揭秘jbpm流程引擎内核设计思想及构架

作者 胡长城（银狐999）

1     前言
2     阅读本篇的基础准备
2.1      概念的基础
2.2      环境的基础
3     什么是流程引擎内核？
4     引擎内核所关注的四个主要问题
4.1      模型与定义对象
4.2      调度机制与算法
4.3      执行机制与状态
4.4      实例对象与执行环境
5     jbpm，“精简”的开源流程引擎
6     jBpm流程模型与定义对象
6.1      首先解决如何形式化描述一个流程的问题
6.2      抽象的节点（Node）和转移（Transition）
6.3      流程：节点与转移的组合
6.4      节点的类型和扩展
7     jBpm的过程调度机制
7.1      吸纳自Petri Net思想
7.2      Token的推进
7.3      非常简单的调度机制
8     jBpm的过程执行机制
8.1      执行机制
8.2      分支处理
9     jBpm内核结构与实例对象
10       后记

1       前言

       流程引擎内核仅是“满足Process基本运行”的最微小结构，而整个引擎则要复杂很多，包括“状态存储”、“事件处理”、“组织适配”、“时间调度”、“消息服务”等等外围的服务性功能。引擎内核，仅包含最基本的对象和服务，以及用于解决流程运行问题的调度机制和执行机制。
       如果，你掌握了一个流程引擎的灵魂，你才有能力理解它的全部。否则，一个引擎对你来说，可能只是一个复杂的结构，丰富多彩API、令人眼花缭乱的“功能”和“服务”而已。

       本身工作流这个领域就是一个很“狭窄”的领域，国内的厂商也不是很多，其中有部分实现技术并不弱。但可能涉于安全等因素，并没有多少技术人员探讨“深度的工作流技术实现问题”。而广大的开发爱好者却还在花费大量的时间在摸索“如何理解工作流、如何应用工作流”。 所以在此之前，国内尚未有一篇技术文章探讨工作流引擎内核的实现，当然也没有探讨jBpm引擎内核的文章了。在www.javaeye.com 技术站点和我的blog（http://blog.csdn.net/james999）上有几篇专门探讨jbpm应用的文章，对于初步想了解如何使用jbpm的读者来说，值得看看。

       对于这方面的技术分享，开源是个不错的突破口。
       本篇就是以jBpm为实例，来诠释工作流引擎的内核设计思路和结构。但是这仅仅是从jBpm的实现角度来辅助大家理解，因为工作流引擎内核的设计、实现是有很多方式：这会因所选的模型、调度算法、推进机制、状态变迁机制、执行机制等多方面的不一样，而会差别很大。比如基于Activity Diagram模型的jBpm和基于FSM模型的OSWorkflow引擎内核之间就有很大的差别。
       相比较而言，jBpm的模型比较复杂，而引擎内核实现的比较“精简”，非常便于大家“由浅入深的理解”。

2       阅读本篇的基础准备
2.1    概念的基础
       本文的读者群主要是面向有一定工作流基本概念的开发人员。所以本文认为你已经具备了如下基本工作流知识：
（1）       初步了解工作流系统结构。比如理解工作流引擎在工作流系统中所处的位置和作用
（2）       对流程定义（Process Definition）和流程实例（Process Instance）相关对象有所了解。比如理解Process Instance代表什么，工作项（WorkItem）代表什么。

2.2    环境的基础
       在阅读本篇的时候，如果你已经搭建了一套jbpm的开发环境，那么将有助于你更容易理解本篇的很多内容，也便于实际体验代码。从www.jbpm.org官方网站下载jbpm-starters-kit开发包，按照其参考手册，可以很容易在eclipse开发环境中建立项目，效果图类似如下：



3       什么是流程引擎内核？
       我比较推崇“微内核的流程引擎构架”，并在最近两三年内写了两篇探讨此方面的文章：第一篇是写于05年7月份的《微内核流程引擎架构体系》，第二篇是07年7月份的《微内核过程引擎的设计思路和构架》（受普元《银弹》杂志约稿所写，尚未对外公开）。
       但至今对外阐述引擎内核到底是什么。
  

       正如上面的两张图所示，我们可以通过“微内核”的构架来使得流程引擎的结构更加“清晰”。而能否实现“微内核”的根本，则是看你是否能够设计并抽象出“良好的引擎内核结构”。

