【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。

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