文章目錄

• 案例：馬里奧積分競賽
• 有限狀態(tài)機
• • 分支邏輯法
  • 查表法
• 狀態(tài)模式
• 狀態(tài)模式與策略模式
• 總結
• 完整代碼與文檔

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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(fā)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。考慮到游戲并非正傳，于是任天堂將游戲的開發(fā)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(zhàn)。

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(tài)和行為如下

狀態(tài)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(tài)/分數變化。

根據狀態(tài)和行為，畫出狀態(tài)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(tài)機，為了照顧到不了解狀態(tài)機的同學，下面我會簡單的描述一下什么是狀態(tài)機

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有限狀態(tài)機

有限狀態(tài)機簡寫為FSM（Finite State Machine），我們通常將其簡稱為狀態(tài)機。狀態(tài)機由以下三個部分組成：狀態(tài)(State)、事件(Event)、動作(Action)，其中事件也被叫做轉移條件(Transition Condition)

狀態(tài)機的作用就是根據不同的事件來觸發(fā)狀態(tài)的轉移以及動作的執(zhí)行

例如上面提到的馬里奧中的形態(tài)轉變，就是一個狀態(tài)機。其中馬里奧的不同形態(tài)(如超級馬里奧，火焰馬里奧)就是狀態(tài)機中的狀態(tài)。游戲中觸發(fā)的事件(獲得蘑菇、遭受傷害)就是狀態(tài)機中的事件。觸發(fā)事件后的積分變化就是狀態(tài)機的動作。而其中由事件(吃蘑菇)帶來的狀態(tài)變化(普通馬里奧變?yōu)槌夞R里奧)就是狀態(tài)轉移。

那么我們如何用代碼來實現上面所說的狀態(tài)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(tài)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(tài)， 同時為狀態(tài)機提供觸發(fā)事件以及獲取信息的接口，代碼如下

//狀態(tài) enum State {NORMAL, //普通狀態(tài)SUPER, //超級狀態(tài)FIRE, //火焰狀態(tài)DEAD //死亡狀態(tài) };//狀態(tài)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(tài)private:int _score; //當前分數State _state; //當前狀態(tài) };

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分支邏輯法

要想實現狀態(tài)機，最容易的方法就是直接參照狀態(tài)轉移圖，直接將每種事件中每種狀態(tài)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(tài) 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(tài)，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?yōu)槌夞R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?yōu)榛鹧骜R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?yōu)榛鹧骜R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?yōu)槌夞R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?yōu)槠胀R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(tài)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(zhí)行沒有錯誤。

對于簡單且不需拓展的狀態(tài)機來說，分支邏輯的缺點并不明顯。但是對于復雜的狀態(tài)機來說，隨著狀態(tài)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(tài)。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(tài)，就需要去修改一系列的代碼來保證邏輯的正常執(zhí)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(tài)機。

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查表法

查表法并非本章講解的重點，只是因為提到狀態(tài)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(tài)模式。

除了用狀態(tài)轉移圖外，我們還可以用二維的狀態(tài)轉移表來表示狀態(tài)機。其中第一維為狀態(tài)，第二維是事件，值表示發(fā)生的行動以及狀態(tài)的轉移

查表法，就是依賴按照狀態(tài)轉移表，維護一個狀態(tài)轉移數組以及行為數組，根據不同的事件來觸發(fā)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(tài)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(tài)，自動去查表來獲取當前轉移狀態(tài)和行為，所以新的骨架如下

//用枚舉表示遭遇的事件 enum Event {GET_MUSHROOM, //獲得蘑菇GET_SUNFLOWER, //獲得太陽花GET_HURT, //遭受傷害GET_REVIVE, //復活 };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(tài)private:void executeEvent(Event event); //執(zhí)行事件int _score; //當前分數State _state; //當前狀態(tài)static std::vector<std::vector<int>> _actionTable; //行為表static std::vector<std::vector<State>> _stateTable; //狀態(tài)表 };

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(zhí)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(tài) }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(tài)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(zhí)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(tài)機呢？

答案是肯定的，鋪墊了這么久，接下來就到狀態(tài)模式大顯身手的時候了

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狀態(tài)模式

狀態(tài)模式允許對象在內部狀態(tài)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(tài)，而是將每個狀態(tài)封裝為一個類，并在該類中實現其對應事件的動作及狀態(tài)轉移。由于行為會隨著內部狀態(tài)而改變，所以我們將狀態(tài)機處理事件的行為委托到代表當前狀態(tài)的對象中，這樣我們就通過組合簡單引用不同的狀態(tài)對象來造成類改變的假象

