基于 Kotlin 特性开发的有限状态机

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一. 状态机

状态机是古老的计算机理论,在游戏开发、嵌入式开发、网络协议等领域,得到广泛地使用。

状态机:它是一个有向图形,由一组节点和一组相应的转移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前” 节点的转移函数的控制范围内,其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”(也许是同一个)节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态, 状态机停止。

二. 常用的状态机分类

FSM

有限状态机,(英语:Finite-state machine, FSM),又称有限状态自动机,简称状态机,是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。

以下是对状态机抽象定义

  • State(状态):构成状态机的基本单位。 状态机在任何特定时间都可处于某一状态。从生命周期来看有Initial State、End State、Suspend State(挂起状态)
  • Event(事件):导致转换发生的事件活动
  • Transitions(转换器):两个状态之间的定向转换关系,状态机对发生的特定类型事件响应后当前状态由A转换到B。标准转换、选择转、子流程转换多种抽象实现
  • Actions(转换操作):在执行某个转换时执行的具体操作。
  • Guards(检测器):检测器出现的原因是为了转换操作执行后检测结果是否满足特定条件从一个状态切换到某一个状态
  • Interceptor(拦截器):对当前状态改变前、后进行监听拦截。
状态表.jpg

DFA

确定有限状态自动机或确定有限自动机(英语:deterministic finite automaton, DFA)是一个能实现状态转移的自动机对于一个给定的属于该自动机的状态和一个属于该自动机字母表的字符,它都能根据事先给定的转移函数转移到下一个状态(这个状态可以是先前那个状态)。

DFA 是 FSM 的一种,与 DFA 对应的还有 NFA(非确定性有限自动机)。

DFA 的特性:

  • 没有冲突:一个状态对于同样的输入,不能有多个规则,即每个输入只能有一个转移规则;
  • 没有遗漏:每个状态都必须针对每个可能的输入字符有至少一个规则

以前我写过的一篇文章《一个快速分析android app使用了哪些sdk的工具》 曾经使用过DFA。

HSM

层次状态机(英语:Hierarchical State Machine)是状态机理论中的一种层次结构的模型,各个状态按照树状层次结构组织起来,状态图是层次结构的,也就是说每个状态可以拥有子状态。

当 FSM 状态太多的时候,可以将状态分类,并抽离出来。同类型的状态做为一个状态机,然后再做一个大的状态机,来维护这些子状态机。

三. Kotlin 开发的 FSM

github 地址:https://github.com/fengzhizi715/KStateMachine

StateContext

用于保存管理 State 对象实例,表示 State 实例所处的环境。

interface StateContext {

    fun getEvent(): BaseEvent

    fun getSource(): BaseState

    fun getTarget(): BaseState

    fun getException(): Exception?

    fun setException(exception: Exception)

    fun getTransition(): Transition
}

State

构成状态机的基本单位,状态机在任何特定时间都可处于某一状态。

class State(val name: BaseState) {

    private val transitions = hashMapOf<BaseEvent, Transition>() // 存储当前 State 相关的所有 Transition
    private val stateActions = mutableListOf<StateAction>()  // 当前 State 相关的所有 Action

    /**
     * 当一个 Event 被状态机系统分发的时候,状态机用 Action 来进行响应
     * 状态转换可以使用 F(S, E) -> (A, S’) 表示
     *
     * @param event: 触发事件
     * @param targetState: 下一个状态
     * @param guard: 断言接口,为了转换操作执行后检测结果是否满足特定条件从一个状态切换到某一个状态
     * @param init
     */
    fun transition(event: BaseEvent, targetState: BaseState, guard: Guard?=null, init: Transition.() -> Unit):State {
        val transition = Transition(event, this.name, targetState, guard)
        transition.init()

        if (transitions.containsKey(event)) { // 同一个 Event 不能对应多个 Transition,即 State 只能通过一个 Event 然后 Transition 到另一个 State
            throw StateMachineException("Adding multiple transitions for the same event is invalid")
        }

        transitions[event] = transition
        return this
    }

    /**
     * State 执行的 Action
     */
    fun action(action: StateAction) {
        stateActions.add(action)
    }

    /**
     * 进入 State 并执行所有的 Action
     */
    fun enter() {
        stateActions.forEach {
            it.invoke(this)
        }
    }

    /**
     * 通过 Event 获取 Transition
     */
    fun getTransitionForEvent(event: BaseEvent): Transition = transitions[event]?:throw IllegalStateException("Event $event isn't registered with state ${this.name}")

    override fun toString(): String = name.javaClass.simpleName
}

Transition

从一个状态切换到另一个状态。

class Transition(private val event: BaseEvent, private val sourceState: BaseState, private val targetState: BaseState, private var guard:Guard?= null) {

    private val actions = mutableListOf<TransitionAction>()

