【UE4 设计模式】状态模式 State Pattern

概述

描述

• 允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类。

• 其别名为状态对象(Objects for States)，状态模式是一种对象行为型模式。

  

• 有限状态机（FSMs）

  • 拥有状态机所有可能状态的集合
  • 状态机同时只能在一个状态
  • 一连串的输入或事件被发送给状态机
  • 每个状态都有一系列的转移，每个转移与输入和另一状态相关
  • 动画状态机系统、行为树系统来理解

• 并发状态机

  • 有些状态需要并行执行，例如动画状态机，经常分为上半身动画与下半身动画融合，如装备动作、射击动作、换弹动作与行走动作并行

• 层次状态机

  • 状态中嵌套子状态，可以使用继承实现或者状态栈来实现

• 下推自动机

  • 用栈来存储一系列状态。有限状态机有一个指向状态的指针，下推自动机有一栈指针
  • 新状态压入栈中，“当前的”状态总是在栈顶
  • 弹出最上面的状态，这个状态会被销毁，它下面的状态成为新状态。如UI界面管理

套路

• 环境类 Context，用于改变状态
• 抽象状态类 State
• 具体状态类 ConcreteState

使用场景

• 对象的行为依赖于它的状态（属性）并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为。
• 代码中包含大量与对象状态有关的条件语句，这些条件语句的出现，会导致代码的可维护性和灵活性变差，不能方便地增加和删除状态，使客户类与类库之间的耦合增强。在这些条件语句中包含了对象的行为，而且这些条件对应于对象的各种状态。
• 示例
  • OA办公系统中多种状态：尚未办理；正在办理；正在批示；正在审核
  • TCP 连接状态
  • 动画系统、AI行为树
  • UI界面管理

优缺点

• 优点
  • 封装了转换规则。
  • 枚举可能的状态，在枚举状态之前需要确定状态种类。
  • 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，并且可以方便地增加新的状态，只需要改变对象状态即可改变对象的行为。
  • 允许状态转换逻辑与状态对象合成一体，而不是某一个巨大的条件语句块。
  • 可以让多个环境对象共享一个状态对象，从而减少系统中对象的个数。
• 缺点
  • 状态模式的使用必然会增加系统类和对象的个数。
  • 状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱。
  • 状态模式对“开闭原则”的支持并不太好，对于可以切换状态的状态模式，增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源代码，否则无法切换到新增状态；而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。

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UE4 实践

• 在UE4中，实现切换UI状态

• 创建状态抽象类，以接口的形式

  UINTERFACE(MinimalAPI)
  class UStateInterface : public UInterface
  {
  	GENERATED_BODY()
  };
  
  /**
   *
   */
  class DESIGNPATTERNS_API IStateInterface
  {
  	GENERATED_BODY()
  
  	// Add interface functions to this class. This is the class that will be inherited to implement this interface.
  public:
  	virtual void EnterState() = 0;
  	virtual void ExitState() = 0;
  };
  

• 创建状态具体类UBaseStateWidget ，作为UI的父类，切换时使用

  UCLASS()
  class DESIGNPATTERNS_API UBaseStateWidget : public UUserWidget, public IStateInterface
  {
  	GENERATED_BODY()
  public:
  	virtual void EnterState() override;
  	virtual void ExitState() override;
  
  	UFUNCTION(BlueprintNativeEvent,BlueprintCallable,Category="State Pattern")
  		void OnEnterState();
  	UFUNCTION(BlueprintNativeEvent, BlueprintCallable, Category = "State Pattern")
  		void OnExitState();
  };
  

  #include "BaseStateWidget.h"
  
  void UBaseStateWidget::EnterState()
  {
  	OnEnterState();
  }
  
  void UBaseStateWidget::ExitState()
  {
  	OnExitState();
  }
  
  void UBaseStateWidget::OnEnterState_Implementation()
  {
  	AddToViewport();
  }
  
  void UBaseStateWidget::OnExitState_Implementation()
  {
  	RemoveFromParent();
  }
  

• 创建状态管理类

  UCLASS()
  class DESIGNPATTERNS_API AUIStateManager : public AActor
  {
  	GENERATED_BODY()
  
  public:
  	// Sets default values for this actor's properties
  	AUIStateManager();
  
  protected:
  	// Called when the game starts or when spawned
  	virtual void BeginPlay() override;
  
  public:
  	// Called every frame
  	virtual void Tick(float DeltaTime) override;
  
  	// 改变状态
  	UFUNCTION(BlueprintCallable, Category = "State Pattern")
  	void EnterState(TSubclassOf<UBaseStateWidget> StateWidgetClass);
  
  	// 退出所有状态
  	UFUNCTION(BlueprintCallable, Category = "State Pattern")
  	void ExitAllState();	
  
  	// 当前状态实例
  	UPROPERTY(BlueprintReadWrite, Category = "State Pattern")
  	UBaseStateWidget* CurrentStateWidget;
  
  private:
  	// 存储状态实例
  	TMap<TSubclassOf<UBaseStateWidget>, UBaseStateWidget*> WidgetInstances;
  };
  

  void AUIStateManager::EnterState(TSubclassOf<UBaseStateWidget> StateWidgetClass)
  {
  	if (CurrentStateWidget != nullptr)
  	{
  		CurrentStateWidget->ExitState();
  	}
  
  	if (WidgetInstances.Contains(StateWidgetClass))
  	{
  		CurrentStateWidget = WidgetInstances.FindRef(StateWidgetClass);
  	}
  	else
  	{
  		APlayerController* PC = UGameplayStatics::GetPlayerController(GetWorld(), 0);
  		CurrentStateWidget = CreateWidget<UBaseStateWidget>(PC, StateWidgetClass);
  		WidgetInstances.Add(StateWidgetClass,CurrentStateWidget);
  	}
  	CurrentStateWidget->EnterState();
  }
  
  void AUIStateManager::ExitAllState()
  {
  	for (auto& Elem : WidgetInstances)
  	{
  		(Elem.Value)->ExitState();
  	}
  }
  

• 创建状态类UBaseStateWidget 的蓝图派生类

  • WBP_Start —— 开始界面
  • WBP_LoadingScreen —— 加载界面
  • WBP_Save —— 存档界面
  • WBP_Option —— 选项界面
    
    
    
    

• 创建 UIStateManager 蓝图派生类
  
  

• 效果
  
  

• 扩展，可进一步用栈状态机实现界面管理

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参考

• 状态模式
• 状态模式