       很显然，要想设计出一套结构优良的引擎内核，首要条件就是：明白什么是引擎内核。

       首先我们需要明白引擎是什么，引擎可以做什么。这在WfMC的《工作流参考模型》中已经有很详细的解答，本文不再重复。知道这个仅仅是不够的，你还需要很清晰的明白如何去“为流程建模”，而这则在Aalst大师所著的《工作流管理——模型、方法、系统》一书有细致阐述，本文也不再重复。
       但很可惜，至今尚未有一本专门的书籍来论述“过程建模方法”的，或者说如何利用这些既有的“过程建模方法（诸如FSM、PetriNet、EPC、Activity Diagram等等）”来解决流程问题。这个只能分别查阅相关资料，此处也不叙述。
       因为文本只讲“引擎内核”。

       如果我们暂且把那复杂的流程业务性问题，诸如“组织模型分配”、“分支条件计算”、“事件处理”、“消息调度”、“工作项处理”、“存储”、“应用处理”、以及那些“变态的诸如会签、回退之类的模型”都统统的抛弃，只留下“最单纯的过程性问题”，也就是“解决一个过程运行问题，按秩序的从一个节点到另一个节点的执行”。——这就是引擎内核所关注的根本问题。
       上面这句话，估计会引起很多人“拍砖”。在很多人看来，工作流之所以看起来很“难”，就是因为这些复杂多变的“业务性问题”都统统绑在一个“引擎”上造成的。
       其实，这是两个“维度”的问题，也就是“引擎的抽象”和“引擎的应用”这两个不同维度，不同层面的问题。但这绝不是两个独立的问题，“引擎的抽象”的好与坏，直接影响到“引擎的应用”的可复杂度和可支持度，当然我们也不能否认，“引擎的应用”问题也是一个很复杂的问题。但本文是站在“引擎的抽象”这个维度来阐述问题的。对于“引擎的应用”问题，可参考我的前作：2003年11月份的《工作流模型分析》、2003年12月份的《工作流授权控制模型》、2004年7月份的《工作流系统中组织模型应用解决方案》。
       也就是说，本文不是指导大家如何去“使用jbpm”，而是阐述“jbpm的引擎的内核部分是如何构建的”。但本文的主旨不是告诉大家“jBpm是如何设计引擎内核的”，而是以jBpm为例，来介绍“引擎内核”。

4       引擎内核所关注的四个主要问题
       引擎内核所关注的是一个非常“抽象”层面的问题，而不同引擎关注的“一套完整的执行环境”。或者我们可以这么来说，引擎内核的职责是非常“精简”的：确保流程按照既有的定义，从一个节点运行到另一个节点，并正确执行当前节点。
       总的来说，引擎内核主要关注四个方面的问题：
（1）       流程定义问题：不是说如何图形化的定义流程，而是如何用一套定义对象，来诠释所定义的流程。
（2）       流程调度问题：提供什么的机制，可以确保流程能够处理复杂的“流程图结构”，诸如串行、并行、分支、聚合等等，并在这复杂结构中确保流程从一个节点运行到另一个节点。
（3）       流程执行问题：当流程运行到某个节点的时候，需要一套机制来解决：是否执行此节点，并如何执行此节点的问题，并维持节点状态生命周期。
（4）       流程实例对象：需要一整套流程实例对象来描述流程实例运行的状态和结果。

4.1    模型与定义对象
       工作流引擎本身就是一种“base on model”的组件，流程实例的执行都是依赖于所定义的“流程定义”，而工作流引擎则是提供了这样一种环境，来维持流程实例的运行。
       所以引擎内核，必须提供一套定义对象来描述“流程定义”，并且这些定义对象必须反映出一种“模型”。
       比如jBpm的定义对象，是与其所基于的Activity Diagram模型相对应的。

4.2    调度机制与算法
       引擎内核的另一个重要功能，就是保证流程实例准确的从一个节点运行到另一个节点，而这则需要依赖于一套调度机制。
       引擎的调度机制有很多种实现方法，有的甚至是与“所依赖的模型有关”。但普遍来讲，很多引擎都受到Petri Net的影响，而采用token来调度。
       jBpm本身就吸纳的token这套机制，当然，与Petri Net的调度机制还是有所区别。我们将在下面的章节详细介绍。

