Spring 状态机知乎状态机框架 java

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goody 2024-03-19 13:07:20

文章标签 Spring 状态机知乎 StateMachine举例 StateMachine源码 StateMachine原理 Android状态机 文章分类 架构后端开发

工作中有一同事说到Android状态机StateMachine。作为一名Android资深工程师，我居然没有听说过StateMachine，因此抓紧时间学习一下。
StateMachine不是Android SDK中的相关API，其存在于frameworks层源码中的一个Java类。可能因为如此，许多应用层的开发人员并未使用过。
因此这里我们先说一下StateMachine的使用方式，然后再对源码进行相关介绍。

StateMachine使用举例
StateMachine原理学习

一、使用举例

StateMachine 处于Android frameworks层源码frameworks/base/core/java/com/android/internal/util路径下。应用层若要使用StateMachine需将对应路径下的三个类拷贝到自己的工程目录下。
这三个类分别为：StateMachine.java、State、IState

下边是使用的代码举例，这个例子我也是网络上找的（读懂StateMachine源码后，我对这个例子进行了一些简单更改，以下为更改后的案例）：

主要分以下几个部分来说明：

PersonStateMachine.java案例代码
PersonStateMachine 使用
案例的简单说明
案例源码下载

1.1 PersonStateMachine

创建PersonStateMachine继承StateMachine类。
创建四种状态，四种状态均继承自State：

默认状态 BoringState
工作状态 WorkState
吃饭状态 EatState
睡觉状态 SleepState

定义了状态转换的四种消息类型：

唤醒消息 MSG_WAKEUP
困乏消息 MSG_TIRED
饿了消息 MSG_HUNGRY
状态机停止消息 MSG_HALTING

下面来看完整的案例代码：

public class PersonStateMachine extends StateMachine {

    private static final String TAG = "MachineTest";

    //设置状态改变标志常量
    public static final int MSG_WAKEUP = 1; // 消息：醒
    public static final int MSG_TIRED = 2; // 消息：困
    public static final int MSG_HUNGRY = 3; // 消息：饿
    private static final int MSG_HALTING = 4; // 状态机暂停消息

    //创建状态
    private State mBoringState = new BoringState();// 默认状态
    private State mWorkState = new WorkState(); // 工作
    private State mEatState = new EatState(); // 吃
    private State mSleepState = new SleepState(); // 睡

    /**
     * 构造方法
     *
     * @param name
     */
    PersonStateMachine(String name) {
        super(name);
        //加入状态，初始化状态
        addState(mBoringState, null);
        addState(mSleepState, mBoringState);
        addState(mWorkState, mBoringState);
        addState(mEatState, mBoringState);

        // sleep状态为初始状态
        setInitialState(mSleepState);
    }

    /**
     * @return 创建启动person 状态机
     */
    public static PersonStateMachine makePerson() {
        PersonStateMachine person = new PersonStateMachine("Person");
        person.start();
        return person;
    }


    @Override
    protected void onHalting() {
        synchronized (this) {
            this.notifyAll();
        }
    }


    /**
     * 定义状态:无聊
     */
    class BoringState extends State {
        @Override
        public void enter() {
            Log.e(TAG, "############ enter Boring ############");
        }

        @Override
        public void exit() {
            Log.e(TAG, "############ exit Boring ############");
        }

        @Override
        public boolean processMessage(Message msg) {
            Log.e(TAG, "BoringState  processMessage.....");
            return true;
        }
    }

    /**
     * 定义状态:睡觉
     */
    class SleepState extends State {
        @Override
        public void enter() {
            Log.e(TAG, "############ enter Sleep ############");
        }

        @Override
        public void exit() {
            Log.e(TAG, "############ exit Sleep ############");
        }

        @Override
        public boolean processMessage(Message msg) {
            Log.e(TAG, "SleepState  processMessage.....");
            switch (msg.what) {
                // 收到清醒信号
                case MSG_WAKEUP:
                    Log.e(TAG, "SleepState  MSG_WAKEUP");
                    // 进入工作状态
                    transitionTo(mWorkState);
                    //...
                    //...
                    //发送饿了信号...
                    sendMessage(obtainMessage(MSG_HUNGRY));
                    break;
                case MSG_HALTING:
                    Log.e(TAG, "SleepState  MSG_HALTING");