狀態(tài)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(tài)轉換不再像之前一樣由狀態(tài)機進行，而是由狀態(tài)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(tài)對象變?yōu)槌夞R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(tài)接口如下

class MarioState { public:virtual ~MarioState() = default;virtual MarioState* getState(); //獲取當前狀態(tài)virtual std::string getStateName(); //獲取狀態(tài)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(tài)封裝為一個類，并實現狀態(tài)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(tài)類中都需要保存一個狀態(tài)機的指針，來進行狀態(tài)的轉移和動作的執(zhí)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?yōu)槌夞R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?yōu)榛鹧骜R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(tài)機 };

接著我們用策略模式來改寫狀態(tài)機，其中為了避免大量生成狀態(tài)對象，我提前將所有狀態(tài)緩存到狀態(tài)機中，并提供獲取狀態(tài)實例的接口(我們也可以采用將狀態(tài)與單例模式相結合的做法，保證每個狀態(tài)只有一個實例)，代碼如下

class MarioStateMachine { public:MarioStateMachine(): _score(0){//提前緩存各種狀態(tài)_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(tài)void setScore(int score); //獲取當前分數void setState(MarioState* state); //獲取當前狀態(tài)MarioState* getNormalMario(); //獲取緩存的狀態(tài)MarioState* getSuperMario();MarioState* getFireMario();MarioState* getDeadMario();private:int _score; //當前分數MarioState* _state; //當前狀態(tài)MarioState* _superMario; //緩存所有的狀態(tài)MarioState* _normalMario;MarioState* _fireMario; MarioState* _deadMario; };

由于狀態(tài)機會將事件發(fā)生后的行為與狀態(tài)轉移委托給當前的狀態(tài)對象，因此我們只需要調用狀態(tài)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(xù)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(tài)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 }

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狀態(tài)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(tài)模式的類圖，我們驚奇的發(fā)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(tài)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(tài)模式會自動改變狀態(tài)

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(tài)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(tài)轉換

而對于狀態(tài)模式，狀態(tài)機則將狀態(tài)轉換的任務委托給了當前的狀態(tài)對象，當前狀態(tài)對象會根據不同的事件自動而切換到其他的狀態(tài)對象，狀態(tài)機本身的行為也會隨著狀態(tài)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(tài)模式則讓Context隨著狀態(tài)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

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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(tài)轉移圖的每個狀態(tài)轉移翻譯成代碼

應用場景

• 簡單、不考慮拓展的狀態(tài)機

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查表法

特點

• 維護了一個動作表和狀態(tài)轉移表，根據具體事件以及當前狀態(tài)進行查表，來實現狀態(tài)轉移和動作

應用場景

• 條件、分支語句的替代
• 狀態(tài)很多、狀態(tài)轉移復雜，但是事件觸發(fā)后執(zhí)行動作簡單的狀態(tài)機

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狀態(tài)模式

特點

• 狀態(tài)模式允許一個對象基于內部狀態(tài)而擁有不同行為
• 狀態(tài)機會將行為委托給當前狀態(tài)對象，所以狀態(tài)機會隨著狀態(tài)的改變而改變行為。
• 和其他方法實現的狀態(tài)機不同，狀態(tài)模式用類來表示狀態(tài)。但是也會導致設計中類的數目大量增加，因此最好在狀態(tài)少，狀態(tài)轉移簡單時使用
• 由于狀態(tài)類可以被多個狀態(tài)機共享，所以通常以單例模式實現
• 狀態(tài)的改變局部化，需要增加新狀態(tài)時只需要實現狀態(tài)接口，并完成具體事件的行為即可。實現了具體操作與狀態(tài)轉換之間的解耦

應用場景

• 行為隨著狀態(tài)改變而改變的情景
• 條件、分支語句的替代
• 狀態(tài)不多、狀態(tài)轉移簡單，但是事件觸發(fā)后執(zhí)行動作復雜的狀態(tài)機。如：游戲、電商下單

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完整代碼與文檔

如果有需要完整代碼或者markdown文檔的同學可以點擊下面的github鏈接
github

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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