工作

游戏开发之状态机

Posted by Masutangu on November 1, 2017

这阵子工作的内容有用到状态机，感觉挺有意思。正好好久没写博客了，今天也来写一篇总结下。

前言

用状态机来实现业务模型，有以下几点好处：

  • 不需要写一大坨 if-else 或 switch case。代码逻辑结构清晰，也更便于调试
  • 代码阅读起来更加友好，方便其他读者理解整个业务逻辑

状态机可以划分为下面三个模块：

  • 状态集：总共包括哪些状态
  • 事件（条件）：事件会触发状态机的状态发生变化
  • 动作：事件发生后执行的动作，可以变迁到新状态，也可以维持当前状态

实现

一个简单的状态机的实现

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// example 1. simple state machine
// 事件 interface
type Event interface {
  EventId() int64
}

type State int

// 事件处理函数 返回触发事件后的下一个状态 
type Handler func(prevState State, event Event) State

type StateMachine struct {
  currState    State
  handlers map[int64]Handler
}

// 添加事件处理方法 
func (s *StateMachine) AddHandler(eventId int64, handler Handler) {
  s.handlers[eventId] = handler
}

// 事件处理
func (s *StateMachine) Call(event Event)  {
  fmt.Println("original state: ", s.currState)
  if handler, ok := s.handlers[event.EventId()]; ok {
    s.currState = handler(s.currState, event)  // 调用对应的 handler 更新状态机的状态
  }
  fmt.Println("new state: ", s.currState)
}

Handler 为事件处理函数，输入参数为当前状态和事件，返回处理后的新状态。状态机根据事件找到对应的Handler，Handler 根据当前状态和触发的事件，返回下一个新状态，由状态机更新。

下面看看一个开关的例子，初始状态为关，按下按钮状态由关变为开，再次按下由开变为关。

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// example 1. simple state machine
const (
  EVENT_PRESS = iota
)

var (
  Off = State(0)  // 定义关闭状态
  On  = State(1)  // 定义开启状态 
)

// 定义 press 事件
type PressEvent struct {
}

func (event *PressEvent) EventId() int64 {
  return EVENT_PRESS
}

// 定义事件 Handler
func PressButton(prevState State, event Event) State {
  if prevState == Off {
    return On
  } else {
    return Off
  }
}

func main() {
  stateMachine := StateMachine{
    currState:    Off,  // 初始状态为关闭
    handlers: make(map[int64]Handler),
  }

  stateMachine.AddHandler(EVENT_PRESS, PressButton)
  stateMachine.Call(&PressEvent{}) // 按下后变成开
  stateMachine.Call(&PressEvent{}) // 再次按下变为关闭
}

程序输出：

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original state:  0
new state:  1
original state:  1
new state:  0

这个实现很简单，但不足之处在于状态变迁逻辑都放在Handler去实现了。对于读代码的人来说，需要读每个Handler的代码，才能整理出整个状态变迁图。

一个稍微复杂点的状态机

我们希望可以把状态变迁以更直观的方式表现出来，让读者一看就知道状态是如何流转的。

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// example 2. a little more complicate state machine

type Event interface {
  EventId() int64
}

type State int

// 事件处理函数 返回 true 表示可以变迁到下一个状态 返回 false 表示维持当前状态
type Handler func(prevState State, event Event) bool

type StateMachine struct {
  currState    State
  handlers map[int64]Handler
  transitions map[State]map[int64]State
}

// 添加事件处理方法 
func (s *StateMachine) AddHandler(eventId int64, handler Handler) {
  s.handlers[eventId] = handler
}

// 添加状态变迁
func (s *StateMachine) AddTransition(originState State, eventId int64, destState State) {
  if trans, ok := s.transitions[originState]; !ok {
    s.transitions[originState] = map[int64]State{eventId: destState}
  } else {
    trans[eventId] = destState
  }
}

// 事件处理
func (s *StateMachine) Call(event Event) {
  fmt.Println("original state: ", s.currState)  
  if handler, ok := s.handlers[event.EventId()]; ok { // 首先找到事件的handler
    if handler(s.currState, event) { // 如果事件Handler返回true 则执行状态变迁
      if trans, ok := s.transitions[s.currState]; ok {
        if newState, ok := trans[event.EventId()]; ok { 
          s.currState = newState  // 执行状态变迁
        }
      }
    }
  }
  fmt.Println("new state: ", s.currState) 
}

这个状态机用transitions 结构来记录状态流转的关系。初始化时调用方调用AddTransition方法来添加状态变迁。请看下面的例子：

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// example 2. a little more complicate state machine

const (
  EVENT_PRESS = iota
)

var (
  Off = State(0)  // 关闭
  On  = State(1)  // 开启 
  COUNT = 0
)


type PressEvent struct {
}

func (event *PressEvent) EventId() int64 {
  return EVENT_PRESS
}

// 定义事件 Handler
func PressButton(prevState State, event Event) bool {
  COUNT += 1
  if COUNT % 2 == 0 { // 按两下才切换到新状态
    return true
  }
  return false // 只按一次维持当前状态
}

func main() {
  stateMachine := StateMachine{
    currState:    Off,  // 初始状态为关闭
    handlers: make(map[int64]Handler),
    transitions: make(map[State]map[int64]State),
  }

  stateMachine.AddHandler(EVENT_PRESS, PressButton)
  stateMachine.AddTransition(Off, EVENT_PRESS, On)
  stateMachine.AddTransition(On, EVENT_PRESS, Off)
  stateMachine.Call(&PressEvent{}) // 按一次状态不变
  stateMachine.Call(&PressEvent{}) // 按两次变成 off 状态
}

