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？

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);}
}

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;}
}

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)
SmallSuper/+100Cape/+200Fire/+300/
Super/Cape/+200Fire/+300Small/-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;}
}

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;}@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);}
}public class CapeMario implements IMario {private MarioStateMachine stateMachine;public CapeMario(MarioStateMachine stateMachine) {this.stateMachine = stateMachine;}@Overridepublic State getName() {return State.CAPE;}@Overridepublic void obtainMushRoom() {// do nothing...}@Overridepublic void obtainCape() {// do nothing...}@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() - 200);}
}public class FireMario implements IMario {private MarioStateMachine stateMachine;public FireMario(MarioStateMachine stateMachine) {this.stateMachine = stateMachine;}@Overridepublic State getName() {return State.FIRE;}@Overridepublic void obtainMushRoom() {// do nothing...}@Overridepublic void obtainCape() {// do nothing...}@Overridepublic void obtainFireFlower() {// do nothing...}@Overridepublic 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;}
}

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;}@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...}
}public class SuperMario implements IMario {private static final SuperMario instance = new SuperMario();private SuperMario() {}public static SuperMario getInstance() {return instance;}@Overridepublic State getName() {return State.SUPER;}@Overridepublic void obtainMushRoom(MarioStateMachine stateMachine) {// do nothing...}@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) {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;}@Overridepublic State getName() {return State.CAPE;}@Overridepublic void obtainMushRoom(MarioStateMachine stateMachine) {// do nothing...}@Overridepublic void obtainCape(MarioStateMachine stateMachine) {// do nothing...}@Overridepublic void obtainFireFlower(MarioStateMachine stateMachine) {stateMachine.setCurrentState(FireMario.getInstance());stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);}@Overridepublic 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;}@Overridepublic State getName() {return State.FIRE;}@Overridepublic void obtainMushRoom(MarioStateMachine stateMachine) {// do nothing...}@Overridepublic void obtainCape(MarioStateMachine stateMachine) {// do nothing...}@Overridepublic void obtainFireFlower(MarioStateMachine stateMachine) {// do nothing...}@Overridepublic 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;}
}

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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