行为型设计模式(五)状态模式【超级玛丽要变身】

编程入门行业动态更新时间:2024-10-09 03:19:43

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行为型设计模式(五)状态模式【超级玛丽要变身】

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，详细讲讲这几种实现方式，并且对比一下它们的优劣和应用场景。

一、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。

超级马里奥游戏中，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）。

如何将上面的状态转移图翻译成代码呢？
先给出整体实现功能的一个框架代码


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);}
}

二、解决状态机的几种思路

2.1 分支逻辑法

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。
补全代码如下所示


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;}
}

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。

2.2 查表法

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。

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。

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;}}

2.3 状态模式法

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。

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。


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;}@Overridepublic State getName() {return State.SMALL;}@Overridepublic void obtainMushRoom() {stateMachine.setCurrentState(new SuperMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 100);}@Overridepublic void obtainCape() {stateMachine.setCurrentState(new CapeMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);}@Overridepublic void obtainFireFlower() {stateMachine.setCurrentState(new FireMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);}@Overridepublic void meetMonster() {// do nothing...}
}public class SuperMario implements IMario {private MarioStateMachine stateMachine;public SuperMario(MarioStateMachine stateMachine) {this.stateMachine = stateMachine;}@Overridepublic State getName() {return State.SUPER;}@Overridepublic void obtainMushRoom() {// do nothing...}@Overridepublic void obtainCape() {stateMachine.setCurrentState(new CapeMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);}@Overridepublic void obtainFireFlower() {stateMachine.setCurrentState(new FireMario(stateMachine));stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);}@Overridepublic 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;}
}

Mario 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。

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。

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;}@Overridepublic State getName() {return State.SMALL;}@Overridepublic void obtainMushRoom(MarioStateMachine stateMachine) {stateMachine.setCurrentState(SuperMario.getInstance());stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 100);}@Overridepublic void obtainCape(MarioStateMachine stateMachine) {stateMachine.setCurrentState(CapeMario.getInstance());stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 200);}@Overridepublic void obtainFireFlower(MarioStateMachine stateMachine) {stateMachine.setCurrentState(FireMario.getInstance());stateMachine.setScore(stateMachine.getScore() + 300);}@Overridepublic 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;}
}