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

本文研究動態(tài)工作流引擎的設(shè)計與實現(xiàn)，提出一種輕量級動態(tài)工作流引擎的框架結(jié)構(gòu)，稱為LWDWE（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)，將過程實例看作托肯（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例完全分開，方便對過程修改的支持和實例的動態(tài)遷移。LWDWE 支持基于過程和基于活動的兩種動態(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)計和調(diào)度機制，然后給出流程的動態(tài)修改策略及過程動態(tài)修改算法。最后，給出利用Spring 和Hibernate開源框架實現(xiàn)的原型系統(tǒng)，并通過一個應(yīng)用實例證明了引擎設(shè)計的可用性。

1 輕量級動態(tài)工作流引擎的分析與設(shè)計

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)點和業(yè)務(wù)節(jié)點兩類，控制節(jié)點是工作流中用來控制流程流轉(zhuǎn)的節(jié)點，業(yè)務(wù)節(jié)點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。而流程是由兩種節(jié)點組合起來，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)點的說明。LWDWE 共使用三類業(yè)務(wù)節(jié)點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?？刂乒?jié)點分Start、End、Split、Join、Decision和State這6種。借助這些控制節(jié)點可實現(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＞等來表示流程。圖1給出一個簡單的流程實例及其XML表示。該流程只Start、End、A 和B 這4 個結(jié)點。結(jié)點A 是表單結(jié)點，其ID 為3，其后續(xù)結(jié)點只有一個，即結(jié)點B。結(jié)點A、B之間的順序關(guān)系通過結(jié)點A 的transition屬性表示。一般業(yè)務(wù)結(jié)點的transition屬性只有一個取值，即它與前、后序結(jié)點處于順序關(guān)系。而控制結(jié)點的transition屬性可取多值，表示可能與前、后序結(jié)點處于選擇或并發(fā)關(guān)系。

表1 流程節(jié)點的詳細(xì)說明

圖1 一個工作流實例及其XML文件

1.2 LWDWE架構(gòu)設(shè)計

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

圖2 LWDWE架構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，工作流引擎對外提供各種服務(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通過調(diào)用這些服務(wù)接口來實現(xiàn)創(chuàng)建、執(zhí)行和管理流程。

ExecutionContext是運行總線的實現(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)建流程實例、啟動流程實例、推進流程實例的運轉(zhuǎn)和設(shè)置流程變量等功能接口。引擎通過該接口來控制流程的執(zhí)行。RepositoryService是流程的部署服務(wù)接口，提供對流程模板的部署、查詢和刪除操作。通過該接口，LWDWE可以輕易實現(xiàn)對流程的部署等

TaskService是引擎的人工服務(wù)接口，提供對流程實例（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)點時，引擎會根據(jù)定義將任務(wù)實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提供對已經(jīng)執(zhí)行的流程實例、任務(wù)實例和流程變量等的查詢。IdentityService，服務(wù)接口。提供對流程用戶及角色成員的身份認(rèn)證相關(guān)服務(wù)。KernelManager是維護流程正確運轉(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，介紹主要接口函數(shù)信息。

表2 ExecutionService接口的設(shè)計

1.3 LWDWE調(diào)度方案

LWDWE中，過程模型被看作一個Petri網(wǎng)的網(wǎng)結(jié)構(gòu)，執(zhí)行實例則被看作一次執(zhí)行。啟動一個流程實例的時候，LWDWE依據(jù)流程模板（ProcessDefinition）生成一個Execution來表示這個流程實例。當(dāng)流程實例流轉(zhuǎn)到某個節(jié)點時，Execution根據(jù)節(jié)點類型獲取相應(yīng)的動作并執(zhí)行。當(dāng)某結(jié)點執(zhí)行完成時，則由Execution獲取節(jié)點的所有轉(zhuǎn)出連接?。╰ransition），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。

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完成一個節(jié)點的執(zhí)行后獲取其所有的轉(zhuǎn)出連接弧，從中選擇一個并流轉(zhuǎn)到下一節(jié)點。分發(fā)流轉(zhuǎn)則是指流程實例運行遇到一個分發(fā)（Split）節(jié)點時，流程實例會依據(jù)其轉(zhuǎn)出連接弧個數(shù)，產(chǎn)生多個子流程，并使同時進入這些子流程執(zhí)行。對分發(fā)結(jié)點的實現(xiàn)，Execution對象保存一個List＜Execution＞類型的變量，引擎計算分發(fā)（Split）節(jié)點的具體轉(zhuǎn)出連接弧的數(shù)量，同時產(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)點等待。當(dāng)該變量中所有子Execution都到達聚合節(jié)點時，原Execution將該變量清空并指定Join節(jié)點相應(yīng)的行為，然后流轉(zhuǎn)到下一節(jié)點。為區(qū)別Split節(jié)點和處于List變量中的Execution，系統(tǒng)用RootExecution 表示流程實例開始時綁定的Execution，而用SubExecution來表示List變量中的Execution。圖3給出具有兩個分支結(jié)點的分發(fā)流轉(zhuǎn)的執(zhí)行情況。