4.3    执行机制与状态
       经过引擎的调度，实例运行到某个节点了，此时必须必须提供一套机制，来判断当前节点是否可执行，如果可执行，那么需要提供一套runtime envrioment来执行节点——这就是引擎的执行机制。
       复杂的流程引擎会依赖于“流程实例状态”或“活动实例状态”的约束和变迁来进行处理。之所有有时候我们会把一个流程引擎也叫做“状态机”，很大程度上也是这个原因。

4.4    实例对象与执行环境
       每个一个流程实例，必须维护一套属于自己的“运行环境和数据”，而这则是实例对象的责任了。基本上实例对象会包含如下信息：
（1）       与流程实例的状态或控制信息
（2）       与活动实例的状态或控制信息。如果某些引擎不支持活动实例，那么必然会有某些其他实例信息，可以当前节点的状或控制信息。
（3）       一些临时的“执行”信息，便于引擎针对某种情况进行处理

5       jbpm，“精简”的开源流程引擎
       好的开源工作流引擎不多，jbpm和osworkflow算是其中两个有特色而且比较容易实际应用的。目前一些国内的中小型流程应用项目，就是在jbpm或osworkflow的基础上扩展实现。jBpm采用了Activity Diagram的模型，而osworkflow则是FSM的模型。
       当然，这仅仅是jbpm3之后的事情。自从被Jboss收购之后，jbpm对早先的2.0构架进行了重组，整个结构完全本着“微内核”的思想进行设计。
       现在这里从技术角度来分析jbpm3的优点，简单罗列几个大家都容易看见的：
（1）       jbpm的模型是采用UML Activity Diagram的语义，所以便于开发人员理解流程。
（2）       jbpm提供了可扩展的Event-Action机制，来辅助活动的扩展处理。
（3）       jbpm提供了灵活的条件表达式机制，来辅助条件解析、脚本计算的处理。
（4）       jbpm提供了可扩展的Task及分配机制，来满足复杂人工活动的处理。
（5）       借助hibernate的ORM的优势，jbpm能够很容易支持多种数据库。

当然，还有一些优点，是很多开发人员并不太注意的，比如：
（1）       jbpm的Node机制非常灵活，开发人员可以很容易定制“业务化语义的节点”，并满足运行时候处理的需要。

有很多灵活的优点，当然也少不了存在一些“局限”。
（1）       很显然，只能有一个start-state。
（2）       jbpm依靠Token来调度和计算，在同一个时刻中，一个ProcessInstance只允许一个Token对象只存在一个Node中（分支当然用Child Token对象处理）。所以本质上就不支持“multi-instance”模式。
（3）       jbpm作为一款开源的工作流引擎，其更多的是关注“如何辅助你更容易的让流程运行完成”，但是并不记录“流程运行的历史和轨迹”。这一点可能是东西方文化的差异性所在，因为国内的流程应用，比较关注“运行轨迹”。

       至于其他的一些局限，比如不支持“回退”、“跳转”等操作，这也是因为东西方文化的差异所在。西方人认为“往回流转的情况肯定也是一种业务规则所定义，那么肯定可以通过分支或条件来解决”，而东方则把“回退作为一个人性化管理和处理的潜在特点”。所以诸如此类的一些“特定需求”，估计只能通过扩展jbpm来实现了，甚至有时候，简单的扩展是无法解决问题的——正如上一节所说的那样，“引擎的抽象”会影响“引擎的应用”的复杂度支持。
       但是，当你试图修改jbpm代码的时候，你会顾虑jbpm的LGPL协议吗？（很多国内企业从来不考虑这个协议问题，寒）。

6       jBpm流程模型与定义对象
6.1    首先解决如何形式化描述一个流程的问题
       这里说的“定义流程”并不是说jbpm3中那个基于eclipse plugin的图形化建模工具。而是如何去解决“形式化的描述一个流程”的问题。
       形式化的描述流程并不是一个简单的问题，从上世纪七十开始，人们就在探索用各种各样多的模型来描绘流程：Petri Net, FSM, EPC, Activity Diagram, 以及近来的XPDL MetaModel等等，延伸到如今的BPEL,BPMN,BPMD等等。
        jBpm采用了Activity Diagram的模型语义：其将用Start State、State、Action State（Task Node）、End State、Fork、Join、Decision、Merge、Process State这几个“元素”的组合来描述任何一个流程。其中Action State是Activity Diagram中的标准语义，在jBpm为了便于大家理解和使用，jBpm采用了TaskNode这个语义。

