让对象拥有状态——C#中的状态模式

大家好，老胡又在博客和大家见面了，在聊今天的主角之前，老胡先给大家讲一个以前发生的故事。
 

真实的故事

当老胡还是小胡的时候，跟随团队一起开发一款游戏。这款游戏是一款末日生存类游戏，玩家可以

• 收集资源，两种，一种金子，一种铁。
• 升级自身
• 击杀敌人
• 用资源合成装备

项目开发的很顺利，我那时得到一个任务，是为游戏做一个新手教程，在这个教程里面，通过一系列步骤，引导新手玩家熟悉这个游戏。游戏设计给出的教程包含以下步骤

• 收集金子
• 收集铁
• 击杀敌人
• 升级

同时要求在不用的阶段显示不同的提示以正确引导玩家。
考虑合成装备算是高级玩家才会接触到的功能，所以暂时不打算放在新手教程里面。

当老大把任务交给我的时候，我感觉简单爆了，不就写一个新手教程么，要求又那么明确，应该要不了多少时间。于是，一个上午过后，我交出了如下代码。
 

我的代码

定义枚举表示教程进度

首先用一个枚举，表示教程进行的不同程度

enum TutorialState
{
    GetGold,
    GetIron,
    KillEnemy,
    LevelUp
}

 

定义角色类

无需多言，封装收集到的资源数、击杀敌人数量、角色等级和一些升级接口等

class Player
{
    private int ironNum;
    private int goldNum;
    private int enemyKilled;
    private int level;

    public int IronNum => ironNum;
    public int GoldNum => goldNum;
    public int EnemyKilled => enemyKilled;
    public int Level => level;

    public void CollectIron(int num)
    {
        ironNum += num;
    }

    public void CollectGold(int num)
    {
        goldNum += num;
    }

    public void KillEnemy()
    {
        enemyKilled++;
    }

    public void LevelUp()
    {
        level++;
    }
}

 

定义教程类

定义一个教程类，包括

• 显示帮助文字以协助玩家通过当前教程步骤
• 判断玩家是否已经完成当前教程步骤，若是，切换到下一个步骤直到完成教程

class GameTutorial
{
    private TutorialState currentState;
    private Player player;

    public GameTutorial(Player player)
    {
        this.player = player;
    }

    public void ShowHelpDescription()
    {
        switch (currentState)
        {
            case TutorialState.GetGold:
                Console.WriteLine("Please follow instruction to get gold");
                break;
            case TutorialState.GetIron:
                Console.WriteLine("Please follow instruction to get Iron");
                break;
            case TutorialState.KillEnemy:
                Console.WriteLine("Please follow instruction to kill enemy");
                break;
            case TutorialState.LevelUp:
                Console.WriteLine("Please follow instruction to Up your level");
                break;
            default:
                throw new Exception("Not Support");
        }
    }

    public void ValidateState()
    {
        switch (currentState)
        {
            case TutorialState.GetGold:
                {
                    if (player.GoldNum > 0)
                    {
                        Console.WriteLine("Congratulations, you finished Gold Collect Phase");
                        currentState = TutorialState.GetIron;
                    }
                    else
                    {
                        Console.WriteLine("You need to collect gold");
                    }
                    break;
                }
            case TutorialState.GetIron:
                {
                    if (player.IronNum > 0)
                    {
                        Console.WriteLine("Congratulations, you finished Iron Collect Phase");
                        currentState = TutorialState.KillEnemy;
                    }
                    else
                    {
                        Console.WriteLine("You need to collect Iron");
                    }
                    break;
                }
            case TutorialState.KillEnemy:
                {
                    if (player.EnemyKilled > 0)
                    {
                        Console.WriteLine("Congratulations, you finished Enemy Kill Phase");
                        currentState = TutorialState.LevelUp;
                    }
                    else
                    {
                        Console.WriteLine("You need to kill enemy");
                    }
                    break;
                }
            case TutorialState.LevelUp:
                {
                    if (player.Level > 0)
                    {
                        Console.WriteLine("Congratulations, you finished the whole tutorial");
                        currentState = TutorialState.LevelUp;
                    }
                    else
                    {
                        Console.WriteLine("You need to level up");
                    }
                    break;
                }
            default:
                throw new Exception("Not Support");
        }
    }
}

