目录

前言：

 状态机原理

 状态机的实现方式一：分支逻辑法

状态机实现方式二：查表法 

 状态机实现方式三：状态模式

总结：

参考资料

前言：

      在实际的软件开发中，状态模式并不是很常见，但是在能够用到的场景里，可以发挥比较大的作用，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，比较常见的还有分支逻辑法和查表法。

 状态机原理

     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。

 结合一个具体的案例进行详细解释：

“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。

 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）。

用代码实现如下：

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

 状态机的实现方式一：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。

讯享网 public class MarioStateMachine { private int score; private State currentState; public MarioStateMachine() { this.score = 0; this.currentState = State.SMALL; } public void obtainMushRoom() { if (currentState.equals(State.SMALL)) { this.currentState = State.SUPER; this.score += 100; } } public void obtainCape() { if (currentState.equals(State.SMALL) || currentState.equals(State.SUPER) ) { this.currentState = State.CAPE; this.score += 200; } } public void obtainFireFlower() { if (currentState.equals(State.SMALL) || currentState.equals(State.SUPER) ) { this.currentState = State.FIRE; this.score += 300; } } 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; } }

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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状态机实现方式二：查表法 

 实际上，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。

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

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。具体的代码如下所示：

 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; } }

 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。

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。

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。

讯享网 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; } }

上面的代码实现不难看懂，我只强调其中的一点，即 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，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 中的两个变量，score 和 currentState。实际上，上面的代码还可以继续优化，我们可以将状态类设计成单例，毕竟状态类中不包含任何成员变量。但是，当将状态类设计成单例之后，我们就无法通过构造函数来传递 MarioStateMachine 了，而状态类又要依赖 MarioStateMachine，那该如何解决这个问题呢？

我们可以通过函数参数将 MarioStateMachine 传递进状态类。

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

总结：

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，它有 3 个部分组成：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。

状态机的三种实现方式

第一种实现方式叫分支逻辑法。利用 if-else 或者 switch-case 分支逻辑，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。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。通过二维数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。

第三种实现方式叫状态模式。对于状态并不多、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比较复杂的状态机来说，我们首选这种实现方式。

参考资料

64 | 状态模式：游戏、工作流引擎中常用的状态机是如何实现的？-极客时间