摘要：針對當(dāng)前企業(yè)和政府對分布式工作流應(yīng)用的需求趨勢，給出了一個基于JMX（Java Management Extensions）－Java管理擴展框架和Observer觀察者模式的可自管理的分布式工作流引擎（Self-Management Distributed Workflow Engine）的設(shè)計與實現(xiàn)。在該實現(xiàn)中以觀察者模式作為主控引擎與各個執(zhí)行引擎進行分布式協(xié)作的實現(xiàn)機制。利用JMX Notification Model（JMX通知模型）和JMX Timer Service(JMX時間服務(wù))實現(xiàn)觀察者模式的異步特性。主控引擎充當(dāng)目標(biāo)對象,所有的執(zhí)行引擎充當(dāng)觀察者并關(guān)注主控引擎的狀態(tài)改變。主控引擎的調(diào)度機采用輪轉(zhuǎn)法為所有的實例活動動態(tài)分配執(zhí)行引擎。執(zhí)行引擎通過在啟動時自動注冊到主控引擎，關(guān)閉時自動從主控引擎注銷，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的可自管理性，而以工作流命名空間（WorkflowNameSpace）的形式對工作流相關(guān)數(shù)據(jù)的封裝和EJB容器提供的良好的事務(wù)特性，保證了整個系統(tǒng)的可靠性。

1     引言

工作流技術(shù)是實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)過程建模、業(yè)務(wù)過程仿真分析、業(yè)務(wù)過程優(yōu)化、業(yè)務(wù)過程管理與集成，從而最終實現(xiàn)業(yè)務(wù)過程自動化的核心技術(shù)^[1]。早期的工作流應(yīng)用系統(tǒng)都是集中式的，即由一個工作流引擎去完成整個流程實例的執(zhí)行。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展更加迅速和成熟，特別是Internet 應(yīng)用日益普及的情況下，現(xiàn)代企業(yè)和政府的信息資源越來越表現(xiàn)出一種異構(gòu)、分布、松散耦合的特點，信息共享、資源整合、協(xié)同辦公已成為當(dāng)前眾多企業(yè)和政府的共同需求，而隨著EJB、RMI、Web Service等分布式技術(shù)的日益成熟，分布式工作流的研究已成為當(dāng)前眾多組織和廠商的共同方向。

1.1  分布式工作流引擎概述

1.2  研究現(xiàn)狀

2     可自管理的分布式工作流引擎(SMDWE--Self-Management Distributed Workflow Engine)的設(shè)計

2.1  SMDWE設(shè)計原理

2.1.1   數(shù)據(jù)存儲的設(shè)計

基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的多表結(jié)構(gòu)，以EJB的CMP（Container-Managed Persistence容器管理的持久性）作為持久化策略統(tǒng)一以實體Bean的形式存儲工作流模型定義的相關(guān)數(shù)據(jù)及運行實例數(shù)據(jù)。運行時采用一組實體Bean將靜態(tài)定義加載為運行時定義。同時，該CMP也就是運行時實例。將運行時工作流的定義劃分為小的對象，即如下的核心實例：流程（InstProcess）、活動（InstActivity）、工作項（Workitem）、轉(zhuǎn)移（InstTransition）、其它相關(guān)數(shù)據(jù)。將運行時工作流的定義劃分為小的對象，減少了資源沖突的可能，既提高了效率，又保證了線程安全性。同時可以將這些對象序列化之后方便地在執(zhí)行引擎之間進行傳遞。

2.1.2   邏輯控制的設(shè)計

Observer(觀察者)模式，是一種典型的設(shè)計模式，我們通常采用它來減少互相通信的組件之間的耦合從而實現(xiàn)異步調(diào)用。傳統(tǒng)的觀察者設(shè)計模式有兩個主要的參與者：一個 subject（目標(biāo)）和一個 observer（觀察者），其中觀察者關(guān)注目標(biāo)的狀態(tài)改變。

