文章目錄
- 什么是有限狀態機？
- 實作方法一：分支實作法
- 實作方法二：查表法
- 實作方法三：狀態模式
什么是有限狀態機？
有限狀態機，英文翻譯是Finite State Machine，縮寫為FSM，簡稱為狀態機，狀態機有3個組成部分：狀態（State）、事件（Event）、動作（Action），其中，事件也稱為轉移條件（Transition Condition），事件觸發狀態的轉移及動作的執行，不過，動作不是必須的，也可能只轉移狀態，不執行任何動作，
“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，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，在不同的游戲情節下，各個形態會互相轉化，并相應的增級訓分，比如，初始形態是小馬里奧，吃了蘑菇之后就會變成超級馬里奧，并且增加100積分，
實際上，馬里奧形態的轉變就是一個狀態機，其中，馬里奧的不同形態就是狀態機中的“狀態”，游戲情節（比如吃了蘑菇）就是狀態機中的“事件”，加級訓分就是狀態機中的“動作”，比如，吃蘑菇這個事件，會觸發狀態的轉移：從小馬里奧轉移到超級馬里奧，以及觸發動作的執行（增加100積分），
為了方便接下來的講解，我對游戲背景做了簡化，只保留了部分狀態和事件，簡化之后的狀態轉移如下圖所示：
實作方法一：分支實作法
package statepattern;
public class MarioStateMachine {
private int score;
private State currentState;
public MarioStateMachine() {
this.score = 0;
this.currentState = State.SMALL;
}
public void obtainMushRoom() {
//TODO
this.score += 100;
if (State.SMALL.equals(this.currentState)) {
this.currentState = State.SUPER;
}
}
public void obtainCape() {
//TODO
this.score += 200;
if (State.SMALL.equals(this.currentState) || State.SUPER.equals(this.currentState)) {
this.currentState = State.CAPE;
} else {
System.out.println("此時狀態不可改變！！！");
}
}
public void obtainFireFlower() {
//TODO
this.score += 300;
if (State.SMALL.equals(this.currentState) || State.SUPER.equals(this.currentState)) {
this.currentState = State.FIRE;
} else {
System.out.println("此時狀態不可改變！！！");
}
}
public void meetMonster() {
//TODO
if (State.FIRE.equals(this.currentState)) {
this.score -= 300;
this.currentState = State.SMALL;
} else if (State.SUPER.equals(this.currentState)) {
this.score -= 100;
this.currentState = State.SMALL;
} else if (State.CAPE.equals(this.currentState)) {
this.score -= 200;
this.currentState = State.SMALL;
} else {
System.out.println("此時狀態不可改變！！！");
}
}
public int getScore() {
return this.score;
}
public State getCurrentState() {
return this.currentState;
}
}
實作方法二：查表法
實際上，上面這種實作方法有點類似hard code，對于復雜的狀態機來說不適用，而狀態機的第二種實作方式查表法，就更加合適了，接下來，我們就一塊兒來看下，如何利用查表法來補全骨架代碼，
實際上，除了用狀態轉移圖來表示之外，狀態機還可以用二維表來表示，如下所示，在這個二維表中，第一維表示當前狀態，第二維表示事件，值表示當前狀態經過事件之后，轉移到的新狀態及其執行的動作，
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;
}
}
實作方法三：狀態模式
但是在查表法的代碼實作中，事件觸發的動作只是簡單的積分加減，所以，我們用一個int型別的二維陣列actionTable就能表示，二維陣列中的值表示積分的加減值，但是，如果要執行的動作并非這么簡單，而是一系列復雜的邏輯操作（比如加級訓分、寫資料庫，還有可能發送訊息通知等等），我們就沒法用如此簡單的二維陣列來表示了，這也就是說，查表法的實作方式有一定局限性，
雖然分支邏輯的實作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，導致代碼可讀性和可維護性不好等，實際上，針對分支邏輯法存在的問題，我們可以使用狀態模式來解決，
狀態模式通過將事件觸發的狀態轉移和動作執行，拆分到不同的狀態類中，來避免分支判斷邏輯，我們還是結合代碼來理解這句話，
利用狀態模式，我們來補全MarioStateMachine類，補全后的代碼如下所示，
其中，IMario是狀態的介面，定義了所有的事件，SmallMario、SuperMario、CapeMario、FireMario是IMario介面的實作類，分別對應狀態機中的4個狀態，原來所有的狀態轉移和動作執行的代碼邏輯，都集中在MarioStateMachine類中，現在，這些代碼邏輯被分散到了這4個狀態類中，
public interface IMario { //所有狀態類的介面
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);
}
}
// 省略CapeMario、FireMario類...
public class MarioStateMachine {
private int score;
private IMario currentState; // 不再使用列舉來表示狀態
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;
}
}
實際上，上面的代碼還可以繼續優化，我們可以將狀態類設計成單例，畢竟狀態類中不包含任何成員變數，但是，當將狀態類設計成單例之后，我們就無法通過建構式來傳遞MarioStateMachine了，而狀態類又要依賴MarioStateMachine，那該如何解決這個問題呢？
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類...
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;
}
}
實際上，像游戲這種比較復雜的狀態機，包含的狀態比較多，我優先推薦使用查表法，而狀態模式會引入非常多的狀態類，會導致代碼比較難維護，相反，像電商下單、外賣下單這種型別的狀態機，它們的狀態并不多，狀態轉移也比較簡單，但事件觸發執行的動作包含的業務邏輯可能會比較復雜，所以，更加推薦使用狀態模式來實作，
- 第一種實作方式叫分支邏輯法，利用if-else或者switch-case分支邏輯，參照狀態轉移圖，將每一個狀態轉移原模原樣地直譯成代碼，對于簡單的狀態機來說，這種實作方式最簡單、最直接，是首選，
- 第二種實作方式叫查表法，對于狀態很多、狀態轉移比較復雜的狀態機來說，查表法比較合適，通過二維陣列來表示狀態轉移圖，能極大地提高代碼的可讀性和可維護性，
- 第三種實作方式叫狀態模式，對于狀態并不多、狀態轉移也比較簡單，但事件觸發執行的動作包含的業務邏輯可能比較復雜的狀態機來說，我們首選這種實作方式，
在作業的時候，設定了一個超級復雜的狀態轉換機，現在想想其實它是屬于狀態很多、狀態轉移比較復雜，沒有事件觸發會執行業務邏輯，只會進行狀態的變動，每種狀態會被允許做一些對應的操作的情況，應該使用查表法來表示，目前使用的是狀態模式，在做改動的時候還是非常難操作，有很多地方都不太好把握住，類比到下圖中的 / 就應該是：
DrillTaskStatusEnum transferredStatus = state.transfer(drillTaskInstrumentEnum);
if (transferredStatus == DrillTaskStatusEnum.UNDEFINED) {
throw new DrillStatusTransferException("修改任務狀態失敗，當前狀態 = " + currentStatus + ", 不支持操作 = " + drillTaskInstrumentEnum.getDesc() + ", taskId = " + taskId);
}
未定義狀態，報錯即可！！！
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