我写的 Go 状态机库 go-fsm——从 COLA 借来的灵感

Fri, 04 Jul 2025 16:00:00 +0800

写在前面

第一次意识到自己应该把状态机当一等公民，是在维护一个老订单系统的时候。

那次上线前发现一个诡异 bug——某些"已退款"订单又被标记成了"已发货"。翻日志、对照库表，最后发现根因：退款流程是新同事加的，他写的 if 没考虑到上一版同事在 cancelled 之后还能进 shipped 这条历史路径——那条线本来该删，但因为另一个老同事" 暂时留着兼容"。

三个人，三个时间点，三套 if，一个谁也讲不清的状态图。

事后我画了张图——纸上一画就发现，系统里"代码允许的转换"和"业务能容忍的转换"根本不是同一张图。代码里允许的多得多，只是平时没人触发到。

那次之后我笃定一件事：业务的"状态/事件/转换"三件套必须集中声明在一处，业务代码只触发事件——剩下的让状态机自己拦。

这个想法在 Java 圈子里有现成答案——阿里开源 COLA 框架里的 cola-statemachine 组件。它把状态机做成了一段读起来像句子的 DSL：

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builder.externalTransition()
 .from(STATE1)
 .to(STATE2)
 .on(EVENT1)
 .when(checker)
 .perform(action);

第一次读到这种 API 我就被电到了——状态机的语义和 API 形状是同一件事：from / to / on / when / perform 五个动词排成一行就是状态规约。

可是 Go 那边类似定位的库一翻——多数还停留在 map[string]map[string]string 拼装风格，且没有 COLA 那个最关键的设计：* *无状态（stateless）**。我自己业务里要用，索性照着 COLA 的设计思路在 Go 里实现了一个，就是 go-fsm。仓库 README 第一行就写得明白：

“a lightweight, high-performance, stateless finite state machine implementation in Go, inspired by Alibaba’s COLA state machine component.”

本文讲清楚它的设计来源、API 形态、以及"无状态"这件事到底意味着什么。

一、从一段 if-else 谈起

先看几乎每个 Go 业务都写过的反面教材：

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func Approve(order *Order) error {
if order.Status != "pending" {
return errors.New("only pending order can be approved")
}
order.Status = "approved"
return orderRepo.Save(order)
}

func Ship(order *Order) error {
if order.Status != "approved" {
return errors.New("only approved order can ship")
}
// ...
}

func Refund(order *Order) error {
if order.Status != "paid" && order.Status != "shipped" {
return errors.New("only paid or shipped order can refund")
}
// ...
}

刚写的时候是清爽的——每个函数只盯一两个状态。问题在于——

新增状态，要回溯所有现有 if，看哪些要加分支
改一条转换规则，要在好几个文件里改
状态多了之后，没人能完整答出"系统里到底有多少种合法转换"

把状态机当一等公民的价值就在这——状态、事件、转换规则集中声明，业务代码只触发事件。

二、思路从哪来：COLA 状态机

我得多说两句 COLA。

阿里的 COLA 是张建飞主导的"应用架构"开源项目，里面 cola-statemachine 是单文件、零依赖、流式 API 的 Java 状态机。它那套 from/to/on/when/perform 五个动词的 DSL 我前面贴过，读起来像规约本身。

但 COLA 真正惊到我的不是 DSL 形态——是它是无状态的。

传统状态机库（包括 Go 圈大多数）都是"实例持有当前状态"——m := NewMachine(initial); m.Trigger(event); m.State()，状态机内部 currentState 字段被 mutate。这种设计有几个隐患：

不可重入：同一个实例不能并发服务多个业务对象
跟业务对象强耦合：每个订单要单独实例化一台状态机
测试麻烦：状态机是有"记忆"的，每个测试都要重置

COLA 的做法相反——整个状态机就是一张『纯 lookup 表』。你定义一次，全应用共享一个实例。触发的时候是这样：

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// 不是 stateMachine.fireEvent(event)
// 而是 stateMachine.fireEvent(currentState, event, payload)
States nextState = stateMachine.fireEvent(STATE1, EVENT1, payload);

当前状态由调用方持有（业务对象自己），状态机只回答"在 STATE1 上遇到 EVENT1，下一个是什么状态"。这让状态机变成一个**纯函数 **——可重入、线程安全、可全局缓存、可单测。

go-fsm 把这个核心搬过来了。一台状态机用 Build() 出来之后，它代表的是"订单业务的所有合法转换图"——和具体某个订单实例无关。

三、最小可运行例子

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package main

import (
	"fmt"
	"github.com/lingcoder/go-fsm/fsm"
)

type OrderState string
type OrderEvent string

const (
	StateCreated OrderState = "CREATED"
	StatePaid OrderState = "PAID"
	StateShipped OrderState = "SHIPPED"
	StateDelivered OrderState = "DELIVERED"
	StateCancelled OrderState = "CANCELLED"

