Java 实现有限状态机的推荐方案

2021-07-17 06:02:58

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）。

如奖学金审批状态流转、请假审批状态流转、竞标状态流转等，都需要根据不同行为转到不同的状态。

注: 本文主要讲的是状态机，即状态从一个状态转变为另外一个状态。如果设置 3个人审批才可以从 A状态 转到 B 状态，那么3个人审批是状态转换的条件。如果想实现流程编排，建议使用工作流引擎。

下面是一个简单的模拟状态机：

Java 实现有限状态机的推荐方案

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

Java 实现有限状态机的推荐方案

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*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();
}
注：这里的抽象方法可以定义参数，枚举中实现方法可以根据参数决定是否执行状态流转。 比如参数可以传入当前已经同意的人数，枚举中可以判断当审批同意的人数大于3时，返回下一个状态。

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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Java 实现有限状态机的推荐方案
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