    /**
     * 是否转换
     * @param context
     */
    fun transit(context: StateContext): Boolean {
        executeTransitionActions(context)
        return context.getException() == null
    }

    /**
     * 执行 Transition 的 Action
     */
    private fun executeTransitionActions(context: StateContext) {

        actions.forEach {
            try {
                it.invoke(this)
            } catch (e:Exception) {
                context.setException(e)
                return
            }
        }
    }

    /**
     * 添加一个 action,在状态转换时执行(时间点是在状态转换之前)
     */
    fun action(action: TransitionAction) {
        actions.add(action)
    }


    /**
     * 转换状态
     */
    fun applyTransition(getNextState: (BaseState) -> State): State = getNextState(targetState)

    /**
     * 设置检测条件,判断是否满足状态转换的条件,满足则执行状态转换
     */
    fun guard(guard: Guard) {
        this.guard = guard
    }

    fun getGuard():Guard? = guard

    fun getSourceState(): BaseState = sourceState

    fun getTargetState(): BaseState = targetState

    override fun toString(): String = "${sourceState.javaClass.simpleName} transition to ${targetState.javaClass.simpleName} on ${event.javaClass.simpleName}"
}

状态机的实现

class StateMachine private constructor(private val initialState: BaseState) {

    private lateinit var currentState: State    // 当前状态
    private val states = mutableListOf<State>() // 状态列表
    private val initialized = AtomicBoolean(false) // 是否初始化
    private var globalInterceptor: GlobalInterceptor?=null
    private val transitionCallbacks: MutableList<TransitionCallback> = mutableListOf()

    /**
     * 设置状态机全局的拦截器,使用时必须要在 initialize() 之前
     * @param event: 状态机全局的拦截器
     */
    fun interceptor(globalInterceptor: GlobalInterceptor):StateMachine {
        this.globalInterceptor = globalInterceptor
        return this
    }

    /**
     * 初始化状态机,并进入初始化状态
     */
    fun initialize() {
        if(initialized.compareAndSet(false, true)){
            currentState = getState(initialState)
            globalInterceptor?.stateEntered(currentState)
            currentState.enter()
        }
    }

    /**
     * 向状态机添加 State
     */
    fun state(stateName: BaseState, init: State.() -> Unit):StateMachine {
        val state = State(stateName)
        state.init()
        states.add(state)
        return this
    }

    /**
     * 通过状态名称获取状态
     */
    private fun getState(stateType: BaseState): State = states.firstOrNull { stateType.javaClass == it.name.javaClass } ?: throw NoSuchElementException(stateType.javaClass.canonicalName)

    /**
     * 向状态机发送 Event,执行状态转换
     */
    @Synchronized
    fun sendEvent(e: BaseEvent) {
        try {
            val transition = currentState.getTransitionForEvent(e)

            globalInterceptor?.transitionStarted(transition)

            val stateContext: StateContext = DefaultStateContext(e, transition, transition.getSourceState(), transition.getTargetState())

            //状态转换之前执行的 action(Transition 内部的 action), action执行失败表示不接受事件,返回false
            val accept = transition.transit(stateContext)

            if (!accept) {
                //状态机发生异常
                globalInterceptor?.stateMachineError(this, StateMachineException("状态转换失败,source ${currentState.name} -> target ${transition.getTargetState()} Event ${e}"))
                return
            }

            val guard = transition.getGuard()?.invoke()?:true

            if (guard) {
                val state = transition.applyTransition { getState(stateContext.getTarget()) }

                val callbacks = transitionCallbacks.toList()

                globalInterceptor?.apply {
                    stateContext(stateContext)
                    transition(transition)
                    stateExited(currentState)
                }

                callbacks.forEach { callback ->
                    callback.enteringState(this, stateContext.getSource(), transition, stateContext.getTarget())
                }

                state.enter()

                callbacks.forEach { callback ->
                    callback.enteredState(this, stateContext.getSource(), transition, stateContext.getTarget())
                }

                globalInterceptor?.apply {
                    stateEntered(state)
                    stateChanged(currentState,state)
                    transitionEnded(transition)
                }

                currentState = state
            } else {
                println("$transition 失败")

                globalInterceptor?.stateMachineError(this, StateMachineException("状态转换时 guard [${guard}], 状态 [${currentState.name}],事件 [${e.javaClass.simpleName}]"))
            }
        } catch (exception:Exception) {

            globalInterceptor?.stateMachineError(this, StateMachineException("This state [${this.currentState.name}] doesn't support transition on ${e.javaClass.simpleName}"))
        }
    }

