面向对象和设计模式(二十一) 状态模式——如何实现有限状态机

01 什么是有限状态机

在介绍状态模式之前，需要介绍“有限状态机”的概念。通俗的来说，如果一个对象拥有不同且有限个数的状态，且在特定的情况下，这些状态可以相互切换，那么我们就可以说这个对象是一个有限状态机。

在具体的业务中，有限状态机非常常见，例如任务、单据和工作流等对象他们都有未处理、处理中、已完成等状态。

状态机有 3 个组成部分：状态、事件、动作。事件触发会导致状态的转移，而状态的转移会引发动作的执行。不过，动作不是必须的，也可能只转移状态，不执行任何动作。

反过来，无限状态机就是状态个数无限，例如我们说一个商品的库存，它可以是100个，也可以是200个，也可以是321个，商品的库存数量是无限的，因此库存对象就是一个无限状态机。

举个有限状态机的具体例子：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。

02 状态模式

状态模式是一种实现有限状态机对象的设计模式，用来描述一个状态机对象的事件、状态转化过程以及引发的动作。

它的使用场景就是实现一个对象的状态转变。

实际上，除了状态模式之外，还有分支逻辑法和查表法可以实现状态机。下面，我们分别用分支逻辑法、查表法和状态模式这三种方式来实现上述的马里奥状态变化。

无论是哪种方法，状态机的实现都是以事件作为驱动的，说人话就是对象的方法名应该是一个事件（即图中的线条），而方法内容应该是状态的转移和动作的执行。

因此无论使用哪种实现方法，状态机的实现框架都应该是如下所示的代码：

class MarioStateMachine {  // 马里奥状态机    // 省略其他方法和属性
    // 获得蘑菇事件    public function obtainMushRoom() {        //TODO    }
    // 获得斗篷事件    public function obtainCape() {        //TODO    }
    // 获得火焰事件    public function obtainFireFlower() {        //TODO    }
    // 遇到怪兽事件    public function meetMonster() {        //TODO    }  }

此外强烈推荐实现状态机之前，先像上面那样画出状态转移图，方便分析。

状态机实现方式一：分支逻辑法

状态机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，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，因此称为分支逻辑法。

代码如下所示：

 <?php
class MarioStateMachine {    const SMALL = 0;    const SUPER = 1;    const FIRE = 2;    const CAPE = 3;    private $score;    private $currentState;      public function __construct(){      $this->score = 0;      $this->currentState = self::SMALL;    }      public function obtainMushRoom() {      if ($this->currentState == self::SMALL) {        $this->currentState = self::SUPER;        $this->score += 100;      }    }      public function obtainCape() {      if ($this->currentState == self::SMALL || $this->currentState == self::SUPER ) {        $this->currentState = self::CAPE;        $this->score += 200;      }    }      public function obtainFireFlower() {      if ($this->currentState == self::SMALL || $this->currentState == self::SUPER ) {        $this->currentState = self::FIRE;        $this->score += 300;      }    }      public function meetMonster() {      if ($this->currentState == self::SUPER) {        $this->currentState = self::SMALL;        $this->score -= 100;        return;      }        if ($this->currentState == self::CAPE) {        $this->currentState = self::SMALL;        $this->score -= 200;        return;      }        if ($this->currentState == self::FIRE) {        $this->currentState = self::SMALL;        $this->score -= 300;        return;      }    }      public function getScore() {      return $this->score;    }      public function getCurrentState() {      return $this->currentState;    }  }

分支逻辑法可以处理简单的状态转移和动作变更逻辑。但是，对于复杂的状态机来说，这种实现方式极易漏写错写某个状态转移。

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，很容易出错，引入 bug。

状态机实现方式二：查表法

我们知道，状态机有3个维度：状态、动作与事件。

查表法本质是将状态、动作与
事件这三个维度用一个二维表进行映射。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。

