ساخت APIهای Backend قوی با ماشین‌های حالت: یک راهنمای جامع

من به عنوان یک توسعه دهنده باطن، اهمیت ماشین های دولتی را در ساختن سیستم های قوی و مقیاس پذیر درک کرده ام. ماشین‌های حالت ابزار قدرتمندی برای مدل‌سازی منطق تجاری پیچیده و خودکارسازی انتقال بین حالت‌ها هستند. در این پست وبلاگ توضیح خواهم داد که ماشین های حالت چیست، مزایای آنها برای توسعه backend و نحوه استفاده از آنها برای حل مشکلات رایج.

ماشین حالت یک مدل ریاضی است که برای توصیف رفتار یک سیستم استفاده می شود. این شامل مجموعه ای از حالات، انتقال بین این حالت ها و اقدامات مرتبط با این انتقال است. در هر زمان معین، سیستم در یکی از حالت های تعریف شده قرار دارد و انتقال ها توسط رویدادها یا شرایط خاصی آغاز می شوند.

ماشین‌های حالت اغلب در توسعه نرم‌افزار برای مدل‌سازی گردش‌های کاری پیچیده یا منطق تجاری استفاده می‌شوند. آنها روشی واضح و ساختاریافته برای تعریف رفتار یک سیستم ارائه می دهند و استدلال، اشکال زدایی و نگهداری آن را آسان تر می کنند.

چندین مزیت استفاده از ماشین های حالت برای توسعه باطن وجود دارد:

• سادگی: ماشین‌های حالت طراحی و اجرای گردش‌های کاری پیچیده را ساده می‌کنند. آنها روشی واضح و ساختاریافته برای تعریف رفتار یک سیستم ارائه می دهند که درک و نگهداری آن را آسان تر می کند.
• مقیاس پذیری: ماشین های حالت بسیار مقیاس پذیر هستند و می توانند حجم زیادی از داده ها و منطق پیچیده را مدیریت کنند. آنها همچنین می توانند به راحتی با سایر سیستم ها و خدمات ادغام شوند.
• قابلیت اطمینان: ماشین‌های حالت با اعمال محدودیت‌ها و اطمینان از اینکه فقط انتقال‌های معتبر مجاز هستند، به اطمینان از قابلیت اطمینان یک سیستم کمک می‌کنند. این می تواند از خطاها جلوگیری کرده و خطر خرابی سیستم را کاهش دهد.
• انعطاف پذیری: ماشین‌های دولتی انعطاف‌پذیر هستند و می‌توانند با تغییر نیازهای تجاری سازگار شوند. آنها را می توان به راحتی به روز یا تغییر داد بدون اینکه بر بقیه سیستم تأثیر بگذارد.

در ادامه این پست، نحوه استفاده از ماشین های حالت را برای حل مشکلات رایج توسعه باطن توضیح خواهم داد. به طور خاص، ما موضوعات زیر را پوشش خواهیم داد:

• تعریف حالت ها و انتقال ها
• اقدامات مرتبط با انتقال
• اعتبار سنجی انتقال ها
• داده های ماشین حالت پایدار
• تست ماشین های حالت

در پایان این پست، باید درک خوبی از نحوه استفاده از ماشین‌های حالت برای ساختن سیستم‌های باطنی قوی و مقیاس‌پذیر داشته باشید.

همانطور که قبلا ذکر کردم، ماشین های حالت از حالت ها، انتقال ها و رویدادها تشکیل شده اند. هنگام طراحی یک ماشین حالت برای سیستم باطن خود، ابتدا باید تمام حالت‌های مختلفی را که سیستم ما می‌تواند در آن قرار داشته باشد، شناسایی کنیم. به عنوان مثال، در یک سیستم احراز هویت کاربر، ممکن است حالت‌هایی مانند “Log out”، “Log in” داشته باشیم. “و “رمز عبور را فراموش کرده ام.”

هنگامی که همه حالت ها را شناسایی کردیم، باید رویدادهایی را تعریف کنیم که باعث انتقال بین آن حالت ها می شود. در سیستم احراز هویت ما، رویدادها می‌توانند شامل «کاربر اعتبارنامه ورود به سیستم را ارسال می‌کند»، «کلیک کاربر دکمه خروج از سیستم» یا «بازنشانی رمز عبور را درخواست می‌کند».

با تعریف حالت ها و رویدادها، اکنون می توانیم ماشین حالت خود را نمودار کنیم. این معمولاً با استفاده از یک نمایش بصری، مانند نمودار جریان یا نمودار حالت انجام می شود. این نمودار تمام حالت ها، انتقال ها و رویدادها را به صورت واضح و سازماندهی شده نشان می دهد و درک و پیاده سازی ماشین حالت خود را در کد برای ما آسان تر می کند.

