輕量級(jí)動(dòng)態(tài)工作流引擎的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭玉彬，蔡澤野，林澤偉，徐銀鵬

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 廣州510642）

0 引 言

動(dòng)態(tài)工作流技術(shù)是專門為企業(yè)適應(yīng)復(fù)雜多變的市場(chǎng)而提出來(lái)，近年來(lái)已成工作流領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。很多工作流廠商和學(xué)者對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了很多研究和實(shí)現(xiàn)，例如，F(xiàn)ang Ru等［1］研究過(guò)程模型的動(dòng)態(tài)性問(wèn)題，定義了5種過(guò)程模型的變更模式，當(dāng)流程發(fā)生變更時(shí)，綜合利用這5種模式進(jìn)行流程變更。北京航空航天大學(xué)的孫海龍教授團(tuán)隊(duì)［2，3］設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)支持動(dòng)態(tài)演化的組合服務(wù)執(zhí)行引擎，用于可信軟件的動(dòng)態(tài)演化，其組合服務(wù)運(yùn)行實(shí)例遷移算法，其核心算法LiveMig是組合服務(wù)運(yùn)行實(shí)例算法。南京大學(xué)呂建教授團(tuán)隊(duì)［4－6］研究了過(guò)程以及服務(wù)組合的動(dòng)態(tài)演化問(wèn)題，提出了一種基于柔性遷移技術(shù)的過(guò)程動(dòng)態(tài)演化方法，并給出支持自適應(yīng)性的可變過(guò)程模型及其實(shí)現(xiàn)。另外，文獻(xiàn)［7－10］分別給出不同環(huán)境中動(dòng)態(tài)工作流引擎的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

本文研究動(dòng)態(tài)工作流引擎的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，提出一種輕量級(jí)動(dòng)態(tài)工作流引擎的框架結(jié)構(gòu)，稱為L(zhǎng)WDWE（lightweight dynamic workflow engine）。該引擎借用Petri網(wǎng)的思想，將模型看作靜態(tài)結(jié)構(gòu)，將過(guò)程實(shí)例看作托肯（token）所代表的系統(tǒng)狀態(tài)下一系列變遷（transition）的發(fā)生。由此可將工作流模型與實(shí)例完全分開(kāi)，方便對(duì)過(guò)程修改的支持和實(shí)例的動(dòng)態(tài)遷移。LWDWE 支持基于過(guò)程和基于活動(dòng)的兩種動(dòng)態(tài)修改策略，本文首先給出LWDWE 支持的工作流模型、架構(gòu)和接口設(shè)計(jì)和調(diào)度機(jī)制，然后給出流程的動(dòng)態(tài)修改策略及過(guò)程動(dòng)態(tài)修改算法。最后，給出利用Spring 和Hibernate開(kāi)源框架實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)，并通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例證明了引擎設(shè)計(jì)的可用性。

1 輕量級(jí)動(dòng)態(tài)工作流引擎的分析與設(shè)計(jì)

1.1 LWDWE中的工作流模型

jBPM 是當(dāng)前流行的工作流執(zhí)行引擎，它使用用JPDL（jBPM process definition language）語(yǔ)言描述基本的工作流程。借鑒JPDL 思想，LWDWE 將工作流中各元素抽象為控制節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)兩類，控制節(jié)點(diǎn)是工作流中用來(lái)控制流程流轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)，業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)是流程中需要參與者或者第三方應(yīng)用程序參與的節(jié)點(diǎn)。而流程是由兩種節(jié)點(diǎn)組合起來(lái)，完成某種應(yīng)用功能的執(zhí)行步驟序列。

表1給出本文流程節(jié)點(diǎn)的說(shuō)明。LWDWE 共使用三類業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)FormTask、ToolTask 和SubFlowTask，其中FormTask是表單任務(wù)，即需要參與者以表單提交方式完成的任務(wù)，ToolTask 用于實(shí)現(xiàn)第三方工具的調(diào)用，Sub－FlowTask 是嵌套子流程，方便流程的層次化設(shè)計(jì)?？刂乒?jié)點(diǎn)分Start、End、Split、Join、Decision和State這6種。借助這些控制節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)順序、并發(fā)、聚合、判斷等流程結(jié)構(gòu)。

