iOS设计模式之状态模式上

作者: 点滴86 | 来源:发表于2024-06-26 01:02 被阅读0次

状态模式

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。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。

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。
”超级马里奥“游戏中，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。在不同的游戏请接下，各个状态会互相转化，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，并且增加积分。
实际上，马里奥形态的转变就是一个状态机。其中，马里奥的不同形态就是状态机中的”状态“，游戏情节（比如吃了蘑菇）就是状态机中的”事件“，加减积分就是状态机中的”动作“。比如，吃蘑菇这个事件，会触发状态的转移；从小马里奥转移到超级马里奥，以及触发动作的执行（增加100积分）。
为了方便讲解，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，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，把这种方法暂且命名为分支逻辑法。代码实现如下所示：

typedef enum : NSInteger {
    DMMarioStateSmall = 0,
    DMMarioStateSuper,
    DMMarioStateCape,
    DMMarioStateFire,
} DMMarioState;

@interface DMMarioStateMachine : NSObject

- (void)obtainMushRoom;

- (void)obtainCape;

- (void)obtainFireFlower;

- (void)meetMonster;

- (NSInteger)getScore;

- (DMMarioState)getCurrentState;

@end

@interface DMMarioStateMachine ()

@property (nonatomic, assign) NSInteger mScore;

@property (nonatomic, assign) DMMarioState mMarioState;

@end

@implementation DMMarioStateMachine

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        self.mScore = 0;
        self.mMarioState = DMMarioStateSmall;
    }
    return self;
}

// 分支法
- (void)obtainMushRoom
{
    if (self.mMarioState == DMMarioStateSmall) {
        self.mScore += 100;
        self.mMarioState = DMMarioStateSuper;
    }
}

- (void)obtainCape
{
    if (self.mMarioState == DMMarioStateSmall ||
        self.mMarioState == DMMarioStateSuper) {
        self.mScore += 200;
        self.mMarioState = DMMarioStateCape;
    }
}

- (void)obtainFireFlower
{
    if (self.mMarioState == DMMarioStateSmall ||
        self.mMarioState == DMMarioStateSuper) {
        self.mScore += 300;
        self.mMarioState = DMMarioStateFire;
    }
}

- (void)meetMonster
{
    if (self.mMarioState == DMMarioStateSuper) {
        self.mScore -= 100;
        self.mMarioState = DMMarioStateSmall;
    } else if (self.mMarioState == DMMarioStateCape) {
        self.mScore -= 200;
        self.mMarioState = DMMarioStateSmall;
    } else if (self.mMarioState == DMMarioStateFire) {
        self.mScore -= 300;
        self.mMarioState = DMMarioStateSmall;
    }
}

- (NSInteger)getScore
{
    return self.mScore;
}

- (DMMarioState)getCurrentState
{
    return self.mMarioState;
}

@end

对于简单的状态机来说，分支逻辑这种实现方式是可以接受的。但是对于复杂的状态机来说，这种实现方式极易漏写或者错写某个状态转移。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，需要在冗长的分支逻辑中找到对应的代码进行修改，很容易改错，引入bug。

状态机实现方式二：查表法

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。

备注：表中的/表示不存在这种状态转移。

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，只需要修改mTransitionTable和mActionTable两个二位数组即可。实际上，如果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，甚至可以不修改任何代码，只需要修改配置文件就可以了。具体代码如下所示：

typedef enum : NSInteger {
    DMMarioStateSmall = 0,
    DMMarioStateSuper,
    DMMarioStateCape,
    DMMarioStateFire,
} DMMarioState;

typedef enum : NSInteger {
    DMMarioEventGotMushRoom = 0,
    DMMarioEventGotCape,
    DMMarioEventGotFire,
    DMMarioEventMeetMonster,
} DMMarioEvent;

@interface DMMarioStateMachine : NSObject

- (void)obtainMushRoom;

- (void)obtainCape;

- (void)obtainFireFlower;

- (void)meetMonster;

- (NSInteger)getScore;

- (DMMarioState)getCurrentState;

@end

@interface DMMarioStateMachine ()

@property (nonatomic, assign) NSInteger mScore;

@property (nonatomic, assign) DMMarioState mMarioState;

@property (nonatomic, strong) NSArray *mTransitionTable;

@property (nonatomic, strong) NSArray *mActionTable;

@end

@implementation DMMarioStateMachine

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        self.mScore = 0;
        self.mMarioState = DMMarioStateSmall;
    }
    return self;
}

// 查表法
- (void)obtainMushRoom
{
    [self executeEvent:DMMarioEventGotMushRoom];
}

- (void)obtainCape
{
    [self executeEvent:DMMarioEventGotCape];
}

- (void)obtainFireFlower
{
    [self executeEvent:DMMarioEventGotFire];
}

- (void)meetMonster
{
    [self executeEvent:DMMarioEventMeetMonster];
}

- (void)executeEvent:(DMMarioEvent)event
{
    {
        NSArray *tmpArray = [self.mTransitionTable objectAtIndex:self.mMarioState];
        self.mMarioState = (DMMarioState)[tmpArray objectAtIndex:event];
    }
    
    {
        NSArray *tmpArray = [self.mActionTable objectAtIndex:self.mMarioState];
        NSNumber *num = [tmpArray objectAtIndex:event];
        self.mScore += [num integerValue];
    }
}

- (NSInteger)getScore
{
    return self.mScore;
}

- (DMMarioState)getCurrentState
{
    return self.mMarioState;
}

- (NSArray *)mTransitionTable {
    if (_mTransitionTable == nil) {
        NSMutableArray *tmpArray = [[NSMutableArray alloc] init];
        {
            NSMutableArray *subArray = [[NSMutableArray alloc] init];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateSuper]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateCape]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateFire]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateSmall]];
            [tmpArray addObject:subArray];
        }
        {
            NSMutableArray *subArray = [[NSMutableArray alloc] init];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateSuper]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateCape]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateFire]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateSmall]];
            [tmpArray addObject:subArray];
        }
        {
            NSMutableArray *subArray = [[NSMutableArray alloc] init];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateCape]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateCape]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateCape]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateSmall]];
            [tmpArray addObject:subArray];
        }
        {
            NSMutableArray *subArray = [[NSMutableArray alloc] init];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateFire]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateFire]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateFire]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:DMMarioStateSmall]];
            [tmpArray addObject:subArray];
        }
        _mTransitionTable = [tmpArray copy];
    }
    
    return _mTransitionTable;
}

- (NSArray *)mActionTable {
    if (_mActionTable == nil) {
        NSMutableArray *tmpArray = [[NSMutableArray alloc] init];
        {
            NSMutableArray *subArray = [[NSMutableArray alloc] init];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:100]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:200]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:300]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:0]];
            [tmpArray addObject:subArray];
        }
        {
            NSMutableArray *subArray = [[NSMutableArray alloc] init];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:0]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:200]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:300]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:-100]];
            [tmpArray addObject:subArray];
        }
        {
            NSMutableArray *subArray = [[NSMutableArray alloc] init];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:0]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:0]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:0]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:-200]];
            [tmpArray addObject:subArray];
        }
        {
            NSMutableArray *subArray = [[NSMutableArray alloc] init];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:0]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:0]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:0]];
            [subArray addObject:[NSNumber numberWithInteger:-300]];
            [tmpArray addObject:subArray];
        }
        _mActionTable = [tmpArray copy];
    }
    
    return _mActionTable;
}

@end

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状态机实现方式一：分支逻辑法

状态机实现方式二：查表法

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