有限状态机(FSM)的Java 演示

本文从简单的例子入手，逐步演变成非常复杂的程序。

在简明状态模式（5.8）中，状态之间的变换由外界控制，或者说，多种状态是分割的、无关的。状态模式最有趣的地方正是讨论其状态的变迁。

1.引子

空调(air-condition)的遥控器有两个按钮(更多的按钮在后面的例子中引入)，power/电源键和cool/制冷键。空调的运行呈现3个状态，停止/Off、仅送风/FanOnly、制冷/Cool。起始状态为Off，状态变化图如下所示。

这是简化的有限状态机(Finite State Machine、FSM或者Finite State Automata)图形，使用了状态图的3个元素：①气泡，表示状态(state)；②连接状态的箭头表示转换（transition）；③箭头上的标记前者为事件(event)。

状态的转换，看图说话。按power键，则Off→FanOnly、Cool→Off等；按cool，则Off→Off (没有画出来，喜欢全面一点就自己画吧)。

对于这种简单的状态的转换，yqj2065还是喜欢分支语句。，简洁明快。

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例程 4-5 简洁明快
package property.state.stateMachine;
import static tool.Print.*;//pln
/**
* 空调Aircon。简单的模型：
* 遥控器有两个按钮(更多的按钮在下面的例子中引入)，power电源键和cool制冷键。
* 空调的运行呈现3个状态，停止/Off、仅送风/FanOnly、制冷/Cool。
* 起始状态为Off
* @author (yqj2065)
* @version 0.1
*/
public class Aircon0{
// off，FanOnly，AC
private int state=0;//起始状态为Off
public int getState(){return state;}
//两个Action
public void power(){//按power键
if(state==0){//off
state=1;
pln("start Fan");
}else if(state==1){//FanOnly
state=0;
pln("stop Fan");
}else{
state=0;
pln("stop Cool");
}
}
public void cool(){//按制冷键
if(state==0){//off
pln("nothing");
}else if(state==1){//FanOnly
state=2;
pln("start Cool");
}else{
state=1;
pln("stop Cool");
}
}
}
package property.state.stateMachine;
public class ACCtrl{
public static void test(){
Aircon0 ac = new Aircon0();//power() cool()
System.out.println("Current State:" + ac.getState());
ac.cool();
ac.power();
ac.cool();
ac.cool();
ac.power();
ac.power();
}
}

测试代码的输出：

Current State:0
nothing
start Fan
start Cool
stop Cool
stop Fan
start Fan

在此基础上，可以花10分钟练习一下，采用状态模式修改上述代码。我们使用enum 编写状态类层次。其结构如下：

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例程 4 6 enum State
enum State0{
OFF{
@Override void power(){
}
@Override void power(){
}
},FANONLY{
},
COOL{ };
public abstract void power();
public abstract void cool();
}

(本来是应该将State1作为Aircon1的内部类的。放在外边，power()等需要添加参数Aircon1，变为power(Aircon1 ac)).

现在，丰富有限状态机的细节，增添④动作(action)，如事件(event)相应的动作和状态的动作。

为此，在enum State1中，除了状态模式提取的接口外，添加了状态机的各种动作/action methode
void entry(Aircon1 ac){pln("→"+ac.state.name());}
void exit(Aircon1 ac){p(ac.state.name()+"→ ");}
void startCool(){ p("start Cool"); }
void stopCool(){ p("stop Cool"); }
void startFan(){ p("start Fan"); }
void stopFan(){ p("stop Fan"); }

每个power(Aircon1 ac)、cool(Aircon1 ac)的方法体结构都是：

this.exit(ac);
//如果有的话，事件(event)相应的动作，如stopFan();
ac.state =OFF; //下一个状态
ac.state.entry(ac);

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package property.state.stateMachine;
import static tool.Print.*;//pln
/**
* 本来是应该将State1作为Aircon1的内部类的。现在放在外边，
* power()等需要变为power(Aircon1 ac)
*/
public enum State1{
OFF{
@Override void exit(Aircon1 ac){super.exit(ac);startFan();}
@Override void power(Aircon1 ac){
this.exit(ac);
ac.state =FANONLY;
ac.state.entry(ac);
}
@Override void cool(Aircon1 ac){
pln("nothing");
}
},FANONLY{
@Override void power(Aircon1 ac){
this.exit(ac);
stopFan();
ac.state =OFF;
ac.state.entry(ac);
}
@Override void cool(Aircon1 ac){
this.exit(ac);
ac.state =COOL;
ac.state.entry(ac);
}
},
COOL{
@Override void exit(Aircon1 ac){super.exit(ac);stopCool();}
@Override void entry(Aircon1 ac){startCool();super.entry(ac);}
@Override void power(Aircon1 ac){
this.exit(ac);
stopFan();
ac.state =OFF;
ac.state.entry(ac);
}
@Override void cool(Aircon1 ac){
this.exit(ac);
ac.state =FANONLY;
ac.state.entry(ac);
}
};
//状态模式提取的接口
abstract void power(Aircon1 ac);
abstract void cool(Aircon1 ac);
//状态机的各种动作action methode
void entry(Aircon1 ac){pln("→"+ac.state.name());}
void exit(Aircon1 ac){p(ac.state.name()+"→ ");}
void startCool(){ p("start Cool"); }
void stopCool(){ p("stop Cool"); }
void startFan(){ p("start Fan"); }
void stopFan(){ p("stop Fan"); }
}

空调Aircon1的修改版本。

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package property.state.stateMachine;
import static tool.Print.*;//pln
/**
* 空调Aircon1。使用状态模式重构Aircon0，使用enum State1编写状态类层次。
* @author (yqj2065)
* @version 0.1
*/
public class Aircon1{
State1 state= State1.OFF;//private改默认，删除getState()。
//两个Action
public void power(){//按power键
state.power(this);
}
public void cool(){//按制冷键
state.cool(this);
}
/**
* ACCtrl的代码。
*/
public static void test(){
Aircon1 ac = new Aircon1();
System.out.println("Current State:" + ac.state.name());
ac.cool();
ac.power();
ac.cool();
ac.cool();
ac.power();
ac.power();
ac.power();
}
}

对应测试操作的输出：“OFF→”表示离开OFF状态，而“→FANONLY”...

Current State:OFF
nothing
OFF→ start Fan→FANONLY
FANONLY→ start Cool→COOL
COOL→ stop Cool→FANONLY
FANONLY→ stop Fan→OFF
OFF→ start Fan→FANONLY
FANONLY→ stop Fan→OFF

2.分层状态机

对于状态较多的状态机，通常将具有许多公共的特性的状态合并到一起。例如FANONLY和COOL构成的Running状态。

状态机中的hierarchical states，我们可以使用组合模式处理。（还没有单独写组合模式，）。但是，又不一定能够完美地使用组合模式，例如Running到Off，所有的Running的内部状态在PoverEvent时都转化到OFF，很好；OFF到Running，不是所有Running的内部状态都要调用其entry。在使用enum(不好搞类层次)时，使用责任链吧。

楼主画图中、考虑更多按钮中....

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Rainbow Chang

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