                    // 转化到暂停状态
                    transitionToHaltingState();
                    break;
                default:
                    return false;
            }
            return true;
        }
    }


    /**
     * 定义状态:工作
     */
    class WorkState extends State {
        @Override
        public void enter() {
            Log.e(TAG, "############ enter Work ############");
        }

        @Override
        public void exit() {
            Log.e(TAG, "############ exit Work ############");
        }

        @Override
        public boolean processMessage(Message msg) {
            Log.e(TAG, "WorkState  processMessage.....");
            switch (msg.what) {
                // 收到 饿了 信号
                case MSG_HUNGRY:
                    Log.e(TAG, "WorkState  MSG_HUNGRY");
                    // 吃饭状态
                    transitionTo(mEatState);
                    //...
                    //...
                    // 发送累了信号...
                    sendMessage(obtainMessage(MSG_TIRED));
                    break;
                default:
                    return false;
            }
            return true;
        }
    }

    /**
     * 定义状态:吃
     */
    class EatState extends State {
        @Override
        public void enter() {
            Log.e(TAG, "############ enter Eat ############");
        }

        @Override
        public void exit() {
            Log.e(TAG, "############ exit Eat ############");
        }

        @Override
        public boolean processMessage(Message msg) {
            Log.e(TAG, "EatState  processMessage.....");
            switch (msg.what) {
                // 收到 困了 信号
                case MSG_TIRED:
                    Log.e(TAG, "EatState  MSG_TIRED");
                    // 睡觉
                    transitionTo(mSleepState);
                    //...
                    //...
                    // 发出结束信号...
                    sendMessage(obtainMessage(MSG_HALTING));
                    break;
                default:
                    return false;
            }
            return true;
        }

    }
}

1.2 PersonStateMachine 使用

// 获取 状态机引用
PersonStateMachine personStateMachine = PersonStateMachine.makePerson();
// 初始状态为SleepState，发送消息MSG_WAKEUP
personStateMachine.sendMessage(PersonStateMachine.MSG_WAKEUP);

SleepState状态收到MSG_WAKEUP消息后，会执行对应状态的processMessage方法
SleepState类中processMessage方法收到MSG_WAKEUP消息后，执行transitionTo(mWorkState)方法，完成状态转换。转换到WorkState状态。

1.3 案例简单说明

几种状态的依赖关系如下：

Spring 状态机知乎状态机框架 java_Spring 状态机知乎

构造方法中，添加所有状态，并设置初始状态：

PersonStateMachine(String name) {
    super(name);
    //加入状态，初始化状态
    addState(mBoringState, null);
    addState(mSleepState, mBoringState);
    addState(mWorkState, mBoringState);
    addState(mEatState, mBoringState);
    
    // sleep状态为初始状态
    setInitialState(mSleepState);
}

通过以下方法，创建并启动状态机：

public static PersonStateMachine makePerson() {
    PersonStateMachine person = new PersonStateMachine("Person");
    person.start();
    return person;
}

1.4 案例源码下载

Android_StateMachine案例地址

二、实现原理

在 StateMachine中，开启了一个线程HandlerThread，其对应的Handler为SmHandler。因此上文案例中对应状态的 processMessage(Message msg)方法，均在HandlerThread线程中执行。

2.1 从`StateMachine`的构造方法说起：

protected StateMachine(String name) {
    // 创建 HandlerThread
    mSmThread = new HandlerThread(name);
    mSmThread.start();
    // 获取HandlerThread对应的Looper
    Looper looper = mSmThread.getLooper();
    // 初始化 StateMachine
    initStateMachine(name, looper);
}

StateMachine的构造方法中，创建并启动了一个线程HandlerThread；
initStateMachine方法中，创建了HandlerThread线程对应的Handler SmHandler

private void initStateMachine(String name, Looper looper) {
    mName = name;
    mSmHandler = new SmHandler(looper, this);
}

SmHandler构造方法中，向状态机中添加了两个状态：一个状态为状态机的暂停状态mHaltingState、一个状态为状态机的退出状态mQuittingState

private SmHandler(Looper looper, StateMachine sm) {
    super(looper);
    mSm = sm;