       在WfMC的Workflow Reference Model中，对流程引擎的功能描述，其中就包含一项：解析流程定义。如果想满足这这功能，前提条件就必须有最基本的两个：
（1）       有一套形式化的描述语言（通常为xml格式）。利用这个描述语言可以描述一个流程的定义。比如WfMC所提出的XPDL这个描述语言。当然，jBpm也有自己的一套，名为jPDL，也是一个xml格式的。
（2）       有一套对象集可以反映流程的定义模型和结果，一般叫做定义对象。流程引擎就需要把“xml格式的流程定义”解析为一套对象，而这套对象的结构则反映了流程的结构。
     
       我们暂且不去探讨jPDL那个形式化的xml语言，而把重心放在jBpm那套定义对象中。因为这个定义对象是属于Engine Kernel的一部分。
6.2    抽象的节点（Node）和转移（Transition）
       面向对象的继承性、多态性可以让我们从最抽象的部分来描述对象。那么这套定义对象也需要从最基础的“抽象”说起。
       process的本质就是“节点”和“有向弧”，当然你也可以说是Node和Link，或者Node和Transition，或者Activity和Transition等等之类的。jBpm采用的是Node和Transition来表示“节点”和“有向弧”。
       于是乎，在jbpm中你可以看到这样的结构关系：

       对于一个节点来说，从定义角度，其只关心几个事情：
（1）       这是个什么类型的节点。这个节点可能是start state，也可能是一个task node，或者是一个fork。
（2）       这个节点的转入Transition和转出Transition。
       可能有的人会说，还需要关心节点的转入转出的类型，比如And Splite或者Xor Join之类。这个并没有错，因为很多流程模型的节点元素需要考虑这个，比如WfMC的XPDL模型。但是jBpm的节点是没有这样的属性的，或者说的更准确些，是Activity Diagram模型的节点没有这样的特性。活动图是采用“Fork”、“Join”这样的节点来解决“分支”问题。
6.3    流程：节点与转移的组合
       仅利用节点和转移的组合，就可以表达一个“过程（Process）”。当然这个流程只能告诉人们“大概的业务过程”，当然不包括很复杂的信息。如下图所示：

       这是一张非常标准的“活动图”，如果我们用jbpm的设计器，看看这样一张“流程图”：


       不论你如何绘画，改变不了这张图的本质：它就只有两个基本元素：节点和转移。只是有的节点是start-state，有的是task-node，有的是join，有的是end state而已。
6.4    节点的类型和扩展
       我们可以通过定义自己的Node节点对象，来补充jbpm自定的节点对象。只需要extends Node，并重写读写xml的read和write方法，重写负责执行的execute方法，在org/jbpm/graph/node/node.types.xml中配置即可，当然，你可以写的更加复杂，更加业务化的节点。

7       jBpm的过程调度机制
7.1    吸纳自Petri Net思想
       jBpm的过程调度机制是吸纳了Petri Net的一些思想。
       jBpm采用Token来表示当前实例运行的位置，也利用token在流程各个点之间的转移来表示流程的推进，如下图所示：


       当jbpm试图去启动一个流程的时候，首先是构造一个流程实例，并为此流程实例创建一个Root Token，并把这个Root Token放置在Start Node上。
       以下截取部分代码实现，仅供参考。手头有jbpm3相应开发环境的朋友，可以打开ProcessInstance和Token这两个类。（注：以下所有参考代码，为了突出主题，都已经将实际代码中的event,log等处理删除）
public ProcessInstance( ProcessDefinition processDefinition ) {
    this.processDefinition = processDefinition;
    this.rootToken = new Token(this);

public Token(ProcessInstance processInstance) {
    this.processInstance = processInstance;
    this.node = processInstance.getProcessDefinition().getStartState();
       jbpm是允许在start-state执行Task的，也允许在start-state创建工人任务。不过此处我们不予讨论。
7.2    Token的推进
       当Token已经在Start-State节点了，我们可以开始往前推进，来促使流程实例往前运行。对于外部操作来说，触发流程实例往下运行的操作有两个：
（1）       强制执行ProcessInstance的signal操作
（2）       执行TaskInstance的end操作。
但是，这两个操作，都是通过“当前token的signal操作”来内部实现的，如下图所示：


