通用FSM设计与实现

有限状态机（FSM, Finite State Machine）是一种重要的计算模型，广泛应用于游戏开发、网络协议、编译器等领域。通过将系统状态与状态间的转换逻辑清晰地分离，FSM提供了一种简单且模块化的方式来设计复杂的行为。

FSM的基本结构

FSM由以下几个基本部分构成：

1. 状态（State）：FSM可以处于的条件或情景。
2. 事件（Event）：导致状态转移的行为或信号。
3. 状态转移（Transition）：从一个状态到另一个状态的变化规则。

状态转移表

一种有效的FSM实现方式是使用状态转移表。下面是一个简单的状态转移表示例：

在这个例子中，有限状态机有三个状态（S0，S1，S2）和三个有效的输入事件（a，b，c）。

Java实现

我们将用Java来实现一个简单的FSM，符合上述状态转移逻辑。以下是代码示例：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.function.Consumer;

public class FSM {
    private String currentState;
    private final Map<String, Map<String, String>> stateTransitions = new HashMap<>();
    private final Map<String, Consumer<String>> stateActions = new HashMap<>();

    public FSM(String initialState) {
        this.currentState = initialState;
    }

    public void addTransition(String fromState, String event, String toState) {
        stateTransitions
            .computeIfAbsent(fromState, k -> new HashMap<>())
            .put(event, toState);
    }

    public void addAction(String state, Consumer<String> action) {
        stateActions.put(state, action);
    }

    public void handleEvent(String event) {
        Map<String, String> transitions = stateTransitions.get(currentState);
        if (transitions != null && transitions.containsKey(event)) {
            String nextState = transitions.get(event);
            currentState = nextState;
            stateActions.getOrDefault(nextState, (s) -> {}).accept(nextState);
        } else {
            System.out.println("Invalid event: " + event);
        }
    }

    public String getCurrentState() {
        return currentState;
    }
}

FSM的使用示例

我们可以用下面的代码来初始化并运行FSM：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        FSM fsm = new FSM("S0");

        fsm.addTransition("S0", "a", "S1");
        fsm.addTransition("S1", "b", "S2");
        fsm.addTransition("S2", "c", "S0");

        fsm.addAction("S1", (s) -> System.out.println("Entered state: " + s));
        fsm.addAction("S2", (s) -> System.out.println("Entered state: " + s));

        fsm.handleEvent("a");
        fsm.handleEvent("b");
        fsm.handleEvent("c");
    }
}

链接多个状态

这个FSM将随着事件流转到不同的状态，并在每个状态时执行相应的动作。通过这种方式，我们清晰地定义了每个状态的行为。

序列图

为了更好地理解FSM的动作，我们可以使用序列图来表示系统的状态转移过程：

sequenceDiagram
    participant FSM
    participant Event

    FSM->>Event: handleEvent("a")
    Event->>FSM: Current state S1
    FSM->>Event: handleEvent("b")
    Event->>FSM: Current state S2
    FSM->>Event: handleEvent("c")
    Event->>FSM: Current state S0

结论

有限状态机提供了一个强有力的框架来管理系统的状态和状态间的转换。通过Java实现的示例，我们可以看到FSM的使用是相对简单的，但它能够有效地处理复杂系统中的状态逻辑。在实际应用中，可以根据需要扩展和优化FSM的功能，以满足特定的需求。无论在游戏开发还是其他领域，掌握FSM的设计与实现都是一项宝贵的技能。