JMX是具有高度可伸縮性的管理框架，是 Java 應(yīng)用程序的管理規(guī)范，目前已成為新的J2EE規(guī)范中一部分。JMX可以實現(xiàn)應(yīng)用程序組件的熱插拔、熱配置和熱管理。另外，JMX 的功能不僅僅是對組件進行管理，對那些基于組件進行開發(fā)的應(yīng)用程序，JMX也提供了一個統(tǒng)一的、可配置的管理框架^[8]。JMX管理框架中的MBean通知模型類似于Java中的事件監(jiān)聽器模型。MBean或管理應(yīng)用程序可以作為MBean事件的監(jiān)聽器注冊。在本實現(xiàn)中，我們將實現(xiàn)了NotificationListener接口的主控狀態(tài)機（MainEngineObservable）作為MBean事件的監(jiān)聽器注冊到MBeanServer上，用來接收由JMX框架提供的時間服務(wù)Timer所循環(huán)發(fā)出的通知。

SMDWE由一個主控引擎和分布在網(wǎng)絡(luò)中的多個執(zhí)行引擎構(gòu)成。執(zhí)行引擎作為觀察者注冊到主控引擎上，主控引擎和執(zhí)行引擎分別作為目標(biāo)對象和觀察者。主控引擎由一個分布式引擎管理器充當(dāng)具體的目標(biāo)對象與執(zhí)行引擎的觀察代理器進行通信。主控引擎負(fù)責(zé)執(zhí)行流程的初始活動和動態(tài)調(diào)度執(zhí)行引擎去執(zhí)行流程中的其它后續(xù)活動。當(dāng)初始活動執(zhí)行完畢時，目標(biāo)對象（主控引擎）的狀態(tài)發(fā)生改變，然后主控引擎調(diào)用動態(tài)調(diào)度機根據(jù)動態(tài)調(diào)度算法決定后續(xù)活動的執(zhí)行者，同時觀察者（執(zhí)行引擎）得到一個狀態(tài)變更通知（此通知中包括當(dāng)前活動及其轉(zhuǎn)移的相關(guān)數(shù)據(jù)和執(zhí)行此活動的執(zhí)行引擎的名稱），然后目標(biāo)對象（主控引擎）回調(diào)每個執(zhí)行引擎的觀察代理器的update()方法，如果執(zhí)行引擎的名稱與通知中的名稱一致，則此執(zhí)行引擎的觀察代理器調(diào)用活動處理器執(zhí)行相關(guān)的動作（執(zhí)行流程的第二個活動），依次類推，此執(zhí)行引擎在執(zhí)行完自己的任務(wù)后，將回調(diào)主控引擎的addNotification()方法重新設(shè)置主控引擎的狀態(tài)，此時其他的觀察者（執(zhí)行引擎）再次得到主控引擎的狀態(tài)變更通知，然后符合條件的觀察者（執(zhí)行引擎）繼續(xù)執(zhí)行自己的動作，從而推動整個工作流流程的前進。

3     系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 SMDWE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

定義態(tài)系統(tǒng)主要包括可視化的過程建模定義工具，用戶根據(jù)實際的業(yè)務(wù)流程進行建模，然后建模定義調(diào)用過程定義存儲服務(wù)將業(yè)務(wù)模型存入數(shù)據(jù)庫。

運行態(tài)系統(tǒng)是由部署在網(wǎng)絡(luò)上的一個主控引擎和多個執(zhí)行引擎共同組成。主控引擎和執(zhí)行引擎之間通過EJB遠程調(diào)用進行通信。SMDWE由工作表管理器、活動執(zhí)行處理器（主控引擎、執(zhí)行引擎）、過程實例加載器、過程定義解釋器、分布式引擎管理器、動態(tài)調(diào)度機、主控狀態(tài)機、觀察代理器、觀察器、應(yīng)用程序代理器、工作表生成器等組成。下面對各部分做簡單的說明：

工作表管理器：負(fù)責(zé)與流程參與者交互，為其生成相關(guān)的工作項，供辦理人拾取、提交工作項；

活動執(zhí)行處理器（主控引擎、執(zhí)行引擎）：負(fù)責(zé)執(zhí)行具體的活動，對于人工活動負(fù)責(zé)生成相關(guān)的工作項，對于自動活動負(fù)責(zé)調(diào)用外部的具體應(yīng)用（主控工作流引擎只負(fù)責(zé)執(zhí)行初始活動）；

