基于Java的规则引擎

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简介

业务规则

一个业务规则包含一组条件和在此条件下执行的操作.它们表示业务规则应用程序的一段业务逻辑。业务规则通常应该由业务分析人员和策略管理者开发和修改,但有些复杂的业务规则也可以由技术人员使用面向对象的技术语言或脚本来定制。

业务规则的理论基础是:设置一个或多个条件,当满足这些条件时会触发一个或多个操作。

规则引擎产生背景

复杂企业级项目的开发以及其中随外部条件不断变化的业务规则(business logic),迫切需要分离商业决策者的商业决策逻辑和应用开发者的技术决策,并把这些商业决策放在中心数据库或其他统一的地方,让它们能在运行时(即商务时间)可以动态地管理和修改从而提供软件系统的柔性和适应性。规则引擎正是应用于上述动态环境中的一种解决方法。

企业管理者对企业级IT系统的开发有着如下的要求:

为提高效率,管理流程必须自动化,即使现代商业规则异常复杂;

市场要求业务规则经常变化,IT系统必须依据业务规则的变化快速、低成本的更新;

为了快速、低成本的更新,业务人员应能直接管理IT系统中的规则,不需要程序开发人员参与。

而项目开发人员则碰到了以下问题:

程序=算法+数据结构,有些复杂的商业规则很难推导出算法和抽象出数据模型;

软件工程要求从需求->设计->编码,然而业务规则常常在需求阶段可能还没有明确,在设计和编码后还在变化,业务规则往往嵌在系统各处代码中;

对程序员来说,系统已经维护、更新困难,更不可能让业务人员来管理。

基于规则的专家系统的出现给开发人员以解决问题的契机。规则引擎由基于规则的专家系统中的推理引擎发展而来。

 

规则引擎

业务规则

一个业务规则包含一组条件和在此条件下执行的操作,它们表示业务规则应用程序的一段业务逻辑。业务规则通常应该由业务分析人员和策略管理者开发和修改,但有些复杂的业务规则也可以由技术人员使用面向对象的技术语言或脚本来定制。业务规则的理论基础是:设置一个或多个条件,当满足这些条件时会触发一个或多个操作。

规则引擎

什么是规则引擎?规则引擎是如何执行规则的?这可以称之为“什么”与“如何”的问题。到底规则引擎是什么还是目前业界一个比较有争议的问题,在JSR-94种也几乎没有定义。可以这样认为充分定义和解决了“如何”的问题,“什么”问题本质上也迎刃而解。也许这又是一种“先有蛋还是先有鸡”哲学争论。今后标准规则语言的定义和推出及相关标准的制定应该可以给这样的问题和争论划上一个句号。本文中,暂且这样述说什么是规则引擎:规则引擎由推理引擎发展而来,是一种嵌入在应用程序中的组件,实现了将业务决策从应用程序代码中分离出来,并使用预定义的语义模块编写业务决策。接受数据输入,解释业务规则,并根据规则做出业务决策。

规则引擎的使用方式

由于规则引擎是软件组件,所以只有开发人员才能够通过程序接口的方式来使用和控制它,规则引擎的程序接口至少包含以下几种API:

加载和卸载规则集的API;

数据操作的API;

引擎执行的API。

开发人员在程序中使用规则引擎基本遵循以下5个典型的步骤:

创建规则引擎对象;

向引擎中加载规则集或更换规则集;

向引擎提交需要被规则集处理的数据对象集合;

命令引擎执行;

导出引擎执行结果,从引擎中撤出处理过的数据。

使用了规则引擎之后,许多涉及业务逻辑的程序代码基本被这五个典型步骤所取代。

一个开放的业务规则引擎应该可以“嵌入”在应用程序的任何位置,不同位置的规则引擎可以使用不同的规则集,用于处理不同的数据对象。此外,对使用引擎的数量没有限制。

规则引擎架构与推理

规则引擎的架构如下图所示:

规则引擎的推理步骤如下:

a.将初始数据(fact)输入至工作内存(Working Memory)。

b.使用Pattern Matcher将规则库(Rules repository)中的规则(rule)和数据(fact)比较。

c.如果执行规则存在冲突(conflict),即同时激活了多个规则,将冲突的规则放入冲突集合。

d.解决冲突,将激活的规则按顺序放入Agenda。

e.执行Agenda中的规则。重复步骤b至e,直到执行完毕Agenda中的所有规则。

任何一个规则引擎都需要很好地解决规则的推理机制和规则条件匹配的效率问题。

当引擎执行时,会根据规则执行队列中的优先顺序逐条执行规则执行实例,由于规则的执行部分可能会改变工作区的数据对象,从而会使队列中的某些规则执行实例因为条件改变而失效,必须从队列中撤销,也可能会激活原来不满足条件的规则,生成新的规则执行实例进入队列。于是就产生了一种“动态”的规则执行链,形成规则的推理机制。这种规则的“链式”反应完全是由工作区中的数据驱动的。

规则条件匹配的效率决定了引擎的性能,引擎需要迅速测试工作区中的数据对象,从加载的规则集中发现符合条件的规则,生成规则执行实例。1982年美国卡耐基·梅隆大学的Charles L. Forgy发明了一种叫Rete的算法,很好地解决了这方面的问题。目前世界顶尖的商用业务规则引擎产品基本上都使用Rete算法。

规则引擎的算法

大部分规则引擎产品的算法,基本上都来自于Dr. Charles Forgy在1979年提出的RETE算法及其变体,Rete算法是目前效率最高的一个Forward-Chaining推理算法,Drools项目是Rete算法的一个面向对象的Java实现,Rete算法其核心思想是将分离的匹配项根据内容动态构造匹配树,以达到显著降低计算量的效果。

详情请见CIS587:The RETE Algorithm,The Rete Algorithm,RETE演算法,《专家系统原理与编程》中第11章等。

 

Java规则引擎

目前主流的规则引擎组件多是基于Java和C++程序语言环境,已经有多种Java规则引擎商业产品与开源项目的实现,其中有的已经支持JSR94,有的正朝这个方向做出努力,列出如下:

Java规则引擎商业产品

Java规则引擎商业产品主要有(Jess不是开源项目,它可以免费用于学术研究,但用于商业用途则要收费):

组织/厂商 名称 主页 说明 JSR 兼容性
ILOG JRules http://www-2000.ibm.com/software/cn/websphere/ilog/products/jrules/index.html 已被IBM收购 JRules 4.6
Drools Drools http://www.jboss.org/drools.html 已被Redhat JBoss收购,转向商业化,仍有社区版本 基于JSR94和Rete算法
Sandia Labs JESS http://herzberg.ca.sandia.gov/jess/ JESS 6.1 p6
JLisa JLisb http://jlisa.sourceforge.net/ 商业化/社区 支持
TmaxSoft ProRule http://cn.tmaxsoft.com/jsp/main.jsp
Fair Isaac, Blaze Advisor Blaze Advisor http://www.fairisaac.com/fic/cn/fic/cn/index.htm
PegaSystems Inc. PegaRULES Process Commander http://www.pega.com/ CRM行业的解决方案供应商,转向BPM领域

规则引擎产品特点分析

这里对目前市场上几个比较重要的基于Java的商业规则引擎产品进行特点分析。

IBM WebSphere ILOG JRules

作为企业IT基础设施的关键部分,业务流程管理越来越重要了。在BPM产品套件平台上,可以建模、部署、执行和监视企业的业务流程,业务流程可以包含业务规则。例如,在银行的账户验证过程中,评估客户资格或确定价格的业务策略很复杂,而且在快速发展的市场中常常会变动。把这些策略硬编码在过程中是不合适的,因为很难在运行时管理和维护业务规则。通过把业务规则和业务流程分隔开,单独地执行和管理它们,可以提高整个业务流程的敏捷性和扩展性。

ILOG的JRules在融入到IBM的WebSphere套件体系后,在架构层面和技术层面充分体现了这种业务流程与业务规则分离的思想,如下图所示:

