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状态模式:游戏、工作流引擎中常用的状态机是如何实现的?

# 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?

从今天起,我们开始学习状态模式。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。从这一点上来看,它有点像我们之前讲到的组合模式。

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,并且对比一下它们的优劣和应用场景。

话不多说,让我们正式开始今天的学习吧!

# 什么是有限状态机?

有限状态机,英文翻译是FiniteStateMachine,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(TransitionCondition)。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。

对于刚刚给出的状态机的定义,我结合一个具体的例子,来进一步解释一下。

“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(SmallMario)、超级马里奥(SuperMario)、火焰马里奥(FireMario)、斗篷马里奥(CapeMario)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)。

为了方便接下来的讲解,我对游戏背景做了简化,只保留了部分状态和事件。简化之后的状态转移如下图所示:

图片

我们如何编程来实现上面的状态机呢?换句话说,如何将上面的状态转移图翻译成代码呢?

我写了一个骨架代码,如下所示。其中,obtainMushRoom()、obtainCape()、obtainFireFlower()、meetMonster()这几个函数,能够根据当前的状态和事件,更新状态和增减积分。不过,具体的代码实现我暂时并没有给出。你可以把它当做面试题,试着补全一下,然后再来看我下面的讲解,这样你的收获会更大。

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);
  }
}

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# 状态机实现方式一:分支逻辑法

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。

按照这个实现思路,我将上面的骨架代码补全一下。补全之后的代码如下所示:

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;
  }
}

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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。

# 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hardcode,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。

图片

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;
  }

}

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# 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。

利用状态模式,我们来补全MarioStateMachine类,补全后的代码如下所示。

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。

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;
  }
}

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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?

实际上,在单例模式的讲解中,我们提到过几种解决方法,你可以回过头去再查看一下。在这里,我们可以通过函数参数将MarioStateMachine传递进状态类。根据这个设计思路,我们对上面的代码进行重构。重构之后的代码如下所示:

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;
  }
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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。

# 重点回顾

好了,今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下,你需要重点掌握的内容。

今天我们讲解了状态模式。虽然网上有各种状态模式的定义,但是你只要记住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。

针对状态机,今天我们总结了三种实现方式。

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。

# 课堂讨论

状态模式的代码实现还存在一些问题,比如,状态接口中定义了所有的事件函数,这就导致,即便某个状态类并不需要支持其中的某个或者某些事件,但也要实现所有的事件函数。不仅如此,添加一个事件到状态接口,所有的状态类都要做相应的修改。针对这些问题,你有什么解决方法吗?

欢迎留言和我分享你的想法。如果有收获,欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。

# 精选评论

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张先生丶

关于课堂讨论,可以在接口和实现类中间加一层抽象类解决此问题,抽象类实现状态接口,状态类继承抽象类,只需要重写需要的方法即可
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J.D.

Flutter里引入了Bloc框架后,就是非常典型的状态模式(或是有限状态机)。https://bloclibrary.dev/#/coreconcepts
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李小四

设计模式_63:
# 作业
组合优于继承
- 即使不需要,也必须实现所有的函数
>>> 最小接口原则,每个函数拆分到单独的接口中

- 新增事件要修改所有状态实现
>>> 观察者模式,用注解动态地把事件函数注册到观察队列中。

# 感想
看到状态接口类中直接使用了`obtainMushRoom()`这样具体的事件函数,感觉很不舒服。就像结尾的讨论,所有的状态类必须实现所有事件函数,新增一种事件状态接口和实现都要改。。。
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下雨天

课后题
最小接口原则

具体做法:状态类只关心与自己相关的接口,将状态接口中定义的事件函数按事件分类,拆分到不同接口中,通过这些新接口的组合重新实现状态类即可!
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小晏子

