趣谈设计模式 | 状态模式(State)：如何实现游戏中的状态切换？
文章目錄
- 案例：馬里奧積分競賽
- 有限狀態機
- 分支邏輯法
- 查表法
- 狀態模式
- 狀態模式與策略模式
- 總結
- 完整代碼與文檔
案例：馬里奧積分競賽
喜歡馬里奧的小伙伴們都應該知道，前不久馬里奧為了慶祝35周年，推出了一款以多人對抗大逃殺為核心的超級馬里奧兄弟35
此處僅為舉例，并無此開發計劃
由于新穎的游戲模式帶來了巨大的熱度，于是任天堂決定趁熱打鐵，推出一款馬里奧競技游戲，在一定時間內獲得積分最多的玩家將獲得勝利?？紤]到游戲并非正傳，于是任天堂將游戲的開發工作外包給了小明所在的游戲公司來進行制作。
游戲的核心玩法就是在一定時間內獲取最高的積分，為了增加游戲的難度，我們設定只有獲取道具才能夠獲得積分，而一旦遭受傷害就會損失積分，而死亡后積分就會清空。同時為了給落后的玩家反擊的機會，以及給領先的玩家造成壓迫感，玩家死亡后并不會退出游戲，而是積分清空后重新挑戰。
在最初的版本中，我們只開放了蘑菇、太陽花兩種道具，以及簡單的設置了造成傷害的陷阱，于是馬里奧的狀態和行為如下
狀態具有四種，分別是普通馬里奧、超級馬里奧、火焰馬里奧、死亡馬里奧
由于開放的道具不多，所以行為只有獲得蘑菇、獲得太陽花、受到傷害、復活四種。并且不同的行為都會帶來不同的狀態/分數變化。
根據狀態和行為，畫出狀態轉移圖
從上面可以看出，如果我們要實現這些邏輯的轉換，其實就是去實現一個狀態機，為了照顧到不了解狀態機的同學，下面我會簡單的描述一下什么是狀態機
有限狀態機
有限狀態機簡寫為FSM（Finite State Machine），我們通常將其簡稱為狀態機。狀態機由以下三個部分組成：狀態(State)、事件(Event)、動作(Action)，其中事件也被叫做轉移條件(Transition Condition)
狀態機的作用就是根據不同的事件來觸發狀態的轉移以及動作的執行
例如上面提到的馬里奧中的形態轉變，就是一個狀態機。其中馬里奧的不同形態(如超級馬里奧，火焰馬里奧)就是狀態機中的狀態。游戲中觸發的事件(獲得蘑菇、遭受傷害)就是狀態機中的事件。觸發事件后的積分變化就是狀態機的動作。而其中由事件(吃蘑菇)帶來的狀態變化(普通馬里奧變為超級馬里奧)就是狀態轉移。
那么我們如何用代碼來實現上面所說的狀態機呢？下面我會分別介紹三種方法，分別是分支邏輯法、查表法、狀態模式
首先給出一個通用的自動機骨架，我們使用枚舉來表示四種狀態， 同時為狀態機提供觸發事件以及獲取信息的接口，代碼如下
//狀態 enum State {NORMAL, //普通狀態SUPER, //超級狀態FIRE, //火焰狀態DEAD //死亡狀態 };//狀態機 class MarioStateMachine { public:MarioStateMachine(): _score(0), _state(NORMAL){}void getRevive(); //復活void getMushroom(); //獲得蘑菇void getSunFlower(); //獲得太陽花void getHurt(); //受到傷害int getScore() const; //獲取當前分數State getState() const; //獲取當前狀態private:int _score; //當前分數State _state; //當前狀態 };分支邏輯法
要想實現狀態機，最容易的方法就是直接參照狀態轉移圖，直接將每種事件中每種狀態變化翻譯成代碼，由于這樣的代碼中存在大量的分支邏輯判斷，所以這種方法又叫做分支邏輯法
代碼實現如下
//獲取當前分數 int MarioStateMachine::getScore() const {return _score; }//獲取當前狀態 State MarioStateMachine::getState() const {return _state; }//復活 void MarioStateMachine::getRevive() {if(_state == FIRE){std::cout << "當前未死亡，不能復活。不存在該邏輯" << std::endl; }else if(_state == SUPER){std::cout << "當前未死亡，不能復活。不存在該邏輯" << std::endl; }else if(_state == NORMAL){std::cout << "當前未死亡，不能復活。不存在該邏輯" << std::endl; }else if(_state == DEAD){_state = NORMAL;_score = 0;std::cout << "復活馬里奧，會到普通狀態，分數重新計算" << std::endl;} }//獲得蘑菇 void MarioStateMachine::getMushroom() {if(_state == FIRE){_score += 100;std::cout << "獲得蘑菇，增加一百分" << std::endl; }else if(_state == SUPER){_score += 100;std::cout << "獲得蘑菇，增加一百分" << std::endl;}else if(_state == NORMAL){_state = SUPER;_score += 100;std::cout << "獲得蘑菇，由普通馬里奧變為超級馬里奧，增加一百分" << std::endl;}else if(_state == DEAD){std::cout << "死亡后不能獲取道具，不存在該邏輯" << std::endl;} }; //獲得太陽花 void MarioStateMachine::getSunFlower() {if(_state == FIRE){_score += 200;std::cout << "獲得太陽花，增加兩百分" << std::endl; }else if(_state == SUPER){_state = FIRE;_score += 200;std::cout << "獲得太陽花，由超級馬里奧變為火焰馬里奧，增加兩百分" << std::endl;}else if(_state == NORMAL){_state = FIRE;_score += 200;std::cout << "獲得太陽花，由普通馬里奧變為火焰馬里奧，增加兩百分" << std::endl;}else if(_state == DEAD){std::cout << "死亡后不能獲取道具，不存在該邏輯" << std::endl;} }; //遭受傷害 void MarioStateMachine::getHurt() {if(_state == FIRE){_state = SUPER;_score -= 100;std::cout << "受到傷害，由火焰馬里奧變為超級馬里奧，扣一百分" << std::endl; }else if(_state == SUPER){_state = NORMAL;_score -= 100;std::cout << "受到傷害，由超級馬里奧變為普通馬里奧，扣一百分" << std::endl;}else if(_state == NORMAL){_state = DEAD;_score = 0;std::cout << "受到傷害，馬里奧死亡，分數清空" << std::endl;}else if(_state == DEAD){std::cout << "死亡后不能受到傷害，不存在該邏輯" << std::endl;} };簡單的寫一段代碼測試狀態機是否正確
int main() {MarioStateMachine Mario;Mario.getMushroom(); //馬里奧獲取蘑菇Mario.getSunFlower(); //馬里奧獲取太陽花Mario.getSunFlower(); //馬里奧獲取太陽花std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //查看得分情況Mario.getRevive(); //嘗試復活Mario.getHurt();Mario.getHurt();std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //檢查受傷后是否扣分Mario.getHurt();std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //死亡分數清空 }
代碼執行沒有錯誤。
對于簡單且不需拓展的狀態機來說，分支邏輯的缺點并不明顯。但是對于復雜的狀態機來說，隨著狀態越來越多，代碼中就會充斥著大量的分支判斷邏輯，極易漏寫或錯寫某個狀態。不僅僅可讀性差，可維護性也差，如果我們需要新增或者修改某個狀態，就需要去修改一系列的代碼來保證邏輯的正常執行，不僅麻煩還容易出錯。
為了讓代碼更加可讀且方便拓展，我們可以考慮使用查表法來實現狀態機。
查表法
查表法并非本章講解的重點，只是因為提到狀態機后順帶提一提這個知識點，如果不需要了解可以直接跳過到下面的狀態模式。
除了用狀態轉移圖外，我們還可以用二維的狀態轉移表來表示狀態機。其中第一維為狀態，第二維是事件，值表示發生的行動以及狀態的轉移
查表法，就是依賴按照狀態轉移表，維護一個狀態轉移數組以及行為數組，根據不同的事件來觸發數組中的對應元素
如上圖，此時我們需要引入行為表和狀態轉移表，并且提供一個查表函數，根據當前遭遇的事件以及當前狀態，自動去查表來獲取當前轉移狀態和行為，所以新的骨架如下
填寫轉移表和行為表
//用INT_MIN表示清空，用0表示不符合邏輯的忽略情況 std::vector<std::vector<int>> MarioStateMachine::_actionTable = {{100, 200, INT_MIN, 0},{100, 200, -100, 0},{200, 200, -100, 0},{0, 0, 0, INT_MIN}, };std::vector<std::vector<State>> MarioStateMachine::_stateTable = {{SUPER, FIRE, DEAD, NORMAL},{SUPER, FIRE, NORMAL, SUPER},{FIRE, FIRE, SUPER, FIRE},{DEAD, DEAD, DEAD, NORMAL}, };接下來用查表法來實現我們的新骨架，我們提供了一個executeEvent接口，當執行各種事件函數的時候就會根據事件去查詢表來獲取結果
void MarioStateMachine::executeEvent(Event event) {int score = _actionTable[_state][event]; //查詢表中對應的動作_score = (score == INT_MIN) ? _score = 0 : _score + score; //如果為INT_MIN,則說明需要清空 _state = _stateTable[_state][event]; //查詢表中對應的狀態 }void MarioStateMachine::getRevive() {executeEvent(GET_REVIVE); }void MarioStateMachine::getMushroom() {executeEvent(GET_MUSHROOM); }; void MarioStateMachine::getSunFlower() {executeEvent(GET_SUNFLOWER); }; void MarioStateMachine::getHurt() {executeEvent(GET_HURT); };用上面的測試代碼再次進行測試
int main() {MarioStateMachine Mario;Mario.getMushroom(); //馬里奧獲取蘑菇Mario.getSunFlower(); //馬里奧獲取太陽花Mario.getSunFlower(); //馬里奧獲取太陽花std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //查看得分情況Mario.getRevive(); //嘗試復活Mario.getHurt();Mario.getHurt();std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //檢查受傷后是否扣分Mario.getHurt();std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //死亡分數清空return 0; }
