设计模式：状态模式

状态机有3个要素：状态，事件，动作。

假如一个对象有3个状态:S1、S2、S3。影响状态的事件有3个：E1、E2、E3。每个状态下收到对应事件的时候，对象的动作为AXY。那么该对象的状态机就可以用如下表格来表示。S1收到事件E1的时候动作为A11，收到事件E2的时候动作为A12，收到事件E3的时候动作为A13，以此类推。

	E1	E2	E3
S1	A11	A12	A13
S2	A21	A22	A23
S3	A31	A32	A33

其中，动作可以是状态发生切换，也可以是其它与业务有关的动作。

1分支逻辑法

分支逻辑法，是最简单 、最直观，也是最常用的一种方法。

如下是分支逻辑法的实现：

if(state == S1) {

    if (event == E1) {

        A31();

    } else if (event == E2) {

       A32();

    } else {

        A33();

    }

} else if (state == S2) {

    if (event == E1) {

        A31();

    } else if (event == E2) {

       A32();

    } else {

        A33();

    }

} else {

    if (event == E1) {

        A31();

    } else if (event == E2) {

       A32();

    } else {

        A33();

    }

}

在linux内核中，tcp有自己的状态机，如下代码，就是在收到tcp报文时，其中的一小段状态机代码，这段代码就是使用分支逻辑法。

int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)

{

    ...

    switch (sk->sk_state) {

    case TCP_CLOSE:

        goto discard;

    case TCP_LISTEN:

        if (th->ack)

            return 1;

        if (th->rst)

            goto discard;

        if (th->syn) {

            if (th->fin)

                goto discard;

            /* It is possible that we process SYN packets from backlog,

             * so we need to make sure to disable BH and RCU right there.

             */

            rcu_read_lock();

            local_bh_disable();

            acceptable = icsk->icsk_af_ops->conn_request(sk, skb) >= 0;

            local_bh_enable();

            rcu_read_unlock();

            if (!acceptable)

                return 1;

            consume_skb(skb);

            return 0;

        }

        goto discard;

    case TCP_SYN_SENT:

        tp->rx_opt.saw_tstamp = 0;

        tcp_mstamp_refresh(tp);

        queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th);

        if (queued >= 0)

            return queued;

        /* Do step6 onward by hand. */

        tcp_urg(sk, skb, th);

        __kfree_skb(skb);

        tcp_data_snd_check(sk);

        return 0;

    }

    ...

}

2查表法

如果状态发生改变，比如增删，或者事件发生改变，比如增加一个事件或者删除一个事件，就需要对代码进行修改。分支逻辑法不满足开闭原则。

查表法使用两个两级map：

①transitionTable

第一级map的key为状态，value是第二级map；第二级map的key是事件类型，value是目标状态。

②actionTable
第一级map的key为状态类型，value是第二级map；第二级map的key是事件类型，value是action。

如下是查表法的示意代码：

#include <iostream>
#include <map>
#include <functional>
#include <stdexcept> // 用于异常处理enum class State : int32_t {S1,S2,S3
};enum class Event : int32_t {E1,E2,E3
};class StateMachine {
public:StateMachine(State const& initialState) : state_{initialState} {// 初始化状态转移表transitionTable_ = {{State::S1, {{Event::E1, State::S1}, {Event::E2, State::S2}, {Event::E3, State::S3}}},{State::S2, {{Event::E1, State::S1}, {Event::E2, State::S3}, {Event::E3, State::S2}}},{State::S3, {{Event::E1, State::S3}, {Event::E2, State::S2}, {Event::E3, State::S3}}}};// 初始化动作表（修复 lambda 捕获和逗号分隔）actionTable_ = {{State::S1, {{Event::E1, [this]() { std::cout << "action11\n"; }},{Event::E2, [this]() { std::cout << "action12\n"; }},{Event::E3, [this]() { std::cout << "action13\n"; }}}},{State::S2, {{Event::E1, [this]() { std::cout << "action21\n"; }},{Event::E2, [this]() { std::cout << "action22\n"; }},{Event::E3, [this]() { std::cout << "action23\n"; }}}},{State::S3, {{Event::E1, [this]() { std::cout << "action31\n"; }},{Event::E2, [this]() { std::cout << "action32\n"; }},{Event::E3, [this]() { std::cout << "action33\n"; }}}}};}void OnEvent(Event const& event) {// 检查当前状态和事件是否有效if (actionTable_.find(state_) == actionTable_.end() ||actionTable_[state_].find(event) == actionTable_[state_].end()) {throw std::runtime_error("Invalid state or event!");}// 执行动作并更新状态actionTable_[state_][event](); // 调用函数state_ = transitionTable_[state_][event];}State GetState() {return state_;}private:State state_;std::map<State, std::map<Event, State>> transitionTable_;std::map<State, std::map<Event, std::function<void()>>> actionTable_;
};int main() {StateMachine sm{State::S1};sm.OnEvent(Event::E3); // 修复拼写错误if (State::S3 != sm.GetState()) {std::cout << "state " << (int32_t)sm.GetState() << " is not expected\n";}sm.OnEvent(Event::E2);if (State::S2 != sm.GetState()) {std::cout << "state " << (int32_t)sm.GetState() << " is not expected\n";}return 0;
}

查表法相对于分支逻辑法 ，将状态机创建的代码和状态机转换的代码进行了解耦。如果状态有改变或者事件有改变，那么可以修改StateMachine的构造函数，而不需要修改OnEvent函数。

transitionTable_和actionTable_是数据结构，可以看作存储，OnEvent中的代码逻辑可以看作计算逻辑。解耦就是将存储和计算逻辑代码进行分离，将可以修改的部分和不可以修改的部分进行分离。