手机 - 行为模式的实现， 用于描述状态

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引言

有限状态机 (FSM) 是设计动态行为的重要模型，即接收有限集合中的事件，并跟踪当前状态和前一状态，同时提供一种基于预定事件集合中事件改变状态的机制。该实现是基于时下流行的手机活动，使用 .NET 开发的状态转换系统。

有限状态机

没有 FSM 是一个孤立的过程。FSM 的每个方面都取决于其上下文、需求、编程语言的限制和其他因素。最流行的非面向对象 FSM 实现是链式的 if 语句、嵌套的 switch 语句、状态转换表和使用 goto 语句的代码。它们的流行是因为执行速度快，但可靠性和可维护性较弱。另一方面，纯粹的面向对象 FSM 设计需要“完全具体化”，即使状态机的每个元素都成为一个对象。有限状态机的实现来自“Gang of Four”(GoF) 的设计模式“状态模式”。这是一种面向对象的方法，每个状态和事件都对应一个紧耦合的类结构或类层次结构。

有限状态机至少有两个共同特征

1. 第一，存在明确的、有限数量的状态。
2. 第二，存在促进状态之间移动的方法，即转换。

状态模式

允许对象在内部状态改变时改变其行为。对象看起来会改变其类。解决方案如下：每个状态都封装在一个实现通用 State 接口 (IState) 的单独类中，并定义处理所有外部事件的行为。Context 类负责维护当前状态和其他数据的知识。外部实体通过 Context 类与系统通信，该类将请求转发给当前状态对象。使用状态模式时有以下后果。

1. 特定于状态的行为被局部化并划分到不同的状态之间。
2. 状态转换完全在代码中执行。
3. 如果一个对象有很多状态，就需要创建很多具体类，这可能导致类层次结构过于庞大。
4. Context 类将所有外部事件委托给 State 类接口中的相应方法；它负责提供正确的映射。这导致 Context 类与具体事件之间紧密耦合。
5. Context 类在哈希表中保留每个状态的一个实例，这样状态更改就不会导致对象的创建或删除。
6. Context 类保留许多状态对象，但一次只有一个是活动的（即响应事件）。

状态

• 空闲状态 - 系统默认处于空闲状态。此外，无论何时取消其他状态，系统都会切换到“空闲”状态。
• 菜单状态 - 系统处于空闲状态。如果我们调用菜单命令，状态将变为菜单状态，操作为“菜单列表”；如果我们调用呼叫命令，状态将变为菜单状态，操作为“上次呼叫列表”。
• 拨号状态 - 系统处于菜单状态。如果我们调用呼叫命令，状态将变为拨号状态，操作为“正在呼叫”，并且在等待一段时间后，如果在此期间我们没有“取消”状态，该呼叫状态将变为“通话中”，操作为“呼叫已连接”。
• 响铃状态 - 系统处于空闲状态。如果我们调用响铃命令，状态将变为响铃状态，操作为“来电”。如果我们调用呼叫命令，状态将变为通话状态，操作为“接听”；如果我们调用取消命令，则在断开连接后状态将变为空闲。

特殊情况

• 如果我们处于空闲状态并调用取消命令，系统会给出消息“已处于空闲状态”。
• 如果我们处于菜单状态并调用菜单命令，系统会给出消息“已处于菜单状态”。
• 如果我们处于拨号/通话状态并调用呼叫命令，系统会给出消息“已处于拨号/通话状态”。
• 如果我们处于通话状态并调用菜单命令，系统会给出消息“操作被忽略：目前处于通话状态”。
• 如果我们处于响铃状态并调用菜单命令，系统会给出消息“操作被忽略：目前处于响铃状态”。

类图

IState 接口

IState 接口是实现实际“智能”的方式。其思想是，一个实体在任何给定时间只能处于一种状态，因此您可以使用此接口来规定进入该状态时会发生什么，何时离开该状态，以及去往何处。

interface IState
{
    void menuButton(CellPhone cellPhone);
    void callButton(CellPhone cellPhone);
    void exitButton(CellPhone cellPhone);
}

CellPhone 类

这很简单地规定了实体必须跟踪当前状态、前一状态，并提供改变状态的机制。我添加了 m_previousState 属性，因为如果代码能够知道它之前处于什么状态，从而能够改变其行为，那么状态机可能会更具通用性。

public class CellPhone
{
    private Form1 m_form; 
    private IState m_previousState;
    private IState m_currentState;
    private Hashtable m_states = new Hashtable();

    public CellPhone(Form1 f)
    {
        m_states.Add( eState.IDLE, new Idle());
        m_states.Add( eState.MENU, new Menu());
        m_states.Add( eState.RINGING, new Ringing());
        m_states.Add( eState.DIALING, new Dialing());
        m_states.Add( eState.TALKING, new Talking());
    