相較于分支邏輯法，查表法的代碼更加簡潔、清晰，可讀性和可維護性更高。當我們需要修改狀態機的時候，就只需要修改行為表和轉移表。我們甚至可以將這兩個表保存到配置文件中，這樣修改的時候就只需要修改配置文件，而不需要修改任何代碼。
但是從上面的實現我們也可以看到，如果我們的動作只是簡單的積分變化，就可以使用行為表表示，倘若其中是一些復雜的邏輯呢？例如上面代碼中的輸出日志，行為表就沒辦法將其執行，因此查表法具有一定的局限性。
雖然分支邏輯不存在這個問題，但是我們前面也提到了它存在大量的邏輯判斷，導致維護性和可讀性不高，既然它們兩者都有一定的缺點，那是否還有第三種方法能夠更好的實現狀態機呢？
答案是肯定的，鋪墊了這么久，接下來就到狀態模式大顯身手的時候了
狀態模式
狀態模式允許對象在內部狀態改變的時候改變它的行為，讓對象看起來好像修改了它的類
我們不再使用枚舉來表示狀態，而是將每個狀態封裝為一個類，并在該類中實現其對應事件的動作及狀態轉移。由于行為會隨著內部狀態而改變，所以我們將狀態機處理事件的行為委托到代表當前狀態的對象中，這樣我們就通過組合簡單引用不同的狀態對象來造成類改變的假象
狀態模式的類圖如下
將其轉換為我們案例的類圖
此時我們的狀態轉換不再像之前一樣由狀態機進行，而是由狀態對象進行，例如下圖
假設我們一開始是普通馬里奧
此時獲得蘑菇
此時內部的狀態對象變為超級馬里奧
講解完了思路，下面開始分別實現這幾部分
馬里奧的狀態接口如下
class MarioState { public:virtual ~MarioState() = default;virtual MarioState* getState(); //獲取當前狀態virtual std::string getStateName(); //獲取狀態名virtual void getRevive(); //復活virtual void getMushroom(); //獲得蘑菇virtual void getSunFlower(); //獲得太陽花virtual void getHurt(); //受到傷害 };接著我們將每個狀態封裝為一個類，并實現狀態接口。下面僅實現一個，其他的放在末尾的鏈接中。
每個具體狀態類中都需要保存一個狀態機的指針，來進行狀態的轉移和動作的執行。
class NormalMario : public MarioState { public:NormalMario(MarioStateMachine* stateMachine): _stateMachine(stateMachine){}void getRevive() override{std::cout << "當前未死亡，不能復活。不存在該邏輯" << std::endl; } void getMushroom() override{_stateMachine->setScore(_stateMachine->getScore() + 100);_stateMachine->setState(_stateMachine->getSuperMario());std::cout << "獲得蘑菇，由普通馬里奧變為超級馬里奧，增加一百分" << std::endl;}void getSunFlower() override{_stateMachine->setScore(_stateMachine->getScore() + 200);_stateMachine->setState(_stateMachine->getFireMario());std::cout << "獲得太陽花，由普通馬里奧變為火焰馬里奧，增加兩百分" << std::endl;}void getHurt() override{_stateMachine->setScore(0);_stateMachine->setState(_stateMachine->getDeadMario());std::cout << "受到傷害，馬里奧死亡，分數清空" << std::endl;} std::string getStateName() override{return "普通馬里奧";}private:MarioStateMachine* _stateMachine; //狀態機 };接著我們用策略模式來改寫狀態機，其中為了避免大量生成狀態對象，我提前將所有狀態緩存到狀態機中，并提供獲取狀態實例的接口(我們也可以采用將狀態與單例模式相結合的做法，保證每個狀態只有一個實例)，代碼如下
class MarioStateMachine { public:MarioStateMachine(): _score(0){//提前緩存各種狀態_normalMario = new NormalMario(this);_superMario = new SuperMario(this);_fireMario = new FireMario(this);_deadMario = new DeadMario(this);_state = _normalMario;}~MarioStateMachine(){delete _normalMario, _superMario, _fireMario, _deadMario;}void getRevive(); //復活void getMushroom(); //獲得蘑菇void getSunFlower(); //獲得太陽花void getHurt(); //受到傷害int getScore() const; //獲取當前分數MarioState* getState() const; //獲取當前狀態void setScore(int score); //獲取當前分數void setState(MarioState* state); //獲取當前狀態MarioState* getNormalMario(); //獲取緩存的狀態MarioState* getSuperMario();MarioState* getFireMario();MarioState* getDeadMario();private:int _score; //當前分數MarioState* _state; //當前狀態MarioState* _superMario; //緩存所有的狀態MarioState* _normalMario;MarioState* _fireMario; MarioState* _deadMario; };由于狀態機會將事件發生后的行為與狀態轉移委托給當前的狀態對象，因此我們只需要調用狀態對象的方法即可
