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

这是《百图解码支付系统设计与实现》专栏系列文章中的第（9）篇。

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 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;
    }
}

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));
    }
}

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<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);
    }
}

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());
        // 状态推进
        paymentModel.transferStatusByEvent(PaymentEvent.valueOf(message.getEvent()));
        savePaymentModel(paymentModel);
        // 其它业务处理
        ... ...
    }
}

上面的代码只需要加一些异常处理，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. 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。

10. 传送门

支付系统设计与实现是一个专业性非常强的领域，里面涉及到的很多设计思路和理论也可以应用到其它行业的软件设计中，比如幂等性，加解密，领域设计思想，状态机设计等。

在《百图解码支付系统设计与实现》的知识宇宙，每一篇深入浅出的文章都是一颗既独立但又彼此强关联的星球，有必要提供一个传送门以便让大家即刻到达想要了解的文章。

专栏地址：百图解码支付系统设计与实现

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