第 14 章 状态模式

面向对象编程着力于在对象交互时改变它们的状态。在很多问题中，有限状态机（通常名为状态机）是一个非常方便的状态转换建模（并在必要时以数学方式形式化）工具。首先，什么是状态机？状态机是一个抽象机器，有两个关键部分，状态和转换。状态是指系统的当前（激活）状况。

转换是指从一个状态切换到另一个状态，因某个事件或条件的触发而开始。通常，在一次转换发生之前或之后会执行一个或一组动作。

状态机的一个不错的特性是可以用图来表现（称为状态图），其中每个状态都是一个节点， 每个转换都是两个节点之间的边。

状态机可用于解决多种不同的问题，包括非计算机的问题。非计算机的例子包括自动售货机、电梯、交通灯、暗码锁、停车计时器、自动加油泵及自然语言文法描述。计算机方面的例子包括游戏编程和计算机编程的其他领域、硬件设计、协议设计， 以及编程语言解析。

状态机如何关联到状态设计模式（State design pattern）呢？其实状态模式就是应用到一个特定软件工程问题的状态机。

14.1 现实生活的例子

自动售货机有不同的状态，并根据我们放入的钱币数量作出不同反应。根据我们的选择和放入的钱币，机器会执行以下操作：

• 拒绝我们的选择，因为请求的货物已售罄。

• 拒绝我们的选择，因为放入的钱币不足。

• 递送货物，且不找零，因为放入的钱币恰好足够。

• 递送货物，并找零。

14.2 软件的例子

使用状态模式本质上相当于实现一个状态机来解决特定领域的一个软件问题。django-fsm 程序包是一个第三方程序包， 用于 Django 框架中简化状态机的实现和使用。

另一个值得一提的项目是状态机编译器（State Machine Compiler，SMC）。使用 SMC，你可以使用一种简单的领域特定语言在文本文件中描述你的状态机，SMC 会自动生成状态机的代码。该项目声称这种 DSL 非常简单，写起来就像一对一地翻译一个状态图。我没试过，但听起来非常有意思。SMC 可以生成多种编程语言的代码，包括 Python。

14.3 应用案例

状态模式适用于许多问题。所有可以使用状态机解决的问题都是不错的状态模式应用案例。

已经见过的一个例子是操作系统/嵌入式系统的进程模型。

编程语言的编译器实现是另一个好例子。词法和句法分析可使用状态来构建抽象语法树。

事件驱动系统也是另一个例子。在一个事件驱动系统中，从一个状态转换到另一个状态会触发一个事件/消息。许多计算机游戏都使用这一技术。

14.4 实现

演示一下如何基于本章之前提到的状态图创建一个状态机。我们的状态机应该覆盖一个进程的不同状态以及它们之间的转换。

状态设计模式通常使用一个父 State 类和许多派生的 ConcreteState 类来实现，父类包含所有状态共同的功能，每个派生类则仅包含特定状态要求的功能。

使用 state_machine 模块创建状态机的第一个步骤是使用 @acts_as_state_machine 修饰器。

在 state_machine 模块中，一个状态转换就是一个 Event。

state_machine 模块提供 @before 和 @after 修饰器，用于在状态转换之前或之后执行动作。

注意如何使用 stat_machine 这样的一个好模块来消除条件式逻辑。没有必要使用冗长易错的 if-else 语句来检测每个状态转换并作出反应。

from state_machine import State, Event, acts_as_state_machine, after, before, InvalidStateTransition

# 状态机
@acts_as_state_machine
class Process:
    # 定义各种状态
    created = State(initial=True)    # 指定状态机的初始状态
    waiting = State()
    running = State()
    terminated = State()
    blocked = State()
    swapped_out_waiting = State()
    swapped_out_blocked = State()

    # 定义状态转换，每个转换都是一个 Event，使用 from_states 和 to_state 来定义一个可能的转换
    wait = Event(from_states=(created, running, blocked,
                              swapped_out_waiting), to_state=waiting)
    run = Event(from_states=waiting, to_state=running)
    terminate = Event(from_states=running, to_state=terminated)
    block = Event(from_states=(running, swapped_out_blocked),
                  to_state=blocked)
    swap_wait = Event(from_states=waiting, to_state=swapped_out_waiting)
    swap_block = Event(from_states=blocked, to_state=swapped_out_blocked)

    # 进程独有的信息，比如名称
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    # 用于在转换之前或之后执行动作
    @after('wait')
    def wait_info(self):
        print('{} entered waiting mode'.format(self.name))

    @after('run')
    def run_info(self):
        print('{} is running'.format(self.name))

    @before('terminate')
    def terminate_info(self):
        print('{} terminated'.format(self.name))

    @after('block')
    def block_info(self):
        print('{} is blocked'.format(self.name))

    @after('swap_wait')
    def swap_wait_info(self):
        print('{} is swapped out and waiting'.format(self.name))

    @after('swap_block')
    def swap_block_info(self):
        print('{} is swapped out and blocked'.format(self.name))

# 分别是 Process 实例、Event 实例、事件的名称
def transition(process, event, event_name):
    try:
        event()
    except InvalidStateTransition as err:
        print('Error: transition of {} from {} to {} failed'.format(process.name,
                                                                    process.current_state, event_name))

# 展示进程当前(激活)状态的一些基本信息
def state_info(process):
    print('state of {}: {}'.format(process.name, process.current_state))


def main():
    RUNNING = 'running'
    WAITING = 'waiting'
    BLOCKED = 'blocked'
    TERMINATED = 'terminated'

    p1, p2 = Process('process1'), Process('process2')
    [state_info(p) for p in (p1, p2)]

    # 不断进行状态转换
    print()
    transition(p1, p1.wait, WAITING)
    transition(p2, p2.terminate, TERMINATED)
    [state_info(p) for p in (p1, p2)]

    print()
    transition(p1, p1.run, RUNNING)
    transition(p2, p2.wait, WAITING)
    [state_info(p) for p in (p1, p2)]

    print()
    transition(p2, p2.run, RUNNING)
    [state_info(p) for p in (p1, p2)]

    print()
    [transition(p, p.block, BLOCKED) for p in (p1, p2)]
    [state_info(p) for p in (p1, p2)]

    print()
    [transition(p, p.terminate, TERMINATED) for p in (p1, p2)]
    [state_info(p) for p in (p1, p2)]

if __name__ == '__main__':
    main()