void MarioStateMachine::getRevive() {_state->getRevive(); }void MarioStateMachine::getMushroom() {_state->getMushroom(); }void MarioStateMachine::getSunFlower() {_state->getSunFlower(); }void MarioStateMachine::getHurt() {_state->getHurt(); } int MarioStateMachine::getScore() const {return _score; }MarioState* MarioStateMachine::getState() const {return _state; }void MarioStateMachine::setScore(int score) {_score = score; }void MarioStateMachine::setState(MarioState* state) {_state = state; }MarioState* MarioStateMachine::getNormalMario() {return _normalMario; } MarioState* MarioStateMachine::getSuperMario() {return _superMario; }MarioState* MarioStateMachine::getFireMario() {return _fireMario; }MarioState* MarioStateMachine::getDeadMario() {return _deadMario; }接著繼續使用開頭的代碼進行測試，由于我們是在一開始搭建的狀態機骨架上進行拓展的，因此不需要修改任何代碼
int main() {MarioStateMachine Mario;Mario.getMushroom(); //馬里奧獲取蘑菇Mario.getSunFlower(); //馬里奧獲取太陽花Mario.getSunFlower(); //馬里奧獲取太陽花std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //查看得分情況Mario.getRevive(); //嘗試復活Mario.getHurt();Mario.getHurt();std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //檢查受傷后是否扣分Mario.getHurt();std::cout << Mario.getScore() << std::endl; //死亡分數清空 }狀態模式與策略模式
如果不了解策略模式，可以參考我的往期博客
趣談設計模式 | 策略模式(Strategy)：你還在使用冗長的if-else嗎？
在上面，我給出了狀態模式的類圖，我們驚奇的發現它的類圖竟然和策略模式一模一樣，并且他們的思路也存在相似的地方，它們都可以用來消除大量的條件判斷，并且都可以在允許時動態切換行為
雖然類圖相同，但是它們的意圖截然不同，策略模式會控制對象使用什么策略，而狀態模式會自動改變狀態
以策略模式而言，雖然他也能夠通過組合不同的策略對象來動態的切換行為，但是這些都需要決策者自己控制使用的策略對象，其中沒有良好的狀態轉換
而對于狀態模式，狀態機則將狀態轉換的任務委托給了當前的狀態對象，當前狀態對象會根據不同的事件自動而切換到其他的狀態對象，狀態機本身的行為也會隨著狀態對象的切換而變化，但是這些都是自動的，并不需要它自己處理
簡單的總結一下就是，策略模式使用策略來主動配置Context而改變行為，狀態模式則讓Context隨著狀態的改變自動改變行為。即一個是外部手動切換，一個是內部自動切換
總結
分支邏輯法
特點
- 利用if-else或者switch-case進行邏輯分支邏輯判斷，直接將狀態轉移圖的每個狀態轉移翻譯成代碼
應用場景
- 簡單、不考慮拓展的狀態機
查表法
特點
- 維護了一個動作表和狀態轉移表，根據具體事件以及當前狀態進行查表，來實現狀態轉移和動作
應用場景
- 條件、分支語句的替代
- 狀態很多、狀態轉移復雜，但是事件觸發后執行動作簡單的狀態機
狀態模式
特點
- 狀態模式允許一個對象基于內部狀態而擁有不同行為
- 狀態機會將行為委托給當前狀態對象，所以狀態機會隨著狀態的改變而改變行為。
- 和其他方法實現的狀態機不同，狀態模式用類來表示狀態。但是也會導致設計中類的數目大量增加，因此最好在狀態少，狀態轉移簡單時使用
- 由于狀態類可以被多個狀態機共享，所以通常以單例模式實現
- 狀態的改變局部化，需要增加新狀態時只需要實現狀態接口，并完成具體事件的行為即可。實現了具體操作與狀態轉換之間的解耦
應用場景
- 行為隨著狀態改變而改變的情景
- 條件、分支語句的替代
- 狀態不多、狀態轉移簡單，但是事件觸發后執行動作復雜的狀態機。如：游戲、電商下單
完整代碼與文檔
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的趣谈设计模式 | 状态模式(State)：如何实现游戏中的状态切换？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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