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# 状态模式
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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
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## 什么是状态机？
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状态机也叫有限状态机，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
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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，并相应的增减积分。比如，初始形态是小马里奥，吃了蘑菇之后就会变成超级马里奥，并且增加 100 积分。
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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）
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public enum State {
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SMALL(0),
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SUPER(1),
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FIRE(2),
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CAPE(3);
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private int value;
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private State(int value) {
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this.value = value;
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}
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public int getValue() {
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return this.value;
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}
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}
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public class MarioStateMachine {
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private int score;
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private State currentState;
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public MarioStateMachine() {
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this.score = 0;
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this.currentState = State.SMALL;
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}
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public void obtainMushRoom() {
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//TODO
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}
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public void obtainCape() {
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//TODO
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}
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public void obtainFireFlower() {
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//TODO
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}
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public void meetMonster() {
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//TODO
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}
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public int getScore() {
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return this.score;
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}
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public State getCurrentState() {
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return this.currentState;
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}
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}
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public class ApplicationDemo {
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public static void main(String[] args) {
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MarioStateMachine mario = new MarioStateMachine();
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mario.obtainMushRoom();
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int score = mario.getScore();
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State state = mario.getCurrentState();
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System.out.println("mario score: " + score + "; state: " + state);
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}
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}
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```
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## 实现
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### 方法1:分支逻辑法
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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
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```
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public class MarioStateMachine {
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private int score;
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private State currentState;
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public MarioStateMachine() {
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this.score = 0;
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this.currentState = State.SMALL;
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}
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public void obtainMushRoom() {
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if (currentState.equals(State.SMALL)) {
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this.currentState = State.SUPER;
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this.score += 100;
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}
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}
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public void obtainCape() {
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if (currentState.equals(State.SMALL) || currentState.equals(State.SUPER) )
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this.currentState = State.CAPE;
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this.score += 200;
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}
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}
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public void obtainFireFlower() {
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if (currentState.equals(State.SMALL) || currentState.equals(State.SUPER) )
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this.currentState = State.FIRE;
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this.score += 300;
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}
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}
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public void meetMonster() {
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if (currentState.equals(State.SUPER)) {
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this.currentState = State.SMALL;
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this.score -= 100;
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return;
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}
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if (currentState.equals(State.CAPE)) {
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this.currentState = State.SMALL;
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this.score -= 200;
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return;
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}
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if (currentState.equals(State.FIRE)) {
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this.currentState = State.SMALL;
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||
this.score -= 300;
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return;
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}
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}
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public int getScore() {
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return this.score;
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}
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public State getCurrentState() {
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return this.currentState;
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}
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}
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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受的。但是，对于复杂的状态机来说，这种实现方式极易漏写或者错写某个状态转移。除此之外，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。如果哪天修改了状态机中的某个状态转移，我们要在冗长的分支逻辑中找到对应的代码进行修改，很容易改错，引入 bug。
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### 方法2:查表法
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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。
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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。在这个二维表中，第一维表示当前状态，第二维表示事件，值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
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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 transitionTable 和 actionTable 两个二维数组即可。实际上，如果我们把这两个二维数组存储在配置文件中，当需要修改状态机时，我们甚至可以不修改任何代码，只需要修改配置文件就可以了
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public enum Event {
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GOT_MUSHROOM(0),
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GOT_CAPE(1),
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GOT_FIRE(2),
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MET_MONSTER(3);
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private int value;
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private Event(int value) {
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this.value = value;
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}
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public int getValue() {
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return this.value;
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}
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}
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public class MarioStateMachine {
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private int score;
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private State currentState;
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private static final State[][] transitionTable = {
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{SUPER, CAPE, FIRE, SMALL},
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{SUPER, CAPE, FIRE, SMALL},
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{CAPE, CAPE, CAPE, SMALL},
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{FIRE, FIRE, FIRE, SMALL}