LWDWE使用與JPDL類似的標(biāo)簽，如＜process＞、＜start＞、＜end＞、＜split＞和＜transition＞等來(lái)表示流程。圖1給出一個(gè)簡(jiǎn)單的流程實(shí)例及其XML表示。該流程只Start、End、A 和B 這4 個(gè)結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)A 是表單結(jié)點(diǎn)，其ID 為3，其后續(xù)結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，即結(jié)點(diǎn)B。結(jié)點(diǎn)A、B之間的順序關(guān)系通過(guò)結(jié)點(diǎn)A 的transition屬性表示。一般業(yè)務(wù)結(jié)點(diǎn)的transition屬性只有一個(gè)取值，即它與前、后序結(jié)點(diǎn)處于順序關(guān)系。而控制結(jié)點(diǎn)的transition屬性可取多值，表示可能與前、后序結(jié)點(diǎn)處于選擇或并發(fā)關(guān)系。

表1 流程節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)說(shuō)明

圖1 一個(gè)工作流實(shí)例及其XML文件

1.2 LWDWE架構(gòu)設(shè)計(jì)

LWDWE采用總線型結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，整個(gè)引擎由一個(gè)運(yùn)行總線（ExecutionContext）和以接口形式掛載其上的服務(wù)構(gòu)成?？偩€型的設(shè)計(jì)可將所有服務(wù)集中起來(lái)，便于工作流引擎的統(tǒng)一調(diào)用，管理和配置簡(jiǎn)單，且具較好的可擴(kuò)展性。當(dāng)需要擴(kuò)展新功能時(shí)，可增加新的服務(wù)接口并掛載在運(yùn)行總線上。而系統(tǒng)已有服務(wù)的功能修改則可通過(guò)重寫接口實(shí)現(xiàn)類來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 LWDWE架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，工作流引擎對(duì)外提供各種服務(wù)接口，包括：流程執(zhí)行服務(wù)接口（ExecutionService）、流程部署服務(wù)接口（RepositoryService）、人工服務(wù)接口（TaskService）、流程管理控制服務(wù)接口（ManagementService）、流程查詢服務(wù)接口（HistoryService）、身份認(rèn)證服務(wù)接口（IdentityService）、內(nèi)核管理器（KernelManager）和Dao工廠（DaoFactory）。LWDWE通過(guò)調(diào)用這些服務(wù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建、執(zhí)行和管理流程。

ExecutionContext是運(yùn)行總線的實(shí)現(xiàn)類，所有的服務(wù)都掛載在上面。ExecutionService是流程執(zhí)行服務(wù)接口，是引擎中最常用的接口之一，提供創(chuàng)建流程實(shí)例、啟動(dòng)流程實(shí)例、推進(jìn)流程實(shí)例的運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)置流程變量等功能接口。引擎通過(guò)該接口來(lái)控制流程的執(zhí)行。RepositoryService是流程的部署服務(wù)接口，提供對(duì)流程模板的部署、查詢和刪除操作。通過(guò)該接口，LWDWE可以輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)流程的部署等

TaskService是引擎的人工服務(wù)接口，提供對(duì)流程實(shí)例（Task）的創(chuàng)建、提交、查詢、保存和刪除等操作。當(dāng)流程流轉(zhuǎn)到表單任務(wù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，引擎會(huì)根據(jù)定義將任務(wù)實(shí)例分配給指定的參與者。ManagementService提供異步工作相關(guān)的執(zhí)行和查詢服務(wù)。HistoryService提供對(duì)已經(jīng)執(zhí)行的流程實(shí)例、任務(wù)實(shí)例和流程變量等的查詢。IdentityService，服務(wù)接口。提供對(duì)流程用戶及角色成員的身份認(rèn)證相關(guān)服務(wù)。KernelManager是維護(hù)流程正確運(yùn)轉(zhuǎn)的管理器。DaoFactory提供程序所需要的各種Dao操作。限于篇幅，本文僅在表2給出ExecutionService接口的詳細(xì)設(shè)計(jì)，介紹主要接口函數(shù)信息。

表2 ExecutionService接口的設(shè)計(jì)