课后思考:要解决这个问题可以有两种方式1. 直接使用抽象类替代接口,抽象类中对每个时间有个默认的实现,比如抛出unimplemented exception,这样子类要使用的话必须自己实现。2. 就是还是使用接口定义事件,但是额外创建一个抽象类实现这个接口,然后具体的状态实现类继承这个抽象类,这种方式好处在于可扩展性强,可以处理将来有不相关的事件策略加入进来的情况。
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test

课堂讨论:给新增的方法一个默认实现。
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Geek_Zjy

课后作业,与过滤器上的解决方法一样:
……
针对这个问题,我们对代码进行重构,利用模板模式,将调用 successor.handle() 的逻辑从具体的处理器类中剥离出来,放到抽象父类中。这样具体的处理器类只需要实现自己的业务逻辑就可以了。
……

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jaryoung

代码中:
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;
    }
}
建议修改成:
public enum State {
    SMALL(0),
    SUPER(1),
    CAPE(2),
    FIRE(3);

    private int value;

    private State(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return this.value;
    }
}
不然查表法会有索引的问题呢,希望争哥改一下哈。
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Geek_54edc1


Jxin

1.解决方法的话,java可以用接口的def函数解决,也可以在实现类和接口间加一个def实现来过度。但这都是不好的设计。事实上接口def函数的实现是一种无奈之举,我们在使用接口时应依旧遵循其语意限制?而非滥用语言特性。

2.所以上诉解决方案,个人认为最好的方式就是细分接口包含的函数,对现有的函数重新归类,划分成不同的接口。实现时以实现多接口的方式去组合出目标实现。这也是接口隔离的体现。
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Frank

打卡 今日学习状态模式,收获如下:
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。与策略模式一样,状态模式可以解决if-else或着switch-case分支逻辑过多的问题。同时也了解到了有限状态机的概念,以前在看一些资料时遇到这个概念,之前不太理解这个状态机时干嘛用的,通过今天的学习,理解了状态机就是一种数学模型,该模型中有几个状态(有限的),在不同的场景下,不同的状态之间发生转移,在状态转移过程可能伴随着不同的事件发生。
对于课堂讨论,有两种方法:1. 在实现类和接口中间定义一层中间类,中间类来实现接口,中间类中的方法都时空实现,实现类继承中间类,有选择性的覆写自己需要的方法。之后修改了接口,只需要修改中间类即可,这种方式引入了中间类,使类个数变多,一旦接口中的抽象方法变多,中间类相应的方法也随着变多,这种思路不是很优雅。2. 使用在模版模式那一节课中提到的回调方法。
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业余爱好者

(一直觉得状态机是个非常高大上的东西,心中一直有疑问,今天才算是基本弄懂了。)

对于一个全局对象的依赖,当做方法参数传递是个不错的设计。像之前提到的servlet中的过滤器的过滤方法中,参数就有FilterChain这一对象。一个方法需要依赖(广义)一个对象,无非来自于对象属性和方法自身。前者叫做组合,后者叫做依赖。在接口设计中,由于没有属性一说,所以只能通过参数传递了。这样看来,说是设计,实际上是不得已而为之啊(还能怎样啊)。

一直分不清状态模式和观察者模式,两者不都是状态变化之后触发一定的动作吗?
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Tommy

老师,状态机模式怎么防止状态回退呢?
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eason2017

也可以基于jdk8的接口提供默认实现来做。
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Jesse

方法一:可以使用将事件拆分成不同接口,不同的状态实现不同事件。
方法二:用java1.8 接口提供的default实现。
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jaryoung


Bern


Geek_3b1096

查表法好用
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攻城拔寨

多写个抽象类默认实现接口,实现类继承抽象类就行了
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南山

1.接口增加默认设置,方法体中抛出 UnsupportOperateException
2.增加一个抽象类
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涉及到多个状态转换的场景,状态机真的是可以提高代码的可读程度,也能保证状态的正常流转。
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#极客时间
上次更新: 2025/06/04, 15:06:15
职责链模式(下):框架中常用的过滤器、拦截器是如何实现的?
迭代器模式(上):相比直接遍历集合数据,使用迭代器有哪些优势?

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