基于Petri 的流程中间件研究

廖国栋，肖玉容

（1.亚信科技（南京）有限公司，江苏 南京 210016；2.江苏省电信公司，江苏 南京 320100）

1 Petri 网

一个Petri 网是特殊的一种定向图，最初的状态叫做最初记号M0。

由2 种节点组成，叫库所和变迁。库所是由圆圈来表示（S-圆圈），而变迁用条状或者方块表示（t-方框）。

从库所到变迁，或则从变迁到库所的弧形（F-有向弧），称之为流关系。弧上标注它的权值（正整数），如一个弧标注的是K，可以解释为K 条平行线的集合（token 的消耗值）。统一权值的标记通常可以省略。

如果一个标记（状态）分配一个库所P 一个非负的整数K，我们说P 被标记为K 托肯，将K 个黑点（托肯）在库所P 中。一个标记用M 表示，一个m 向量，m 表示库所的总数。

M 的第P 个成分，表示为M（p），是在库所P 中托肯的总数。

一个Petri 网是一个五元组，PN=（P，T，F，W，M0）其中：P={P1，P2，……，Pm}是定义一个库所集合，T={T1，T2，……，Tn}是定义一个变迁的集合，F∈（P×T）∪（T×P）是定义弧（流动关系）的集合，W：F→{1，2，3，…}是权值函数，M0：P→{0，1，2，3，…}是初始标记，P∩T=Ф 并且P∪T≠Ф。

一个Petri 网结构N=（P，T，F，W）没有任何特殊的最初的标记用N 表示。

一个Petri 网有最初的标记是（N，M0）。具体如图1 所示。

2 基于Petri 的流程中间件

2.1 体系架构

petriware 中间件体系架构图如图2 所示。

对中间件来说，待处理的任务是一种资源，处理能力（例如部署的业务进程）也是一种资源，处理任务所需的CPU，内存也是资源，所以面向业务层的代理Agent 须向中间件的masterserver 上报可用的资源（例如启动业务进程，或者某个节点空闲的内存数都可以作为资源）上报后，资源作为特殊类型的令牌存在中间件中，根据petri 图来消耗资源（例如进程被用于处理业务数据，或者内存被使用存放零时数据)与回收释放资源（例如进程处理完成，内存被释放)。HLA（High level Application）代表具体业务实现的应用，HLA 和中间件master之间通过Agent 来交互，HLA 通过调用中间件的API，从而屏蔽了Agent 和中间件在网络上的数据的数据交互，使得中间件可以和应用程序解耦和。

2.2 功能架构

petriware 中间件功能架构图如图3 所示。

Petri 中间件由Petri 网建模、Petri 网调度控制、Petri 网接入服务、监控服务组成，其各功能模块的功能简述如下。

2.2.1 Petri 网建模

Petri 网建模以Petri 网数据模型为基础，提供Petri 网设计与配置的可视化设计管理工具。

图1 Petri 网

图2 中间件体系架构

图3 中间件功能架构

（1）Petri 网设计。

Petri 网为petir 控制图的建模提供可视化的操作工具，即实现Petri 网可见即可得的设计工具。

☞支持Petri 网数学模型的控制图设计，即设计基本元素需包括：变迁、有向弧、抑制狐、库所、令牌。

☞支持基本模型元素的拖拽功能；可根据petri 网设计的需要，直接拖拽基本模型元素到编辑页面上，进行相关数据配置。

☞支持模型元素的布局拖拽功能。即通过拖拽，调整模型元素的布局。

☞支持能过界面选择模型元素，进行属性设置；如双击或右键菜单，进行模型元素属性的设置界面。

☞支持petri 网复制功能。即从选择现有的petri 网模型进行复制，形成的petri 网。

☞支持子网的设计。子网在父网上体现为变迁，且子网必须有一个有输入变迁与一个输出变迁。

☞支持子网的逐层查看功能，从总图层层深入，进入相关的子图查看。即从界面上点击变迁，进行子网进行模型浏览。钻取支持逐层查看功能。

（2）Petri 网配置。

Petri 网配置提供petri 网模型各类模型元素配置功能与操作界面。对petri 网各类元素的配置功能，可根据其运行相关性，分为展示配置与运行配置。展示配置定义模型元素的静态信息以及运行信息展示的方式与格式。运行配置定义模型元素运行相关的属性与规则。

（3）导入导出。

Petri 网建模后，可根据需要将其模型导出保存特定格式的XML 文件，其中导出文件包含Petri 网模型元素的元数据与布局数据。如导出的变迁，在文件里包含变迁的名称、变迁相关联的库所等。同时Petri 中间支持将符合格式Petri 网模型XML文件，导入建模工具中，其中导入的Petri 网能正确显示各类Petri 网模型元素以及元素间的布局。

2.2.2 Petri 网调度控制

Petri 网调度控制以Petri 网设计与配置为依据，驱动令牌在库所间进行流转的同时，实现业务逻辑控制与实现。

（1）Petri 网调度。

Petri 网调度是根据Petri 网的设计与配置，输入相关初始化令牌数据，创建控制实例，并委托Petri 网控制模块根据Petri网的设计，驱动令牌在变迁与库所之间进行流转。

