概述
本章學(xué)習(xí)狀態(tài)模式。在實際的開發(fā)中，狀態(tài)模式并不是很常用，但是在能夠用到的場景里，它可以發(fā)揮很大的作用。從這一點上看，它有點像我們之前講到的組合模式。
狀態(tài)模式一般用來實現(xiàn)狀態(tài)機，而狀態(tài)機常用在游戲、工作流引擎等系統(tǒng)開發(fā)中。不過，狀態(tài)機的實現(xiàn)方式有很多種，除了狀態(tài)模式，比較常用的還有分支邏輯法和查表法。本章就詳細(xì)講講這幾種實現(xiàn)方式，并且對比一下它們的優(yōu)劣和應(yīng)用場景。
什么是有限狀態(tài)機
有限狀態(tài)機，英文翻譯是 Finite State Machine，縮寫為 FSM，簡稱狀態(tài)機。狀態(tài)機有三個組成部分：狀態(tài)（State）、事件（Event）、動作（Action）。
- 事件也稱為轉(zhuǎn)移條件（Transaction Condition）。
- 事件觸發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移及動作的執(zhí)行。
- 不過，動作不是必須得，也可能只轉(zhuǎn)移狀態(tài)，不執(zhí)行任何動作。
對于剛剛給出的狀態(tài)機定義，結(jié)合一個具體的例子進(jìn)行解釋。
“超級馬里奧” 游戲不知道你玩過沒有？在游戲中，馬里奧可以變身為多種形態(tài)，比如小馬里奧（Small Mario）、超級馬里奧（Super Mario）、火焰馬里奧（Fire Mario）、斗篷馬里奧（Cape Mario）等等。在不同的游戲情節(jié)下，各個形態(tài)會互相轉(zhuǎn)化，并相應(yīng)地增減積分。比如，初始狀態(tài)是小馬里奧，吃了蘑菇后就變成超級馬里奧，并且增加 100 積分。
實際上，馬里奧形態(tài)的轉(zhuǎn)變就是一個狀態(tài)機。其中，馬里奧的不同形態(tài)就是狀態(tài)機種的 “狀態(tài)”，游戲情節(jié)（比如吃了蘑菇）就是狀態(tài)機種的 “事件”，加減積分就是狀態(tài)機種的 “動作”。比如，吃蘑菇這個事件，會觸發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移（從小馬里奧轉(zhuǎn)移到超級馬里奧），以及觸發(fā)動作的執(zhí)行（增加 100 積分）。
為方便講解，我對游戲背景做了簡化，只保留了部分狀態(tài)和事件，簡化之后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如下所示：
如何編程來實現(xiàn)上面的狀態(tài)機呢？
我寫了個骨架代碼，如下所示。其中，obtainMushRoom()、obtainCape()、obtainFileFlower()、meetMonster() 這個幾個函數(shù)，能夠根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和事件，更新狀態(tài)和增減積分。不過，具體的代碼實現(xiàn)暫時沒給出。你可以先試著自己補全一下。
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);
}
}
狀態(tài)機實現(xiàn)方式一：分支邏輯法
對于如何實現(xiàn)狀態(tài)機，有三種方式。其中，最簡單直接的實現(xiàn)方式是，參照狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，將每一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移，原模原樣地直譯成代碼。這樣編寫的代碼會包含大量的 if-esle 或 switch-else 分支判斷邏輯，甚至是嵌套的分支判斷邏輯，所以，我把這種方法暫且命名為分支邏輯法。
按照這個思路，將上面的骨架代碼補全一下。補全之后的代碼如下所示：
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;
}
}
對于簡單的狀態(tài)機來說，分支邏輯這種實現(xiàn)方式是可以接收的。但是，對于復(fù)雜的狀態(tài)機來說，這種實現(xiàn)方式及其容易漏寫或錯寫某個狀態(tài)轉(zhuǎn)移。此外，代碼中充斥著大量的 if-else 或者 switch-case 分支判斷邏輯，可讀性和可維護(hù)性都很差。如果哪些修改了狀態(tài)機種的某個轉(zhuǎn)移，我們要在冗長的分支邏輯中找到對應(yīng)地代碼進(jìn)行修改，很容易改錯，引入 BUG。
狀態(tài)機實現(xiàn)方式二：查表法
實際上，上面的實現(xiàn)方式有點類似 hard code，對于復(fù)雜的狀態(tài)機來說不適用，而狀態(tài)機的第二種實現(xiàn)方式查表法，就更加合適了。接下來，看下如何利用查表法來補全骨架代碼。
實際上，除了用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來表示之外，狀態(tài)機還可以用二維表來表示，如下所示。這個二維表中，第一維表示當(dāng)前的狀態(tài)，第二維表示當(dāng)前狀態(tài)經(jīng)過事件之后，轉(zhuǎn)移到的新狀態(tài)及其執(zhí)行的動作。
| 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這種狀態(tài)轉(zhuǎn)移
相對于分支邏輯的實現(xiàn)方式，查表法的代碼實現(xiàn)更加清晰，可讀性和可維護(hù)性更好。當(dāng)修改狀態(tài)機時，我們只需要修改 transactionTable 和 actionTable 兩個二維數(shù)組即可。實際上，如果我們把二維數(shù)組存儲在配置文件中，當(dāng)需要修改狀態(tài)機時，甚至可以不修改代碼，只需要修改配置文件就可以了。具體代碼如下所示：
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;
}
}
狀態(tài)機實現(xiàn)方式三：狀態(tài)模式
在查表法的代碼實現(xiàn)中，事件觸發(fā)的動作只能是簡單的積分加減，所以，我們用一個 int 類型的二維數(shù)組 actionTable 就能表示，二維數(shù)組中的值表示積分的加減值。但是，如果要執(zhí)行的動作并非這么簡單，而是一系列復(fù)雜的邏輯操作（比如加減積分、寫數(shù)據(jù)庫，還有可能發(fā)送消息通知等等），我們就沒法用如此簡單的二維數(shù)組來表示了。也就是說，查表法的實現(xiàn)方式有一定的局限性。