    @Synchronized
    fun getCurrentState(): BaseState = this.currentState.name

    /**
     * 注册 TransitionCallback
     */
    fun registerCallback(transitionCallback: TransitionCallback) = transitionCallbacks.add(transitionCallback)

    /**
     * 取消 TransitionCallback
     */
    fun unregisterCallback(transitionCallback: TransitionCallback) = transitionCallbacks.remove(transitionCallback)

    companion object {

        fun buildStateMachine(initialStateName: BaseState, init: StateMachine.() -> Unit): StateMachine {
            val stateMachine = StateMachine(initialStateName)
            stateMachine.init()
            return stateMachine
        }
    }
}

在 StateMachine 中,包含了一个全局的 GlobalInterceptor 和 一个 TransitionCallback 的列表。

GlobalInterceptor

能够监听 State、Transition、StateContext 以及异常。

interface GlobalInterceptor {

    /**
     * 进入某个 State
     */
    fun stateEntered(state: State)

    /**
     * 离开某个 State
     */
    fun stateExited(state: State)

    /**
     * State 发生改变
     * @param from: 当前状态
     * @param to:   下一个状态
     */
    fun stateChanged(from: State, to: State)

    /**
     * 触发 Transition
     */
    fun transition(transition: Transition)

    /**
     * 准备开始 Transition
     */
    fun transitionStarted(transition: Transition)

    /**
     * Transition 结束
     */
    fun transitionEnded(transition: Transition)

    /**
     * 状态机异常的回调
     */
    fun stateMachineError(stateMachine: StateMachine, exception: Exception)

    /**
     * 监听状态机上下文
     */
    fun stateContext(stateContext: StateContext)
}

TransitionCallback

只能监听 Transition 发生的变化,也就是进入 State、离开 State。

interface TransitionCallback {

    fun enteringState(
        stateMachine: StateMachine,
        currentState: BaseState,
        transition: Transition,
        targetState: BaseState
    )

    fun enteredState(
        stateMachine: StateMachine,
        previousState: BaseState,
        transition: Transition,
        currentState: BaseState
    )
}

TypeAliases

定义了状态内部执行的 action、Transition 执行的 action、以及是否执行 Transition 的断言。

typealias StateAction = (State) -> Unit

typealias TransitionAction = (Transition) -> Unit

typealias Guard = ()->Boolean

支持 RxJava 2

通过对 StateMachine 增加扩展属性 enterTransitionObservable、exitTransitionObservable 可以监听到进入 State、离开 State 发生的变化。

val StateMachine.stateObservable: Observable<TransitionEvent>
    get() = Observable.create { emitter ->
        val rxCallback = RxStateCallback(emitter)
        registerCallback(rxCallback)
        emitter.setCancellable {
            unregisterCallback(rxCallback)
        }
    }

val StateMachine.enterTransitionObservable: Observable<TransitionEvent.EnterTransition>
    get() = stateObservable
        .filter { event -> event is TransitionEvent.EnterTransition }
        .map { event -> event as TransitionEvent.EnterTransition }

val StateMachine.exitTransitionObservable: Observable<TransitionEvent.ExitTransition>
    get() = stateObservable
        .filter { event -> event is TransitionEvent.ExitTransition }
        .map { event -> event as TransitionEvent.ExitTransition }

四. 应用

举一个简单的例子,用 FSM 来模拟用户从初始状态,到吃饭的状态,最后到看电视的状态。

demo.png
fun main() {

    val sm = StateMachine.buildStateMachine(Initial()) {

        state(Initial()) {
            action {
                println("Entered [$it] State")
            }

            transition(Cook(), Eat()) {
                action {
                    println("Action: Wash Vegetables")
                }

                action {
                    println("Action: Cook")
                }
            }
        }

        state(Eat()) {

            action {
                println("Entered [$it] State")
            }

            transition(WashDishes(), WatchTV()) {

                action {
                    println("Action: Wash Dishes")
                }

                action {
                    println("Action: Turn on the TV")
                }
            }
        }

        state(WatchTV()) {

            action {
                println("Entered [$it] State")
            }
        }
    }

    sm.initialize()
    sm.sendEvent(Cook())
    sm.sendEvent(WashDishes())
}

执行结果:

Entered [Initial] State
Action: Wash Vegetables
Action: Cook
Entered [Eat] State
Action: Wash Dishes
Action: Turn on the TV
Entered [WatchTV] State

五. 总结

之所以开发一款 FSM 框架,主要是为了重构公司的项目。趁疫情期间正好把以前的项目捋一捋。目前打算将这个 FSM 应用在我们的移动端和后端的项目上。

参考资料:

  1. 状态机思维
  2. https://codereview.stackexchange.com/questions/143726/event-driven-finite-state-machine-dsl-in-kotlin
  3. 计算机的计算(一) - 有限自动机