Java实现有限状态机的推荐方案分享
作者：明明如月学长
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。
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