    // 添加状态：暂停 和 退出
    // 这两个状态 无父状态
    addState(mHaltingState, null);
    addState(mQuittingState, null);
}

mHaltingState状态，顾名思义让状态机暂停，其对应的processMessage(Message msg)方法，返回值为true，将消息消费掉，但不处理消息。从而使状态机状态停顿到mHaltingState状态
mQuittingState状态，若进入该状态，状态机将退出。HandlerThread线程对应的Looper将退出，HandlerThread线程会被销毁，所有加入到状态机的状态被清空。

2.2 状态机的start() 方法

状态机的初始化说完，下边来说状态机的启动方法start()

public void start() {
    // mSmHandler can be null if the state machine has quit.
    SmHandler smh = mSmHandler;
    // StateMachine 未进行初始化，为什么不抛出一个异常
    if (smh == null) {
        return;
    }
    // 完成状态机建设
   smh.completeConstruction();
}

从以上代码可以看到，其中只有一个方法completeConstruction()，用于完成状态机的建设。

private final void completeConstruction() {
    int maxDepth = 0;
    // 循环判断所有状态，看看哪一个链最长，得出深度
    for (StateInfo si : mStateInfoHashMap.values()) {
        int depth = 0;
        for (StateInfo i = si; i != null; depth++) {
            i = i.parentStateInfo;
        }
        if (maxDepth < depth) {
            maxDepth = depth;
        }
    }
    // 状态堆栈
    mStateStack = new StateInfo[maxDepth];
    // 临时状态堆栈
    mTempStateStack = new StateInfo[maxDepth];
    // 初始化堆栈
    setupInitialStateStack();

    // 发送初始化完成的消息（消息放入到队列的最前边）
    sendMessageAtFrontOfQueue(obtainMessage(SM_INIT_CMD, mSmHandlerObj));
}

maxDepth是状态机中，最长依赖链的长度。
mStateStack与mTempStateStack为两个用数组实现的堆栈。这两个堆栈的最大长度，即为maxDepth。其用来存储当前活跃状态与当前活跃状态的父状态、父父状态、...等
setupInitialStateStack();完成状态的初始化，将当前的活跃状态放入到mStateStack堆栈中。

下边来具体说setupInitialStateStack();方法中，如何完成栈的初始化。

private final void setupInitialStateStack() {
    // 获取初始状态信息
    StateInfo curStateInfo = mStateInfoHashMap.get(mInitialState);
    //
    for (mTempStateStackCount = 0; curStateInfo != null; mTempStateStackCount++) {
        // 初始状态 放入临时堆栈
        mTempStateStack[mTempStateStackCount] = curStateInfo;
        // 当前状态的 所有父状态 一级级放入堆栈
        curStateInfo = curStateInfo.parentStateInfo;
    }

    // 清空 状态堆栈
    // Empty the StateStack
    mStateStackTopIndex = -1;
    // 临时堆栈 换到 状态堆栈
    moveTempStateStackToStateStack();
}

拿案例中状态来举例，将初始化状态放入 mTempStateStack堆栈中
将初始化状态的父状态、父父状态、父父父状态… 都一一放入到mTempStateStack堆栈中

Spring 状态机知乎状态机框架 java_StateMachine原理_02

然后moveTempStateStackToStateStack()方法中，mTempStateStack出栈，mStateStack入栈，将所有状态信息导入到mStateStack堆栈，并清空mTempStateStack堆栈。

Spring 状态机知乎状态机框架 java_StateMachine举例_03

到这里，初始化基本完成，但我们还落下一部分代码没有说：

// 发送初始化完成的消息（消息放入到队列的最前边）
sendMessageAtFrontOfQueue(obtainMessage(SM_INIT_CMD, mSmHandlerObj));

发送一个初始化完成的消息到SmHandler当中。

下边来看一下SmHandler的handleMessage(Message msg)方法：

public final void handleMessage(Message msg) {

    // 处理消息
    if (!mHasQuit) {
        // 保存传入的消息
        mMsg = msg;
        State msgProcessedState = null;
        // 已完成初始化
        if (mIsConstructionCompleted) {
		// ..
        }
        // 接收到 初始化完成的消息
        else if (!mIsConstructionCompleted
                && (mMsg.what == SM_INIT_CMD) && (mMsg.obj == mSmHandlerObj)) {
            /** Initial one time path. */
            // 初始化完成
            mIsConstructionCompleted = true;
            // 调用堆栈中状态的enter方法，并将堆栈中的状态设置为活跃状态
            invokeEnterMethods(0);
        } else {
		// ..
        }
        // 执行Transition
        performTransitions(msgProcessedState, msg);
    }
}