過程實例加載器：主要負(fù)責(zé)接收用戶的流程啟動請求，然后對靜態(tài)的流程定義進行加載；

過程定義解釋器：負(fù)責(zé)將xml形式的流程定義與流程對象進行互相轉(zhuǎn)換；

分布式引擎管理器：負(fù)責(zé)維護網(wǎng)絡(luò)上所有的執(zhí)行引擎的URL（Uniform Resource Locator統(tǒng)一資源定位符）及它們各自觀察代理器的JNDI（Java Naming and Directory Interface － Java命名和目錄接口），網(wǎng)絡(luò)上所有的執(zhí)行引擎都首先要注冊到此管理器上，然后再由其注冊到主控狀態(tài)機上。流程執(zhí)行時負(fù)責(zé)接收執(zhí)行引擎發(fā)送的已執(zhí)行活動的信息，取得其后繼活動，調(diào)用JMX的時間服務(wù)向主控狀態(tài)機發(fā)送狀態(tài)變更通知。此管理器用EJB實現(xiàn)，由執(zhí)行引擎的觀察代理器遠程調(diào)用；

動態(tài)調(diào)度機：主要根據(jù)負(fù)載均衡原理，利用輪轉(zhuǎn)法，動態(tài)調(diào)度各個執(zhí)行引擎；

主控狀態(tài)機：作為目標(biāo)對象維護執(zhí)行引擎的觀察者列表，負(fù)責(zé)記錄每個流程實例中執(zhí)行活動實例的狀態(tài)，同時負(fù)責(zé)監(jiān)聽分布式引擎管理器發(fā)出的狀態(tài)變更通知。狀態(tài)變更時，負(fù)責(zé)向觀察者（執(zhí)行引擎）發(fā)送通知。最后調(diào)用動態(tài)調(diào)度機，決定下一個活動的執(zhí)行者；

觀察代理器：是執(zhí)行工作流引擎負(fù)責(zé)觀察目標(biāo)對象的觀察器的遠程代理，由EJB實現(xiàn)；

觀察器：執(zhí)行引擎的本地觀察者，啟動時負(fù)責(zé)調(diào)用分布式引擎管理器將自身注冊到主控引擎上，執(zhí)行

流程時負(fù)責(zé)觀察主控工作流引擎的狀態(tài)，并提供update()回調(diào)方法；

應(yīng)用程序代理器：負(fù)責(zé)代理執(zhí)行外部的應(yīng)用程序，如JavaBean、EJB、特定應(yīng)用程序等；

工作表生成器：在執(zhí)行引擎中只負(fù)責(zé)生成工作項；

4     系統(tǒng)實現(xiàn)方案

4.1  主控引擎的Observable組件模型

圖2 主控引擎的Observable組件模型圖

主控引擎的Observable組件模型如圖2所示，其中MainEngineObservable類繼承java.util.Observable類，作為主控引擎的流程狀態(tài)機，其作用如下：

1） 實現(xiàn)目標(biāo)對象（Subject）的身份，負(fù)責(zé)維護所有觀察者（執(zhí)行引擎觀察器）的一個列表；

2） 實現(xiàn)javax.management.NotificationListener接口，負(fù)責(zé)監(jiān)聽分布式引擎管理器發(fā)出的狀態(tài)變更通知；

3） 接到通知后，先調(diào)用父類Observable的setChanged()方法改變自身狀態(tài)，然后調(diào)用notifyObservers()方法通知所有的觀察者主控狀態(tài)機的狀態(tài)發(fā)生改變；

4） notifyObservers()方法分別調(diào)用注冊表中的每個觀察器的update()方法；

DistributeEngineManagerBean分布式引擎管理器類實際上是MainEngineObservable的一個遠程代理，由SessionBean實現(xiàn)，遠程觀察者（執(zhí)行引擎）通過EJB遠程調(diào)用分布式引擎管理器的方法，將自己注冊到目標(biāo)對象MainEngineObservable上。DistributeEngineManagerBean主要完成以下功能：