ILOG JRules是先进的业务规则管理系统(Business Rule Management System,BRMS),提供编写、部署和管理业务规则等业务功能,支持高效地修改策略和快速部署策略。

ILOG JRules提供一种建模、实现和部署业务规则的系统化方法。它支持以有秩序的高效的方式进行协作。它包含的工具针对不同用户的技能和知识优化过,因此策略经理、业务分析师和开发人员都可以获得所需的支持,可以尽可能发挥BRMS的价值。

下图是JRules的架构:

下面简要介绍ILOG JRules架构的每个部分:

ILOG Rule Studio:用于开发规则应用程序的基于Eclipse的开发环境。它允许合作编辑和调试Java™代码和规则。特性包括:

Eclipse集成

编辑规则时的自动纠正

代码生成向导

单一接口存储库

源代码控制集成

冲突和重复探测

简便的部署

ILOG Rule Team Server:这是一个Web环境,分布式业务团队可以通过它协作、创建、管理、验证和部署业务规则。

ILOG JRules Rule Execution Server提供一个健壮的与J2SE和J2EE兼容的执行环境,用于部署和执行业务规则。Rule Execution Server包含对业务规则进行同步、异步和基于Web服务的调用的组件,还包含一个Web管理控制台。它与ILOG JRules Rule Studio和Rule Team Server完全集成,支持开发人员和业务用户部署业务规则。

ILOG JRules是IBM WebSphere系列产品之一,可以与Process Server和Integration Developer等其他WebSphere产品集成。ILOG JRules让业务用户可以快速地创建和修改规则以满足经常变化的业务需求,不需要IT人员协助。它还有助于在整个企业内确保业务规则的可见性、可跟踪性和质量,让业务经理可以更快、更好地做出决策。由于这些原因,ILOG JRules很适合与IBM BPM产品集成,从而为客户的业务流程场景提供策略和决策服务。

下图给出一个从Process Server中的业务流程调用JRules服务的示例。说明了JRules如何与WebSphere集成:

Redhat JBoss Dools

Drools 也是基于Charles Forgy’ s 的Rete 算法,专为Java 语言所设计的规则引擎。Rete 算法应用于面向对象的接口将使基于商业对象的商业规则的表达更为自然。Drools 是用Java 写的, 但能同时运行在Java 和.Net 上。

Drools 提供了声明式程序设计(Declarative Programming) , 并且使用域描述语言(Domain Specific Languages,DSL ) 为问题域定义了某种模式的XML,从而可以用来描述用户问题域。DSLs 包含的XML 元素(Element) 和属性(Attribute)代表了问题域中各种要素。例如:规则集是符合特定模式的XML文件。规则“语言”实际就是Portal 表达软件包的使用, 可以扩充以满足规则引擎的额外要求。

Drools规则集的扩展名为.rls, 一般包括标签〈cr:rule- set〉、规则〈cr:rule〉、每个规则中又定义有测试条件〈cr:condition〉与动作〈cr:actions〉。

例如:

<rule-set name=”test rules”

<rule name=”books”>

<parameter identifier=”x”>

<java:class>com.zhang.rules</java:class>

</parameter> <java:condition>x.getStatus().equals(“y:borrower”)</java:condition>

<java:consequence>vo.setMassage(z,”late book”)</java:consequence>

</rule>

</rule-set>

JESS

在JESS中,规则的表达形式沿用了CLIPS的语法结构,通过对规则前件和后件的限定,它可以支持内容丰富的模式匹配语言。另外,Jess支持面向过程的编程方式,它提供了一些语句来控制规则后件的操作流程,如使用if…then…else和while…do…语句,这样它就能很有效地利用面向过程编程的优势。总之,JESS的这些特性使系统拥有很强的知识表示能力。

例如:

( defrule library- rule- 1

( book ( name ?X) ( status late) ( borrower ?Y) )

( borrower ( name ?Y) ( address ?Z) )

=>

( send- late- notice ?X ?Y ?Z) )

