狀態機、狀態模式

什么是狀態機？

有限狀態機，英文翻譯是 Finite State Machine，縮寫為 FSM，簡稱為狀態機。狀態機有 3 個組成部分：狀態（State）、事件（Event）、動作（Action）。其中，事件也稱為轉移條件（Transition Condition）。事件觸發狀態的轉移及動作的執行。不過，動作不是必須的，也可能只轉移狀態，不執行任何動作。

實現狀態機的方法有多種，比較常用的有分支邏輯法、查表法、狀態模式。

 

我們以一個簡單的 CD 播放器為例子。這個例子里面只有狀態、事件，不包含動作

簡單CD播放器的按鍵與按鍵的功能

按鍵	功能
[Play/Pause]	播放/暫停
[Stop]	停止

狀態遷移圖：

狀態機實現方式一：分支邏輯法

它的核心思想是根據狀態遷移圖，要么先確定狀態、要么先確定事件，直譯代碼。

方法分析：對於簡單狀態機，該法是可以接受的。但是，對於復雜的狀態機，這種實現極易漏寫或錯寫某個狀態轉移；代碼中充斥大量if-else或switch-case 分支判斷邏輯，可讀性和可維護性差。

如下就是先確定事件，然后再在事件內根據狀態進行狀態轉移。

typedef enum {
    ST_IDLE,
    ST_PLAY,
    ST_PAUSE
} State;

typedef enum {
    EV_PLAY_PAUSE,
    EV_STOP
} Event;

State state;

// 初始化
void initialize() {
    state = ST_IDLE;
}

// play or pause
void playOrPause() {
    if (state == ST_IDLE) {
        state = ST_PLAY;
    } else if (state == ST_PLAY) {
        state = ST_PAUSE;
    } else if (state == ST_PAUSE) {
        state = ST_PLAY;
    }
}

// stop
void stop() {
    if (state == ST_PLAY || state == ST_PAUSE) {
        state = ST_IDLE;
    }
}

// 事件響應
void onEvent(Event ev) {
    switch (ev) {
    case EV_PLAY_PAUSE:
        playOrPause();
        break;
    case EV_STOP:
        stop();
        break;
    default:
        break;
    }
}

狀態機實現方法二：查表法

狀態機除了用狀態轉移圖表示外，還可以用二維表表示。如下第一維表示當前狀態，第二維表示事件，值表示當前狀態經過事件之后，轉移到的新狀態即執行的動作。

CD播放器狀態遷移表

狀態/事件	停止(EV_STOP)	播放/暫停(EV_PLAY_PAUSE)
空閑(ST_IDLE)	忽略	開始播放並轉為播放狀態
播放(ST_PLAY)	停止並轉為空閑狀態	停止並轉為暫停狀態
暫停(ST_PAUSE)	停止並轉為空閑狀態	播放並轉為播放狀態

相比於分支邏輯的實現方式，查表法的代碼實現更加清晰，可讀性和可維護性更好。當修改狀態機時，只需要修改transitionTable和actionTable兩個二維數組即可。

 

typedef enum {
    ST_IDLE,
    ST_PLAY,
    ST_PAUSE
} State;

typedef enum {
    EV_STOP,
    EV_PLAY_PAUSE
} Event;

State state;

// transitionTable[i][j]表示狀態為i時，發生事件j后，狀態遷移到transitionTable[i][j]
State transitionTable[][2] = {
        {ST_IDLE, ST_PLAY},
        {ST_IDLE, ST_PAUSE},
        {ST_IDLE, ST_PLAY}
};

// 初始化
void initialize() {
    state = ST_IDLE;
}

State executeEvent(Event ev) {
    return transitionTable[state][ev];
}

// play or pause
void playOrPause() {
    state = transitionTable[state][EV_PLAY_PAUSE];
}

// stop
void stop() {
    state = transitionTable[state][EV_STOP];
}

// 事件響應
void onEvent(Event ev) {
    switch (ev) {
    case EV_PLAY_PAUSE:
        playOrPause();
        break;
    case EV_STOP:
        stop();
        break;
    default:
        break;
    }
}

int main(void) {
    initialize();
    onEvent(EV_PLAY_PAUSE); // 播放
    printf("%d ", state);
    onEvent(EV_PLAY_PAUSE); // 暫停
    printf("%d ", state);
    onEvent(EV_STOP); // 停止
    printf("%d\n", state);
}

執行結果為：1  2  0

狀態機實現方式三：狀態模式

事件觸發的動作如果非常簡單，可以用二維的actionTable表示，則可以使用查表法。但是，如果執行的動作是一系列復雜的邏輯操作（比如加減積分、寫數據庫、發送消息等），就沒有辦法用簡單的二維數組來表示了。

 

參考資料

1.64 | 狀態模式：游戲、工作流引擎中常用的狀態機是如何實現的？ (geekbang.org)

2.《C現代編程  集成開發環境、設計模式、極限編程、測試驅動開發、重構、持續集成》