理解状态机

标签: StateMachine  

理解状态机的原理及使用。

有限状态机(FSM)

有限状态机(Finite State Machine)是表示有限个状态(State)以及在这些状态(State)之间的转移(Transition)和动作(Action)等行为的数据模型。

总的来说,有限状态机系统,是指在不同阶段呈现出不同的运行状态的系统,这些状态是有限的、不重叠的。

这样的系统在某一时刻一定会处于其所有状态中的一个状态,此时它接收一部分允许的输入,产生一部分可能的响应,并迁移到一部分可能的状态。

有限状态机的要素

  • State(状态)

状态(State),就是一个系统在其生命周期中某一个时刻的运行情况,此时,系统会执行一些操作,或者等待一些外部输入。并且,在当前形态下,可能会有不同的行为和属性。

  • Guard(条件)

状态机对外部消息进行响应时,除了需要判断当前的状态,还需要判断跟这个状态相关的一些条件是否成立。这种判断称为 Guard(条件)。Guard 通过允许或者禁止某些操作来影响状态机的行为。

  • Event(事件)

事件(Event),就是在一定的时间和空间上发生的对系统有意义的事情,事件通常会引起状态的变迁,促使状态机从一种状态切换到另一种状态。

  • Action(动作)

当一个事件(Event)被状态机系统分发的时候,状态机用 动作(Action)来进行响应,比如修改一下变量的值、进行输入输出、产生另外一个 Event 或者迁移到另外一个状态等。

  • Transition(迁移)

从一个状态切换到另一个状态被称为 Transition(迁移)。引起状态迁移的事件被称为触发事件(triggering event),或者被简称为触发(trigger)。

有限状态机的 Java 实现

模拟开关的状态机

一个开关的状态有两种,一种是开,一种是关 。当处于开的状态时,按下按键,则状态会切换到关,反之亦然。

建立一个模拟灯泡开关事件的状态机

/**
 * 灯泡的状态机
 */
public class LampStateMachine {
    /**
     * 开始和关闭状态
     */
    public static final int mOpenState = 1 ;
    public static final int mCloseState = 0 ;

    /**
     * 当前状态
     */
    private int mCurrentState ;

    /**
     * 状态机的名称
     */
    private String mName ;


    public LampStateMachine(String mName) {
        this.mName = mName;
    }

    /**
     * 初始化当前的状态
     * @param state
     */
    public void initState(int state){
        mCurrentState = state ;
    }

    /**
     * 模拟灯泡的点击事件,也就是状态机中的一个 Action
     */
    public void ClickEvent(){
        /**
         * 利用 switch/case 来实现状态机
         */
        switch (mCurrentState){
            case mOpenState:
                /**
                 * 改变状态
                 */
                changeState(mCloseState);

                /**
                 * 执行事件,模拟事件
                 */
                System.out.println("close the lamp");
                break;
            case mCloseState:
                /**
                 * 改变状态
                 */
                changeState(mOpenState);

                /**
                 * 执行事件,模拟事件
                 */
                System.out.println("open the lamp");
                break;
            default:
                break;
        }
    }

    /**
     * 改变当前的状态,也就是状态机中的迁移
     * @param state
     */
    public void changeState(int state){
        mCurrentState = state ;
    }


    public String getmName() {
        return mName;
    }

    public void setmName(String mName) {
        this.mName = mName;
    }

}

在上面的状态机中,我们使用 switch/case 来实现的状态机,也可以用 if/else 来实现状态机,还可以用设计模式中的状态模式来实现状态机。

有了上述的状态机之后,就可以利用该状态机来模拟灯泡的点击事件了。

public class LampStateMachineTest {
    public static void main(String[] args) {
        LampStateMachine lampStateMachine = new LampStateMachine("lamp state machine");
        /**
         * 初始化当前状态为关
         */
        lampStateMachine.initState(LampStateMachine.mCloseState);

        System.out.println(lampStateMachine.getmName());

        /**
         * 模拟十次点击灯泡的开关
         */
        for (int i = 0 ; i < 10 ; i ++){
            lampStateMachine.ClickEvent();
        }
    }
}

运行该程序之后,就会交替打印灯泡开关对应的字符串。

这就是利用状态机实现开关点击事件的例子,不过这里灯泡的点击只有两个状态,除了开就是关。假设当我们的某个事件对应多个状态时,那么状态机的优势就体系出来了,可以避免代码太过复杂,在状态机中进行状态的切换。

分层状态机(HFSM)

在有限状态机中,虽说状态是有限的,但是当状态太多的时候却不是那么好维护的,这个时候就需要将一些具有公共属性的状态分类,抽离出来,将同类型的状态作为一个状态机,然后再做一个大的状态机,来维护这些子状态。

例如,在有限状态机中,我们的状态图是这样的:

fsm_xx

但在分层状态机中,我们的状态是这样的:

hfsm_xx

这样一来,我们就不需要考量所有的状态之间的关系,定义所有状态之间的跳转链接。

只需要使用层次化的状态机,将所有的行为分类,把几个小的状态归并到一个大的状态里面,然后再定义高层状态和高层状态中内部小状态的跳转链接。

分层状态机从某种程度上就是限制了状态机的跳转,而且高层状态内部的状态是不需要关心外部状态的跳转的,这也做到了无关状态间的隔离,在每个状态内部只需要关心自己的小状态的跳转就可以了,这样就大大的降低了状态机的复杂度。

参考

  1. http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/09/finite-state_machine_for_javascript.html
  2. http://www.aisharing.com/archives/393
  3. http://www.cnblogs.com/jeason1997/p/5140201.html
  4. http://blog.csdn.net/yqj2065/article/details/39371487

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