这套规则可以被翻译作中文这样理解:This rule might be

库规则#1:

如果出现一本超期的名字为X的书,它是名字为Y的人所借,并且,Z知道借者的地址, 则给Y发送一条关于X书的通知到Z处。

 

Java规则引擎API(JSR94)

简介

过去大部分的规则引擎开发并没有规范化,有其自有的API,这使得其与外部程序交互集成不够灵活。转而使用另外一种产品时往往意味需要重写应用程序逻辑和API调用,代价较大。规则引擎工业中标准的缺乏成为令人关注的重要方面。2003年11月定稿并于2004年8月最终发布的JSR 94(Java规则引擎API)使得Java规则引擎的实现得以标准化。

Java规则引擎API由javax.rules包定义,是访问规则引擎的标准企业级API。Java规则引擎API允许客户程序使用统一的方式和不同厂商的规则引擎产品交互,就像使用JDBC编写独立于厂商访问不同的数据库产品一样。Java规则引擎API包括创建和管理规则集合的机制,在Working Memory中添加,删除和修改对象的机制,以及初始化,重置和执行规则引擎的机制。

简介Java规则引擎API体系结构

Java规则引擎API分为两个主要部分:运行时客户API(the Runtime client API)和规则管理API(the rules administration API)。

规则管理API

规则管理API在javax.rules.admin中定义,包括装载规则以及与规则对应的动作(执行集 execution sets)以及实例化规则引擎。规则可以从外部资源中装载,比如说URI、Input streams、XML streams和readers等等。同时,管理API提供了注册和取消注册执行集以及对执行集进行维护的机制。使用admin包定义规则有助于对客户访问运行规则进行控制管理,它通过在执行集上定义许可权使得未经授权的用户无法访问受控规则。

管理API使用类RuleServiceProvider来获得规则管理(RuleAdministrator)接口的实例。规则管理接口提供方法注册和取消注册执行集。规则管理器(RuleAdministrator)提供了本地和远程的RuleExecutionSetProvider。在前面已提及,RuleExecutionSetProvider负责创建规则执行集。规则执行集可以从如XML streams、input streams等来源中创建。这些数据来源及其内容经汇集和序列化后传送到远程的运行规则引擎的服务器上。大多数应用程序中,远程规则引擎或远程规则数据来源的情况并不多见。为了避免这些情况中的网络开销,API规定了可以从运行在同一JVM中规则库中读取数据的本地RuleExecutionSetProvider。

规则执行集接口除了拥有能够获得有关规则执行集的方法,还有能够检索在规则执行集中定义的所有规则对象。这使得客户能够知道规则集中的规则对象并且按照自己需要来使用它们。

运行时API

运行时API定义在javax.rules包中,为规则引擎用户运行规则获得结果提供了类和方法。运行时客户只能访问那些使用规则管理API注册过的规则,运行时API帮助用户获得规则对话并且在这个对话中执行规则。

运行时API提供了对厂商规则引擎API实现的类似于JDBC的访问方法。规则引擎厂商通过类RuleServiceProvider(类RuleServiceProvider提供了对具体规则引擎实现的运行时和管理API的访问)将其规则引擎实现提供给客户,并获得RuleServiceProvider唯一标识规则引擎的URL。

URL推荐标准用法是使用类似“com.mycompany.myrulesengine.rules.RuleServiceProvider”这样的Internet域名空间,这将有助于访问URL的唯一性。类RuleServiceProvider内部实现了规则管理和运行时访问所需的接口。所有的RuleServiceProvider要想被客户所访问都必须用RuleServiceProviderManager进行注册。注册方式类似于JDBC API的DriverManager和Driver。

运行时接口是运行时API的关键部分。运行时接口提供了用于创建规则会话(RuleSession)的方法,规则会话如前所述是用来运行规则的。运行时API同时也提供了访问在service provider注册过的所有规则执行集(RuleExecutionSets)。规则会话接口定义了客户使用的会话的类型,客户根据自己运行规则的方式可以选择使用有状态会话或者无状态会话。

