function，generator，coroutine，他們是Thread Model下的（黑盒）原語和原語組合，對應的，我們要找到事件模型下的顯式狀態方法來應對這個問題，如果能做到這一點，我們就可以回到純粹的事件模型下編寫程序。

這個結果并不難，但是，它也確實有一段路要走，我們需要仔細梳理過程原語的優點缺點，梳理并發編程的本質，梳理常見問題的各種編程方式，最后回到我們的事件模型和狀態機上來。等這個系列寫完，你也讀完，我向你保證，你再次看到callback函數時會覺得原來它那么簡單且美。

下一篇我們開始談并發編程，敬請期待。