        //default stste is idle

        m_currentState = (IState) m_states[eState.IDLE]; 
        m_previousState = null; 
        m_form = f;
        disconnect();
    }
    public eState getCurrentState()
    {
        foreach(object key in m_states.Keys)
        {
            if((IState)m_states[key] == m_currentState)
                return (eState)key;
        }    
        return eState.UNKNOWN;
    }
    public void setCurrentState(eState s)
    {
        m_previousState = m_currentState;
        m_currentState = (IState) m_states[s];    
    }
    
    //Wrappers to m_currentState

    public void menuButton()
    {
        m_currentState.menuButton( this );
    }
    public void callButton()
    {
        m_currentState.callButton( this );
    }
    public void exitButton()
    {
        m_currentState.exitButton( this );
    }
    public void ringButton()
    {
        setCurrentState( eState.RINGING );
        ringing();
    }

    //More functions

    public void call() {    Show("Calling...");    } 
    public void showLastCall() {    Show("LastCall List...");    } 
    public void showMenu() {    Show("Menu List...");    } 
    public void talking() {    Show("Call Connected...");    } 
    public void ringing() {    Show("Call is coming...");    } 
    public void answer() {    Show("Answering...");    } 
    public void disconnect() {    Show("Disconnected/Idle...");    } 

    public void Show(string s)
    {
      ListViewItem item = new ListViewItem();
      item.Text = s;
      if(m_previousState != null)
       item.SubItems.Add( m_previousState.ToString().Replace("StatePattern.", ""));
      else
       item.SubItems.Add( "Unknown" );
      item.SubItems.Add(m_currentState.ToString().Replace("StatePattern.", ""));
      m_form.MainListView.Items.Add( item );

      m_form.LState.Text = 
       m_currentState.ToString().Replace("StatePattern.", "");
      m_form.LOperation.Text = s;
    }
    public void ignore()
    {
        string str = String.Format(@"Ignored: Currently in {0} state", 
                                           m_currentState.ToString());
        m_form.MainListView.Items.Add( str.Replace("StatePattern.", "") );
    }
    public void repeat()
    {
        string str = String.Format(@"Already in {0} state", 
                                m_currentState.ToString());
        m_form.MainListView.Items.Add( str.Replace("StatePattern.", "") );
    }
}

具体类

具体类将是 IState 接口的具体实现。请注意，每个类如何实现 IState 接口来定义状态转换到另一个状态时的规则。Alpha 类是一个线程，用于自动将状态从呼叫状态触发到通话状态。

class Idle : IState
{
    public void menuButton(CellPhone cellPhone)
    {
        cellPhone.setCurrentState( eState.MENU );
        cellPhone.showMenu();
    }
    public void callButton(CellPhone cellPhone)
    {
        cellPhone.setCurrentState( eState.MENU );
        cellPhone.showLastCall();
    }
    public void exitButton(CellPhone cellPhone)
    { 
        cellPhone.repeat();
    }
}

class Menu : IState
{
    public void menuButton(CellPhone cellPhone)
    {
        cellPhone.repeat();
    }
    public void callButton(CellPhone cellPhone)
    {
        Alpha a = new Alpha( cellPhone );
        Thread t = new Thread(new ThreadStart(a.threadProc));
        t.Start();
            
    }
    public void exitButton(CellPhone cellPhone)
    { 
        cellPhone.setCurrentState( eState.IDLE );
        cellPhone.disconnect();
    }
}

class Ringing : IState
{
    public void menuButton(CellPhone cellPhone)
    { 
        cellPhone.ignore();
    }
    public void callButton(CellPhone cellPhone)
    {
        cellPhone.setCurrentState( eState.TALKING );
        cellPhone.answer();
    }
    public void exitButton(CellPhone cellPhone)
    { 
        cellPhone.setCurrentState( eState.IDLE );
        cellPhone.disconnect();
    }
}

class Dialing : IState
{
    public void menuButton(CellPhone cellPhone)
    { 
        cellPhone.ignore();
    }
    public void callButton(CellPhone cellPhone)
    { 
        cellPhone.repeat();
    }
    public void exitButton(CellPhone cellPhone)
    {
        cellPhone.setCurrentState( eState.IDLE );
        cellPhone.disconnect();
    }
}

class Talking : IState
{
    public void menuButton(CellPhone cellPhone)
    { 
        cellPhone.ignore();
    }
    public void callButton(CellPhone cellPhone)
    {
        cellPhone.repeat();
    }
    public void exitButton(CellPhone cellPhone)
    { 
        cellPhone.setCurrentState( eState.IDLE );
        cellPhone.disconnect();
    }
}

谢谢

我非常感谢 Agha M. Ali 对本文提出的建议。