هنگام طراحی یک ماشین حالت، مهم است که نیازها و الزامات خاص سیستم backend خود را در نظر داشته باشید. با در نظر گرفتن دقیق همه حالت‌ها، انتقال‌ها و رویدادها، می‌توانیم یک ماشین حالت ایجاد کنیم که رفتار سیستم ما را به دقت منعکس کند و عملکردهای لازم را برای کاربران ما فراهم کند.

طراحی ماشین حالت با ویرایشگر ویژوال

برای ساده‌تر کردن فرآیند طراحی و نمودارسازی ماشین‌های حالت، ویرایشگرهای بصری در دسترس هستند که به ما اجازه می‌دهند ماشین‌های حالت را با استفاده از یک رابط گرافیکی ایجاد و اصلاح کنیم. یکی از ابزارهای محبوب XState Visualizer است که یک رابط کاربری آسان برای طراحی ماشین های حالت ارائه می دهد.

با XState Visualizer، می‌توانیم حالت‌ها و انتقال‌ها را با استفاده از یک رابط کشیدن و رها کردن ایجاد و ویرایش کنیم. همچنین می‌توانیم رویدادها و اقداماتی را برای هر حالت و انتقال تعریف کنیم و آزمایش و اشکال‌زدایی ماشین حالت خود را آسان‌تر کنیم.

استفاده از یک ویرایشگر بصری می تواند به ویژه برای ماشین های حالت پیچیده مفید باشد، جایی که نمودار می تواند به سرعت مدیریت و درک آن دشوار شود. با استفاده از یک ویرایشگر بصری، می توانیم اطمینان حاصل کنیم که ماشین حالت ما به خوبی طراحی شده است و نیازهای خاص سیستم باطن ما را برآورده می کند.

اکنون که ماشین حالت را طراحی کرده ایم، زمان اجرای آن فرا رسیده است. انتخاب چارچوب مناسب برای ماشین‌های حالت برای موفقیت پروژه شما بسیار مهم است. فریمورک های مختلفی در زبان های برنامه نویسی مختلف موجود است که می توانند برای پیاده سازی ماشین های حالت استفاده شوند. برخی از محبوب ترین ها عبارتند از:

• پایتون: PyTransions، Automat
• جاوا: StateMachineFramework، EasyFlow
• سی شارپ: بدون تابعیت، خودکار
• جاوا اسکریپت: xstate، javascript-state-machine

برای هدف این پست، ما از کتابخانه xstate برای پیاده سازی ماشین حالت خود در Node.js استفاده خواهیم کرد.

ما با نصب شروع می کنیم xstate با استفاده از npm:

npm xstate را نصب کنید

یک بار که داریم xstate نصب شده است. اولین قدم راه اندازی ماشین حالت با تعریف حالت اولیه و انتقال حالت است. Xstate یک نحو ساده برای تعریف ماشین های حالت با استفاده از یک شی JSON ارائه می دهد. در اینجا یک مثال است:

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'
    }
  }
};

را id ویژگی یک شناسه منحصر به فرد برای ماشین حالت است. را initial خاصیت وضعیت اولیه ماشین را مشخص می کند که در این مورد چنین است idle. را states ویژگی شامل تمام حالت های ممکن ماشین و انتقال متناظر آنها می شود.

هنگامی که ماشین حالت راه‌اندازی شد، می‌توانیم کدی بنویسیم تا انتقال‌های حالت را مدیریت کنیم. Xstate ارائه می دهد Machine تابعی که نمونه ای از ماشین حالت را ایجاد می کند. در اینجا یک مثال است:

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

اکنون می توانیم از این استفاده کنیم signUpMachine نمونه ای برای انتقال بین حالت های مختلف Xstate ارائه می دهد send تابعی که می تواند برای راه اندازی رویدادها و انتقال بین حالت ها استفاده شود. در اینجا یک مثال است:

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

در این مثال، ما را راه اندازی کرده ایم SIGNUP رویداد، که ماشین را از idle دولت به pendingVerification حالت. را send تابع یک شی را برمی گرداند که شامل وضعیت فعلی ماشین (result.value).

تست بخش مهمی از توسعه نرم افزار است و ماشین حالت مستثنی نیست. در این بخش، انواع مختلف تست‌هایی را که می‌توان بر روی یک ماشین حالت انجام داد تا از صحت و قابلیت اطمینان آن اطمینان حاصل کرد، بحث خواهیم کرد.

