设计模式学习笔记 - 设计模式与范式 -行为型：8.状态模式：游戏、工作流引擎中常用的状态机是如何实现的？

作者：凡人多烦事01 | 2024-04-10 07:25:39

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概述

本章学习状态模式。在实际的开发中，状态模式并不是很常用，但是在能够用到的场景里，它可以发挥很大的作用。从这一点上看，它有点像我们之前讲到的组合模式。

状态模式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很多种，除了状态模式，比较常用的还有分支逻辑法和查表法。本章就详细讲讲这几种实现方式，并且对比一下它们的优劣和应用场景。

什么是有限状态机

有限状态机，英文翻译是 Finite State Machine，缩写为 FSM，简称状态机。状态机有三个组成部分：状态（State）、事件（Event）、动作（Action）。

事件也称为转移条件（Transaction Condition）。
事件触发状态的转移及动作的执行。
不过，动作不是必须得，也可能只转移状态，不执行任何动作。

对于刚刚给出的状态机定义，结合一个具体的例子进行解释。

“超级马里奥” 游戏不知道你玩过没有？在游戏中，马里奥可以变身为多种形态，比如小马里奥（Small Mario）、超级马里奥（Super Mario）、火焰马里奥（Fire Mario）、斗篷马里奥（Cape Mario）等等。在不同的游戏情节下，各个形态会互相转化，并相应地增减积分。比如，初始状态是小马里奥，吃了蘑菇后就变成超级马里奥，并且增加 100 积分。

实际上，马里奥形态的转变就是一个状态机。其中，马里奥的不同形态就是状态机种的 “状态”，游戏情节（比如吃了蘑菇）就是状态机种的 “事件”，加减积分就是状态机种的 “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）。

为方便讲解，我对游戏背景做了简化，只保留了部分状态和事件，简化之后的状态转移如下所示：

在这里插入图片描述
如何编程来实现上面的状态机呢？

我写了个骨架代码，如下所示。其中，obtainMushRoom()、obtainCape()、obtainFileFlower()、meetMonster() 这个几个函数，能够根据当前的状态和事件，更新状态和增减积分。不过，具体的代码实现暂时没给出。你可以先试着自己补全一下。

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

    private int value;

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

    public int getValue() {
        return 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 score;
    }

    public State getState() {
        return currentState;
    }
}

public class ApplicationDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MarioStateMachine mario = new MarioStateMachine();
        mario.obtainMushRoom();
        int score = mario.getScore();
        State state = mario.getState();
        System.out.println("mario score: " + score + "; state: " + state);
    }
}
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状态机实现方式一：分支逻辑法

对于如何实现状态机，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-esle 或 switch-else 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。

按照这个思路，将上面的骨架代码补全一下。补全之后的代码如下所示：

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

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

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

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

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

    public void meetMonster() {
        if (currentState == State.SUPER) {
            this.currentState = State.SMALL;
            this.score -= 100;
        }
        if (currentState == State.CAPE) {
            this.currentState = State.SMALL;
            this.score -= 200;
        }
        if (currentState == State.FIRE) {
            this.currentState = State.SMALL;
            this.score -= 300;
        }
    }

    public int getScore() {
        return score;
    }

    public State getState() {
        return currentState;
    }
}
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对于简单的状态机来说，分支逻辑这种实现方式是可以接收的。但是，对于复杂的状态机来说，这种实现方式及其容易漏写或错写某个状态转移。此外，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。如果哪些修改了状态机种的某个转移，我们要在冗长的分支逻辑中找到对应地代码进行修改，很容易改错，引入 BUG。

状态机实现方式二：查表法

实际上，上面的实现方式有点类似 hard code，对于复杂的状态机来说不适用，而状态机的第二种实现方式查表法，就更加合适了。接下来，看下如何利用查表法来补全骨架代码。

实际上，除了用状态转移图来表示之外，状态机还可以用二维表来表示，如下所示。这个二维表中，第一维表示当前的状态，第二维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。

	E1(Got MushRoom)	E2(Got Cape)	E3(Got Fire Flower)	E4(Meet Monster)
Small	Super/+100	Cape/+200	Fire/+300	/
Super	/	Cape/+200	Fire/+300	Small/-100
Cape	/	/	/	Small/-200
Fire	/	/	/	Small/-300

注：表中的斜杠表示不存在这种状态转移

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 transactionTable 和 actionTable 两个二维数组即可。实际上，如果我们把二维数组存储在配置文件中，当需要修改状态机时，甚至可以不修改代码，只需要修改配置文件就可以了。具体代码如下所示：

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

    private int value;

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

    public int getValue() {
        return 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.MEET_MONSTER);
    }

    private void executeEvent(Event event) {
        int stateValue = currentState.getValue();
        int eventValue = event.getValue();
        this.currentState = transitionTable[stateValue][eventValue];
        this.score += actionTable[stateValue][eventValue];
    }

    public int getScore() {
        return score;
    }

    public State getState() {
        return currentState;
    }
}
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状态机实现方式三：状态模式

在查表法的代码实现中，事件触发的动作只能是简单的积分加减，所以，我们用一个 int 类型的二维数组 actionTable 就能表示，二维数组中的值表示积分的加减值。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。也就是说，查表法的实现方式有一定的局限性。

虽然分支逻辑的实现方式不存在这个问题，但它又存在前面讲到的其他问题，比如分支判断逻辑较多，导致代码的可读性和可维护性不好等。实际上，对于分支逻辑法存在的问题，可以使用状态模式来解决。