 

测试代码

static void Main(string[] args)
{
    Player player = new Player();
    GameTutorial tutorial = new GameTutorial(player);

    tutorial.ShowHelpDescription();
    tutorial.ValidateState();

    //收集黄金
    player.CollectGold(1);
    tutorial.ValidateState();
    tutorial.ShowHelpDescription();

    //收集木头
    player.CollectIron(1);
    tutorial.ValidateState();
    tutorial.ShowHelpDescription();

    //杀敌
    player.KillEnemy();
    tutorial.ValidateState();
    tutorial.ShowHelpDescription();

    //升级
    player.LevelUp();
    tutorial.ValidateState();
}

运行结果

看起来一切都好。。编写的代码既能够根据当前步骤显示不同的提示，还可以成功的根据玩家的进度切换到下一个步骤。

于是，我自信满满的申请了code review，按照我的想法，这段代码通过code review应该是板上钉钉的事情，谁知，老大看到代码，差点没背过气去。。。稍微平复了一下心情之后，他给了我几个灵魂拷问。

• GameTutorial需要知道各个步骤的满足条件和提示，它是不是知道的太多了？这符合迪米特法则吗？
• 如果我们游戏之后新增一个教程步骤，指导玩家升级武器，是不是GameTutorial需要修改？能有办法规避这种新增的改动吗？
• 如果我们要修改现在的教程步骤之间的顺序关系，GameTutorial是不是又不能避免要被动刀？能有办法尽量减少这种修改的工作量吗？
• Switch case 在现有的情况下已经如此长，如果我们再加入新的步骤，这个方法会变成又臭又长的裹脚布吗？

当时我的表情是这样的

本来以为如此简单的一个功能，没想到还是有那么多弯弯道道，只怪自己还是太年轻啊！最后他悠悠的告诉我，去看看状态模式吧，想想这段代码可以怎么重构。
 

状态模式出场

定义

对象拥有内在状态，当内在状态改变时允许其改变行为，这个对象看起来像改变了其类

有点意思，看来我们可以把教程的不同步骤抽象成不同的状态，然后在各个状态内部实现切换状态和显示帮助文档的逻辑，这样做的好处是

• 符合迪米特法则，把各个步骤所对应的逻辑推迟到子类，教程类就不需要了解每个步骤的逻辑细节，同时隔离了教程类和状态类，确保状态类的修改不会影响教程类
• 符合开闭原则，如果新添加步骤，我们仅仅需要添加步骤子类并修改相邻的步骤切换逻辑，教程类无需任何改动

接着我们看看UML，

一目了然，在我们的例子里面，state就是教程子步骤，context就是教程类，内部包含教程子步骤并转发请求给教程子步骤，我们跟着来重构一下代码吧。
 

代码重构

创建状态基类

第一步我们需要删除之前的枚举，取而代之的是一个抽象类当作状态基类，即，各个教程步骤类的基类。注意，每个子状态要自己负责状态切换，所以我们需要教程类暴露接口以满足这个功能。

abstract class TutorialState
{
    public abstract void ShowHelpDescription();
    public abstract void Validate(GameTutorial tutorial);
}

 