工作流的順序流轉(zhuǎn)表達過程結(jié)點之間的順序、選擇關(guān)系，而分發(fā)操作表達過程結(jié)點之間的并發(fā)操作。由此，LWDWE可對所有包含順序、選擇、并發(fā)結(jié)構(gòu)工作流進行執(zhí)行。

圖3 分發(fā)流轉(zhuǎn)

2 流程動態(tài)修改策略及算法

2.1 動態(tài)修改策略

流程動態(tài)修改一般將其分為過程級修改和活動級修改兩類［2］。其中過程級修改指流程實例運行時對流程模板的修改。而活動級修改指對流程實例中未運行活動的臨時修改，比如修改活動屬性，這種修改只針對具體的流程實例，不改變流程模板。LWDWE對這兩種動態(tài)修改都提供支持。

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

本文利用流程模板的版本區(qū)別實現(xiàn)過程實例的轉(zhuǎn)換策略。即將對流程模板的修改用不同版本記錄。過程實例需要流轉(zhuǎn)到下一結(jié)點時，依據(jù)條件選擇使用原版本的過程模板還是轉(zhuǎn)換到最新版本的過程模板繼續(xù)后續(xù)部分的執(zhí)行。由于動態(tài)轉(zhuǎn)換時流程實例中的已經(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 為舊的過程模型，l為過程實例X 在舊的過程模型中已經(jīng)執(zhí)行的活動序列。MN為修訂后的過程模型，ln為活動序列l(wèi)在MN中的投影，若滿足：（M≠MN）Λ（l＝ln），則允許動態(tài)轉(zhuǎn)換。其中條件（M≠MN）表示新過程模板對舊過程模板進行了修改，并不等價于舊過程模型。而（l＝ln）保證已經(jīng)執(zhí)行過的活動序列在新的過程模型未發(fā)生變化。

2.2 動態(tài)修改算法

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

算法1：流程模板插入結(jié)點的算法

輸入：過程模板PD，結(jié)點屬性Map＜String，String＞property

輸出：過程模板PD’

步驟：

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

／／動態(tài)添加業(yè)務(wù)節(jié)點，nodeId為當(dāng)前節(jié)點的Id，property為要添加的節(jié)點的屬性。

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

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

（4）將步驟（2）中獲得的節(jié)點的孩子節(jié)點Transition的屬性賦值為步驟（3）中新生成的節(jié)點的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，同時將新的流程模板發(fā)布到數(shù)據(jù)庫中。

（7）向正在運行的流程實例發(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)點之間插入一個新結(jié)點C 的工作包括：記錄A 的轉(zhuǎn)出連接?。ˋ 結(jié)點的Transition屬性）；修改C 的轉(zhuǎn)出連接弧等于A 的轉(zhuǎn)出連接弧；修改A 的轉(zhuǎn)出連接弧指向C。刪除結(jié)點的操作與之相類似，假設(shè)結(jié)點A、B、C 處于順序關(guān)系，刪除B結(jié)點的操作即是將A 的轉(zhuǎn)出連接弧指向B的轉(zhuǎn)出連接弧的過程。

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

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

2.3 一個動態(tài)工作流實例

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

圖4 公司請假流程

當(dāng)一個實例開始運行時，LWDWE 從過程模型生成請假實例的執(zhí)行模板。但在執(zhí)行過程中，可靈活改變工作流實例的處理過程。假設(shè)職員1提交請假申請，而且請假天數(shù)小于等于3天。則職員提交請假申請后，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個請假實例和一個待辦任務(wù)。此時經(jīng)理可修改流程實例，添加新的任務(wù)節(jié)點。如果經(jīng)理增加任務(wù)結(jié)點 “總監(jiān)審批”，則總監(jiān)登錄系統(tǒng)后，可看到該流程實例及其待辦任務(wù)，且系統(tǒng)中流程定義TestWorkflow 增加一個新版本的定義，如圖6所示。此時流程實例2流轉(zhuǎn)到 “總監(jiān)審批”節(jié)點，實現(xiàn)了流程實例在運行期間的動態(tài)修改流程模板并遷移的功能。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種動態(tài)輕量級工作流引擎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現(xiàn)模型和節(jié)點的調(diào)度機制。對動態(tài)修改策略進行改進并支持流程實例的動態(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)度機制，給出引擎的架構(gòu)及關(guān)鍵實現(xiàn)算法，并通過實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

本論文僅實現(xiàn)了對動態(tài)工作流的支持，未深入考慮動態(tài)流程的正確性問題，設(shè)計并實現(xiàn)流程模型及實例的正確性驗證算法是本作者下一步的工作。

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