1.3 LWDWE調(diào)度方案

LWDWE中，過(guò)程模型被看作一個(gè)Petri網(wǎng)的網(wǎng)結(jié)構(gòu)，執(zhí)行實(shí)例則被看作一次執(zhí)行。啟動(dòng)一個(gè)流程實(shí)例的時(shí)候，LWDWE依據(jù)流程模板（ProcessDefinition）生成一個(gè)Execution來(lái)表示這個(gè)流程實(shí)例。當(dāng)流程實(shí)例流轉(zhuǎn)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，Execution根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型獲取相應(yīng)的動(dòng)作并執(zhí)行。當(dāng)某結(jié)點(diǎn)執(zhí)行完成時(shí)，則由Execution獲取節(jié)點(diǎn)的所有轉(zhuǎn)出連接弧（transition），依據(jù)相關(guān)流程變量的值選擇轉(zhuǎn)出連接弧、流轉(zhuǎn)到下一節(jié)點(diǎn)。

工作流的流轉(zhuǎn)分順序與分發(fā)兩種情況。順序流轉(zhuǎn)指Execution完成一個(gè)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行后獲取其所有的轉(zhuǎn)出連接弧，從中選擇一個(gè)并流轉(zhuǎn)到下一節(jié)點(diǎn)。分發(fā)流轉(zhuǎn)則是指流程實(shí)例運(yùn)行遇到一個(gè)分發(fā)（Split）節(jié)點(diǎn)時(shí)，流程實(shí)例會(huì)依據(jù)其轉(zhuǎn)出連接弧個(gè)數(shù)，產(chǎn)生多個(gè)子流程，并使同時(shí)進(jìn)入這些子流程執(zhí)行。對(duì)分發(fā)結(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，Execution對(duì)象保存一個(gè)List＜Execution＞類型的變量，引擎計(jì)算分發(fā)（Split）節(jié)點(diǎn)的具體轉(zhuǎn)出連接弧的數(shù)量，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的子Execution加入到該變量中，原Execution則在聚合（Join）節(jié)點(diǎn)等待。當(dāng)該變量中所有子Execution都到達(dá)聚合節(jié)點(diǎn)時(shí)，原Execution將該變量清空并指定Join節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的行為，然后流轉(zhuǎn)到下一節(jié)點(diǎn)。為區(qū)別Split節(jié)點(diǎn)和處于List變量中的Execution，系統(tǒng)用RootExecution 表示流程實(shí)例開(kāi)始時(shí)綁定的Execution，而用SubExecution來(lái)表示List變量中的Execution。圖3給出具有兩個(gè)分支結(jié)點(diǎn)的分發(fā)流轉(zhuǎn)的執(zhí)行情況。

工作流的順序流轉(zhuǎn)表達(dá)過(guò)程結(jié)點(diǎn)之間的順序、選擇關(guān)系，而分發(fā)操作表達(dá)過(guò)程結(jié)點(diǎn)之間的并發(fā)操作。由此，LWDWE可對(duì)所有包含順序、選擇、并發(fā)結(jié)構(gòu)工作流進(jìn)行執(zhí)行。

圖3 分發(fā)流轉(zhuǎn)

2 流程動(dòng)態(tài)修改策略及算法

2.1 動(dòng)態(tài)修改策略

流程動(dòng)態(tài)修改一般將其分為過(guò)程級(jí)修改和活動(dòng)級(jí)修改兩類［2］。其中過(guò)程級(jí)修改指流程實(shí)例運(yùn)行時(shí)對(duì)流程模板的修改。而活動(dòng)級(jí)修改指對(duì)流程實(shí)例中未運(yùn)行活動(dòng)的臨時(shí)修改，比如修改活動(dòng)屬性，這種修改只針對(duì)具體的流程實(shí)例，不改變流程模板。LWDWE對(duì)這兩種動(dòng)態(tài)修改都提供支持。

對(duì)于過(guò)程級(jí)修改，目前動(dòng)態(tài)工作流系統(tǒng)一般采取重新啟動(dòng)、繼續(xù)執(zhí)行和轉(zhuǎn)換3種策略［4］。其中，轉(zhuǎn)換策略是指將正運(yùn)行的過(guò)程實(shí)例遷移到新的工作流程模板上運(yùn)行，這種策略不需要重啟流程，放棄實(shí)例已完成部的執(zhí)行結(jié)果，使得流程實(shí)例能夠跟上模板變化，具備靈活性，但其實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難。

