为什么你的if-else越写越乱？聊聊状态机

状态机是什么？

一句话定义：状态机：把对象的所有可能情况分成互斥的几种"状态"，明确规定状态之间如何切换。

本质上是对实际情况的一种分类讨论。

为什么需要状态机

状态机解决的是：同一个对象，在不同状态下，对同一输入的不同响应问题。

想象一个游戏场景，你操作的角色需要进行不同的动作。 假设角色有这些状态：站立、跑步、跳跃、攻击、受击

刚开始的时候，你打算用if-else来解决

先来定义几个变量保存这些状态：

is_jumping = False
is_attacking = False
is_running = False
is_hurt = False
is_standing  = False

根据不同状态进行不同形态的攻击：

def on_attack_button():
    if is_jumping and not is_attacking and not is_hurt:
        do_air_attack()
    elif is_running and not is_attacking and not is_hurt:
        do_dash_attack()
    elif is_standing and not is_attacking and not is_hurt:
        do_normal_attack()
    # 还要考虑29种其他组合的合理性

问题来了：

• 5个布尔变量，理论上有32（2^5）种组合
• 但"跳跃中同时受击同时攻击"合法吗？
• 每加一个状态，组合数翻倍
• 漏掉一个判断就出bug

状态机要素

状态机的要素分为4个要素，即：现态、条件、动作、次态。 "现态"和"条件"是因，"动作"和"次态"是果。

（1）现态：是指当前所处状态；

（2）条件：又称为"事件"。当条件被满足时，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。

（3）动作：条件满足后执行的动作。动作不是必须的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。

（4）次态：条件满足后要迁移往的新状态。"次态"是相对于"现态"而言的，"次态"一旦被激活，就转变成新的"现态"了。

用状态机来解决这个问题

核心思路：任何时刻，角色只能处于一个状态

因此很自然的，我们定义一个变量表示角色的状态：

state = "站立"  # 只有一个变量

从状态到状态的转换，我们也需要定义：

状态（现态）	状态描述	条件（事件）	动作	次态
站立	默认待机状态	按方向键	播放跑步动画	跑步
		按跳跃键	播放跳跃动画	跳跃
		按攻击键	播放攻击动画	攻击
		被打中	播放受击动画	受击
跑步	水平移动中	松开方向键	-	站立
		按跳跃键	播放跳跃动画	跳跃
		按攻击键	播放攻击动画	攻击
		被打中	播放受击动画	受击
跳跃	空中状态	落地	-	站立
		按攻击键	播放空中攻击动画	攻击
		被打中	播放受击动画	受击
攻击	攻击动作中	动画结束	-	站立
		被打中	播放受击动画	受击
受击	受击硬直中	硬直结束	-	站立

flowchart LR subgraph 基础状态 站立[站立] 跑步[跑步] end subgraph 动作状态 跳跃[跳跃] 攻击[攻击] 受击[受击] end 站立 -->|方向键| 跑步 跑步 -->|松开| 站立 站立 -->|跳跃键| 跳跃 跑步 -->|跳跃键| 跳跃 跳跃 -->|落地| 站立 站立 -->|攻击键| 攻击 跑步 -->|攻击键| 攻击 跳跃 -->|攻击键| 攻击 攻击 -->|动画结束| 站立 站立 -->|被打中| 受击 跑步 -->|被打中| 受击 跳跃 -->|被打中| 受击 攻击 -->|被打中| 受击 受击 -->|硬直结束| 站立

最后我们来实现不同形态的攻击（按攻击键）：

def on_attack_button():
    if state == "站立":
	    # 站立时的攻击
        do_normal_attack()
        state = "攻击"
    elif state == "跑步":
	    # 跑步时的攻击
        do_dash_attack()
        state = "攻击"
    elif state == "跳跃":
	    # 跳跃时的攻击
        do_air_attack()
        state = "攻击"
    # 其他状态按攻击键无效，不用写

对比

	布尔变量组合	状态机
5个状态	最多32种组合要考虑	只有5种情况
加新状态	所有if都要检查	只加新状态的转换
非法情况	要手动排除	根本不存在

总结

代码的核心思路转变就是：

从"用多个变量组合描述状态"到"用单一变量明确状态"

核心难点是 如何定义状态 以做到互斥。

延伸

• 状态很多时（几十个），考虑分层状态机
• 需要同时处于多个状态时，考虑并行状态机
• 实际项目中，状态机常用字典映射或状态模式实现，比if-elif更易维护