[python]有限狀態機（FSM）簡單實現

賴勇浩發表於2007-02-15
Python
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[python]有限狀態機（FSM）簡單實現
 
簡述
有限狀態機（以下用FSM指代）是一種演算法思想，簡單而言，有限狀態機由一組狀態、一個初始狀態、輸入和根據輸入及現有狀態轉換為下一個狀態的轉換函式組成。在Gof的23種設計模式裡的state模式是一種物件導向的狀態機思想，可以適應非常複雜的狀態管理。
現在，FSM被普遍用於搜尋引擎的分詞、編譯器實現和我們普遍關注的遊戲開發中。遊戲開發中，通常用FSM實現NPC控制，如當NPC受到攻擊時根據健康、力量等選擇逃跑還是反攻的行為，一般是用FSM實現的。FSM的實現方法有很多種，不能簡單地說孰優孰劣，但現代開發中，一般都比較推薦物件導向的實現方式：因為可重用性和健壯性更高，而且當需求變更的時候，也有很好的適應性。
實踐
理論從實踐中來，也要回到實踐中去。我們現在通過例項來探索一下FSM的實現吧。首先假設有這樣一個世界（World），世界裡只有一臺永不缺乏動力的汽車（Car），汽車是次世代的，沒有油門方向盤之類的落後裝置，只有兩個互斥的按鈕——停止（Stop）和行進（Run），隨著時間的流逝，汽車根據駕駛員的操作走走停停。下面的程式碼可以實現這種功能：
while True:
       key = get_key() # 按下什麼鍵
       if key == "stop":
              stop(car)
       elif key == "run":
              go(car)
       keep(car) # 保持原態
完成了功能而且直觀、簡潔的程式設計師萬歲！但這時候客戶（策劃或者玩家）覺得走走停停太沒意思了，他們想要掉頭、左轉和右轉的功能，我們就要在while迴圈裡增加更多的if...else分支；他們想要更多的車，我們就要要在每一個分枝裡增加迴圈；他們不僅僅想要Car了，他們還要要玩Truck，這時我們就需要在分枝的迴圈裡判斷當前的車是否支援這個操作（如Truck的裝卸貨物Car就不支援）；他們……
這個while迴圈終於無限地龐大起來，我們認識到這樣的設計的確是有點問題的，所以我們嘗試用另一種方法去實現FSM。首先我們來實現汽車（Car）：
class Car(object):
       def stop(self):
              print "Stop!!!"
 
       def go(self):
              print "Goooooo!!!"
只有兩個方法stop和go，分別執行Stop和Run兩個按鈕功能。接下來我們編寫兩個狀態管理的類，用以處理當按鈕被按下、彈起和保持時需要工作的流程：
class stop_fsm(base_fsm):
       def enter_state(self, obj):
              print "Car%s enter stop state!"%(id(obj))
 
       def exec_state(self, obj):
              print "Car%s in stop state!"%(id(obj))
              obj.stop()
 
       def exit_state(self, obj):
              print "Car%s exit stop state!"%(id(obj))
class run_fsm(base_fsm):
       def enter_state(self, obj):
              print "Car%s enter run state!"%(id(obj))
 
       def exec_state(self, obj):
              print "Car%s in run state!"%(id(obj))
              obj.go()
 
       def exit_state(self, obj):
              print "Car%s exit run state!"%(id(obj))
stop_fsm和run_fsm都繼承自base_fsm，base_fsm是一個純虛的介面類：
class base_fsm(object):
       def enter_state(self, obj):
              raise NotImplementedError()
 
       def exec_state(self, obj):
              raise NotImplementedError()
 
       def exit_state(self, obj):
              raise NotImplementedError()
enter_state在obj進入某狀態的時候呼叫——通常用來做一些初始化工作；exit_state也離開某狀態的時候呼叫——通常做一些清理工作；而exec_state則在每一幀的時候都會被呼叫，通常做一些必要的工作，如檢測自己的訊息佇列並處理訊息等。在stop_fsm和run_fsm兩個類的exec_state函式中，就呼叫了物件的stop和go函式，讓汽車保持原有的狀態。
至現在為止，Car還沒有接觸到FSM，所以我們需要提供一個介面，可以讓它擁有一個FSM：
       def attach_fsm(self, state, fsm):
              self.fsm = fsm
              self.curr_state = state
我們還需要為Car提供一個狀態轉換函式：
       def change_state(self, new_state, new_fsm):
              self.curr_state = new_state
              self.fsm.exit_state(self)
              self.fsm = new_fsm
              self.fsm.enter_state(self)
              self.fsm.exec_state(self)
為Car提供一個保持狀態的函式：
       def keep_state(self):
              self.fsm.exec_state(self)
現在只有兩個狀態，但我們知道需求隨時會改動，所以我們最好弄一個狀態機管理器來管理這些狀態：
class fsm_mgr(object):
       def __init__(self):
              self._fsms = {}
              self._fsms[0] = stop_fsm()
              self._fsms[1] = run_fsm()
      
