在C#开发中，当需要管理一个有明确状态和状态转换的复杂对象时，一个通用、易扩展且符合面向对象设计原则的有限状态机（FSM）框架至关重要。例如在游戏开发中管理角色行为（空闲、移动、攻击），或在企业应用中管理业务流程（如订单状态流转，这正是许多后端Java应用的核心逻辑）。一个好的FSM框架应能清晰地封装不同状态的切换逻辑、状态的进入/更新/退出行为，并具备高度的可复用性。
核心设计思路
一个健壮的有限状态机通常基于状态抽象化与状态机管理器两部分构建：
- 定义状态基类/接口：规范所有状态必须实现的生命周期方法（进入、更新、退出），这是实现多态和替换的关键。
- 实现状态机管理器：负责注册、存储、切换状态，并作为驱动引擎调用当前状态的更新逻辑。
- 业务状态实现：通过具体的业务状态（如游戏角色的空闲、移动、攻击）来演示如何基于该框架进行快速开发与扩展。
完整实现代码（以游戏角色为例）
以下是一个完整的、可运行的通用C#有限状态机实现示例：
using System;
using System.Collections.Generic;
// ===================== 第一步：定义状态接口 =====================
/// <summary>
/// 状态基接口，规范所有状态的生命周期
/// </summary>
/// <typeparam name="T">状态所属的主体类型（如角色、NPC、订单等）</typeparam>
public interface IState<T>
{
/// <summary>
/// 进入状态时执行的逻辑
/// </summary>
/// <param name="owner">状态所属的主体</param>
void Enter(T owner);
/// <summary>
/// 状态持续期间每帧（或每次更新）执行的逻辑
/// </summary>
/// <param name="owner">状态所属的主体</param>
/// <param name="deltaTime">帧间隔时间（用于时间相关逻辑）</param>
void Update(T owner, float deltaTime);
/// <summary>
/// 退出状态时执行的逻辑
/// </summary>
/// <param name="owner">状态所属的主体</param>
void Exit(T owner);
}
// ===================== 第二步：实现状态机管理器 =====================
/// <summary>
/// 有限状态机管理器
/// </summary>
/// <typeparam name="T">主体类型</typeparam>
/// <typeparam name="TStateType">状态类型标识（如枚举、字符串等）</typeparam>
public class FiniteStateMachine<T, TStateType>
{
// 存储所有已注册的状态
private readonly Dictionary<TStateType, IState<T>> _states = new Dictionary<TStateType, IState<T>>();
// 当前活跃状态
private IState<T> _currentState;
// 状态机所控制的主体
private readonly T _owner;
public FiniteStateMachine(T owner)
{
_owner = owner;
}
/// <summary>
/// 注册一个状态到状态机
/// </summary>
public void AddState(TStateType stateType, IState<T> state)
{
if (!_states.ContainsKey(stateType))
{
_states.Add(stateType, state);
}
else
{
Console.WriteLine($"状态 {stateType} 已存在，无需重复注册");
}
}
/// <summary>
/// 切换到指定状态
/// </summary>
public void ChangeState(TStateType stateType)
{
// 检查目标状态是否存在
if (!_states.TryGetValue(stateType, out var targetState))
{
Console.WriteLine($"状态 {stateType} 未注册，切换失败");
return;
}
// 先退出当前状态
_currentState?.Exit(_owner);
// 切换并进入新状态
_currentState = targetState;
_currentState.Enter(_owner);
}
/// <summary>
/// 更新当前状态（通常在游戏循环或定时任务中调用）
/// </summary>
public void Update(float deltaTime)
{
_currentState?.Update(_owner, deltaTime);
}
/// <summary>
/// 获取当前状态的标识（扩展功能）
/// </summary>
public TStateType GetCurrentStateType()
{
foreach (var kvp in _states)
{
if (kvp.Value == _currentState)
{
return kvp.Key;
}
}
return default;
}
}
// ===================== 第三步：定义业务示例（游戏角色状态） =====================
/// <summary>
/// 角色状态枚举（用作状态标识）
/// </summary>
public enum PlayerStateType
{
Idle, // 空闲
Move, // 移动
Attack // 攻击
}
/// <summary>
/// 角色类（状态机控制的主体）
/// </summary>
public class Player
{
public string Name { get; }
public float Speed { get; set; } = 5f;
public Player(string name)
{
Name = name;
}
}
/// <summary>
/// 空闲状态的具体实现
/// </summary>
public class IdleState : IState<Player>
{
public void Enter(Player owner)
{
Console.WriteLine($"{owner.Name} 进入空闲状态");
}
public void Update(Player owner, float deltaTime)
{
// 这里可以执行空闲状态的持续逻辑，例如随机播放待机动画
Console.WriteLine($"{owner.Name} 处于空闲状态...");