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};
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private static final int[][] actionTable = {
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{+100, +200, +300, +0},
|
||
{+0, +200, +300, -100},
|
||
{+0, +0, +0, -200},
|
||
{+0, +0, +0, -300}
|
||
};
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public MarioStateMachine() {
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this.score = 0;
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this.currentState = State.SMALL;
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}
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public void obtainMushRoom() {
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executeEvent(Event.GOT_MUSHROOM);
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}
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public void obtainCape() {
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executeEvent(Event.GOT_CAPE);
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}
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public void obtainFireFlower() {
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executeEvent(Event.GOT_FIRE);
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}
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public void meetMonster() {
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executeEvent(Event.MET_MONSTER);
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}
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private void executeEvent(Event event) {
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int stateValue = currentState.getValue();
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int eventValue = event.getValue();
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this.currentState = transitionTable[stateValue][eventValue];
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this.score = actionTable[stateValue][eventValue];
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}
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public int getScore() {
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return this.score;
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}
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public State getCurrentState() {
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return this.currentState;
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}
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}
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### 方法3: 状态模式
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在查表法的代码实现中，事件触发的动作只是简单的积分加减，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。这也就是说，查表法的实现方式有一定局限性
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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，导致代码可读性和可维护性不好等。实际上，针对分支逻辑法存在的问题，我们可以使用状态模式来解决。
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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
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其中，IMario 是状态的接口，定义了所有的事件。SmallMario、SuperMario、CapeMario、FireMario 是 IMario 接口的实现类，分别对应状态机中的 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 类中，现在，这些代码逻辑被分散到了这 4 个状态类中
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```
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public interface IMario { //所有状态类的接口
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State getName();
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//以下是定义的事件
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void obtainMushRoom();
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void obtainCape();
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void obtainFireFlower();
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void meetMonster();
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}
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public class SmallMario implements IMario {
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private MarioStateMachine stateMachine;
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public SmallMario(MarioStateMachine stateMachine) {
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this.stateMachine = stateMachine;
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}
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@Override
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public State getName() {
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return State.SMALL;
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}
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@Override
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public void obtainMushRoom() {
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stateMachine.setCurrentState(new SuperMario(stateMachine));
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||
stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 100);
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}
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@Override
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public void obtainCape() {
|
||
stateMachine.setCurrentState(new CapeMario(stateMachine));
|
||
stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);
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||
}
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||
@Override
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public void obtainFireFlower() {
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||
stateMachine.setCurrentState(new FireMario(stateMachine));
|
||
stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);
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}
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@Override
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public void meetMonster() {
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||
// do nothing...
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}
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}
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public class SuperMario implements IMario {
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private MarioStateMachine stateMachine;
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public SuperMario(MarioStateMachine stateMachine) {
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this.stateMachine = stateMachine;
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}
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@Override
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public State getName() {
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||
return State.SUPER;
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||
}
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@Override
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public void obtainMushRoom() {
|
||
// do nothing...
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||
}
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@Override
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public void obtainCape() {
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||
stateMachine.setCurrentState(new CapeMario(stateMachine));
|
||
stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);
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||
}
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||
@Override
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||
public void obtainFireFlower() {
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||
stateMachine.setCurrentState(new FireMario(stateMachine));
|
||
stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);
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||
}
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||
@Override
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||
public void meetMonster() {
|
||
stateMachine.setCurrentState(new SmallMario(stateMachine));
|
||
stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() - 100);
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}
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}
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// 省略CapeMario、FireMario类...
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public class MarioStateMachine {
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private int score;
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private IMario currentState; // 不再使用枚举来表示状态
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public MarioStateMachine() {
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this.score = 0;
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this.currentState = new SmallMario(this);
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}
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public void obtainMushRoom() {
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||
this.currentState.obtainMushRoom();
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||
}
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public void obtainCape() {
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||
this.currentState.obtainCape();
|
||
}
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||
public void obtainFireFlower() {
|
||
this.currentState.obtainFireFlower();
|
||
}
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||
public void meetMonster() {
|
||
this.currentState.meetMonster();
|
||
}
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||
public int getScore() {
|
||
return this.score;
|
||
}
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||
public State getCurrentState() {
|
||
return this.currentState.getName();
|
||
}
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||
public void setScore(int score) {
|
||
this.score = score;
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||
}
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public void setCurrentState(IMario currentState) {
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||
this.currentState = currentState;
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}
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}
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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，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
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