Java实现有限状态机的推荐方案分享

更新时间：2021年11月17日 10:33:43 作者：明明如月学长

有限状态机又称有限状态自动机,简称状态机,是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型,这篇文章主要给大家介绍了关于Java实现有限状态机的推荐方案,需要的朋友可以参考下

一、背景

平时工作开发过程中，难免会用到状态机（状态的流转）。

如奖学金审批流程、请假审批流程、竞标流程等，都需要根据不同行为转到不同的状态。

下面是一个简单的模拟状态机：

有些同学会选择将状态定义为常量，使用 if else 来流转状态，不太优雅。

有些同学会考虑将状态定义为枚举。

但是定义为枚举之后，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:
               throw new IllegalStateException("当前已终态");
        }

    }

    /**
     * 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;
        }
    }
}

上面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) 总感觉使用 switch-case 实现状态流转，更多的是面向过程的产物。虽然可以实现功能，但没那么“面向对象”，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直观一些。

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() {
             throw new IllegalStateException("当前已终态");
        }

        @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 != State.STATE_D);


        // 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_B approved ->STATE_C
STATE_C reject ->STATE_A
STATE_D reject ->STATE_A

本质上通过不同的方法调用实现自身的流转，而且赞同和拒绝定义为抽象类，可以“强迫”让状态的定义方明确自己的状态流转。

整体逻辑比较内聚，状态的定义和流转都在 State 类中完成。

2.2 外部枚举

假如该枚举是外部提供，只提供枚举常量的定义，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:
            throw new IllegalStateException("当前已经是终态");
        }

    }

    /**
     * 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，每个状态都应该维护赞同和拒绝后的下一个状态。

因此，我们很容易会联想到使用【链表】来存储这种关系。

由于这里是外部枚举，无法将状态流转在枚举内部完成（定义），就意味着我们还需要自定义状态节点来表示流转，如：

import lombok.Data;

@Data
public class StateNode<T> {

    private T state;

    private StateNode<T> approveNode;

    private StateNode<T> rejectNode;
}

这样构造好链表以后，还需在工具类中要构造 State 到 StateNode 的映射（因为对于外部来说，只应该感知 State 类，不应该再去理解 StateNode ) , 提供赞同和拒绝方法，内部通过拿到赞同和拒绝对应的 StateNode 之后拿到对应的 State 返回即可。

伪代码如下：

public class StateUtils{

// 构造 StateNode 链表，和构造 cache Map 略
private Map<State, StateNode<State>> cache ;

	public State getApproveState(State current){
		StateNode<State> node = cache.get(current);
		return node == null? null: return node.getApproveNode().getState();
	}

public State getRejectState(State current){
		StateNode<State> node = cache.get(current);
		return node == null? null: return node.getRejectNode().getState();
	}

}

整体比较曲折，不如直接将赞同和拒绝定义在 State 枚举内更直观。

下面给出一种 “状态链模式” 的解决方案。

赞同和拒绝底层分别使用两个 Map 存储。

为了更好地表达每次状态的方向（即 Map 中的 key 和 value），每一个映射定义为 from 和 to 。

为了避免只有 from 没有 to ，定义一个中间类型 SemiData，只有调用 to 之后才可以继续链式编程下去，最终构造出状态链。

以下结合 Map 的数据结构，结合升级版的 Builder 设计模式，实现链式编程：

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) {
         State next = APPROVE.getNextState(currentState);
         if(next == null){
            throw new IllegalStateException("当前已经终态");
         }
         return next;
    }

    /**
     * 拒绝后的状态
     */
    public static State getRejectedState(State currentState) {
        State next =  REJECT.getNextState(currentState);
         if(next == null){
            throw new IllegalStateException("当前状态不支持驳回");
         }
         return next;
    }
}

测试方法

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 = StateUtils.getApprovedState(state);
            System.out.println(state + "-> approved:" + approvedState);
            state = approvedState;
        } while (state != State.STATE_D);
        
        System.out.println("-------");

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

输出结果

STATE_A-> approved:STATE_B
STATE_B-> approved:STATE_C
STATE_C-> approved:STATE_D
----
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，实现每个链的状态各自流转。而且性能非常好。

巧妙地将状态的转换定义和 Map 的定义合二为一，既能够表意（from,to 比较明确），又能获得很好的性能（获取赞同和拒绝后的状态转化为
通过 key 取 Map 中的 value ），还有不错的编程体验（链式编程）。

以上只是 DEMO，实际编码时，可自行优化。

可能还有一些开源的包提供状态机的功能，但核心原理大同小异。

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。

到此这篇关于Java实现有限状态机的推荐方案的文章就介绍到这了,更多相关Java实现有限状态机内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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