原创

设计模式基础(十六)——状态模式

状态模式(State Design Pattern ),是一种行为型模式。 状态模式在实际中并不常用,一般用来实现状态机,而状态机常用在游戏、工作流引擎等系统开发中。不过,状态机的实现方式有多种,除了状态模式,比较常用的还有分支逻辑法和查表法。

一、有限状态机

在讲解状态模式之前,有必要先了解下什么是有限状态机。

有限状态机(Finite State Machine,FSM),简称为状态机,有 3 个组成部分:状态(State)、事件(Event)、动作(Action)。其中,事件也称为转移条件(Transition Condition)。事件触发状态的转移及动作的执行。不过,动作不是必须的,也可能只转移状态,不执行任何动作。

以游戏 “超级马里奥” 为例,马里奥的不同形态就是状态机中的“状态”,游戏情节(比如吃了蘑菇)就是状态机中的“事件”,加减积分就是状态机中的“动作”。比如,吃蘑菇这个事件,会触发状态的转移:从小马里奥转移到超级马里奥,以及触发动作的执行(增加 100 积分)。



那么,我们该如何编程来实现上面的状态机呢?

我写了一个骨架代码,如下所示。其中,obtainMushRoom()、obtainCape()、obtainFireFlower()、meetMonster() 这几个函数,能够根据当前的状态和事件,更新状态和增减积分:

public enum State {
  SMALL(0),
  SUPER(1),
  FIRE(2),
  CAPE(3);

  private int value;

  private State(int value) {
    this.value = value;
  }

  public int getValue() {
    return this.value;
  }
}

public class MarioStateMachine {
  private int score;
  private State currentState;

  public MarioStateMachine() {
    this.score = 0;
    this.currentState = State.SMALL;
  }

  public void obtainMushRoom() {
    //TODO
  }

  public void obtainCape() {
    //TODO
  }

  public void obtainFireFlower() {
    //TODO
  }

  public void meetMonster() {
    //TODO
  }

  public int getScore() {
    return this.score;
  }

  public State getCurrentState() {
    return this.currentState;
  }
}

客户端使用:

public class ApplicationDemo {
  public static void main(String[] args) {
    MarioStateMachine mario = new MarioStateMachine();
    mario.obtainMushRoom();
    int score = mario.getScore();
    State state = mario.getCurrentState();
    System.out.println("mario score: " + score + "; state: " + state);
  }
}

1.1 分支逻辑法

状态机的实现,一共有三种方式。其中,最简单直接的实现方式是,参照状态转移图,将每一个状态转移,原模原样地直译成代码。这样编写的代码会包含大量的 if-else 或 switch-case 分支判断逻辑,甚至是嵌套的分支判断逻辑,所以,我把这种方法暂且命名为分支逻辑法。

public class MarioStateMachine {
  private int score;
  private State currentState;

  public MarioStateMachine() {
    this.score = 0;
    this.currentState = State.SMALL;
  }

  public void obtainMushRoom() {
    if (currentState.equals(State.SMALL)) {
      this.currentState = State.SUPER;
      this.score += 100;
    }
  }

  public void obtainCape() {
    if (currentState.equals(State.SMALL) || currentState.equals(State.SUPER) ) {
      this.currentState = State.CAPE;
      this.score += 200;
    }
  }

  public void obtainFireFlower() {
    if (currentState.equals(State.SMALL) || currentState.equals(State.SUPER) ) {
      this.currentState = State.FIRE;
      this.score += 300;
    }
  }

  public void meetMonster() {
    if (currentState.equals(State.SUPER)) {
      this.currentState = State.SMALL;
      this.score -= 100;
      return;
    }

    if (currentState.equals(State.CAPE)) {
      this.currentState = State.SMALL;
      this.score -= 200;
      return;
    }

    if (currentState.equals(State.FIRE)) {
      this.currentState = State.SMALL;
      this.score -= 300;
      return;
    }
  }

  public int getScore() {
    return this.score;
  }

  public State getCurrentState() {
    return this.currentState;
  }
}

对于简单的状态机来说,分支逻辑这种实现方式是可以接受的。但是,对于复杂的状态机来说,这种实现方式极易漏写或者错写某个状态转移。除此之外,代码中充斥着大量的 if-else 或者 switch-case 分支判断逻辑,可读性和可维护性都很差。如果哪天修改了状态机中的某个状态转移,我们要在冗长的分支逻辑中找到对应的代码进行修改,很容易改错,引入 bug。

1.2 查表法

我们可以定义一张二维表,第一维表示当前状态,第二维表示事件,值表示当前状态经过事件之后,转移到的新状态及其执行的动作:



相对于分支逻辑的实现方式,查表法的代码实现更加清晰,可读性和可维护性更好。当修改状态机时,我们只需要修改 transitionTable 和 actionTable 两个二维数组即可。实际上,如果我们把这两个二维数组存储在配置文件中,当需要修改状态机时,我们甚至可以不修改任何代码,只需要修改配置文件就可以了。具体的代码如下所示:

public enum Event {
  GOT_MUSHROOM(0),
  GOT_CAPE(1),
  GOT_FIRE(2),
  MET_MONSTER(3);

  private int value;

  private Event(int value) {
    this.value = value;
  }

  public int getValue() {
    return this.value;
  }
}

public class MarioStateMachine {
  private int score;
  private State currentState;

  private static final State[][] transitionTable = {
          {SUPER, CAPE, FIRE, SMALL},
          {SUPER, CAPE, FIRE, SMALL},
          {CAPE, CAPE, CAPE, SMALL},
          {FIRE, FIRE, FIRE, SMALL}
  };

  private static final int[][] actionTable = {
          {+100, +200, +300, +0},
          {+0, +200, +300, -100},
          {+0, +0, +0, -200},
          {+0, +0, +0, -300}
  };

  public MarioStateMachine() {
    this.score = 0;
    this.currentState = State.SMALL;
  }

  public void obtainMushRoom() {
    executeEvent(Event.GOT_MUSHROOM);
  }

  public void obtainCape() {
    executeEvent(Event.GOT_CAPE);
  }

  public void obtainFireFlower() {
    executeEvent(Event.GOT_FIRE);
  }

  public void meetMonster() {
    executeEvent(Event.MET_MONSTER);
  }

  private void executeEvent(Event event) {
    int eventValue = event.getValue();
    int stateValue = currentState.getValue();

    this.currentState = transitionTable[stateValue][eventValue];
    this.score = actionTable[stateValue][eventValue];
  }

  public int getScore() {
    return this.score;
  }

  public State getCurrentState() {
    return this.currentState;
  }

}

1.3 状态模式

查表法的代码实现中,事件触发的动作只是简单的积分加减,所以我们用了一个 int 类型的二维数组 actionTable 就能表示积分增减后的值。但是,如果要执行的动作并非这么简单,而是一系列复杂的逻辑操作(比如加减积分、写数据库,还有可能发送消息通知等等),我们就没法用如此简单的二维数组来表示了。这也就是说,查表法的实现方式有一定局限性。

所以,我们就需要利用状态模式将状态转移和动作执行,拆分到不同的状态类中,避免分支判断逻辑:

public interface IMario {
  State getName();
  void obtainMushRoom(MarioStateMachine stateMachine);
  void obtainCape(MarioStateMachine stateMachine);
  void obtainFireFlower(MarioStateMachine stateMachine);
  void meetMonster(MarioStateMachine stateMachine);
}

public class SmallMario implements IMario {
  private static final SmallMario instance = new SmallMario();
  private SmallMario() {}
  public static SmallMario getInstance() {
    return instance;
  }

  @Override
  public State getName() {
    return State.SMALL;
  }

  @Override
  public void obtainMushRoom(MarioStateMachine stateMachine) {
    stateMachine.setCurrentState(SuperMario.getInstance());
    stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 100);
  }

  @Override
  public void obtainCape(MarioStateMachine stateMachine) {
    stateMachine.setCurrentState(CapeMario.getInstance());
    stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);
  }

  @Override
  public void obtainFireFlower(MarioStateMachine stateMachine) {
    stateMachine.setCurrentState(FireMario.getInstance());
    stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);
  }

  @Override
  public void meetMonster(MarioStateMachine stateMachine) {
    // do nothing...
  }
}

// 省略SuperMario、CapeMario、FireMario类...

public class MarioStateMachine {
  private int score;
  private IMario currentState;

  public MarioStateMachine() {
    this.score = 0;
    this.currentState = SmallMario.getInstance();
  }

  public void obtainMushRoom() {
    this.currentState.obtainMushRoom(this);
  }

  public void obtainCape() {
    this.currentState.obtainCape(this);
  }

  public void obtainFireFlower() {
    this.currentState.obtainFireFlower(this);
  }

  public void meetMonster() {
    this.currentState.meetMonster(this);
  }

  public int getScore() {
    return this.score;
  }

  public State getCurrentState() {
    return this.currentState.getName();
  }

  public void setScore(int score) {
    this.score = score;
  }

  public void setCurrentState(IMario currentState) {
    this.currentState = currentState;
  }
}

上述代码中,IMario 是状态的接口,定义了所有的事件。SmallMario、SuperMario、CapeMario、FireMario 是 IMario 接口的实现类,分别对应状态机中的 4 个状态。原来所有的状态转移和动作执行的代码逻辑,都集中在 MarioStateMachine 类中,现在,这些代码逻辑被分散到了这 4 个状态类中。

二、总结

虽然网上有各种状态模式的定义,但是你只要记住状态模式是状态机的一种实现方式即可。状态机有 3 个部分组成:状态事件动作。其中,事件也称为转移条件,会触发状态的转移及动作的执行。不过,动作不是必须的,也可能只转移状态,不执行任何动作。

实际上,如果系统包含的状态比较多,优先推荐使用查表法,因为状态模式会引入非常多的状态类,导致代码比较难维护。相反,像电商下单、外卖下单这种类型的状态机,它们的状态并不多,状态转移也比较简单,但事件触发导致的动作可能包含复杂的业务逻辑,此时更加推荐使用状态模式来实现。

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