Я — бэкенд-разработчик, поэтому мне довелось по достоинству оценить, насколько важны конечные автоматы при построении надёжных систем, которые хорошо масштабируются. Конечные автоматы отлично подходят для моделирования сложной бизнес-логики и автоматизации переходов между состояниями. В этом посте будет разобрано, что представляют собой конечные автоматы, в чём их польза для бэкенд-разработки, и как с их помощью решать распространённые задачи.

Что такое конечные автоматы?

Конечный автомат — это математическая модель, описывающая состояние системы. Автомат состоит из множества состояний, переходов между этими состояниями и действиями, связанными с такими переходами. В любой момент времени система находится в одном из определённых состояний, а переходы инициируются при наступлении конкретных событий или условий.

Конечные автоматы часто используются в разработке программ для моделирования сложных потоков задач. С помощью конечных автоматов можно чётко и структурированно определить поведение системы. Тогда о системе становится проще рассуждать, её удобнее отлаживать и поддерживать.

В чём польза конечных автоматов при бэкенд-разработке

Есть несколько причин, по которым конечные автоматы удобно использовать для бэкенд-разработки:

• Простота: конечные автоматы упрощают проектирование и реализацию сложных потоков задач.
• Масштабируемость: конечные автоматы хорошо приспособлены к масштабированию, могут обрабатывать большие объёмы данных и сложную логику. Кроме того, они легко интегрируются с другими системами и сервисами.
• Надёжность: при помощи конечных автоматов удобно обеспечивать надёжность системы, навязывая соблюдение ограничений и гарантируя, что будут допускаться только валидные переходы. Так можно предотвращать ошибки и снижать риск системных отказов.
• Гибкость: конечные автоматы отличаются гибкостью, и их легко приспосабливать к меняющимся бизнес-требованиям. Конечные автоматы легко обновлять или модифицировать, не затрагивая остальной части системы.

Какие вопросы затронуты в этом посте

В оставшейся части поста я объясню, как при помощи конечных автоматов решаются распространённые задачи, возникающие при бэкенд-разработки. В частности, коснёмся следующих тем:

• Определения состояний и переходов
• Действия, связанные с переходами
• Валидация переходов
• Долговременное хранение данных конечного автомата
• Тестирование конечных автоматов

Проектирование конечного автомата

Как упоминалось выше, конечные автоматы слагаются из состояний, переходов и событий. Проектируя конечный автомат для нашей бэкенд-системы, мы, прежде всего, должны определить все те различные состояния, в которых может находиться наша система. Например, в системе аутентификации пользователей могут быть предусмотрены состояния «вышел из системы», «находится в системе», «забыл пароль».

Идентифицировав таким образом все состояния, мы должны определить, какие события будут инициировать переходы между этими состояниями. В нашей системе аутентификации к числу таких событий могут относиться «пользователь сообщает учётные данные для входа в систему», «пользователь нажимает на кнопку выхода из системы» или «пользователь затребовал сброс пароля».

После того, как определены состояния и события, можно нарисовать схему нашего конечного автомата. Как правило, в виде блок-схемы или диаграммы состояний. На этой схеме чётко и организованно представлены все состояния, переходы и события. Так нам будет проще понять конечный автомат и реализовать его в коде.

При проектировании конечного автомата важно держать в уме конкретные нужды и потребности, связанные с нашим машинным интерфейсом. Тщательно рассмотрев все состояния, переходы и события, можно создать конечный автомат, который бы точно отражал поведение нашей системы и предоставлял весь функционал, необходимый пользователям.

Проектирование конечного автомата в визуальном редакторе

Чтобы было тем проще спроектировать конечный автомат и схематически его изобразить, можно воспользоваться визуальным редактором с графическим пользовательским интерфейсом. Один из популярных инструментов такого рода — XState Visualizer, специально предназначенный для проектирования конечных автоматов в простом интерфейсе.

В XState Visualizer можно создавать и редактировать состояния и переходы, работая с интерфейсом, элементы в котором компонуются методом перетаскивания. Также определим события и действия для каждого состояния и перехода, чтобы наш конечный автомат было проще тестировать и отлаживать.

Такой визуальный редактор будет особенно полезен в работе со сложными конечными автоматами, которые очень быстро становятся запутанными и трудноуправляемыми. Работая в визуальном редакторе, можно гарантировать, что наш конечный автомат хорошо спроектирован и соответствует конкретным потребностям нашей бэкенд-системы.

Реализация конечного автомата

Когда конечный автомат спроектирован, приходит время его реализовать. Чтобы проект получился успешным, чрезвычайно важно подобрать правильный фреймворк для разработки конечных автоматов. Есть несколько фреймворков для разных языков программирования, применяемых для такой работы, вот некоторые из них:

• Python: PyTransitions, Automat
• Java: StateMachineFramework, EasyFlow
• C#: Stateless, Automatonymous
• JavaScript: xstate, javascript-state-machine

В рамках этого поста воспользуемся библиотекой xstate, при помощи которой реализуем конечный автомат на Node.js.