}
public void Exit(Player owner)
{
Console.WriteLine($"{owner.Name} 退出空闲状态");
}
}
/// <summary>
/// 移动状态的具体实现
/// </summary>
public class MoveState : IState<Player>
{
public void Enter(Player owner)
{
Console.WriteLine($"{owner.Name} 进入移动状态，移动速度：{owner.Speed}");
}
public void Update(Player owner, float deltaTime)
{
// 模拟移动逻辑：根据速度和时间计算位移
float moveDistance = owner.Speed * deltaTime;
Console.WriteLine($"{owner.Name} 移动了 {moveDistance:F1} 米");
}
public void Exit(Player owner)
{
Console.WriteLine($"{owner.Name} 退出移动状态");
}
}
/// <summary>
/// 攻击状态的具体实现
/// </summary>
public class AttackState : IState<Player>
{
public void Enter(Player owner)
{
Console.WriteLine($"{owner.Name} 进入攻击状态，发起攻击！");
}
public void Update(Player owner, float deltaTime)
{
// 攻击持续逻辑：例如播放攻击动画、检测碰撞或伤害计算
Console.WriteLine($"{owner.Name} 攻击中...");
}
public void Exit(Player owner)
{
Console.WriteLine($"{owner.Name} 退出攻击状态");
}
}
// ===================== 测试代码 =====================
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
// 1. 创建业务主体
var player = new Player("战士");
// 2. 创建状态机实例
var fsm = new FiniteStateMachine<Player, PlayerStateType>(player);
// 3. 注册所有可用的状态
fsm.AddState(PlayerStateType.Idle, new IdleState());
fsm.AddState(PlayerStateType.Move, new MoveState());
fsm.AddState(PlayerStateType.Attack, new AttackState());
// 4. 模拟状态切换与帧更新
Console.WriteLine("===== 第一次状态切换 =====");
fsm.ChangeState(PlayerStateType.Idle);
fsm.Update(0.02f); // 模拟一帧更新（20ms）
Console.WriteLine("\n===== 第二次状态切换 =====");
fsm.ChangeState(PlayerStateType.Move);
fsm.Update(0.02f);
fsm.Update(0.02f); // 模拟连续多帧更新
Console.WriteLine("\n===== 第三次状态切换 =====");
fsm.ChangeState(PlayerStateType.Attack);
fsm.Update(0.02f);
Console.WriteLine("\n===== 切换回空闲状态 =====");
fsm.ChangeState(PlayerStateType.Idle);
fsm.Update(0.02f);
}
}
框架核心解析
-
IState<T> 接口：
- 定义了状态对象的三个核心生命周期方法：
Enter（进入）、Update（持续更新）、Exit（退出）。
- 使用泛型
T 将状态逻辑与具体的业务主体（如 Player）强关联，使得状态内部可以直接操作主体的属性和方法，上下文清晰。
-
FiniteStateMachine<T, TStateType> 管理器：
AddState 方法：将状态实例与一个标识符（如枚举）绑定并注册到内部字典中，便于通过标识符快速查找。ChangeState 方法：这是状态机的核心。它确保了状态切换的完整性：先调用旧状态的 Exit 进行清理，再调用新状态的 Enter 进行初始化。Update 方法：驱动整个状态机运转，通常在主循环中被调用，它将更新委托给当前活跃的状态对象执行。- 这种设计将状态管理逻辑与具体状态行为彻底分离，符合单一职责原则。
-
业务状态实现（如 IdleState）：
- 每个具体状态类只需专注于实现自身的
Enter、Update、Exit 逻辑。
- 状态之间完全解耦，新增一个状态只需实现
IState<T> 接口并注册到状态机即可，无需修改任何其他状态或状态机管理器代码，完美符合面向对象的开闭原则。
运行输出结果
执行上述测试代码，控制台将输出以下内容，清晰展示了状态切换的完整生命周期：
===== 第一次状态切换 =====
战士 进入空闲状态
战士 处于空闲状态...
===== 第二次状态切换 =====
战士 退出空闲状态
战士 进入移动状态，移动速度：5
战士 移动了 0.1 米
战士 移动了 0.1 米
===== 第三次状态切换 =====
战士 退出移动状态
战士 进入攻击状态，发起攻击！
战士 攻击中...
===== 切换回空闲状态 =====
战士 退出攻击状态
战士 进入空闲状态
战士 处于空闲状态...
总结与扩展
本实现展示了一个基于C#的、高度可复用的有限状态机框架，其优势在于：
- 清晰解耦：通过接口抽象，将状态定义、状态管理与具体的状态行为分离。
- 生命周期完整：状态切换自动触发
Exit 和 Enter 调用，确保了资源初始化和清理的安全性。
- 高度可扩展：新的状态可以轻松添加，无需改动核心框架，非常适合需求频繁变动的项目。
典型应用场景包括游戏角色AI、动画状态机、设备工作模式管理、UI界面流程以及复杂的业务算法逻辑（如订单、工单的状态流转）。
你可以在此基础上根据实际需求进行功能增强，例如：
- 为
ChangeState 增加条件判断（只有满足特定条件才允许切换）。
- 实现状态栈，以支持状态暂停和恢复（如从“攻击”状态临时切换到“受伤”状态）。
- 添加全局状态或状态过渡动画。
- 引入事件机制，在状态切换时通知其他系统。
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发表于 7 天前
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