	EventPay OrderEvent = "PAY"
	EventShip OrderEvent = "SHIP"
	EventDeliver OrderEvent = "DELIVER"
	EventCancel OrderEvent = "CANCEL"
)

type OrderPayload struct {
	OrderID string
	Amount float64
}

func main() {
	builder := fsm.NewStateMachineBuilder[OrderState, OrderEvent, OrderPayload]()

	builder.ExternalTransition().
		From(StateCreated).To(StatePaid).
		On(EventPay).
		WhenFunc(func(p OrderPayload) bool { return p.Amount > 0 }).
		PerformFunc(func(from, to OrderState, e OrderEvent, p OrderPayload) error {
			fmt.Printf("[%s] %s pay → paid\n", p.OrderID, from)
			return nil
		})

	builder.ExternalTransition().
		From(StatePaid).To(StateShipped).
		On(EventShip).
		PerformFunc(func(from, to OrderState, e OrderEvent, p OrderPayload) error {
			fmt.Printf("[%s] %s ship → shipped\n", p.OrderID, from)
			return nil
		})

	builder.ExternalTransitions().
		FromAmong(StateCreated, StatePaid).
		To(StateCancelled).
		On(EventCancel).
		PerformFunc(func(from, to OrderState, e OrderEvent, p OrderPayload) error {
			fmt.Printf("[%s] cancel from %s\n", p.OrderID, from)
			return nil
		})

	sm, _ := builder.Build("orderMachine")

	// 触发：当前状态由调用方传入
	payload := OrderPayload{OrderID: "ORD-1", Amount: 100}
	next, _ := sm.FireEvent(StateCreated, EventPay, payload)
	fmt.Println("after pay:", next) // PAID

	next, _ = sm.FireEvent(next, EventShip, payload)
	fmt.Println("after ship:", next) // SHIPPED
}

读这段代码，三段 ExternalTransition...From...To...On...Perform 把整张状态图说清楚了。新人接手时不用先翻 if-else，光看 Builder 就能拼出业务允许的转换图。

类型层面，OrderState / OrderEvent / OrderPayload 三个泛型参数把整条链路锁住——把 event 误传到吃 state 的方法里* 编译期就过不了*。

四、四种 transition：表达"业务流转的所有形态"

只有一种 transition 不够——真实业务有几种典型形态：

ExternalTransition：标准跨状态转换（最常见）

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builder.ExternalTransition().
From(StateCreated).To(StatePaid).
On(EventPay)

A → B，状态变了。订单付款、审批通过、设备启动——绝大多数 transition 都属于这种。

ExternalTransitions：多源到一个目标

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builder.ExternalTransitions().
FromAmong(StateCreated, StatePaid, StateShipped).
To(StateCancelled).
On(EventCancel)

“创建中、已付款、已发货"三种状态都允许取消——一行 FromAmong 表达。比起写三条 ExternalTransition 重复 To(StateCancelled).On(EventCancel)，这是 COLA 设计上的小巧思。

InternalTransition：状态内动作（状态不变，但要做事）

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builder.InternalTransition().
Within(StatePaid).
On(EventReminder).
PerformFunc(func (from, to OrderState, e OrderEvent, p OrderPayload) error {
return notifyService.SendReminder(p.OrderID)
})

订单"已付款"状态下定时发个提醒——状态本身没变，但有副作用要执行。这就是 internal transition——Within(state) 而不是 From().To()。

(对应 UML statechart 里的 internal transition 概念，COLA 也是这样区分的。)

ExternalParallelTransition：并行分裂

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builder.ExternalParallelTransition().
From(StateOrderCreated).
ToAmong(StateInventoryReserve, StatePaymentPending).
On(EventSubmit)

“订单提交"事件同时分裂出"占库存"和"等支付"两个并行状态——适合需要建模 fork 的场景（不是常见，但底层暴露了能力）。

五、Hooks：守卫和动作

每个 transition 上挂两个钩子，用法上一一对应 COLA 的 when / perform：

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builder.ExternalTransition().
From(StateCreated).To(StatePaid).
On(EventPay).
WhenFunc(func (p OrderPayload) bool {
// 守卫条件：返回 false → 转换被拒，状态不变
return p.Amount > 0 && p.Amount <= 100000
}).
PerformFunc(func (from, to OrderState, e OrderEvent, p OrderPayload) error {
// 实际动作：转换发生时执行；返回 error → FireEvent 返回 error
return paymentService.Confirm(p.OrderID)
})