接收到初始化完成的消息后mIsConstructionCompleted = true;对应的标志位变过来
执行 invokeEnterMethods方法将mStateStack堆栈中的所有状态设置为活跃状态，并由父—>子的顺序，执行堆栈中状态的enter()方法
performTransitions(msgProcessedState, msg);在start()时，其中的内容全部不执行，因此先不介绍。

invokeEnterMethods方法的方法体如下：

private final void invokeEnterMethods(int stateStackEnteringIndex) {
    for (int i = stateStackEnteringIndex; i <= mStateStackTopIndex; i++) {
        if (mDbg) mSm.log("invokeEnterMethods: " + mStateStack[i].state.getName());
        mStateStack[i].state.enter();
        mStateStack[i].active = true;
    }
}

可以看到，其将mStateStack堆栈中的所有状态设置为活跃状态，并由父—>子的顺序，执行堆栈中状态的enter()方法

到此start()完成，最终mStateStack堆栈状态，也如上图所示。

2.3 状态转化

还是拿案例中的代码举例：

// 获取 状态机引用
PersonStateMachine personStateMachine = PersonStateMachine.makePerson();
// 初始状态为SleepState，发送消息MSG_WAKEUP
personStateMachine.sendMessage(PersonStateMachine.MSG_WAKEUP);

通过调用sendMessage(PersonStateMachine.MSG_WAKEUP);方法，向SmHandler中发送一个消息，来触发状态转化。
可以说 sendMessage(PersonStateMachine.MSG_WAKEUP);消息，为状态转化的导火索。

下边，再次看一下SmHandler的handleMessage(Message msg)方法：

public final void handleMessage(Message msg) {
    // 处理消息
    if (!mHasQuit) {
        // 保存传入的消息
        mMsg = msg;
        State msgProcessedState = null;
        // 已完成初始化
        if (mIsConstructionCompleted) {
            // 处理消息的状态
            msgProcessedState = processMsg(msg);
        }
        // 接收到 初始化完成的消息
        else if (!mIsConstructionCompleted
                && (mMsg.what == SM_INIT_CMD) && (mMsg.obj == mSmHandlerObj)) {
            // 初始化完成
            mIsConstructionCompleted = true;
            // 调用堆栈中状态的enter方法，并将堆栈中的状态设置为活跃状态
            invokeEnterMethods(0);
        } else {
            throw new RuntimeException("StateMachine.handleMessage: "
                    + "The start method not called, received msg: " + msg);
        }
        // 执行Transition
        performTransitions(msgProcessedState, msg);
    }
}

因为初始化已经完成，代码会直接走到processMsg(msg);方法中。

我们来看processMsg(msg);方法：

private final State processMsg(Message msg) {
    // 堆栈中找到当前状态
    StateInfo curStateInfo = mStateStack[mStateStackTopIndex];
    // 是否为退出消息
    if (isQuit(msg)) {
        // 转化为退出状态
        transitionTo(mQuittingState);
    } else {
        // 状态返回true 则是可处理此状态
        // 状态返回false 则不可以处理
        while (!curStateInfo.state.processMessage(msg)) {
            // 当前状态的父状态
            curStateInfo = curStateInfo.parentStateInfo;
            // 父状态未null
            if (curStateInfo == null) {
                // 回调到未处理消息方法中
                mSm.unhandledMessage(msg);
                break;
            }
        }
    }
    // 消息处理后，返回当前状态信息
    // 如果消息不处理，则返回其父状态处理，返回处理消息的父状态
    return (curStateInfo != null) ? curStateInfo.state : null;
}

代码会直接走到while (!curStateInfo.state.processMessage(msg)) 执行mStateStack堆栈中，最上层状态的 processMessage(msg)方法。案例中这个状态为SleepState
这里
如果mStateStack堆栈中状态的processMessage(msg)方法返回true，则表示其消费掉了这个消息；
如果其返回false，则表示不消费此消息，那么该消息将继续向其父状态进行传递；
最终将返回，消费掉该消息的状态。

