Java 中的有限状态机

简介

在软件开发中，我们经常会遇到一些具有不同状态且状态之间存在特定转换逻辑的系统。有限状态机（Finite State Machine，FSM）是处理这类问题的强大工具。在 Java 中，实现有限状态机可以帮助我们更清晰、高效地管理复杂的状态逻辑。本文将深入探讨 Java 中有限状态机的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践。

基础概念

有限状态机是一种计算模型，它具有以下几个关键要素： - 状态（States）：表示系统在某一时刻的状况。例如，在一个电梯系统中，状态可以是“上升”、“下降”、“停止”。 - 转换（Transitions）：定义了从一个状态到另一个状态的条件和动作。例如，当电梯到达目标楼层时，从“上升”状态转换到“停止”状态。 - 输入（Inputs）：触发状态转换的外部事件或信号。在电梯系统中，按下楼层按钮就是一个输入。 - 输出（Outputs）：状态转换时可能产生的动作或结果。比如电梯到达目标楼层时，打开电梯门就是一个输出。

使用方法

简单实现

下面是一个简单的有限状态机示例，用于模拟交通信号灯。

public class TrafficLightFSM {
    private enum State {
        RED, GREEN, YELLOW
    }

    private State currentState = State.RED;

    public void changeState() {
        switch (currentState) {
            case RED:
                currentState = State.GREEN;
                System.out.println("The light is now green.");
                break;
            case GREEN:
                currentState = State.YELLOW;
                System.out.println("The light is now yellow.");
                break;
            case YELLOW:
                currentState = State.RED;
                System.out.println("The light is now red.");
                break;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TrafficLightFSM trafficLight = new TrafficLightFSM();
        trafficLight.changeState();
        trafficLight.changeState();
        trafficLight.changeState();
    }
}

基于枚举的实现

使用枚举可以更清晰地定义状态和转换逻辑。

public class EnumBasedFSM {
    private enum State {
        STATE_A {
            @Override
            public State next() {
                return STATE_B;
            }
        },
        STATE_B {
            @Override
            public State next() {
                return STATE_C;
            }
        },
        STATE_C {
            @Override
            public State next() {
                return STATE_A;
            }
        };

        public abstract State next();
    }

    private State currentState = State.STATE_A;

    public void transition() {
        currentState = currentState.next();
        System.out.println("Current state: " + currentState);
    }

    public static void main(String[] args) {
        EnumBasedFSM fsm = new EnumBasedFSM();
        fsm.transition();
        fsm.transition();
        fsm.transition();
    }
}

常见实践

状态驱动的业务逻辑

在电商系统中，订单状态可以用有限状态机管理。例如，订单有“创建”、“支付中”、“已支付”、“发货中”、“已发货”等状态。状态之间的转换由用户操作（如支付）或系统事件（如库存更新）触发。

解析器中的应用

在语法解析器中，有限状态机可以帮助识别不同的语法结构。例如，在一个简单的数学表达式解析器中，状态可以表示解析到的字符类型（数字、运算符等），输入是读取的字符，通过状态转换来判断表达式是否合法。

最佳实践

状态模式与有限状态机

结合状态模式可以使代码更加模块化和可维护。状态模式将每个状态封装成一个独立的类，每个类负责处理该状态下的行为和转换逻辑。

// 状态接口
interface OrderState {
    void handle(Order order);
}

// 具体状态类
class CreatedState implements OrderState {
    @Override
    public void handle(Order order) {
        // 处理创建状态的逻辑
        System.out.println("Order is created.");
        order.setState(new ProcessingState());
    }
}

class ProcessingState implements OrderState {
    @Override
    public void handle(Order order) {
        // 处理处理中状态的逻辑
        System.out.println("Order is processing.");
        order.setState(new CompletedState());
    }
}

class CompletedState implements OrderState {
    @Override
    public void handle(Order order) {
        // 处理完成状态的逻辑
        System.out.println("Order is completed.");
    }
}

// 订单类
class Order {
    private OrderState state;

    public Order() {
        state = new CreatedState();
    }

    public void setState(OrderState state) {
        this.state = state;
    }

    public void process() {
        state.handle(this);
    }
}

public class StatePatternFSM {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = new Order();
        order.process();
        order.process();
        order.process();
    }
}

代码结构与维护

为了提高代码的可读性和可维护性，建议将状态定义、转换逻辑和相关的业务操作分开。可以使用接口和抽象类来组织代码，使不同状态的实现相互独立，便于扩展和修改。

小结

有限状态机在 Java 中是一种强大的工具，用于管理复杂的状态逻辑。通过理解基础概念、掌握不同的实现方法、了解常见实践和遵循最佳实践，我们可以在各种应用场景中高效地使用有限状态机，提高代码的质量和可维护性。

参考资料

Wikipedia - Finite-state machine
《Effective Java》by Joshua Bloch
Oracle Java Tutorials