通过stateMachine.AddTransition(Off, EVENT_PRESS, On)就可以清晰的知道 Press 事件可能会让状态 Off 切换到 状态 On，尽管 Press 事件发生后还是有可能维持当前状态不变（当 Handler 返回 false 时）。

程序输出：

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original state:  0
new state:  0
original state:  0
new state:  1

更模块化的状态机

最后我们来实现一个更模块化的状态机，把事件和条件这两个逻辑彻底分开。当你在事件触发时，还需要做逻辑判断才能确定是否发生状态变迁时，建议将事件处理和条件判断剥离开来。

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// example 3. more modular state machine

type Event interface {
  EventId() int64
}

type State int

// 事件处理 Handler
type Handler interface {
  Process(prevState State, event Event)  // 只处理事件
  Check() bool                           // 处理完判断下是否应该做状态切换
}

type StateMachine struct {
  currState    State
  handlers 			map[int64]Handler
  transitions 	map[State]map[int64]State
}

// 添加事件处理方法 
func (s *StateMachine) AddHandler(eventId int64, handler Handler) {
  s.handlers[eventId] = handler
}

// 添加状态变迁
func (s *StateMachine) AddTransition(originState State, eventId int64, destState State) {
  if trans, ok := s.transitions[originState]; !ok {
    s.transitions[originState] = map[int64]State{eventId: destState}
  } else {
    trans[eventId] = destState
  }
}

// 事件处理
func (s *StateMachine) Call(event Event) {
  fmt.Println("original state: ", s.currState)  
  if handler, ok := s.handlers[event.EventId()]; ok { // 首先找到事件的handler
    handler.Process(s.currState, event) 
    if handler.Check() {
      if trans, ok := s.transitions[s.currState]; ok {
        if newState, ok := trans[event.EventId()]; ok { 
          s.currState = newState  // 执行状态变迁
        }
      }
    }
  }
  fmt.Println("new state: ", s.currState) 
}

定义Handler结构体，有两个接口：Process只负责事件引发的逻辑处理， Check判断逻辑处理后是否应该做状态变迁。

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// example 3. more modular state machine

const (
  EVENT_PRESS = iota
)

var (
  Off = State(0)  // 关闭
  On  = State(1)  // 开启 
  COUNT = 0
)

type PressEvent struct {
}

func (event *PressEvent) EventId() int64 {
  return EVENT_PRESS
}

type PressEventHandler struct {}

// Process 只处理事件带来的内部变量的变化
func (h *PressEventHandler) Process(prevState State, event Event) {
  COUNT += 1
}


// Check 判断是否应该做状态切换
func (h *PressEventHandler) Check() bool {
  if COUNT % 2 == 0 { // 按两下才有作用
    return true
  }
  return false
}

func main() {
  stateMachine := StateMachine{
    currState:    Off,  // 初始状态为关闭
    handlers: make(map[int64]Handler),
    transitions: make(map[State]map[int64]State),
  }

  stateMachine.AddHandler(EVENT_PRESS, &PressEventHandler{})
  stateMachine.AddTransition(Off, EVENT_PRESS, On)
  stateMachine.AddTransition(On, EVENT_PRESS, Off)
  stateMachine.Call(&PressEvent{}) // 按一次状态不变
  stateMachine.Call(&PressEvent{}) // 按两次变成 off 状态
}

程序输出：

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original state:  0
new state:  0
original state:  0
new state:  1

一些补充

可以把 State 定义成 interface，提供 Enter 和 Leave 接口：

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type State interface {
  Enter() 
  Leave()
}

// 事件处理
func (s *StateMachine) Call(event Event) {
  fmt.Println("original state: ", s.currState)  
  if handler, ok := s.handlers[event.EventId()]; ok { // 首先找到事件的handler
    handler.Process(s.currState, event) 

    if handler.Check() {
      if trans, ok := s.transitions[s.currState]; ok {
        if newState, ok := trans[event.EventId()]; ok { 
          s.currState.Leave()     // 离开当前状态 调用 Leave 
          s.currState = newState  // 执行状态变迁
          s.currState.Enter()     // 进入新状态 调用 Enter
        }
      }
    } 
  }
  fmt.Println("new state: ", s.currState) 
}

与 goroutine 的结合

涉及到多个 goroutine 时，总会面临数据竞争的问题。通过 channel 来传递事件，由状态机处理，可以让代码变得清晰，避免加锁。

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type Room struct {
  eventCh chan Event // 通过channel 传递事件给状态机
  st *StateMachine
}

func (room *Room) Process() {
  for e := range room.eventCh {
    room.st.Call(e)
  }
}

func (room *Room) DispatchEvent(event Event) {
  room.eventCh <- event
}

func main() {
  stateMachine := StateMachine{
    currState:    Off,  // 初始状态为关闭
    handlers: make(map[int64]Handler),
    transitions: make(map[State]map[int64]State),
  }

  stateMachine.AddHandler(EVENT_PRESS, &PressEventHandler{})
  stateMachine.AddTransition(Off, EVENT_PRESS, On)
  stateMachine.AddTransition(On, EVENT_PRESS, Off)
	
  room := Room{st: &stateMachine, eventCh: make(chan Event)}

  go room.DispatchEvent(&PressEvent{})
  go room.DispatchEvent(&PressEvent{})
  go room.DispatchEvent(&PressEvent{})

  room.Process()  // just sample code
}

即使是多个 goroutine 并发抛出事件，状态机只从eventCh中串行的取出事件并处理，处理过程中不需要对数据加锁。

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