WhenFunc 是守卫（guard）——条件不满足就连转换都不发生（FireEvent 返回原状态 + 一个表示"无合法转换"的 error）。* 它是用来表达"业务前置条件"的*：金额必须 > 0、用户必须实名、风控必须通过。

PerformFunc 是动作（action）——转换确定要发生时执行。返回 error 会冒到 FireEvent 的调用方，业务可以决定是否回滚。

如果动作里要更复杂的对象（不止 payload），还有 When(Condition[P]) / Perform(Action[S,E,P]) 接收完整 interface 实现的版本——基本和函数版等价，只是写法。

六、无状态带来的并发安全

COLA 状态机和 go-fsm 都强调"线程安全”——但它们的"线程安全"和传统状态机库的根本不一样。

传统库的"线程安全"靠加锁——内部 currentState 字段被读写锁保护，多个 goroutine 抢锁排队。一个状态机实例就是一个串行点。

go-fsm 的"线程安全"是结构性的——Build() 出来之后整个状态机就是只读的：

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sm, _ := builder.Build("orderMachine")

// 全局共享一个实例，业务对象自己持有状态
go handleOrder(sm, order1) // 服务订单 1
go handleOrder(sm, order2) // 服务订单 2
go handleOrder(sm, order3) // 服务订单 3

func handleOrder(sm fsm.StateMachine[...], o *Order) {
next, err := sm.FireEvent(o.Status, EventPay, payload)
if err != nil { return }
o.Status = next // 状态归业务对象所有
orderRepo.Save(o)
}

FireEvent 不 mutate 状态机本身——它只是查表 + 跑 hook + 返回新状态。整个调用是天然可重入的，甚至理论上可以拿来当全局单例（实践中通常按业务 module 一台）。

代价是业务方要自己保存当前状态——但这往往是它本来就要做的事（订单的 status 字段、设备的 state 字段都要落库）。换来的好处是：状态机本身不需要为每个业务实例克隆一份。

七、把订单系统串起来

回到开头那个让我入坑状态机的"老订单系统”。如果当时是这套 API，定义大概长这样：

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package order

import "github.com/lingcoder/go-fsm/fsm"

type State string
type Event string

const (
	StateCreated State = "CREATED"
	StatePaid State = "PAID"
	StateShipped State = "SHIPPED"
	StateDelivered State = "DELIVERED"
	StateRefunded State = "REFUNDED"
	StateCancelled State = "CANCELLED"

	EventPay Event = "PAY"
	EventShip Event = "SHIP"
	EventDeliver Event = "DELIVER"
	EventRefund Event = "REFUND"
	EventCancel Event = "CANCEL"
)

type Payload struct {
	OrderID string
	Amount float64
	UserID string
}

// 全局只构造一次
var Machine fsm.StateMachine[State, Event, Payload]

func init() {
	b := fsm.NewStateMachineBuilder[State, Event, Payload]()

	// 付款（大额走人工审核）
	b.ExternalTransition().
		From(StateCreated).To(StatePaid).
		On(EventPay).
		WhenFunc(func(p Payload) bool { return p.Amount <= 100000 }).
		PerformFunc(func(from, to State, e Event, p Payload) error {
			return paymentService.Confirm(p.OrderID)
		})

	// 发货
	b.ExternalTransition().
		From(StatePaid).To(StateShipped).
		On(EventShip).
		PerformFunc(func(from, to State, e Event, p Payload) error {
			return logisticsService.CreateOrder(p.OrderID)
		})

	// 签收
	b.ExternalTransition().
		From(StateShipped).To(StateDelivered).
		On(EventDeliver)

	// 退款（已付款、已发货都可以发起）
	b.ExternalTransitions().
		FromAmong(StatePaid, StateShipped).To(StateRefunded).
		On(EventRefund).
		PerformFunc(func(from, to State, e Event, p Payload) error {
			return refundService.Process(p.OrderID, p.Amount)
		})

	// 取消（只在已创建/已付款时允许）
	b.ExternalTransitions().
		FromAmong(StateCreated, StatePaid).To(StateCancelled).
		On(EventCancel)

	Machine, _ = b.Build("orderMachine")
}

业务侧的代码一行：

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func PayOrder(orderID string) error {
o, _ := orderRepo.Get(orderID)

next, err := order.Machine.FireEvent(o.State, order.EventPay, order.Payload{
OrderID: o.ID, Amount: o.Amount, UserID: o.UserID,
})
if err != nil {
return err // 自动返回"非法转换" / 守卫拒绝 / 动作失败
}

o.State = next
return orderRepo.Save(o)
}

业务代码不再写 if order.State != "..."。所有"哪个状态能做哪个事件"集中在 init() 里——这一处出错就所有出错，但这处一对就所有对。