       Token的Signal操作表示：实例需要离开当前token所在的节点，转移到下一个节点上。因为Node与Node之间是“Transition”这个桥梁，所以，在转移过程中，会首先把Token放入相关连的Transtion对象中，再由Transition对象把Token交给下一个节点。

       让我们来看看Token类中signal方法的部分代码实现，仅供参考：
public void signal() {
    //注意ExecutionContext对象
    signal(node.getDefaultLeavingTransition(), new ExecutionContext(this));
}

void signal(Transition transition, ExecutionContext executionContext) {
    // start calculating the next state
    node.leave(executionContext, transition);
}

       接下来，请注意node.leave()这个操作。这是一个很有意思的语义转换：我们是采用token的signal操作来表示往下一个节点推进，但是实际确实执行的node.leave ()操作。

       如果这地方让你自己来实现，代码会不会就是这样子呢？不妨此处想一想。
//假设代码，仅供思考
void signal(Transition transition, ExecutionContext executionContext) {
    transition.take(executionContext);
}

       前面说过，jbpm的调度机制吸纳的Petri Net的思想。在Petri Net中，并没有transition中驻留token这个语义，token只驻留在库所（Place）中。所以，jbpm此处的设计思路，是于此有一定关系的。所以只是把一个ExecutionContext对象放在了transition中，而不是一个token对象。
       让我们来看看node对象的leave方法：
public void leave(ExecutionContext executionContext, Transition transition) {
    Token token = executionContext.getToken();
    token.setNode(this);
    executionContext.setTransition(transition);
    executionContext.setTransitionSource(this);
    transition.take(executionContext);
}
              我们直接跟踪进Transition的take操作：
public void take(ExecutionContext executionContext) {
    executionContext.getToken().setNode(null);
    // pass the token to the destinationNode node
    to.enter(executionContext);
}
            
       经过这么多的中间步骤，我们终于把ExecutionContext对象从一个node转移到下一个node了。让我们来看看Node对象的enter操作：
public void enter(ExecutionContext executionContext) {
    Token token = executionContext.getToken();
    token.setNode(this);
    // remove the transition references from the runtime context
    executionContext.setTransition(null);
    executionContext.setTransitionSource(null);

    // execute the node
    if (isAsync) {
    
    } else {
      execute(executionContext);
    }
}

       至此，jBpm成功的从一个节点转移到下一个节点了。—— 这就是jbpm的调度机制。
7.3    非常简单的调度机制
       怎么样，是不是非常的简单？
       让我们把整个过程，用一张更清晰的“思维图”来展示一下：


8       jBpm的过程执行机制
8.1    执行机制
       前面我们的“过程调度机制”是为了让流程可以正确的从“一个节点转移到下一个节点”，而本节所要讲解的jbpm“执行机制”，则是为提供一个运行机制，来保证“节点的正确执行”。
       首先我们需要明确如下的概念：
（1）       节点有很多中，每种节点的执行方式肯定是不一样的
（2）       节点有自己的生命周期，不同的生命周期阶段，所处的状态不同。

       在WfMC的《工作流参考模型》文档中，为活动实例归纳了几个可参考的生命周期。（仅供参考，实际很多工作流引擎的节点的生命周期要比这复杂）


       但是，jbpm并没有突出“节点生命周期”这个理念，仅仅只是在“Event”中体现出出来。在我看来，可能的原因有两个：
（1）       jBpm没有NodeInstance这个概念。利用Token和TaskInstance，jBpm足以持久化足够的信息，能够让流程实例迅速定位到当前运行的状态。
（2）       jBpm的Event已经很丰富，并且这个Event是围绕“Token的转移”而设置的，并不是围绕Node的生命周期设置的。
（3）       通常我们需要在Active和Completed的生命周期内所要操作的分支与聚合，在jBpm模型中分别由Fork、Join之类的节点替代。所以jBpm过分关注Node生命周期的管理意义不是非常大。