这里，堆栈对上层的状态为SleepState。所以我们看一下其对应的processMessage(msg)方法。

public boolean processMessage(Message msg) {
    switch (msg.what) {
        // 收到清醒信号
        case MSG_WAKEUP:
            // 进入工作状态
            transitionTo(mWorkState);
            //...
            //...
            //发送饿了信号...
            sendMessage(obtainMessage(MSG_HUNGRY));
            break;
        case MSG_HALTING:
		// ...
            break;
        default:
            return false;
    }
    return true;
}

在SleepState状态的processMessage(Message msg)方法中，其收到MSG_WAKEUP消息后，会调用transitionTo(mWorkState);方法，将目标状态设置为mWorkState。

我们看一下transitionTo(mWorkState);方法：

private final void transitionTo(IState destState) {
    mDestState = (State) destState;
}

可以看到，transitionTo(IState destState)方法，只是一个简单的状态赋值。

下边我们回到SmHandler的handleMessage(Message msg)方法：

代码会执行到SmHandler.handleMessage(Message msg)的performTransitions(msgProcessedState, msg);方法之中。
而这里我们传入的参数msgProcessedState为mSleepState。

private void performTransitions(State msgProcessedState, Message msg) {
    // 当前状态
    State orgState = mStateStack[mStateStackTopIndex].state;
	// ...
    // 目标状态
    State destState = mDestState;
    if (destState != null) {
        while (true) {
            // 目标状态 放入temp 堆栈
            // 目标状态的 父状态 作为参数 传入下一级
            StateInfo commonStateInfo = setupTempStateStackWithStatesToEnter(destState);
            // commonStateInfo 状态的子状态全部退栈
            invokeExitMethods(commonStateInfo);
            // 目标状态入栈
            int stateStackEnteringIndex = moveTempStateStackToStateStack();
            // 入栈状态 活跃
            invokeEnterMethods(stateStackEnteringIndex);
		    //...
            moveDeferredMessageAtFrontOfQueue();

            if (destState != mDestState) {
                // A new mDestState so continue looping
                destState = mDestState;
            } else {
                // No change in mDestState so we're done
                break;
            }
        }
        mDestState = null;
    }
	// ...
}

以上方法中传入的参数msgProcessedState为mSleepState
方法中destState目标状态为 mWorkState

此时此刻performTransitions(State msgProcessedState, Message msg)方法中内容的执行示意图如下：

A 目标状态放入到mTempStateStack队列中

// 目标状态 放入temp 堆栈
// 目标状态的 父状态 作为参数 传入下一级
StateInfo commonStateInfo = setupTempStateStackWithStatesToEnter(destState);

1、将WorkState状态放入到mTempStateStack堆栈中
2、将WorkState状态的非活跃父状态一一入mTempStateStack堆栈
3、因为WorkState状态的父状态为BoringState，是活跃状态，因此只将WorkState放入到mTempStateStack堆栈中
4、返回活跃的父状态BoringState

以上代码的执行示意图如下：

Spring 状态机知乎状态机框架 java_Spring 状态机知乎_04

B `commonStateInfo`状态在`mStateStack`堆栈中的子状态退堆栈

commonStateInfo为setupTempStateStackWithStatesToEnter(destState);方法的返回参数。这里是BoringState

// commonStateInfo 状态的子状态全部退栈
invokeExitMethods(commonStateInfo);

1、BoringState作为参数传入到invokeExitMethods(commonStateInfo);方法中
2、其方法内容为，将BoringState状态的全部子状态退堆栈

以上代码的执行示意图如下：

Spring 状态机知乎状态机框架 java_Android状态机_05

C `mTempStateStack`全部状态出堆栈，`mStateStack`入堆栈

// 目标状态入栈
int stateStackEnteringIndex = moveTempStateStackToStateStack();
// 入栈状态 活跃
invokeEnterMethods(stateStackEnteringIndex);

moveTempStateStackToStateStack方法中：mTempStateStack全部状态出堆栈，mStateStack入堆栈
invokeEnterMethods(stateStackEnteringIndex);方法中，将新加入的状态设置为活跃状态；并调用其对应的enter()方法。

最终的堆栈状态为：

Spring 状态机知乎状态机框架 java_StateMachine源码_06

到此StateMachine的源码讲解完成。

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