状态模式通过将事件触发的状态转移和动作执行，拆分到不同的类中，来避免分支判断逻辑。我们还是结合代码来理解这句话。

其中，IMario 是状态的接口，定义了所有事件。SmallMario、SuperMario、CapeMario、FireMario 是 IMario 接口的实现类，分别对应状态机种的 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 中，现在，这些代码被拆分到了这 4 个状态类中。

public interface IMario {
    State getName();
    // 以下是定义的事件
    void obtainMushRoom();
    void obtainCape();
    void obtainFireFlower();
    void meetMonster();
}

public class SmallMario implements IMario {
    private MarioStateMachine stateMachine;

    public SmallMario(MarioStateMachine stateMachine) {
        this.stateMachine = stateMachine;
    }

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

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

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

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

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

public class SuperMario implements IMario {
    private MarioStateMachine stateMachine;

    public SuperMario(MarioStateMachine stateMachine) {
        this.stateMachine = stateMachine;
    }

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


    @Override
    public void obtainMushRoom() {
        // do nothing...
    }

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

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

    @Override
    public void meetMonster() {
        stateMachine.setCurrentState(new SmallMario(stateMachine));
        stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() - 100);
    }
}

public class CapeMario implements IMario {
    private MarioStateMachine stateMachine;

    public CapeMario(MarioStateMachine stateMachine) {
        this.stateMachine = stateMachine;
    }

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

    @Override
    public void obtainMushRoom() {
        // do nothing...
    }

    @Override
    public void obtainCape() {
        // do nothing...
    }

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

    @Override
    public void meetMonster() {
        stateMachine.setCurrentState(new SmallMario(stateMachine));
        stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() - 200);
    }
}

public class FireMario implements IMario {
    private MarioStateMachine stateMachine;

    public FireMario(MarioStateMachine stateMachine) {
        this.stateMachine = stateMachine;
    }

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


    @Override
    public void obtainMushRoom() {
        // do nothing...
    }

    @Override
    public void obtainCape() {
        // do nothing...
    }

    @Override
    public void obtainFireFlower() {
        // do nothing...
    }

    @Override
    public void meetMonster() {
        stateMachine.setCurrentState(new SmallMario(stateMachine));
        stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() - 300);
    }
}

public class MarioStateMachine {
    private int score;
    private IMario currentState; // 不在使用枚举表示状态

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

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

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

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

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

    public int getScore() {
        return score;
    }

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

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

    public IMario getState() {
        return currentState;
    }
}
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上面的代码实现不难看懂，只需要注意一点，即 MarioStateMachine 和各个状态类之间是双向依赖关系。 MarioStateMachine 依赖各个类是理所当然的，但是反过来，各个状态类为什么要依赖 MarioStateMachine 呢？这是因为，各个状态类需要更新 MarioStateMachine 中的属性， score 和 currentState。

实际上，上面的代码还可以继续优化，可以将状态类设置成单例，比较状态类中不包含任何成员变量。但是，当状态类设计成单例之后，就无法通过构造函数来传递 MarioStateMachine 了，而状态类又要依赖 MarioStateMachine ，那该如何解决呢？

实际上，在《创建型：2.单例模式（中）：为什么不推荐使用单例模式？又有何替代方案？》中，提到过集中解决方法，你可以回过头去查看下。在这里，可以通过函数参数将 MarioStateMachine 传递进状态类。根据这个设计思路，对上面的代码进行重构。重构之后的代码如下所示：

public interface IMario {
    State getName();
    // 以下是定义的事件
    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...
    }
}

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

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


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

    @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) {
        stateMachine.setCurrentState(SmallMario.getInstance());
        stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() - 100);
    }
}

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

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

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

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

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

    @Override
    public void meetMonster(MarioStateMachine stateMachine) {
        stateMachine.setCurrentState(SmallMario.getInstance());
        stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() - 200);
    }
}

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

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


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

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

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

    @Override
    public void meetMonster(MarioStateMachine stateMachine) {
        stateMachine.setCurrentState(SmallMario.getInstance());
        stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() - 300);
    }
}

public class MarioStateMachine {
    private int score;
    private IMario currentState; // 不在使用枚举表示状态

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

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

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

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

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

    public int getScore() {
        return score;
    }

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

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

    public IMario getState() {
        return currentState;
    }
}
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实际上，像游戏这种比较复杂的状态机，包含的状态比较多，优先推荐使用查表法，而状态模式会引入非常多的状态类，会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，但事件触发执行的动作包含的业务逻辑可能会比较复杂，所以更加推荐使用状态模式来实现。

总结

本章讲解了状态模式。虽然网上有各种各样的状态模式，但是你只要记住状态模式是状态机的一种实现方式即可。

状态机又叫有限状态机，它由3部分组成：状态、事件、动作。

其中事件也称为转移条件。
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。

针对状态机，本章总结了三种实现方式。

第一种实现方式叫分支逻辑法。利用 if-else 或 switch-case 分支逻辑，参照状态转移图，将每个状态转移原模原样的直译成代码。对于简单的状态机来说，这种实现方式最简单、最直接，是首选。
第二种实现方式叫查表法。对于状态很多、状态转移比较复杂的状态机来说，查表法比较合适。通过二维素组来表示状态转移图，能极大地提高代码的可读性和可维护性。
第三张实现方式叫状态模式。对于状态不多、状态转移也比较简单，但事件触发执行的动作包含的业务逻辑可能比较复杂的状态机来说，首选这种实现方式。

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