1） 保存遠程觀察者的URL；

2） 接受遠程觀察者的注冊；

3） 調(diào)用MainEngineObservable類的addObserver()方法進行真正的注冊；

4） 提供addNotification()方法接收已執(zhí)行活動的信息，供主控引擎和執(zhí)行引擎的活動處理器調(diào)用；

4.2  執(zhí)行引擎的Observer組件模型

圖3 執(zhí)行引擎的Observer組件模型圖

執(zhí)行引擎的Observable組件模型如圖3所示，其中ExcuteEngineObserver類充當(dāng)執(zhí)行引擎對主控引擎的觀察者身份，實現(xiàn)了java.util.Observer接口類，提供一個update()回調(diào)方法，供主控引擎調(diào)用。在update()方法中實現(xiàn)對活動執(zhí)行處理器的調(diào)用，從而完成工作流活動的執(zhí)行。

ExcuteEngineObserverProxyBean類是ExcuteEngineObserver類的一個遠程代理，實現(xiàn)了EJB 2.0的Home接口和Remote接口。主控引擎通過對此代理的遠程調(diào)用，然后再由此代理通過本地調(diào)用ExcuteEngineObserver類的update()方法，間接實現(xiàn)對執(zhí)行引擎的活動處理器的執(zhí)行調(diào)用。

4.3  SMDWE的調(diào)度算法

4.4  分布式工作流中的關(guān)鍵問題及解決方法

為保證分布式工作流相關(guān)數(shù)據(jù)的同步，本實現(xiàn)中將工作流的相關(guān)數(shù)據(jù)以實例變量的形式，采用實體Bean進行存貯；而在工作流的流程實例或活動實例中，對工作流的實例變量采用工作流命名空間二元組（WorkflowNameSpace<InstProcess||InstActivity, variableList>）的形式進行封裝，為此我們引入具有面向?qū)ο竽_本語言特性的Java代碼解釋器BeanShell的NameSpace對工作流實例變量進行封裝。然后將WorkflowNameSpace對象的實例序列化作為流程實例（InstProcess）或活動實例(InstActivity)的成員變量在執(zhí)行引擎之間進行傳遞，從而實現(xiàn)了工作流相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞的可靠傳遞。

4.5  性能分析

4.5.1   可靠性

4.5.2   可擴展性

可擴展性包括功能可擴展性和結(jié)構(gòu)可擴展性。功能擴展性，由于本系統(tǒng)采用JMX作為整體的功能管理框架，JMX本身的對應(yīng)用程序組件的熱插拔、熱配置、熱管理的特性決定了本系統(tǒng)具有良好的功能擴展性。在結(jié)構(gòu)擴展性方面，大多數(shù)的分布式引擎不能滿足企業(yè)的分布式需求，因為這些分布式引擎只是靜態(tài)意義上的分布，即在流程定義期，將過程的活動定義與執(zhí)行引擎所在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行綁定（如基于消息的Exotica），這樣導(dǎo)致了流程定義與執(zhí)行引擎的緊偶合。而SMDWE是基于觀察者模式實現(xiàn)，因此活動的執(zhí)行是在運行期通過負(fù)載均衡算法動態(tài)決定的，所以是真正意義上的可動態(tài)柔性擴展的系統(tǒng)。在實現(xiàn)時編寫一個可由容器自動啟動的Servlet，每個執(zhí)行引擎啟動時，此Servlet自動執(zhí)行，調(diào)用觀察代理器，由觀察代理器遠程調(diào)用分布式引擎管理器的addObservers()方法將自身注冊到主控引擎上。主控引擎的分布式引擎管理器將每個注冊過的執(zhí)行引擎的URL存入數(shù)據(jù)庫，動態(tài)調(diào)度機動態(tài)調(diào)度執(zhí)行引擎時首先調(diào)用分布式引擎管理器的getObservers()方法獲得所有注冊成功的執(zhí)行引擎列表，然后根據(jù)輪轉(zhuǎn)法進行調(diào)度。系統(tǒng)需要擴展時，在相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上重新部署一個執(zhí)行引擎，然后啟動執(zhí)行引擎，執(zhí)行引擎按照上面的方法注冊到主控引擎，實現(xiàn)了動態(tài)擴展。

4.5.3   容錯性

5     應(yīng)用實例

根據(jù)上面的設(shè)計與實現(xiàn)分析，下面給出一個應(yīng)用實例來說明怎樣應(yīng)用本文中的方法實現(xiàn)SMDWE的可自管理性和可靠性，應(yīng)用JMX的時間通知模型實現(xiàn)分布式引擎的異步性。