重构教程类

重构教程类体现在以下方面

• 添加内部状态表面当前处于哪个步骤，在构造函数中给予初始值
• 暴露接口以让子状态能修改当前状态以完成状态切换
• 因为需要子状态能访问玩家当前数据以判断是否能切换状态，需要新加接口以避免方法链
• 修改ShowHelpDescription和ValidateState的逻辑，直接转发方法调用至当前状态

class GameTutorial
{
    private TutorialState currentState;
    private Player player;

    public int PlayerIronNum => player.IronNum;
    public int PlayerLevel => player.Level;
    public int PlayerGoldNum => player.GoldNum;
    public int PlayerEnemyKilled => player.EnemyKilled;

    public void SetState(TutorialState state)
    {
        currentState = state;
    }

    public GameTutorial(Player player)
    {
        this.player = player;
        currentState = TutorialStateContext.GetGold;
    }

    public void ShowHelpDescription()
    {
        currentState.ShowHelpDescription();
    }

    public void ValidateState()
    {
        currentState.Validate(this);
    }
}

 

创建各个子状态

接着我们创建各个子状态代表不同的教程步骤

class TutorialSateGetGold : TutorialState
{
    public override void ShowHelpDescription()
    {
        Console.WriteLine("Please follow instruction to get gold");
    }

    public override void Validate(GameTutorial tutorial)
    {
        if (tutorial.PlayerGoldNum > 0)
        {
            Console.WriteLine("Congratulations, you finished Gold Collect Phase");
            tutorial.SetState(TutorialStateContext.GetIron);
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("You need to collect gold");
        }
    }
}

class TutorialStateGetIron : TutorialState
{
    public override void ShowHelpDescription()
    {
        Console.WriteLine("Please follow instruction to get Iron");
    }

    public override void Validate(GameTutorial tutorial)
    {
        if (tutorial.PlayerIronNum > 0)
        {
            Console.WriteLine("Congratulations, you finished Iron Collect Phase");
            tutorial.SetState(TutorialStateContext.KillEnemy);
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("You need to collect iron");
        }
    }
}

class TutorialStateKillEnemy : TutorialState
{
    public override void ShowHelpDescription()
    {
        Console.WriteLine("Please follow instruction to kill enemy");
    }

    public override void Validate(GameTutorial tutorial)
    {
        if (tutorial.PlayerEnemyKilled > 0)
        {
            Console.WriteLine("Congratulations, you finished enemy kill Phase");
            tutorial.SetState(TutorialStateContext.LevelUp);
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("You need to collect kill enemy");
        }
    }
}

class TutorialStateLevelUp : TutorialState
{
    public override void ShowHelpDescription()
    {
        Console.WriteLine("Please follow instruction to level up");
    }

    public override void Validate(GameTutorial tutorial)
    {
        if (tutorial.PlayerLevel > 0)
        {
            Console.WriteLine("Congratulations, you finished the whole tutorial");
        }
    }
}

 

添加状态容器

这是模式中没有提到的知识点，一般来说，为了避免大量的子状态对象被创建，我们会构造一个状态容器，以静态变量的方式初始化需要使用的子状态。

static class TutorialStateContext
{
    public static TutorialState GetGold;
    public static TutorialState GetIron;
    public static TutorialState KillEnemy;
    public static TutorialState LevelUp;
    static TutorialStateContext()
    {
        GetGold = new TutorialSateGetGold();
        GetIron = new TutorialStateGetIron();
        KillEnemy = new TutorialStateKillEnemy();
        LevelUp = new TutorialStateLevelUp();
    }
}

 

测试代码

测试代码部分保持不变，直接运行，结果和原来一样，重构成功。

 

结语

这就是状态模式和它的使用场景，比较一下重构前和重构后的代码，发现代码通过重构满足了开闭原则和迪米特法则，相信重构后的代码能通过code review吧。^_
不过状态模式虽然好，也有自己的缺点，因为需要一个子类对应一个子状态，那么子状态太多的时候，就会出现类爆炸的情况。还请大家多注意。
作为行为模式之一的状态模式，在日常开发中出现的频率还是挺高的，比如游戏中经常用到的状态机，就是状态模式的一种应用场景，大家在平时工作中保持善于观察的眼睛，就能学到更多的东西。
今天就讲到这里吧，谢谢大家的阅读，下次见。