Для начала установим xstate через менеджер пакетов npm:

npm install xstate

Установив xstate, настроим конечный автомат. Для этого определим для него исходное состояние и переходы между состояниями. В Xstate предоставляется простой синтаксис, при помощи которого можно определять конечные автоматы как JSON-объекты. Вот пример:

const signUpStateMachine = {
  id: 'signup',
  initial: 'idle',
  states: {
    idle: {
      on: { SIGNUP: 'pendingVerification' }
    },
    pendingVerification: {
      on: {
        VERIFICATION_SUCCESS: 'active',
        VERIFICATION_FAILURE: 'verificationFailed'
      }
    },
    verificationFailed: {
      on: { SIGNUP: 'pendingVerification' }
    },
    active: {
      type: 'final'
    }
  }
};

Свойство id — это уникальный идентификатор конечного автомата. В свойстве initial указано исходное состояние автомата, в данном случае это idle. В свойстве states содержатся все возможные состояния автомата и соответствующие переходы между ними.

Настроив конечный автомат, напишем код, обрабатывающий переходы между состояниями. В Xstate предоставляется функция Machine, создающая экземпляр конечного автомата. Вот пример:

const { Machine } = require('xstate');
const signUpMachine = Machine(signUpStateMachine);

Теперь можно воспользоваться этим экземпляром signUpMachine, чтобы организовать переход между состояниями. В Xstate предоставляется функция send, при помощи которой можно инициировать события и переходы между состояниями. Вот пример:

const result = signUpMachine.send('SIGNUP');
console.log(result.value); // 'pendingVerification'

В данном примере мы инициировали событие SIGNUP, в результате которого конечный автомат переходит из состояния idle в состояние pendingVerification. Функция send возвращает объект, в котором содержится актуальное состояние автомата (result.value).

Тестирование конечного автомата

Тестирование – важнейший аспект разработки любых программ, и конечные автоматы — не исключение. В этом разделе обсудим различные типы тестирования, применимые с конечными автоматами для обеспечения их корректной и надёжной работы.

1. Модульное тестирование: модульные тесты предназначены для проверки одиночных функций или методов конечного автомата в изоляции. Эти тесты помогают убедиться, что каждая функция конечного автомата работает как задумано, и что переходы между состояниями происходят ожидаемым образом.

2. Интеграционное тестирование. При помощи интеграционного тестирования гарантируется, что конечный автомат корректно взаимодействует с другими элементами бэкенда. На данном этапе нужно убедиться, что налажена работа с конечного автомата с базой данных, очередями сообщений и другими системами, от которых зависит бэкенд.

3. Тестирование производительности: выполняется, чтобы определить, насколько хорошо конечный автомат работает в различных условиях, например, при сильном трафике или обслуживании большого количества конкурирующих пользователей. При тестировании такого рода удобно находить потенциальные узкие места или проблемы с конечным автоматом, требующие решения.

4. Автоматизированное тестирование: автоматизация помогает выровнять процесс тестирования, прогоняя тесты и проверяя, нет ли в них ошибок. Такой подход особенно удобен при регрессионном тестировании, когда изменения в конечном автомате сверяются с имеющимися тестовыми случаями, чтобы убедиться, что не возникает новых багов.
Комбинируя эти тесты, можно гарантировать предсказуемую работу конечного автомата и добиться, что любые проблемы будут заблаговременно выявляться в процессе разработки.

Продвинутые способы использования конечных автоматов в бэкенд-разработке

По мере усложнения конечных автоматов требуется изобретать, как с их помощью обрабатывать конкурентность и множественные запросы. В частности, можно воспользоваться оптимистическими блокировками, при которых множественные запросы могут одновременно обращаться к одному конечному автомату, но в любой момент только один запрос может обновить его состояние. Такой подход позволяет избежать несогласованности данных и условий гонки.

Другой продвинутый метод – организовать при помощи конечного автомата сложный поток задач. В рамках потока задач приходится отслеживать множество состояний и переходов между ними, а конечный автомат позволяет чётко и организованно обрабатывать такие состояния и переходы. Кроме того, конечные автоматы могут применяться для более тщательного соблюдения правил бизнес-логики и гарантировать бесперебойное функционирование рабочих потоков.

Ещё одна продвинутая возможность — встроить в конечный автомат обработку ошибок. В случае возникновения ошибки автомат должен аккуратно её обрабатывать ситуацию, после чего переводить систему в подходящее состояние. Обработка ошибок может касаться, в частности, ошибок в логах, быть связана с выдачей уведомлений пользователям или разработчикам, включать повторные попытки неудавшихся действий.

Заключение

В этом посте было рассмотрено, для чего конечные автоматы могут пригодиться в бэкенд-разработке, объяснено, как спроектировать, реализовать и протестировать конечный автомат на бэкенде. Кроме того, мы затронули продвинутые приёмы, позволяющие использовать конечные автоматы в сложных сценариях.

Ожидаю, что в будущем возможности применения конечных автоматов в бэкенд-разработке только расширится. Системы усложняются и становятся всё более распределёнными. Именно конечные автоматы помогают справиться с возрастающей сложностью и обеспечить надёжность и устойчивость систем.