狀態(tài)模式

一. 什么是狀態(tài)模式

狀態(tài)模式是狀態(tài)機(jī)的一種實(shí)現(xiàn)方式. 狀態(tài)機(jī)又叫有限狀態(tài)機(jī)(FSM)

  • 狀態(tài)模式不常用, 有點(diǎn)像組合模式
  • 狀態(tài)機(jī)包含3個(gè)部分:
    • 狀態(tài)
    • 事件
    • 動(dòng)作

二. 描述 FSM 的是那種方法

背景: 在超級(jí)馬里奧游戲中，馬里奧可以變身為多種形態(tài)，比如小馬里奧, 超級(jí)馬里奧, 火焰馬里奧, 斗篷馬里奧等等。在不同的游戲情節(jié)下，各個(gè)形態(tài)會(huì)互相轉(zhuǎn)化，并相應(yīng)的增減積分。比如，初始形態(tài)是小馬里奧，吃了蘑菇之后就會(huì)變成超級(jí)馬里奧，并且增加 100 積分。
馬里奧形態(tài)的轉(zhuǎn)變就是一個(gè)狀態(tài)機(jī)。其中，馬里奧的不同形態(tài)就是狀態(tài)機(jī)中的“狀態(tài)”，游戲情節(jié)（比如吃了蘑菇）就是狀態(tài)機(jī)中的“事件”，加減積分就是狀態(tài)機(jī)中的“動(dòng)作”。比如，吃蘑菇這個(gè)事件，會(huì)觸發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移：從小馬里奧轉(zhuǎn)移到超級(jí)馬里奧，以及觸發(fā)動(dòng)作的執(zhí)行（增加 100 積分）。
如何編程來(lái)實(shí)現(xiàn)上面的狀態(tài)機(jī)呢？(描述狀態(tài)轉(zhuǎn)的3個(gè)方法)

  1. if-else 分支判斷, 根據(jù)不同狀態(tài)做出對(duì)事件的反應(yīng)

    • 分支描述速馬里奧
    // 描述狀態(tài)的枚舉
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;
  }
}

// 狀態(tài)機(jī)描述 (遇到事件轉(zhuǎn)變不同狀態(tài))
public class MarioStateMachine {
  private int score;    // 得分 
  private State currentState;       // 當(dāng)前狀態(tài)

  public MarioStateMachine() {
    this.score = 0;
    this.currentState = State.SMALL;   // 初始狀態(tài)小瑪麗奧
  }

  // 吃了蘑菇
  public void obtainMushRoom() {
    if (currentState.equals(State.SMALL)) {
      this.currentState = State.SUPER;
      this.score += 100;
    }
  }

  // 獲得斗篷
  public void obtainCape() {
    if (currentState.equals(State.SMALL) || currentState.equals(State.SUPER) ) {
      this.currentState = State.CAPE;
      this.score += 200;
    }
  }

  // 吃了著火的花
  public void obtainFireFlower() {
    if (currentState.equals(State.SMALL) || currentState.equals(State.SUPER) ) {
      this.currentState = State.FIRE;
      this.score += 300;
    }
  }

  // 碰到怪獸
  public void meetMonster() {
    if (currentState.equals(State.SUPER)) {
      this.currentState = State.SMALL;
      this.score -= 100;
      return;
    }

    if (currentState.equals(State.CAPE)) {
      this.currentState = State.SMALL;
      this.score -= 200;
      return;
    }

    if (currentState.equals(State.FIRE)) {
      this.currentState = State.SMALL;
      this.score -= 300;
      return;
    }
  }

  public int getScore() {
    return this.score;
  }

  public State getCurrentState() {
    return this.currentState;
  }
}

// 調(diào)用方
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);
  }
}
    • 缺點(diǎn)
      對(duì)于簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)來(lái)說(shuō)，分支邏輯這種實(shí)現(xiàn)方式是可以接受的。但是，對(duì)于復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)來(lái)說(shuō)，這種實(shí)現(xiàn)方式極易漏寫(xiě)或者錯(cuò)寫(xiě)某個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

  2. 狀態(tài)模式:

    • 狀態(tài)模式是改進(jìn)上面使用 if-else 描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)的做法. 將狀態(tài)轉(zhuǎn)移和動(dòng)作執(zhí)行拆分到不同類(lèi)中
      • (1) 定義狀態(tài)接口. 方法為対各事件做出的動(dòng)作
        這里將動(dòng)作設(shè)為單例的, 因?yàn)闋顟B(tài)不包含任何參數(shù)
      // 狀態(tài)接口
public interface IMario {
  State getName();
  // 持有 MarioStateMachine 作為參數(shù), 是因?yàn)橐摫?狀態(tài)機(jī)中的得分和下一狀態(tài)
  void obtainMushRoom(MarioStateMachine stateMachine);  // 吃了蘑菇
  void obtainCape(MarioStateMachine stateMachine);      // 帶了斗篷
  void obtainFireFlower(MarioStateMachine stateMachine);// 獲得火花
  void meetMonster(MarioStateMachine stateMachine);     // 碰到怪獸
}

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(lèi)...
      • (2) 定義狀態(tài)機(jī): 狀態(tài)機(jī)里有得分和當(dāng)前的狀態(tài)
      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;
  }
}
    • 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
      • 實(shí)際上，像游戲這種比較復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，包含的狀態(tài)比較多，我優(yōu)先推薦使用查表法，而狀態(tài)模式會(huì)引入非常多的狀態(tài)類(lèi)，會(huì)導(dǎo)致代碼比較難維護(hù)。
      • 相反，像電商下單、外賣(mài)下單這種類(lèi)型的狀態(tài)機(jī)，它們的狀態(tài)并不多，狀態(tài)轉(zhuǎn)移也比較簡(jiǎn)單，但事件觸發(fā)執(zhí)行的動(dòng)作包含的業(yè)務(wù)邏輯可能會(huì)比較復(fù)雜，所以，更加推薦使用狀態(tài)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

  3. 查表法

    • 生成狀態(tài)表
      狀態(tài)機(jī)還可以用二維表來(lái)表示，如下所示。在這個(gè)二維表中，第一維表示當(dāng)前狀態(tài)，第二維表示事件，值表示當(dāng)前狀態(tài)經(jīng)過(guò)事件之后，轉(zhuǎn)移到的新?tīng)顟B(tài)及其執(zhí)行的動(dòng)作。
    E1(get mushroom) E2(get cape) E3(get fireflower) E4(meet monster)
    小瑪麗奧(small) super/+100 cape/+200 fire/+300 /
    超級(jí)瑪麗奧(super) / cape/+200 fire/+300 small/-100
    斗篷馬里奧(cape) / / / small/-200
    火焰馬里奧(fire) / / / small/-300
    • 查表法描述馬里奧
    // 狀態(tài)枚舉
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;
  }
}

// 查表法狀態(tài)機(jī)
public class MarioStateMachine {
  private int score;
  private State currentState;

  // 查找的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表
  private static final State[][] transitionTable = {
          {SUPER, CAPE, FIRE, SMALL},
          {SUPER, CAPE, FIRE, SMALL},
          {CAPE, CAPE, CAPE, SMALL},
          {FIRE, FIRE, FIRE, SMALL}
  };

  // action 表(獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰)
  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;
  }

}
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