在日常工作过程中，我们经常会遇到状态的变化场景，例如订单状态发生变化，商品状态的变化。这些状态的变化，我们称为有限状态机，缩写为FSM( F State Machine).。之所以称其为有限，是因为这些场景中的状态往往是可以枚举出来的有限个的，所以称其为有限状态机。下面我们来看一个具体的场景例子。

简单场景：
地铁进站闸口的状态有两个：已经关闭、已经开启两个状态。刷卡后闸口从已关闭变为已开启，人通过后闸口状态从已开启变为已关闭。

01 遇到这类问题，在编码时我们应该如何处理呢？

  • 基于Switch
  • 基于状态集合
  • 基于State模式
  • 基于枚举的实现

下面我们针对每一种实现方式进行分析。场景分解后会有一下2种状态4种情况出现：

| Index | State | Event | NextState | Action | |:---:|:----|:----:|:----|:----| 1| 闸机口 LOCKED | 投币 | 闸机口 UN_LOCKED | 闸机口打开闸门| 2| 闸机口 LOCKED | 通过 | 闸机口 LOCKED | 闸机口警告| 3| 闸机口 UN_LOCKED | 投币 | 闸机口 UN _LOCKED | 闸机口退币| 4| 闸机口 UN_LOCKED | 通过 | 闸机口 LOCKED | 闸机口关闭闸门|

针对以上4种请求，共拆分了5个Test Case

T01

Given：一个Locked的进站闸口
When: 投入硬币
Then：打开闸口

T02

Given：一个Locked的进站闸口
When: 通过闸口
Then：警告提示

T03

Given：一个Unocked的进站闸口
When: 通过闸口
Then：闸口关闭

T04

Given：一个Unlocked的进站闸口
When: 投入硬币
Then：退还硬币

T05

Given：一个闸机口
When: 非法操作
Then：操作失败

代码地址:https://gitlab.com/tengbai/fsm-java

项目中共有4中状态机的实现方式。

  • 基于Switch语句实现的有限状态机，代码在master分支
  • 基于State模式实现的有限状态机。代码在state-pattern分支
  • 基于状态集合实现的有限状态机。代码在collection-state分支
  • 基于枚举实现的状态机。代码在enum-state分支

01.01 使用Switch来实现有限状态机

这种方式只需要懂得Java语法及可以实现出来。先看代码，然后我们在讨论这种实现方式是否好。

EntranceMachineTest.java



package



Action.java



public



EntranceMachineState.java



public



InvalidActionException.java



package



EntranceMachine.java



package



if(), swich语句都是switch语句，但是Switch是一种Code Bad Smell，因为它本质上一种重复。当代码中有多处相同的switch时，会让系统变得晦涩难懂，脆弱，不易修改。

上面的代码虽然出现了多层嵌套但是还算是结构简单，不过想通过并不能很清楚闸机口的逻辑还是化点时间。如果闸机口的状态等多一些，那就阅读、理解起来也就更加困难。

所以在日常工作，我遵循“事不过三，三则重构”的原则：

事不过三：
当只有一两个状态（或者重复）时，那么先用最简单的实现实现。
一旦出现三种以及以上的状态（或者重复），立即重构。

01.02 State模式

EntranceMachineTest.java



package



EntranceMachineState.java



package



LockedEntranceMachineState.java



package



UnlockedEntranceMachineState.java



package



Action.java



package



EntranceMachine.java



package



State模式和Proxy模式类似，但是在State模式中EntranceMachineState持有EntranceMachine实例的引用。

我们发现EntranceMachine的execute()方法的逻辑变的简单，但是代码复杂度升高了。因为每个state实例都提供了两个动作实现insertCoin()和pass()。这个地方本人认为并不够表意，因为作出的动作被添加到两个状态上，虽然能够实现业务业务，但是并不利于理解清楚业务意思。

State模式，虽然能够将逻辑进行拆分，但是那些状态的顺序，以及有几种状态，都不是很直观的观察到。

不过在实际业务中，State模式也是一种很好的实现方式，毕竟他避免了switch的堆积问题。

01.03 使用状态集合

状态集合是将一组描述状态变化的事务元素组成的集合。

集合中的每一个元素包含4个属性：当前的状态，事件，下一个状态，触发的动作。

使用时遍历集合根据动作找到特定的元素，并更具元素上的属性和事件来完成业务逻辑。

具体代码如下：

EntranceMachineTest.java



package



Action.java



package



EntranceMachineState.java



package



EntranceMachine.java



package



EntranceMachineTransaction.java



package



Event.java



package



OpenEvent.java



package



AlarmEvent.java



package



CloseEvent.java



package



RefundEvent.java



package



InvalidActionException.java



package



相比于Switch的实现方式，状态集合的实现方式对状态规则的描述更加直观。且扩展性更强，不需求修改实现路基，只需要添加相关的状态描述即可。

我们知道日常工作中读代码和写代码比例在10:1，有些场景下甚至到了20:1。Switch需要我们每次在脑子中组织一次状态的顺序和规则，而集合能够很直观的表达出这个规则。

01.04 使用Enum的来实现状态机

EntranceMachineTest.java



package



EntraceMachine.java



package



Action.java



package



EntranceMachineState.java



package



InvalidActionException.java



package



通过上面的代码，可以发现Action、EntranceMachineState两个枚举的复杂度都提升了。不单单是定义了常量那么简单。还提供了相应的逻辑处理。

在EntranceMachineState.java的提交记录中，对进行了一次重构，将具体业务逻辑执行移动到EntranceMachine中，EntranceMachineState内每种状态的方法中只负责调度。这样能够通过EntranceMachineState相对直观的看清楚做了什么，状态变成了什么。

缺陷就是，EntranceMachine 对外提供了public的setState方法，这也就意味着调用者在将来维护是，很有可能滥用setState方法。

02 总结

通过上面4中对FSM的实现，我们看到每一种是实现都有优点和它的不足。那么在日常工作中，如何选择呢，我个人认为可以遵循一下两个建议：

  1. 遵循Simple Design。如果没有一个外部参考，那么用哪一种都不为过。所以引入一个原则作为参考，可以更好的帮助我们做决定。这里日常工作中我们经常使用Simple Design：通过测试、揭示意图、消除重复、最少元素。并在实现过程中不断重构，代码是重构出来的，而不是一次性的设计出来的。
  2. 在状态机的实现上多做尝试。例子只是一个简单的场景，所以只能看到简单场景下的实现效果，实际业务线上的状态会非常丰富，而且每种状态中可真行的动作也是不同的。所以针对特定场景遇到的问题，多尝试练习思考，练习思考后的经验才是最重要的。