更多优质内容
请关注公众号
请关注公众号
一、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。
二、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 $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();
}
public function getScore() {
return $this->score;
}
public function addScore($update) {
$this->score += $update;
}
public function setStateMachine(MarioStateMachine $stateMachine) {
$this->stateMachine = $stateMachine;
}
public function obtainMushRoom(){
$this->stateMachine->obtainMushRoom();
}
public function obtainCape(){
$this->stateMachine->obtainCape();
}
public function obtainFireFlower(){
$this->stateMachine->obtainFireFlower();
}
public function meetMonster(){
$this->stateMachine->meetMonster();
}
// Mario对象不暴露 setState 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
}
// 马里奥状态机
abstract 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 $mario; // 马里奥对象
protected static $stateMap = []; // 多例模式，存储4种马里奥状态
public static function instance(Mario $mario, $currentState){
if(empty(self::$stateMap[$currentState])){
$stateClass = self::STATE_MACHINE_MAP[$currentState];
self::$stateMap[$currentState] = new $stateClass($mario);
}
return self::$stateMap[$currentState];
}
private function __construct(Mario $mario){
$this->mario = $mario;
}
abstract public function getState();
}
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));
}
public function obtainCape() {
$this->mario->addScore(200);
$this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::CAPE));
}
public function obtainFireFlower() {
$this->mario->addScore(300);
$this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::FIRE));
}
public function meetMonster() {
echo "Game over!";
}
}
class SuperMario extends MarioStateMachine{
public function getState(){
return self::SUPER;
}
public function obtainMushRoom() {
$this->mario->addScore(100);
}
public function obtainCape() {
$this->mario->addScore(200);
$this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::CAPE));
}
public function obtainFireFlower() {
$this->mario->addScore(300);
$this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::FIRE));
}
public function meetMonster() {
$this->mario->addScore(-100);
$this->mario->setStateMachine(MarioStateMachine::instance($this->mario, self::SMALL));
}
}
// 省略CapeMario、FireMario类...
class ApplicationDemo {
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：
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；
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，如果这种情况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。
如果状态和动作逻辑都很简单，则使用分支逻辑法即可。