此时我们需要在代码中维护1个二维数组statusActionMap，存储状态的转移与动作的映射关系即可。

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 statusActionMap 这个二维数组即可。

具体的代码如下所示：

<?php

class MarioStateMachine { // 常量省略
protected static $statusActionMap = [ self::SMALL => [ self::CAPE => 200, self::FIRE => 300, self::SUPER => 100, ], self::SUPER => [ self::CAPE => 200, self::FIRE => 300, self::SMALL => -100, ], self::CAPE => [ self::SMALL => -100, ], self::FIRE => [ self::SMALL => -100, ], ];
private $score; private $currentState; public function __construct(){ $this->score = 0; $this->currentState = self::SMALL; }
public function doEvent($newStatus){ if( !isset(self::$statusActionMap[$this->currentState]) || !isset(self::$statusActionMap[$this->currentState][$newStatus]) ){ return ; }
$this->score += self::$statusActionMap[$this->currentState][$newStatus]; } public function obtainMushRoom() { $this->doEvent(self::SUPER); } public function obtainCape() { $this->doEvent(self::CAPE); } public function obtainFireFlower() { $this->doEvent(self::FIRE); } public function meetMonster() { $this->doEvent(self::SMALL); } }

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，我们用一个二维数组就能表示动作。
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。

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，针对复杂动作变更，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和动作执行，以不同状态的维度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，这些代码逻辑被拆分到了这 4 个状态类中。

<?php
interface MarioEvent{    public function obtainMushRoom();    public function obtainCape();    public function obtainFireFlower();    public function meetMonster();}

/** * @property MarioStateMachine public function getScore() { public function addScore($update) { public function setStateMachine(Mar public function obtainMushRoom(){ public function obtainCape(){ public function obtainFireFlower(){ public function meetMonster(){ // Mario对象不暴露 setState // 马里奥状态机 abstract protected $mario; // 马里奥对象 public static function instance(Mario private function __construct(Mario $mario){ abstract public function getState(); } public function obtainCape() { public function obtainFireFlower() { public function meetMonster() { class SuperMario extends MarioStateMachine{ public function obtainCape() { public function obtainFireFlower() { public function meetMonster() { // 省略CapeMario、FireMario类…
class ApplicationDemo { $stateMachine */ class Mario implements MarioEvent{ private $score = 0; protected $stateMachine;// 状态机对象来表示马里奥的状态 private function __construct($initState = MarioStateMachine::SMALL) { $this->stateMachine = MarioStateMachine::instance($this, $initState); } public function getState() { return $this->stateMachine->getState(); }
return $this->score; }
$this->score += $update; }
ioStateMachine $stateMachine) { $this->stateMachine = $stateMachine; }
$this->stateMachine->obtainMushRoom(); }
$this->stateMachine->obtainCape(); }
$this->stateMachine->obtainFireFlower(); }
$this->stateMachine->meetMonster(); }
这种直接改变状态的方法，因为状态往往和分数等其它属性联动变化 }
class MarioStateMachine implements MarioEvent{ const SMALL = 0; const SUPER = 1; const FIRE = 2; const CAPE = 3; const STATE_MACHINE_MAP = [ self::SMALL => SmallMario::class, self::SUPER => SuperMario::class, self::FIRE => FireMario::class, self::CAPE => CapeMario::class, ];
protected static $stateMap = []; // 多例模式，存储4种马里奥状态
$mario, $currentState){ if(empty(self::$stateMap[$currentState])){ $stateClass = self::STATE_MACHINE_MAP[$currentState]; self::$stateMap[$currentState] = new $stateClass($mario); } return self::$stateMap[$currentState]; }
$this->mario = $mario; }
class SmallMario extends MarioStateMachine{ public function getState(){ return self::SMALL; } public function obtainMushRoom() { $this->mario->addScore(100); $this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::SUPER)); }
$this->mario->addScore(200); $this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::CAPE)); }
$this->mario->addScore(300); $this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::FIRE)); }
echo “Game over!”; } }
public function getState(){ return self::SUPER; } public function obtainMushRoom() { $this->mario->addScore(100); }
$this->mario->addScore(200); $this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::CAPE)); }
$this->mario->addScore(300); $this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::FIRE)); }
$this->mario->addScore(-100); $this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::SMALL)); } }
public static function main() { $mario = new Mario(); $mario->obtainMushRoom(); $score = $mario->getScore(); $state = $mario->getState(); echo "mario score: " + $score + "; state: " + $state; } }

