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Java 实现有限状态机的推荐方案

JAVA 状态
2023-03-14 22:57:33 时间

一、背景

平时工作开发过程中，难免会用到状态机，即状态的流转。

下面是一个简单的模拟状态机：

有些同学会定义为常量，使用 if else 来流转状态，不太优雅。

有些同学会定义为枚举，大多数同学会选择使用 switch 来流转状态：

import lombok.Getter;

public enum State {

    STATE_A("A"),
    STATE_B("B"),
    STATE_C("C"),
    STATE_D("D");

    @Getter
    private final String value;

    State(String value) {
        this.value = value;
    }

    public static State getByValue(String value) {
        for (State state : State.values()) {
            if (state.getValue().equals(value)) {
                return state;
            }
        }
        return null;
    }

    /**
     * 批准后的状态
     */
    public static State getApprovedState(State currentState) {
        switch (currentState) {
            case STATE_A:
                return STATE_B;
            case STATE_B:
                return STATE_C;
            case STATE_C:
                return STATE_D;
            case STATE_D:
            default:
                return null;
        }

    }

    /**
     * 拒绝后的状态
     */
    public static State getRejectedState(State currentState) {
        switch (currentState) {
            case STATE_A:
                throw new IllegalStateException("当前状态不支持拒绝");
            case STATE_B:
            case STATE_C:
            case STATE_D:
            default:
                return STATE_A;
        }
    }
}

这种写法有几个弊端：

（1） getByValue 每次获取枚举值都要循环一次当前枚举的所有常量，时间复杂度是 O(N)，虽然耗时非常小，但总有些别扭，作为有追求的程序员，应该尽量想办法优化掉。

(2)没那么“面向对象”，没那么直观，既然 State 枚举就是用来表示状态，如果同意和拒绝可以通过 State 对象的方法获取就会更优雅一些。

二、推荐方式

2.1 自定义的枚举

通常状态流转有两种方向，一种是赞同，一种是拒绝，分别流向不同的状态。

由于是本文讨论的是有限状态，我们可以将状态定义为枚举比较契合，除非初态和终态，否则赞同和拒绝都会返回一个状态。

下面只是一个DEMO， 实际编码时可以自由发挥。

该 Demo 的好处是：

1 使用 CACHE缓存，避免每次通过 value 获取 State都循环 State 枚举数组 2 定义【同意】和【拒绝】抽象方法，每个 State 通过实现该方法来流转状态。 3 状态的定义和转换都收拢在一个枚举中，更容易维护

虽然代码看似更多一些，但是更“面向对象”一些。

package basic;

import lombok.Getter;

import java.util.Arrays;
import java.util.Map;
import java.util.function.Function;
import java.util.stream.Collectors;

public enum State {
    /**
     * 定义状态，并实现同意和拒绝的流转
     */
    STATE_A("A") {
        @Override
        State getApprovedState() {
            return STATE_B;
        }

        @Override
        State getRejectedState() {
            throw new IllegalStateException("STATE_A 不支持拒绝");
        }
    },
    STATE_B("B") {
        @Override
        State getApprovedState() {
            return STATE_C;
        }

        @Override
        State getRejectedState() {
            return STATE_A;
        }
    },
    STATE_C("C") {
        @Override
        State getApprovedState() {
            return STATE_D;
        }

        @Override
        State getRejectedState() {
            return STATE_A;
        }
    },
    STATE_D("D") {
        @Override
        State getApprovedState() {
            return null;
        }

        @Override
        State getRejectedState() {
            return STATE_A;
        }
    };

    @Getter
    private final String value;

    State(String value) {
        this.value = value;
    }

    private static final Map<String, State> CACHE;

    static {
        CACHE = Arrays.stream(State.values()).collect(Collectors.toMap(State::getValue, Function.identity()));
    }

    public static State getByValue(String value) {
        return CACHE.get(value);
    }

    /**
     * 批准后的状态
     */
    abstract State getApprovedState();

    /**
     * 拒绝后的状态
     */
    abstract State getRejectedState();
}

测试代码

package basic;

import static basic.State.STATE_B;

public class StateDemo {
    public static void main(String[] args) {
        State state = State.STATE_A;

        // 一直赞同
        State approvedState;
        do {
            approvedState = state.getApprovedState();
            System.out.println(state + "-> approved:" + approvedState);
            state = approvedState;
        } while (state != null);