1）執(zhí)行引擎的自動擴展：執(zhí)行引擎的動態(tài)擴展是通過分別調(diào)用主控引擎的分布式引擎管理器的注冊

方法addObserver（）和注銷方法deleteObserver（）實現(xiàn)的。其清單如下DistributeEngineManagerBean.java：

public void addObserver(String excuteEngineURL,String observerJNDIName,String homeInterfaceName) throws WorkflowException {

//向主控引擎注冊一個觀察者

observerList.add(excuteEngineURL+":"+observerJNDIName+":"+homeInterfaceName);

}

public void deleteObserver(String excuteEngineURL,String observerJNDIName,String homeInterfaceName) throws WorkflowException{

        //刪除一個指定URL的觀察者

}

addObserver()和deleteObserver()方法是兩個遠程方法，執(zhí)行引擎啟動時由觀察器（ExcuteEngineObserver.java）通過EJB遠程調(diào)用addObserver（）方法，將自身注冊到主控引擎上。如果執(zhí)行引擎關(guān)閉則調(diào)用deleteObserver()方法注銷自己。當(dāng)系統(tǒng)因為性能原因需要擴展時，就在網(wǎng)絡(luò)上新部署一個執(zhí)行引擎并啟動，則這個新部署的引擎通過上面的方法注冊到了主控引擎。這樣系統(tǒng)就具備了高度的可自管理性，執(zhí)行引擎可隨時關(guān)閉或加入到系統(tǒng)中來。

2）活動執(zhí)行失敗時的失敗轉(zhuǎn)發(fā)：執(zhí)行引擎執(zhí)行活動完畢后，不管成功與否都調(diào)用分布式引擎管理器

的addNotification()方法，將執(zhí)行完畢的活動傳回主控引擎，并返回一個是否成功的標(biāo)志。清單如下：

public synchronized void addNotification(InstActivity activity, boolean isSucess) throws WorkflowException {

}

從清單中可以看出，如果活動執(zhí)行成功則取出其后繼活動放入待辦列表中，如果執(zhí)行失敗則放入失敗列表errorList中，此時主控引擎可將此失敗的活動繼續(xù)分配給其它的執(zhí)行引擎繼續(xù)執(zhí)行，因此結(jié)合本文中的其它提高可靠性的方法，到達了系統(tǒng)的可靠性要求。

6     總結(jié)

 

[1] FAN Yu-shun, LUO Hai-bin, LIN Hui-ping, et al. Fundamentals of Workflow Management Technology[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2001. p.211-220. (in Chinese) [范玉順，羅海濱，林慧萍，等.工作流管理技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2001: 211-220]

[2] Workflow Management Coalition. WFMC-TC-1003. The Workflow Reference Model, Document Status - Issue 1.1, http://www./standards/docs/tc003v11.pdf

[3] Thomas Bauer, Peter Dadam University of Ulm, Dept. of Databases and Information Systems, Efficient Distributed Workflow Management Based on Variable Server Assignments. http://www.informatik./dbis/01/dbis/downloads/BaDa00.pdf

[4] Workflow Management Coalition. WFMC-TC-1023. Workflow Standard –Interoperability Wf-XML Binding - Issue 1.1, http://www./standards/docs/Wf-XML-11.pdf

[5] Yan Y, Bejan, A. Modeling workflow within distributed systems[C]. in: The Sixth International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design. July 2001 :433 – 439

[6]  Alonso G, et al. Distributed data management in workflow environments[C]. in: Proceedings of Seventh International Workshop on Research Issues in Data Engineering, April 1997: 82 - 90

[7]  Le Pallec X, Vantroys T. A cooperative workflow management system with the Meta-Object Facility[C]. in: Proceedings of Fifth IEEE International Enterprise Distributed Object Computing Conference (EDOC ‘01). Sept. 2001: 273 – 280

[8] Java? Management Extensions Instrumentation and Agent Specification, v1.2 http:///aboutJava/communityprocess/final/jsr003/index3.html

 

 

XIN Peng¹  WANG Shao-feng²

(1．School of Software, Tsinghua University, Beijing 100084；

2．School of Software, Tsinghua University, Beijing 100084)

Keywords: JMX; Observer pattern; distributed workflow engine