无状态会话的工作方式就像一个无状态会话bean。客户可以发送单个输入对象或一列对象来获得输出对象。当客户需要一个与规则引擎间的专用会话时,有状态会话就很有用。输入的对象通过addObject()方法可以加入到会话当中。同一个会话当中可以加入多个对象。对话中已有对象可以通过使用updateObject()方法得到更新。只要客户与规则引擎间的会话依然存在,会话中的对象就不会丢失。

RuleExecutionSetMetaData接口提供给客户让其查找规则执行集的元数据(metadata)。元数据通过规则会话接口(RuleSession Interface)提供给用户。

使用运行时Runtime API的代码片断如下所示:

RuleServiceProvider ruleProvider = RuleServiceProviderManager.getRuleServiceProvider

(“com.mycompany.myrulesengine.rules. RuleServiceProvider”);

RuleRuntime ruleRuntime = ruleProvider.getRuleRuntime();

StatelessRuleSession ruleSession = (StatelessRuleSession)

ruleRuntime.createRuleSession(ruleURL, null, RuleRuntime.STTELESS_SESSION_TYPE);

List inputRules = new ArrayList();

inputRules.add(new String(“Rule 1″));

inputRules.add(new Integer(1));

List resultRules = ruleSession.executeRules(inputRules);

Java规则引擎API安全问题

规则引擎API将管理API和运行时API加以分开,从而为这些包提供了较好粒度的安全控制。规则引擎API并没有提供明显的安全机制,它可以和J2EE规范中定义的标准安全API联合使用。安全可以由以下机制提供:如Java authentication and authorization service(JAAS),the Java cryptography extension(JCE),Java secure Socket Extension(JSSE),或者其它定制的安全API。JAAS能被用来定义规则执行集的许可权限,从而只有授权用户才能访问。

异常与日志

规则引擎API定义了javax.rules.RuleException作为规则引擎异常层次的根类。所有其它异常都继承于这个根类。规则引擎中定义的异常都是受控制的异常(checked exceptions),所以捕获异常的任务就交给了规则引擎。规则引擎API没有提供明确的日志机制,但是它建议将Java Logging API用于规则引擎API。

JSR94小结

JSR94为规则引擎提供了公用标准API,仅仅为实现规则管理API和运行时API提供了指导规范,并没有提供规则和动作该如何定义以及该用什么语言定义规则,也没有为规则引擎如何读和评价规则提供技术性指导。JSR94规范将上述问题留给了规则引擎的厂商。

 

规则语言

JSR 94中没有涉及用来创建规则和动作的语言.规则语言是规则引擎应用程序的重要组成部分,所有的业务规则都必须用某种语言定义并且存储于规则执行集中,从而规则引擎可以装载和处理他们。

由于没有关于规则如何定义的公用规范,市场上大多数流行的规则引擎都有其自己的规则语言,目前便有许多种规则语言正在应用,因此,当需要将应用移植到其他的Java规则引擎实现时,可能需要变换规则定义,如将Drools私有的DRL规则语言转换成标准的ruleML,JESS规则语言转换成ruleML等。这个工作一般由XSLT转换器来完成。

规则语言的详情这里不作详细介绍,名称及其网址列出如下:

规则语言名称 URL
Rule Markup language (RuleML) http://www.ruleml.org/
Simple Rule Markup Language (SRML) http://xml.coverpages.org/srml.html
Business Rules Markup Language (BRML) http://xml.coverpages.org/brml.html
SWRL: A Semantic Web Rule Language Combining OWL and RuleML http://www.daml.org/2003/11/swrl/

多种规则语言的使用使得不同规则引擎实现之间的兼容性成为问题.通用的规则引擎API或许可以减轻不同厂家API之间的问题,但公用规则语言的缺乏将仍然阻碍不同规则引擎实现之间的互操作性。尽管业界在提出公用规则语言上做出了一些努力,比如说RuleML、SRML的出现,但距离获得绝大部分规则引擎厂商同意的公用标准还有很长的路要走。



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