本文利用流程模板的版本區(qū)別實(shí)現(xiàn)過(guò)程實(shí)例的轉(zhuǎn)換策略。即將對(duì)流程模板的修改用不同版本記錄。過(guò)程實(shí)例需要流轉(zhuǎn)到下一結(jié)點(diǎn)時(shí)，依據(jù)條件選擇使用原版本的過(guò)程模板還是轉(zhuǎn)換到最新版本的過(guò)程模板繼續(xù)后續(xù)部分的執(zhí)行。由于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)流程實(shí)例中的已經(jīng)產(chǎn)生了部分流程數(shù)據(jù)，為避免與新定義模板的活動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，本引擎給出如下的規(guī)定：

假設(shè)M 為舊的過(guò)程模型，l為過(guò)程實(shí)例X 在舊的過(guò)程模型中已經(jīng)執(zhí)行的活動(dòng)序列。MN為修訂后的過(guò)程模型，ln為活動(dòng)序列l(wèi)在MN中的投影，若滿足：（M≠M(fèi)N）Λ（l＝ln），則允許動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。其中條件（M≠M(fèi)N）表示新過(guò)程模板對(duì)舊過(guò)程模板進(jìn)行了修改，并不等價(jià)于舊過(guò)程模型。而（l＝ln）保證已經(jīng)執(zhí)行過(guò)的活動(dòng)序列在新的過(guò)程模型未發(fā)生變化。

2.2 動(dòng)態(tài)修改算法

為防止錯(cuò)誤的修改，本文將過(guò)程修改看作對(duì)過(guò)程模板進(jìn)行增加或刪除結(jié)點(diǎn)的操作。插入或刪除的結(jié)點(diǎn)t簡(jiǎn)化為一個(gè)業(yè)務(wù)結(jié)點(diǎn)或一個(gè)split－join結(jié)構(gòu)包含的所有結(jié)點(diǎn)。簡(jiǎn)化的目的是簡(jiǎn)化模型檢查和正確性判定。對(duì)任意位置、任意結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)的插入，需要復(fù)雜的模型檢查與正確性判定算法支持，而這不是本文研究?jī)?nèi)容。

算法1：流程模板插入結(jié)點(diǎn)的算法

輸入：過(guò)程模板PD，結(jié)點(diǎn)屬性Map＜String，String＞property

輸出：過(guò)程模板PD’

步驟：

（1）AddTask（int nodeId，Map＜String，String＞property）

／／動(dòng)態(tài)添加業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，nodeId為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的Id，property為要添加的節(jié)點(diǎn)的屬性。

（2）讀取當(dāng)前綁定的流程模板信息；根據(jù)NodeId找到當(dāng)前正在運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)；根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行節(jié)點(diǎn)找到其下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的Id，將其賦給NextId變量。

（3）調(diào)用addElement 函數(shù)生成一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，并將Property信息賦給該節(jié)點(diǎn)的各個(gè)屬性。同時(shí)將NextId賦值給該節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)Transition中的to屬性。

（4）將步驟（2）中獲得的節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)Transition的屬性賦值為步驟（3）中新生成的節(jié)點(diǎn)的Id。

（5）返回修改后的流程模板信息。

（6）根據(jù)修改后的流程模板信息生成新的流程模板PD’，將新的流程模板的版本加上1，同時(shí)將新的流程模板發(fā)布到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（7）向正在運(yùn)行的流程實(shí)例發(fā)送版本更新信息。

假設(shè)A 的轉(zhuǎn)出連接弧指向B，即A、B處于順序關(guān)系。在A、B兩結(jié)點(diǎn)之間插入一個(gè)新結(jié)點(diǎn)C 的工作包括：記錄A 的轉(zhuǎn)出連接?。ˋ 結(jié)點(diǎn)的Transition屬性）；修改C 的轉(zhuǎn)出連接弧等于A 的轉(zhuǎn)出連接??；修改A 的轉(zhuǎn)出連接弧指向C。刪除結(jié)點(diǎn)的操作與之相類似，假設(shè)結(jié)點(diǎn)A、B、C 處于順序關(guān)系，刪除B結(jié)點(diǎn)的操作即是將A 的轉(zhuǎn)出連接弧指向B的轉(zhuǎn)出連接弧的過(guò)程。