雖然分支邏輯的實現(xiàn)方式不存在這個問題，但它又存在前面講到的其他問題，比如分支判斷邏輯較多，導(dǎo)致代碼的可讀性和可維護(hù)性不好等。實際上，對于分支邏輯法存在的問題，可以使用狀態(tài)模式來解決。
狀態(tài)模式通過將事件觸發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和動作執(zhí)行，拆分到不同的類中，來避免分支判斷邏輯。我們還是結(jié)合代碼來理解這句話。
其中，IMario 是狀態(tài)的接口，定義了所有事件。SmallMario、SuperMario、CapeMario、FireMario 是 IMario 接口的實現(xiàn)類，分別對應(yīng)狀態(tài)機種的 4 個狀態(tài)。原來所有的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和動作執(zhí)行的代碼邏輯，都集中在 MarioStateMachine 中，現(xiàn)在，這些代碼被拆分到了這 4 個狀態(tài)類中。
public interface IMario {
State getName();
// 以下是定義的事件
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; // 不在使用枚舉表示狀態(tài)
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;
}
}
上面的代碼實現(xiàn)不難看懂，只需要注意一點，即 MarioStateMachine 和各個狀態(tài)類之間是雙向依賴關(guān)系。 MarioStateMachine 依賴各個類是理所當(dāng)然的，但是反過來，各個狀態(tài)類為什么要依賴 MarioStateMachine 呢？ 這是因為，各個狀態(tài)類需要更新 MarioStateMachine 中的屬性， score 和 currentState。
實際上，上面的代碼還可以繼續(xù)優(yōu)化，可以將狀態(tài)類設(shè)置成單例，比較狀態(tài)類中不包含任何成員變量。但是，當(dāng)狀態(tài)類設(shè)計成單例之后，就無法通過構(gòu)造函數(shù)來傳遞 MarioStateMachine 了，而狀態(tài)類又要依賴 MarioStateMachine ，那該如何解決呢？
實際上，在《創(chuàng)建型：2.單例模式（中）：為什么不推薦使用單例模式？又有何替代方案？》中，提到過集中解決方法，你可以回過頭去查看下。在這里，可以通過函數(shù)參數(shù)將 MarioStateMachine 傳遞進(jìn)狀態(tài)類。根據(jù)這個設(shè)計思路，對上面的代碼進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)之后的代碼如下所示：
public interface IMario {
State getName();
// 以下是定義的事件
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; // 不在使用枚舉表示狀態(tài)
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;
}
}
實際上，像游戲這種比較復(fù)雜的狀態(tài)機，包含的狀態(tài)比較多，優(yōu)先推薦使用查表法，而狀態(tài)模式會引入非常多的狀態(tài)類，會導(dǎo)致代碼比較難維護(hù)。
相反，像電商下單、外賣下單這種類型的狀態(tài)機，它們的狀態(tài)并不多，狀態(tài)轉(zhuǎn)移也比較簡單，但事件觸發(fā)執(zhí)行的動作包含的業(yè)務(wù)邏輯可能會比較復(fù)雜，所以更加推薦使用狀態(tài)模式來實現(xiàn)。
總結(jié)
本章講解了狀態(tài)模式。雖然網(wǎng)上有各種各樣的狀態(tài)模式，但是你只要記住狀態(tài)模式是狀態(tài)機的一種實現(xiàn)方式即可。
狀態(tài)機又叫有限狀態(tài)機，它由3部分組成：狀態(tài)、事件、動作。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-846343.html
- 其中事件也稱為轉(zhuǎn)移條件。
- 事件觸發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移及動作的執(zhí)行。
- 不過動作不是必須的，也可能只轉(zhuǎn)移狀態(tài)，不執(zhí)行任何動作。
針對狀態(tài)機，本章總結(jié)了三種實現(xiàn)方式。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-846343.html
- 第一種實現(xiàn)方式叫分支邏輯法。利用 if-else 或 switch-case 分支邏輯，參照狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，將每個狀態(tài)轉(zhuǎn)移原模原樣的直譯成代碼。對于簡單的狀態(tài)機來說，這種實現(xiàn)方式最簡單、最直接，是首選。
- 第二種實現(xiàn)方式叫查表法。對于狀態(tài)很多、狀態(tài)轉(zhuǎn)移比較復(fù)雜的狀態(tài)機來說，查表法比較合適。通過二維素組來表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，能極大地提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。
- 第三張實現(xiàn)方式叫狀態(tài)模式。對于狀態(tài)不多、狀態(tài)轉(zhuǎn)移也比較簡單，但事件觸發(fā)執(zhí)行的動作包含的業(yè)務(wù)邏輯可能比較復(fù)雜的狀態(tài)機來說，首選這種實現(xiàn)方式。
到了這里，關(guān)于設(shè)計模式學(xué)習(xí)筆記 - 設(shè)計模式與范式 -行為型：8.狀態(tài)模式：游戲、工作流引擎中常用的狀態(tài)機是如何實現(xiàn)的？的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