上面的代码，Mario对象需要重度依赖StateMachine对象，直接将Mario的状态以对象的形式保存。

实际上，我们完全可以将和状态相关的逻辑从Mario对象中抽离出来，Mario对象可以保留整型的state属性，并且有最基础的setState方法。但是和状态转移和落库的相关逻辑可以只交给状态机负责，也就是说状态机和Mario对象可以完全没有关系，不过状态机需要保存和状态相关的其他属性，例如score分数。Mario对象也有score和state，因为这是Mario对象自身的属性，Machine对象也有score和state，因为Machine做状态转移时需要用到。Mario的score、state与Machine的score、state可以不一致，Machine完成状态转移后再刷新Mario对象即可。

<?php
interface MarioEvent{    public function getState();    public function obtainMushRoom();    public function obtainCape();    public function obtainFireFlower();    public function meetMonster();}
class Mario{    const SMALL = 0;    const SUPER = 1;    const FIRE = 2;    const CAPE = 3;

// 省略Mario自身的属性和方法}

abstract class MarioState {
const STATE_MACHINE_MAP = [ self::SMALL => SmallMario::class, self::SUPER => SuperMario::class, self::FIRE => FireMario::class, self::CAPE => CapeMario::class, ]; protected static $stateMap = []; // 多例模式，存储4种马里奥状态
public static function instance(int $state){ if(empty(self::$stateMap[$state])){ $stateClass = self::STATE_MACHINE_MAP[$state]; self::$stateMap[$state] = new $stateClass(); } return self::$stateMap[$state]; }
abstract public function getState();}
class SmallState extends MarioState{ public function getState() { return Mario::SMALL; }
public function obtainMushRoom(MarioStateMachine $stateMachine){ $stateMachine->setState(Mario::SUPER); $stateMachine->setScore($stateMachine->getScore() + 100); }
public function obtainCape(MarioStateMachine $stateMachine){ $stateMachine->setState(Mario::CAPE); $stateMachine->setScore($stateMachine->getScore() + 200); }
public function obtainFireFlower(MarioStateMachine $stateMachine){ $stateMachine->setState(Mario::FIRE); $stateMachine->setScore($stateMachine->getScore() + 300); }
public function meetMonster(MarioStateMachine $stateMachine){ echo “Game Over”; }}
// 省略CapeState、FireState、SuperState类…
/** * 马里奥状态机 * @property MarioState $marioState */class MarioStateMachine implements MarioEvent{ protected $marioState; // 马里奥状态 private $score = 0;
public function __construct(int $initState){ $this->setState($initState); }
public function setState(int $state){ $this->marioState = MarioState::instance($state); }
public function getScore(){ return $this->score; }
public function setScore($score){ $this->score = $score; }
public function getState(){ return $this->marioState->getState(); }
public function obtainMushRoom(){ $this->marioState->obtainMushRoom($this); } public function obtainCape(){ $this->marioState->obtainCape($this); } public function obtainFireFlower(){ $this->marioState->obtainFireFlower($this); } public function meetMonster(){ $this->marioState->meetMonster($this); }}
class ApplicationDemo { public static function main() { $stateMachine = new MarioStateMachine(Mario::SMALL); $stateMachine->obtainMushRoom(); $score = $stateMachine->getScore(); $state = $stateMachine->getState(); echo "mario score: " + $score + "; state: " + $state; }}

这个写法是真正的状态模式的写法和思维，前一种写法不算正规的状态模式，因为将复杂的状态转移行为放到了Mario对象中，与Mario对象耦合了起来，职责不够单一。

这种写法中，State和Machine也是双向依赖，不过Machine对State是强依赖，而State对Machine是一种弱依赖（因为State依赖Machine只是为了改变Machine内部的属性而已，而Machine对State的依赖是依赖State的行为，行为比操作属性更加的重），所以在obtainMushRoom这样的方法中通过传递Machine对象的方式让State对象可以使用到它，而非将Machine对象作为State对象的属性。

最后总结：

1.状态模式会引入非常多的状态类，会导致代码比较难维护，建议只有当三要素中的动作逻辑复杂的时候才使用状态模式。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；

2.对于状态比较多而动作逻辑简单的状态机，则优先推荐使用查表法，因为如果在这种情况下使用状态模式会产生很多状态类，而每个状态类中又没有什么实际内容，用状态模式会显得杀鸡用牛刀，使设计模式流于表面。

3.如果状态和动作逻辑都很简单，则使用分支逻辑法即可。

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面向对象和设计模式二十一状态模式如何实现有限状态机

面向对象和设计模式(二十一) 状态模式——如何实现有限状态机

01 什么是有限状态机

02 状态模式

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