       def get_fsm(self, state):
              return self._fsms[state]
      
       def frame(self, objs, state):
              for obj in objs:
                     if state == obj.curr_state:
                            obj.keep_state()
                     else:
                            obj.change_state(state, self._fsms[state])
fsm_mgr最重要的函式就是frame，在每一幀都被呼叫。在這裡，frame根據物件現在的狀態和當前的輸入決定讓物件保持狀態或者改變狀態。
這時候，我們的例項基本上完成了。但我們還要做一件事，就是建立一個世界（World）來驅動狀態機：
class World(object):
       def init(self):
              self._cars = []
              self._fsm_mgr = fsm_mgr()
              self.__init_car()
 
       def __init_car(self):
              for i in xrange(1):   # 生產汽車
                     tmp = Car()
                     tmp.attach_fsm(0, self._fsm_mgr.get_fsm(0))
                     self._cars.append(tmp)
 
       def __frame(self):
              self._fsm_mgr.frame(self._cars, state_factory())
 
       def run(self):
              while True:
                     self.__frame()
                     sleep(0.5)
從程式碼可見，World裡有Car物件，fsm_mgr物件；在run函式裡，每0.5s執行一次__frame函式（FPS = 2），而__frame函式只是驅動了fsm_mgr來重新整理物件，新的命令是從state_factory函式裡取出來的，這個函式用以模擬駕駛員的操作（按下Stop或者Run按鈕之一）：
def state_factory():
       return random.randint(0, 1)
現在我們就要初始化世界（World）可以跑起我們的FSM了！
if __name__ == "__main__":
       world = World()
       world.init()
       world.run()
用python直譯器執行上面的程式碼，我們可以看到程式不停地輸出Car的狀態：
......
Car8453392 exit run state!
Car8453392 enter stop state!
Car8453392 in stop state!
Stop!!!
Car8453392 in stop state!
Stop!!!
Car8453392 exit stop state!
Car8453392 enter run state!
Car8453392 in run state!
Goooooo!!!
Car8453392 exit run state!
Car8453392 enter stop state!
Car8453392 in stop state!
Stop!!!
Car8453392 exit stop state!
Car8453392 enter run state!
Car8453392 in run state!
Goooooo!!!
Car8453392 in run state!
Goooooo!!!
Car8453392 exit run state!
Car8453392 enter stop state!
Car8453392 in stop state!
Stop!!!
Car8453392 in stop state!
Stop!!!
Car8453392 exit stop state!
Car8453392 enter run state!
Car8453392 in run state!
Goooooo!!!
......
 
結論
這時再回頭來看看我們之前的問題：
1、玩家想要功能更多的Car，比如掉頭。
我們可以通過為Car增加一個調頭（back）的方法來執行掉頭，然後從base_fsm中繼承一個back_fsm來處理調頭。之後在fsm_mgr裡增加一個back_fsm例項，及讓state_factory產生調頭指令。聽起來似乎比之前while+if的方式還要麻煩不少，其實不然，這裡只有back_fsm和為fsm_mgr增加back_fsm例項才是特有的，其它步驟兩種方法都要執行。
2、玩家要更多的Car。
這對於物件導向的FSM實現就太簡單了，我們只要把World.__init_car裡的生產數量修改一下就行了，要多少有多少。
3、玩家要更多型號的車，如Truck。
從Car派生一個Truck，然後增加裝貨、卸貨的介面。最大的改動在於Truck狀態轉換的時候需要一些判斷，如不能直接從裝貨狀態轉換到開動狀態，而是裝貨、停止再開動。
通過這幾個簡單的問題分析，我們可以看到，使用物件導向的方式來設計FSM，在需求變更的時候，一般都只增刪程式碼，而仍少需要改動已有程式碼，程式的擴充套件性、適應性和健壯性都得很大的提高；因此，在世界龐大、物種煩多、狀態複雜且條件交錯的遊戲開發中應用物件導向的FSM實在是明智之選。還有一點，物件導向的FSM可以非常容易地模擬訊息機制，這有利於模組清晰化，更容易設計出正交的程式。
 

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