        // 获取某个状态的赞同和拒绝后的状态
        System.out.println("STATE_B approved ->" + STATE_B.getApprovedState());
        System.out.println("STATE_C reject ->" + State.getByValue("C").getRejectedState());
        System.out.println("STATE_D reject ->" + State.getByValue("D").getRejectedState());
    }
}

输出结果：

STATE_A-> approved:STATE_B STATE_B-> approved:STATE_C STATE_C-> approved:STATE_D STATE_D-> approved:null STATE_B approved ->STATE_C STATE_C reject ->STATE_A STATE_D reject ->STATE_A

2.2 外部枚举

假如该枚举是外部提供，只提供枚举本身，不提供状态流转，怎么办？

我们依然可以采用 switch 的方式实现状态流转:

import static basic.State.*;

public class StateUtils {
    /**
     * 批准后的状态
     */
    public static State getApprovedState(State currentState) {
        switch (currentState) {
            case STATE_A:
                return STATE_B;
            case STATE_B:
                return STATE_C;
            case STATE_C:
                return STATE_D;
            case STATE_D:
            default:
                return null;
        }

    }

    /**
     * 拒绝后的状态
     */
    public static State getRejectedState(State currentState) {
        switch (currentState) {
            case STATE_A:
                throw new IllegalStateException("当前状态不支持拒绝");
            case STATE_B:
            case STATE_C:
            case STATE_D:
            default:
                return STATE_A;
        }
    }
}

还有更通用、更容易理解的编程方式呢（不用 switch）？

状态机的每次转换是一个 State 到另外一个 State 的映射，每次获取下一个状态都是传如当前状态。

因此我们可以联想到使用 Map 来存储这种映射 。

可以使用 链表来维护这种关系（实现略）：

import lombok.Data;

@Data
public class StateNode<T> {

    private T state;

    private StateNode<T> approveState;

    private StateNode<T> rejectState;
}

本文使用 Map 来实现，赞同和拒绝分别使用两个 Map 存储。

为了更好地表达状态的转换，每一个映射定义为 from 和 to 。

以下结合 Map 的数据结构，结合链式编程，给出一个解决方案：

package basic;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class StateChain<T> {

    private final Map<T, T> chain;

    private StateChain(Map<T, T> chain) {
        this.chain = chain;
    }


    public T getNextState(T t) {
        return chain.get(t);
    }

    public static <V> Builder<V> builder() {
        return new Builder<V>();
    }


    static class Builder<T> {

        private final Map<T, T> data = new HashMap<>();


        public SemiData<T> from(T state) {
            return new SemiData<>(this, state);
        }


        public StateChain<T> build() {
            return new StateChain<T>(data);
        }

        public static class SemiData<T> {
            private final T key;
            private final Builder<T> parent;

            private SemiData(Builder<T> builder, T key) {
                this.parent = builder;
                this.key = key;
            }

            public Builder<T> to(T value) {
                parent.data.put(key, value);
                return parent;
            }
        }
    }

}

使用案例：

package basic;

import static basic.State.*;

public class StateUtils {

    private static final StateChain<State> APPROVE;
    private static final StateChain<State> REJECT;

    static {
        APPROVE = StateChain.<State>builder().from(STATE_A).to(STATE_B).from(STATE_B).to(STATE_C).from(STATE_C).to(STATE_D).build();
        
        REJECT = StateChain.<State>builder().from(STATE_B).to(STATE_A).from(STATE_C).to(STATE_A).from(STATE_D).to(STATE_A).build();
    }

    /**
     * 批准后的状态
     */
    public static State getApprovedState(State currentState) {
        return APPROVE.getNextState(currentState);
    }

    /**
     * 拒绝后的状态
     */
    public static State getRejectedState(State currentState) {
        return REJECT.getNextState(currentState);
    }
}

输出结果

STATE_A-> approved:STATE_B STATE_B-> approved:STATE_C STATE_C-> approved:STATE_D STATE_D-> approved:null STATE_B approved ->STATE_C STATE_C reject ->STATE_A STATE_D reject ->STATE_A

这种方式更加灵活，可定义多条状态链，实现状态的流转。

以上只是 DEMO，实际编码时，可自行优化。

三、总结

本文结合自己的理解，给出一种推荐的有限状态机的写法。

给出了自有状态枚举和外部状态枚举的解决方案，希望对大家有帮助。

通过本文，大家也可以看出，简单的问题深入思考，也可以得到不同的解法。

希望大家不要满足现有方案，可以灵活运用所学来解决实践问题。

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