状态机（State Machine）详解：原理、优缺点与 C++ 实战示例

一、概念

状态机（State Machine，FSM）是一种描述系统行为的数学模型，用来表示系统在不同状态之间的转换关系。简单理解就是：程序在任意时刻都处于某一种"状态"，根据不同的事件或条件，切换到其他状态。状态机在嵌入式开发、游戏开发、协议解析、业务流程控制等场景中被广泛使用。

二、状态机的核心组成

一个典型的状态机包含以下几个要素：

状态：系统当前所处的状态，如：Idle、Running、Stop

事件：触发状态变化的条件，如按钮点击、超时、收到数据

状态转移：从一个状态到另一个状态的变化规则

动作：在状态切换或状态中执行的操作

三、为什么要使用状态机？

优点：

逻辑清晰，结构清楚；将复杂逻辑拆解为多个状态，避免大量 if-else 嵌套。

可维护性强；修改某个状态逻辑时，不影响其他状态。

扩展方便；新增状态或行为时，不需要重构整体代码。

非常适合流程控制；（设备控制、业务流程、通信协议）

缺点：

状态过多时复杂度增加；状态数量爆炸；前期设计成本较高；需要提前规划状态和转换关系；不适合非常简单的逻辑；只有几个判断时使用状态机反而显得"重"

四、典型应用场景

1.游戏角色行为（待机 / 行走 / 攻击 / 死亡）

2.订单系统（创建 → 支付 → 发货 → 完成）

3.网络通信协议（如 TCP 状态机）

4.嵌入式设备控制（洗衣机、电梯、空调）

五、C++ 状态机示例（订单流程）

示例需求

订单状态如下：

bash 复制代码

CREATED → PAID → SHIPPED → COMPLETED
         ↓
       CANCELED

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

enum class OrderState {
    CREATED,
    PAID,
    SHIPPED,
    COMPLETED,
    CANCELED
};


class OrderStateMachine {
public:
    OrderStateMachine() : state(OrderState::CREATED) {}

    void pay() {
        if (state == OrderState::CREATED) {
            state = OrderState::PAID;
            cout << "订单已支付" << endl;
        } else {
            invalidOperation("支付");
        }
    }

    void ship() {
        if (state == OrderState::PAID) {
            state = OrderState::SHIPPED;
            cout << "订单已发货" << endl;
        } else {
            invalidOperation("发货");
        }
    }

    void complete() {
        if (state == OrderState::SHIPPED) {
            state = OrderState::COMPLETED;
            cout << "订单已完成" << endl;
        } else {
            invalidOperation("完成");
        }
    }

    void cancel() {
        if (state == OrderState::CREATED || state == OrderState::PAID) {
            state = OrderState::CANCELED;
            cout << "订单已取消" << endl;
        } else {
            invalidOperation("取消");
        }
    }

private:
    OrderState state;

    void invalidOperation(const string& op) {
        cout << "当前状态下无法执行操作：" << op << endl;
    }
};

//使用示例：
int main() {
    OrderStateMachine order;

    order.pay();
    order.ship();
    order.complete();

    return 0;
}

运行结果：

bash 复制代码

订单已支付
订单已发货
订单已完成

六、与if-else/switch-case相比的优势：

1.逻辑更清晰，状态机把系统行为拆分成"状态 + 状态转换"，比层层嵌套的 if-else 更直观。

2.可维护性更好，每个状态职责明确，修改或新增状态不容易影响其他逻辑。

3.扩展性强，当业务变复杂时，只需要增加状态或转移规则，不需要重写大量判断代码。

4.更符合业务模型，状态机直接对应现实中的业务流程（如订单状态、设备状态），代码更易理解。

5.减少逻辑错误，明确的状态流转能避免非法状态和混乱跳转。