       作为个人，我并不行赏jBpm这样抛弃“节点生命周期管理”的实现方式，更行赏OBE（最早的基于XPDL模型的java工作流引擎之一）的生命周期约束和管理。但是，也不得不承认，jBpm规避了“繁琐的状态维护”，反而让处理变得“简易”，也更容易被大家所理解和接受，而这也正是OBE逐渐消失的一个原因：过于复杂和臃肿。
      
       让我们在前面那张jBpm的“调度机制思维图”上，再稍稍补充一点（为了突出显示，与上图有所改动）。

       这张图应该可以很好的诠释出，jBpm是如何执行各种节点的，这也是得益于OO的“多态与继承”特性。

8.2    分支处理
       jBpm的执行机制非常简单，但还是需要稍微补充一下有关“分支”方面的处理。
       jBpm采用sub token的机制来解决分支方面的处理：当遇到有分支的时候，会为每个分支节点创建一个child token。在聚合节点（Join或Merge），则依赖其同步或异步的聚合方式，来分别处理。
       比如我们参看Fork节点的执行代码（为了突出重点，省略部分代码）：
public void execute(ExecutionContext executionContext) {
    Token token = executionContext.getToken();
    Iterator iter = transitionNames.iterator();
    while (iter.hasNext()) {
      String transitionName = (String) iter.next();
      forkedTokens.add(createForkedToken(token, transitionName));
    }
    iter = forkedTokens.iterator();
    while( iter.hasNext() ) {
      //省略部分代码
      ExecutionContext childExecutionContext = new ExecutionContext(childToken);
      leave(childExecutionContext, leavingTransitionName);
    }
}

protected ForkedToken createForkedToken(Token parent, String transitionName) {
    Token childToken = new Token(parent, getTokenName(parent, transitionName));
    forkedToken = new ForkedToken(childToken, transitionName);
    return forkedToken;
}




















       至于Merge节点，我想此处不用在累赘的展示，有兴趣的，可以参看Merge类的execute方法，即可。

9       jBpm内核结构与实例对象
       Jbpm引擎内核的结构非常“精简”。除了我们上面所说的那些定义对象（各种Node节点和Transtion），还有几个与“运行实例”相关的对象。如下图所示，jbpm引擎内核对象主要是在org.jbpm.graph.def和org.jbpm.graph.exe包。
（1）       我们需要描述一个流程实例，所以需要一个ProcessInstance对象。
（2）       每个流程实例，都会维护一套属于其自己的“执行环境”，也就是ExecutionContext对象。注意，这里是一套，而不是一个。


10   后记
       上半年写了些bpm和SOA的文章，也被csdn的好友拉着忽悠了不少这方面的概念，弄的好像我开始搞这方面的工作似的。其实不然，本质工作与这有“天壤之别”，完全是非常底层的java技术应用。而workflow，也有两三年没有从事这方面的开发了，所以写此篇文章，着实费了点功夫。
       想痛痛快快写篇有关“引擎内核”的文章，这个想法由来以及了，却担心自己不足以诠释清楚，反而容易误导他人，遂中途多次放弃。
       正如前面所说的那样，引擎内核的实现，并没有一套“固定的模式”或者“固定的实现体系”，会因为很多因素而造成实现不同。如果想把“引擎内核”的实现真正诠释清楚，必须把这些相关因素都诠释明朗——但这依然是一个浩大的工程。
       前些日子，受朋友所托，为他们的公司学员讲了几节工作流的课程，期间尝试jBpm来诠释了一下引擎的实现思路，发现效果不错。——受此引发，遂萌发了以jBpm为实例，来简单诠释“流程引擎内核”想法。
       耗时一周的业余时间，虽然还很难诠释自己的全部想法，但“点出几个要点”，还是应该有了。

                                                                                           胡长城
                                                                                           写于2007年9月2日星期日 夜。
本文揭秘了jbpm引擎内核的设计思想和构架，但不是jbpm引擎的全部。请注意是“流程引擎内核”，而不是“流程引擎”。如果我们把流程引擎比作工作流系统的“发动机”，那么“引擎内核”则是一个引擎的“灵魂”。
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