算法1是LWDWE中所使用的插入結(jié)點(diǎn)的昝。限于篇幅，本文略去了刪除結(jié)點(diǎn)的算法。

在一個(gè)過(guò)程實(shí)例執(zhí)行時(shí)，用戶可動(dòng)態(tài)修改該本實(shí)例的執(zhí)行。這種修改可以是增加或刪除一個(gè)業(yè)務(wù)結(jié)點(diǎn)、修改某個(gè)結(jié)點(diǎn)的屬性等。LWDWE 中，這些修改的實(shí)現(xiàn)通過(guò)將過(guò)程模板復(fù)制到本實(shí)例中，并切斷模板與實(shí)例之間的聯(lián)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。即只允許用戶的操作對(duì)本過(guò)程實(shí)例起作用，而屏蔽掉它對(duì)過(guò)程模板的影響。在一個(gè)動(dòng)態(tài)修改過(guò)的過(guò)程實(shí)例完成后，用戶也可選擇 “升級(jí)”操作，從該實(shí)例中抽取過(guò)程模板并發(fā)布出去，供以后的過(guò)程實(shí)例調(diào)用。

2.3 一個(gè)動(dòng)態(tài)工作流實(shí)例

本節(jié)給出一個(gè)簡(jiǎn)單的請(qǐng)假系統(tǒng)的應(yīng)用案列來(lái)驗(yàn)證引擎的功能，公司請(qǐng)假的一般流程如下：①職員填寫請(qǐng)假單，提供名字、請(qǐng)假天數(shù)和請(qǐng)假原因等信息。②經(jīng)理對(duì)請(qǐng)假信息進(jìn)行審批，若請(qǐng)假小于等于3 天，直接給出審批結(jié)果，準(zhǔn)假或不準(zhǔn)假。若請(qǐng)假大于3天，則轉(zhuǎn)到下一步驟，由老板進(jìn)行審批。③老板給出審批結(jié)論，準(zhǔn)假或不準(zhǔn)假。圖4給出使用本系統(tǒng)生成的請(qǐng)假工作流的圖形表示。圖中有一個(gè)分支結(jié)點(diǎn)，依據(jù)請(qǐng)假天數(shù)分兩種情況處理。

圖4 公司請(qǐng)假流程

當(dāng)一個(gè)實(shí)例開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，LWDWE 從過(guò)程模型生成請(qǐng)假實(shí)例的執(zhí)行模板。但在執(zhí)行過(guò)程中，可靈活改變工作流實(shí)例的處理過(guò)程。假設(shè)職員1提交請(qǐng)假申請(qǐng)，而且請(qǐng)假天數(shù)小于等于3天。則職員提交請(qǐng)假申請(qǐng)后，系統(tǒng)為經(jīng)理生成工作任務(wù)。如圖5所示，經(jīng)理登錄系統(tǒng)后看到1個(gè)請(qǐng)假實(shí)例和一個(gè)待辦任務(wù)。此時(shí)經(jīng)理可修改流程實(shí)例，添加新的任務(wù)節(jié)點(diǎn)。如果經(jīng)理增加任務(wù)結(jié)點(diǎn) “總監(jiān)審批”，則總監(jiān)登錄系統(tǒng)后，可看到該流程實(shí)例及其待辦任務(wù)，且系統(tǒng)中流程定義TestWorkflow 增加一個(gè)新版本的定義，如圖6所示。此時(shí)流程實(shí)例2流轉(zhuǎn)到 “總監(jiān)審批”節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了流程實(shí)例在運(yùn)行期間的動(dòng)態(tài)修改流程模板并遷移的功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種動(dòng)態(tài)輕量級(jí)工作流引擎LWDWE。在架構(gòu)方面，使用總線型的引擎架構(gòu)；在工作流模型上，給出了一種工作流實(shí)現(xiàn)模型和節(jié)點(diǎn)的調(diào)度機(jī)制。對(duì)動(dòng)態(tài)修改策略進(jìn)行改進(jìn)并支持流程實(shí)例的動(dòng)態(tài)修改。論文首先給出系統(tǒng)支持的工作流模型和引擎調(diào)度機(jī)制，給出引擎的架構(gòu)及關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)算法，并通過(guò)實(shí)例證明了該引擎的可用性。

圖5 經(jīng)理審批階段的主界面

圖6 總監(jiān)審批的主界面

本論文僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)工作流的支持，未深入考慮動(dòng)態(tài)流程的正確性問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)流程模型及實(shí)例的正確性驗(yàn)證算法是本作者下一步的工作。

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