状态机、状态模式

什么是状态机？

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。

实现状态机的方法有多种，比较常用的有分支逻辑法、查表法、状态模式。

我们以一个简单的 CD 播放器为例子。这个例子里面只有状态、事件，不包含动作

简单CD播放器的按键与按键的功能
按键	功能
[Play/Pause]	播放/暂停
[Stop]	停止

状态迁移图：

状态机实现方式一：分支逻辑法

它的核心思想是根据状态迁移图，要么先确定状态、要么先确定事件，直译代码。

方法分析：对于简单状态机，该法是可以接受的。但是，对于复杂的状态机，这种实现极易漏写或错写某个状态转移；代码中充斥大量if-else或switch-case 分支判断逻辑，可读性和可维护性差。

如下就是先确定事件，然后再在事件内根据状态进行状态转移。

 1 typedef enum {
 2     ST_IDLE,
 3     ST_PLAY,
 4     ST_PAUSE
 5 } State;
 6 
 7 typedef enum {
 8     EV_PLAY_PAUSE,
 9     EV_STOP
10 } Event;
11 
12 State state;
13 
14 // 初始化
15 void initialize() {
16     state = ST_IDLE;
17 }
18 
19 // play or pause
20 void playOrPause() {
21     if (state == ST_IDLE) {
22         state = ST_PLAY;
23     } else if (state == ST_PLAY) {
24         state = ST_PAUSE;
25     } else if (state == ST_PAUSE) {
26         state = ST_PLAY;
27     }
28 }
29 
30 // stop
31 void stop() {
32     if (state == ST_PLAY || state == ST_PAUSE) {
33         state = ST_IDLE;
34     }
35 }
36 
37 // 事件响应
38 void onEvent(Event ev) {
39     switch (ev) {
40     case EV_PLAY_PAUSE:
41         playOrPause();
42         break;
43     case EV_STOP:
44         stop();
45         break;
46     default:
47         break;
48     }
49 }

状态机实现方法二：查表法

状态机除了用状态转移图表示外，还可以用二维表表示。如下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，转移到的新状态即执行的动作。

CD播放器状态迁移表
状态/事件	停止(EV_STOP)	播放/暂停(EV_PLAY_PAUSE)
空闲(ST_IDLE)	忽略	开始播放并转为播放状态
播放(ST_PLAY)	停止并转为空闲状态	停止并转为暂停状态
暂停(ST_PAUSE)	停止并转为空闲状态	播放并转为播放状态

相比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，只需要修改transitionTable和actionTable两个二维数组即可。

 1 typedef enum {
 2     ST_IDLE,
 3     ST_PLAY,
 4     ST_PAUSE
 5 } State;
 6 
 7 typedef enum {
 8     EV_STOP,
 9     EV_PLAY_PAUSE
10 } Event;
11 
12 State state;
13 
14 // transitionTable[i][j]表示状态为i时，发生事件j后，状态迁移到transitionTable[i][j]
15 State transitionTable[][2] = {
16         {ST_IDLE, ST_PLAY},
17         {ST_IDLE, ST_PAUSE},
18         {ST_IDLE, ST_PLAY}
19 };
20 
21 // 初始化
22 void initialize() {
23     state = ST_IDLE;
24 }
25 
26 State executeEvent(Event ev) {
27     return transitionTable[state][ev];
28 }
29 
30 // play or pause
31 void playOrPause() {
32     state = transitionTable[state][EV_PLAY_PAUSE];
33 }
34 
35 // stop
36 void stop() {
37     state = transitionTable[state][EV_STOP];
38 }
39 
40 // 事件响应
41 void onEvent(Event ev) {
42     switch (ev) {
43     case EV_PLAY_PAUSE:
44         playOrPause();
45         break;
46     case EV_STOP:
47         stop();
48         break;
49     default:
50         break;
51     }
52 }
53 
54 int main(void) {
55     initialize();
56     onEvent(EV_PLAY_PAUSE); // 播放
57     printf("%d ", state);
58     onEvent(EV_PLAY_PAUSE); // 暂停
59     printf("%d ", state);
60     onEvent(EV_STOP); // 停止
61     printf("%d
", state);
62 }

执行结果为：1 2 0

状态机实现方式三：状态模式

事件触发的动作如果非常简单，可以用二维的actionTable表示，则可以使用查表法。但是，如果执行的动作是一系列复杂的逻辑操作（比如加减积分、写数据库、发送消息等），就没有办法用简单的二维数组来表示了。

参考资料

1.64 | 状态模式：游戏、工作流引擎中常用的状态机是如何实现的？ (geekbang.org)

2.《C现代编程集成开发环境、设计模式、极限编程、测试驱动开发、重构、持续集成》