状态模式：游戏、工作流引擎中常用的状态机是如何实现的？

从今天起，我们开始学习状态模式。在实际的软件开发中，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。从这一点上来看，它有点像我们之前讲到的组合模式。

可以简短的回顾一下组合模式：适合处理树型结构的场景。

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多种，除了状态模式，比较常用的还有分支逻辑法和查表法。今天，我们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，简称为状态机。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。

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）。

为了方便接下来的讲解，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图所示：

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;}
}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);}
}

状态机实现方式一：分支逻辑法

对于如何实现状态机，我总结了三种方式。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。如果状态转移极其复杂很容易出现if-else条件错误的情况。

状态机实现方式二：查表法

实际上，上面这种实现方法有点类似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，我们就一块儿来看下，如何利用查表法来补全骨架代码。

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 stateValue = currentState.getValue();int eventValue = event.getValue();this.currentState = transitionTable[stateValue][eventValue];this.score += actionTable[stateValue][eventValue];}public int getScore() {return this.score;}public State getCurrentState() {return this.currentState;}}

状态机实现方式三：状态模式

对于简单的加减积分可以使用查表法进行实现，但是如果设计复杂的业务呢？比如操作数据库，发送消息通知等等，就没办法使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。

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

public interface IMario { //所有状态类的接口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;}@Overridepublic State getName() {return State.SMALL;}@Overridepublic void obtainMushRoom() {stateMachine.setCurrentState(new SuperMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 100);}@Overridepublic void obtainCape() {stateMachine.setCurrentState(new CapeMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);}@Overridepublic void obtainFireFlower() {stateMachine.setCurrentState(new FireMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);}@Overridepublic void meetMonster() {// do nothing...}
}public class SuperMario implements IMario {private MarioStateMachine stateMachine;public SuperMario(MarioStateMachine stateMachine) {this.stateMachine = stateMachine;}@Overridepublic State getName() {return State.SUPER;}@Overridepublic void obtainMushRoom() {// do nothing...}@Overridepublic void obtainCape() {stateMachine.setCurrentState(new CapeMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);}@Overridepublic void obtainFireFlower() {stateMachine.setCurrentState(new FireMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);}@Overridepublic void meetMonster() {stateMachine.setCurrentState(new SmallMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() - 100);}
}// 省略CapeMario、FireMario类...public class MarioStateMachine {private int score;private IMario currentState; // 不再使用枚举来表示状态public MarioStateMachine() {this.score = 0;this.currentState = new SmallMario(this);}public void obtainMushRoom() {this.currentState.obtainMushRoom();}public void obtainCape() {this.currentState.obtainCape();}public void obtainFireFlower() {this.currentState.obtainFireFlower();}public void meetMonster() {this.currentState.meetMonster();}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;}
}

上面的代码实现不难看懂，我只强调其中的一点，即MarioStateMachine和各个状态类之间是双向依赖关系。MarioStateMachine依赖各个状态类是理所当然的，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中的两个变量，score和currentState。

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;}@Overridepublic State getName() {return State.SMALL;}@Overridepublic void obtainMushRoom(MarioStateMachine stateMachine) {stateMachine.setCurrentState(SuperMario.getInstance());stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 100);}@Overridepublic void obtainCape(MarioStateMachine stateMachine) {stateMachine.setCurrentState(CapeMario.getInstance());stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);}@Overridepublic void obtainFireFlower(MarioStateMachine stateMachine) {stateMachine.setCurrentState(FireMario.getInstance());stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);}@Overridepublic 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;}
}

反思和总结：

实际上，像游戏这种比较复杂的状态机，包含的状态比较多，我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。