《设计模式之美》状态模式：游戏、工作流引擎中常用的状态机是如何实现的？

本文介绍了有限状态机的概念，并通过《设计模式之美》中的例子阐述了状态模式在游戏（如超级马里奥）和工作流引擎中的应用。文章详细对比了分支逻辑法、查表法和状态模式三种实现状态机的方式，强调了状态模式在处理复杂逻辑时的优势。同时，提供了代码示例和优化建议，帮助读者更好地理解和应用状态模式。

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王争《设计模式之美》学习笔记

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。
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。

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。

文中举例

超级马里奥
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）

状态机实现方式一：分支逻辑法

，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。
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。

状态机实现方式二：查表法

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。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。
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。

状态机实现方式三：状态模式

，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。
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。

代码示例

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;
  }
  @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;
  }
}

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。
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
- 各个状态类需要更新 MarioStateMachine 中的两个变量，score 和 currentState。

代码优化

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(IMariocurrentState) {
    this.currentState = currentState;
  }
}