1. تست واحد: تست‌های واحد برای آزمایش عملکردها یا روش‌های جداگانه ماشین حالت طراحی شده‌اند. این تست‌ها برای حصول اطمینان از اینکه هر یک از عملکردهای ماشین حالت همانطور که در نظر گرفته شده است کار می‌کند و اینکه انتقال‌های حالت همانطور که انتظار می‌رود رخ می‌دهد، مهم هستند.
2. تست یکپارچه سازی: تست یکپارچه سازی برای اطمینان از اینکه ماشین حالت به درستی با سایر بخش های سیستم باطن کار می کند انجام می شود. این نوع آزمایش برای حصول اطمینان از اینکه ماشین حالت به درستی با پایگاه داده، صف‌های پیام‌رسانی یا سایر سیستم‌هایی که باطن به آن‌ها متکی است، تعامل دارد، مهم است.
3. تست عملکرد: تست عملکرد برای تعیین میزان عملکرد ماشین حالت تحت شرایط مختلف مانند ترافیک بالا یا تعداد زیاد کاربران همزمان انجام می شود. این نوع آزمایش می تواند به شناسایی تنگناها یا مشکلات بالقوه دستگاه دولتی کمک کند که ممکن است نیاز به رسیدگی داشته باشد.
4. تست خودکار: تست خودکار می‌تواند با اجرای خودکار آزمایش‌ها و بررسی خطاها، به ساده‌سازی فرآیند آزمایش کمک کند. این نوع آزمایش به ویژه برای تست رگرسیون مفید است، جایی که تغییرات در ماشین حالت در برابر موارد آزمایشی موجود بررسی می شود تا اطمینان حاصل شود که اشکالات جدیدی ایجاد نمی کنند.

با انجام ترکیبی از این تست‌ها، می‌توانیم اطمینان حاصل کنیم که ماشین حالت طبق برنامه کار می‌کند و هر گونه مشکلی در مراحل اولیه توسعه یافت می‌شود.

با پیچیده‌تر شدن ماشین‌های حالت، تکنیک‌های متعددی برای رسیدگی به درخواست‌های همزمان و چندگانه وجود دارد. یک رویکرد استفاده از قفل خوش‌بینانه است که به چندین درخواست اجازه می‌دهد به طور همزمان به دستگاه حالت دسترسی داشته باشند، اما تنها یک درخواست می‌تواند وضعیت را در یک زمان به‌روزرسانی کند. این تکنیک از تناقض داده ها و شرایط مسابقه جلوگیری می کند.

یکی دیگر از تکنیک های پیشرفته استفاده از ماشین های حالت برای گردش های کاری پیچیده است. در یک گردش کار، چندین حالت و انتقال وجود دارد که باید ردیابی شوند، و ماشین‌های حالت راه روشن و سازمان‌دهی شده‌ای را برای مدیریت این حالت‌ها و انتقال‌ها فراهم می‌کنند. همچنین می‌توان از ماشین‌های دولتی برای اجرای قوانین تجاری استفاده کرد و اطمینان حاصل کرد که گردش کار طبق برنامه پیش می‌رود.

گنجاندن مدیریت خطا در ماشین حالت یکی دیگر از تکنیک های پیشرفته است. هنگامی که خطایی رخ می دهد، ماشین حالت باید آن را با ظرافت مدیریت کند و به حالت مناسب منتقل شود. مدیریت خطا همچنین می‌تواند شامل خطاهای ثبت‌نام، اطلاع دادن به کاربران یا توسعه‌دهندگان، و تلاش مجدد اقدامات ناموفق باشد.

در این پست وبلاگ، مزایای استفاده از ماشین‌های حالت در توسعه باطن را مورد بحث قرار داده‌ایم و نحوه طراحی، پیاده‌سازی و آزمایش یک ماشین حالت در backend را بررسی کرده‌ایم. ما همچنین به برخی از تکنیک های پیشرفته برای استفاده از ماشین های حالت در سناریوهای پیچیده نگاه کرده ایم.

ماشین‌های حالت یک راه قدرتمند برای مدل‌سازی سیستم‌ها و گردش‌های کاری پیچیده به روشی واضح و مختصر ارائه می‌کنند. با استفاده از ماشین‌های حالت، می‌توانیم از مشکلات کد اسپاگتی جلوگیری کنیم و اطمینان حاصل کنیم که خدمات باطن ما مقیاس‌پذیر، قابل اعتماد و قابل نگهداری هستند.

در آینده، ما انتظار داریم که امکانات بیشتری را برای استفاده از ماشین‌های حالت در توسعه باطن ببینیم. همانطور که سیستم‌ها پیچیده‌تر و توزیع می‌شوند، ماشین‌های حالت می‌توانند به ما کمک کنند تا پیچیدگی را مدیریت کنیم و اطمینان حاصل کنیم که سیستم‌های ما قوی و انعطاف‌پذیر هستند.

اگر روی یک سیستم یا سرویس باطن کار می‌کنید، به شدت توصیه می‌کنیم از ماشین‌های حالت برای ساده‌سازی و ساده‌سازی کد خود استفاده کنید. با ابزارها و تکنیک های مناسب، ماشین های حالت می توانند به شما کمک کنند تا نرم افزار بهتری بسازید و ارزش بیشتری را به کاربران خود ارائه دهید.