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。
什么是有限状态机？
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。
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：
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。
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 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); } } 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; } }
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 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; } }
状态机实现方式三：状态模式
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 { 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; } }
调用 main 方法
MarioStateMachine stateMachine = new MarioStateMachine(); stateMachine.obtainCape() 这里就可以打印 stateMachine.getScore() 和 stateMachine.getCurrentState() 的值
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。
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。
参考
设计模式之美设计模式代码重构-极客时间
https://time.geekbang.org/column/intro/250