（2）Petri 网控制。

Petri 网控制负责接收Peri 网调度模块的委托，根据Petri网的设计，驱动令牌在库所与变迁之间进行流转。其主要的功能为输入令牌分配与输出令牌分配：

输入令牌分配：Petri 网控制负责检测Petri 网内各库所内令牌的状况，根据Petri 控制论相关的算法，点火变迁并转相应的数据量的令牌传递至变迁。

输出令牌分配：Petri 网控制根据变迁输出的令牌，根据Petri 控制论相关的算法，将令牌分配至相应的库所。

2.2.3 Petri 网接入服务

Petri 网接入服务以标准化的接口，统一规范应用的接入，降低系统应用与控制的耦合性。Petriware 中间件对接入Petri网的应用的接入功能范围进行定义，并通过定义标准化的功能接口，规范应用的接入，借此解耦Petriware 中间件与应用关联度，提升两者的独立性。

Petri 网接入服务负责提供相应的操作接口，完成应用接入过程的交互，其功能为：应用注册、应用清销、令牌消耗、令牌创建、状态检测。

（1）应用注册。

接入Petriware 中间件的应用，需根据中间件预先分配的应用注册信息，调用Petriware 中间件的应用注册接口，完成应用的注册。通过应用注册的应用，才通接收到中间件发送的令牌，或生成令牌发送至中间件。

（2）应用注销。

应用退出前，需根据中间件预先分配的应用注册信息，调用Petriware 中间件的应用的注销接口，完成应用的正常退出。

（3）令牌消耗。

应用注册成功后，应用调用中间件提供的令牌消息通知接口，获取应用需处理的令牌信息。

（4）状态检测。

应用与中间件，需相互进行状态检测，以感知相互的存在，整体提升系统的容错性。即应用与中间件，均需提供状态检测接口，以返回各自的运行状态。

2.2.4 监控服务

以Petri 网为基础，对系统进行抽象并分层监控与管理，展示系统运行态全境，即为系统监控、流程监控、应用监控、进程监控等。

2.3 核心流程

2.3.1 Petri 网建模流程

基于Petriware 中间件的Petri 网建模过程，可简化抽象为以下流程。

（1）业务分析人员根据业务需求进行业务分析。

（2）业务分析人员根据业务分析结果，进行业务控制设计。

图4 Petri 网建模流程

（3）业务分析人员可将业务控制设计结果，使用中间件提供的建模工具，进Petri 网建模，进行设计结果表达。

（4）业务分析人员根据业务控制设计结果，对应用需求分析。

（5）业务分析人员根据应用需求分析结果，向应用开发厂商提交应用需求。

（6）应用开发厂商经需求分析、需求设计、应用开发与部署。

（7）应用开发与部署结束后，应用开发厂商根据业务设计，使用中间件平台的提供Petri 网配置功能，对Petri 网进行相应的配置。

（8）业务分析人员，使用中间件平台的Petri 网调度与控制功能，驱动业务逻辑，进行业务验证。

2.3.2 应用接入与处理流程

应用接入与处理流程，展示典型应用接入Petriware 中间件进行处理的流程。以下对此流程进行简要的说明：

（1）应用启动后，根据应用分配的注册信息，调用中间件的注册接口，进行应用的注册。

（2）应用注册成功后，应用调用中间件等令牌数据接口，等待应用处理的令牌。

（3）应用接收到令牌通知消息后，调用中间件的开始处理令牌接口，通知中间件平台应用令牌操作事务开始。

（4）应用进行业务操作结束后，调用中间件的结束处理令牌接口，通知中间件平台，用令牌操作事务结束。

（5）应用在业务处理空闲时，调用中间件平台的检测接口，检测中间件平台的状态。

（6）应用收到外部指令，退出应用前，调用中间件平台的应用注销接口后，应用退出。

3 结语

图5 应用接入与处理流程

目前由于缺乏流程中间件，流程设计与流程实现基本上是分离的，在业务流程建模之后，通过手工编码实现建模后的业务流程。这样应用软件在流程变更的成本很高，不仅要修改程序代码，还要做大量的测试工作来保证系统的稳定、可靠。系统的运营维护也较困难，流程变更后要升级系统才可以使新的流程生效。

业务应用流程使用本文设计的Petriware 中间件来设计开发，保证业务流程的灵活编排。

☞使用Petrwarei 中间件，也就强制使用petri 的方法论实现程序流程，一定程度上防止了程序流程设计缺陷。

☞Petriware 中间件平台能合理分配资源，提高系统并发度，避免系统并发过程中不必要的竞争和冲突，避免死锁的出现。

☞Petriware 中间件平台运用到整个系统的运行控制，不仅仅能实现自动调度，还可减少人力操作。

☞简化开发和维护流程，使流程的变更操作更简单，只需要在页面中执行简单的拖拽编辑，就可以使新的流程生效，简化开发工作。

［1］侯煜，孙梯全，施琴，等.Petri 网在计费系统中的应用研究［J］.网络与通信，2012（3）.

［2］林闯.随机Petri 网和系统性能评价［C］.2 版.北京：清华大学出版社，2001.