Go语言实现有限状态机（FSM）

现实生活中，状态是随处可见的，并且通过不同的状态来做不同的事。比如冷了加衣服、饿了吃饭、困了睡觉等。这里的冷了、饿了、困了是三种不同的状态，并且根据这三个状态的转变驱动了不同行为的产生（加衣服、吃饭和睡觉）。

有限状态机的组成

有限状态机有两个必要的特点，一是离散的，二是有限的。基于这两点，现实世界上绝大多数事物因为复杂的状态而无法用有限状态机表示。

而描述事物的有限状态机模型的元素由以下组成：

• 状态（State）：事物的状态，包括初始状态和所有事件触发后的状态。
• 事件（Event）：触发状态变化或者保持原状态的事件。
• 行为或转换（Action/Transition）：执行状态转换的过程。
• 检测器（Guard）：检测某种状态要转换成另一种状态的条件是否满足。

有限状态机的应用领域

除了应用于数学模型外，有限状态机在许多不同领域都有重要应用，包括电气工程、语言学、计算机科学、哲学、生物学、数学和逻辑学。有限状态机归属于自动机理论，下面的自动机理论的领域分层图中就可以看出，越是外层的概念越复杂。

图：自动机理论

有限状态机的举例

FSM 持有有限多个状态集合，有当前状态、默认状态、接收的外部数据等。并且 FSM 有一系列的行为：启动 FSM、退出 FSM 以及状态转移等。

State（状态）也会有一系列的行为：进入状态，转移状态等。并且 State 还有动作行为，比如电视机当前频道正在播放西游记，切换频道后就变成了播放封神榜，原理上是一样的。

【示例】下面以游戏中的宠物为例，将这个宠物看做一个 FSM，比如这个宠物每天 8 点开始挣金币，中午 12 点开始打坐练功，8 点和 12 点就是对这个 FSM 的输入语句，对应的状态则开始执行，代码如下所示：

package main

import (
    "fmt"
)

// 接口
type IFSMState interface {
    Enter()
    Exit()
    CheckTransition(hour int) bool
    Hour() int
}

// State父struct
type FSMState struct{}

// 进入状态
func (this *FSMState) Enter() {
    //
}

// 退出状态
func (this *FSMState) Exit() {
    //
}

// 状态转移检测
func (this *FSMState) CheckTransition(hour int) {
    //
}

// 打坐
type ZazenState struct {
    hour int
    FSMState
}

func NewZazenState() *ZazenState {
    return &ZazenState{hour: 8}
}

func (this *ZazenState) Enter() {
    fmt.Println("ZazenState: 开始打坐")
}

func (this *ZazenState) Exit() {
    fmt.Println("ZazenState: 退出打坐")
}

func (this *ZazenState) Hour() int {
    return this.hour
}

// 状态转移检测
func (this *ZazenState) CheckTransition(hour int) bool {
    if hour == this.hour {
        return true
    }
    return false
}

// 工作
type WorkerState struct {
    hour int
    FSMState
}

func NewWorkerState() *WorkerState {
    return &WorkerState{hour: 12}
}
func (this *WorkerState) Enter() {
    fmt.Println("WorkerState: 开始工作")
}

func (this *WorkerState) Exit() {
    fmt.Println("WorkerState: 退出工作")
}

func (this *WorkerState) Hour() int {
    return this.hour
}

// 状态转移检测
func (this *WorkerState) CheckTransition(hour int) bool {
    if hour == this.hour {
        return true
    }
    return false
}

type FSM struct {
    // 持有状态集合
    states map[string]IFSMState
    // 当前状态
    current_state IFSMState
    // 默认状态
    default_state IFSMState
    // 外部输入数据
    input_data int
    // 是否初始化
    inited bool
}

// 初始化FSM
func (this *FSM) Init() {
    this.Reset()
}

// 添加状态到FSM
func (this *FSM) AddState(key string, state IFSMState) {
    if this.states == nil {
        this.states = make(map[string]IFSMState, 2)
    }
    this.states[key] = state
}

// 设置默认的State
func (this *FSM) SetDefaultState(state IFSMState) {
    this.default_state = state
}

// 转移状态
func (this *FSM) TransitionState() {
    nextState := this.default_state
    input_data := this.input_data
    if this.inited {
        for _, v := range this.states {
            if input_data == v.Hour() {
                nextState = v
                break
            }
        }
    }
    if ok := nextState.CheckTransition(this.input_data); ok {
        if this.current_state != nil {
            // 退出前一个状态
            this.current_state.Exit()
        }
        this.current_state = nextState
        this.inited = true
        nextState.Enter()
    }
}

// 设置输入数据
func (this *FSM) SetInputData(inputData int) {
    this.input_data = inputData
    this.TransitionState()
}

// 重置
func (this *FSM) Reset() {
    this.inited = false
}

func main() {
    zazenState := NewZazenState()
    workerState := NewWorkerState()
    fsm := new(FSM)
    fsm.AddState("ZazenState", zazenState)
    fsm.AddState("WorkerState", workerState)
    fsm.SetDefaultState(zazenState)
    fsm.Init()
    fsm.SetInputData(8)
    fsm.SetInputData(12)
    fsm.SetInputData(12)
    fsm.SetInputData(8)
    fsm.SetInputData(12)
}

运行结果如下所示：

ZazenState: 开始打坐
ZazenState: 退出打坐
WorkerState: 开始工作
WorkerState: 退出工作
WorkerState: 开始工作
WorkerState: 退出工作
ZazenState: 开始打坐
ZazenState: 退出打坐
WorkerState: 开始工作

关于对 FSM 的封装

FSM 主要是处理外部数据而产生状态的转变，所以别打算去封装它。不同的条件，不同的状态以及不同的处理方式令 FSM 基本上不太可能去封装，只能做一些语法上的包装罢了。

总结

真实的场景中，这个宠物所做的工作可能会非常多。比如自动判断周边的环境，发现怪物就去打怪，没血了就自动补血，然后实在打不过就逃跑等等。

上例中的 SetInputData() 就是用于模拟周边环境的数据对宠物的影响，更复杂的情况还在于宠物有时候执行的动作是不能被打断的（上例中的 Exit() 方法），它只有在完成某个周期的行为才能被终止。这个很容易理解。比如宠物发送网络数据包的时候就不能轻易的被中断，那这个时候其实是可以实现同步原语，状态之间互相 wait。

FSM 被广泛用于游戏设计和其它各方面，的确是个比较重要的数学模型。