回头看开头那个 bug：如果当时是这套定义，新同事加退款逻辑只能在 Builder 里加一行 FromAmong(...).To(StateRefunded)——加哪些状态进 FromAmong 一目了然，不会再有"哪条历史路径忘了删"的隐患。

八、可视化：纸上一画就清楚

开头那个故事我说过——“事后我画了张图，纸上一画就发现真正的转换关系和代码不是一张图。”

go-fsm 把"画图"这一步内置了。Build() 之后能直接生成 PlantUML / Markdown 等多种格式：

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diagram := sm.GenerateDiagram() // 默认 PlantUML
// 或者：sm.GenerateDiagram(fsm.FormatMarkdownFlowchart) 等
os.WriteFile("order_fsm.puml", []byte(diagram), 0644)

生成的图（这里用 mermaid 示意大概形状）：

stateDiagram-v2
 [*] --> Created
 Created --> Paid: PAY
 Paid --> Shipped: SHIP
 Shipped --> Delivered: DELIVER
 Paid --> Refunded: REFUND
 Shipped --> Refunded: REFUND
 Created --> Cancelled: CANCEL
 Paid --> Cancelled: CANCEL

状态机一旦超过 5 个状态，没图没人能 review。把图生成做进库里，是为了让"画图"不依赖个人自觉——make doc 就生成最新状态图，跟代码一起进 PR，reviewer 一眼能看出来这次改动新增/删了哪条边。

九、什么时候不该用状态机

工具好不代表事事都该用。下面这些场景上 FSM 是过度设计：

❌ 不适合：

状态简单（只有 2-3 种）——if 就够，引入 FSM 是给后人挖坑
状态由外部任意写入——状态机限制反而碍事
CRUD 型业务——表里的 status 字段就是个标签，跟"流转"无关

✅ 适合：

状态 ≥ 5 种
业务上不允许某些转换（这是状态机的核心价值）
多人协作维护同一段流转——FSM 是天然的"共同语言"
审计 / 监管要求"非法转换永远不发生"——状态机给你一个集中拦截点

简单一句：只有在"非法转换是 bug"的业务里，状态机才有意义。状态怎么转都行的业务，根本不需要状态机。

十、未来方向

go-fsm 还在 v0.x 阶段——开源后陆续收到一些反馈，正在演进的方向：

Saga / 补偿语义——动作失败时按图反向执行
超时事件——状态停留超过 X 秒自动 fire 一个事件（订单 30 分钟未支付自动取消）
持久化适配——可选的 storage adapter，把状态变更钩子上 DB / outbox
Hierarchical / Composite states——支持 UML statechart 的子状态机
可视化编辑器——基于已生成的 PlantUML 反向生成代码

issue / PR 都在 github.com/lingcoder/go-fsm 上。

十一、写完这个库之后的几点反思

写一个小库总能学到一些"做库"和"做应用"不一样的事：

API 优先于实现——先把"用户最常写的那五行代码"在脑子里写出来好不好看，再想内部怎么实现。COLA 给我的最大启发就是这点
零依赖是给用户的承诺——“我这个库依赖一个工具包"听着无所谓，但用户一拉就连带几十个传递依赖，是开源库的原罪
Stateless > Stateful——能做无状态就做无状态。可重入、可缓存、可单测、天然并发安全——一个设计四个好处
类型安全用 Go 泛型——type State string 加常量是最低门槛，但泛型 Builder[S, E, P] 把整条链路从 Builder 到 FireEvent 都锁死——这是 Go 1.18+ 后才能做出的库
Builder 模式 + Marker Interface——COLA 的 Java 实现里用接口隔离了"调用顺序”（必须 from → to → on → when → perform），go-fsm 也是同样的招——这种"用类型系统强制 API 顺序"的招在写 Builder 时几乎是必备

小结

把全文压一句：

状态机的价值不在"切状态"——在于把"非法转换永远不发生"这件事固化进代码。go-fsm 把 COLA 的『无状态 + Fluent Builder + 守卫/动作』搬到了 Go，借 Go 泛型把类型安全做到了 COLA 也做不到的程度。

go-fsm 的核心几点：

Stateless——状态机是只读 lookup 表，业务对象自己持有当前状态
泛型 [S, E, P]——三个类型参数从 Builder 到 FireEvent 一路守住
四种 transition——External / ExternalTransitions / Internal / Parallel，覆盖业务流转的常见形态
Fluent Builder + 强制顺序——From → To → On → WhenFunc → PerformFunc，读起来像规约
零依赖——只依赖标准库

如果你写 Go 业务系统、为状态散落 if-else 痛苦过——值得试一下：

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go get github.com/lingcoder/go-fsm

期待你的 issue / star / PR。

Go-Fsm on 牛哥聊技术