Unity 常用面向对象设计模式系列（8）：状态模式（State）

一、模式概述

意图
允许对象在内部状态改变时改变其行为，看起来好像改变了它的类。

1.1 核心角色

• IState<T>（State 接口）
  定义状态通用方法：Enter、Exit、Update。
• ConcreteState
  各具体状态类，实现接口并封装状态专属逻辑。
• StateMachine<TContext>（Context）
  持有当前状态，负责状态切换；为状态提供共享数据上下文。
• Client（使用者）
  将 StateMachine 持有在 MonoBehaviour 中，在 Update() 中驱动当前状态。

1.2 UML 类图

二、通用 StateMachine 实现

/// <summary>
///状态接口，T 是 Context 类型
///</summary>
public interface IState<T> {
    void Enter(T ctx);
    void Exit(T ctx);
    void Update(T ctx);
}

/// <summary>
///通用状态机
///</summary>
public class StateMachine<T> {
    private T           _context;
    private IState<T>  _current;

    public void Initialize(T context, IState<T> initialState) {
        _context = context;
        _current = initialState;
        _current.Enter(_context);
    }

    public void ChangeState(IState<T> nextState) {
        if (_current != null) _current.Exit(_context);
        _current = nextState;
        _current.Enter(_context);
    }

    public void Update() {
        _current?.Update(_context);
    }

    public IState<T> CurrentState => _current;
}

• Initialize：在 Awake() 或 Start() 时设定初始状态；
• ChangeState：统一管理 Exit→切换→Enter 流程；
• Update：在 MonoBehaviour 的 Update() 中调用。

三、Unity 实战：角色状态机

3.1 角色 Context

public class Character : MonoBehaviour {
    [HideInInspector] public StateMachine<Character> StateMachine;
    public float walkSpeed = 2f;
    public float runSpeed  = 5f;
    public float jumpForce = 7f;

    private Rigidbody _rb;
    void Awake() {
        _rb = GetComponent<Rigidbody>();
        StateMachine = new StateMachine<Character>();
    }

    void Start() {
        StateMachine.Initialize(this, new IdleState());
    }

    void Update() {
        StateMachine.Update();
    }
}

3.2 具体状态：Idle、Run、Jump

public class IdleState : IState<Character> {
    public void Enter(Character ctx) {
        ctx.GetComponent<Animator>().Play("Idle");
    }
    public void Exit(Character ctx) { }
    public void Update(Character ctx) {
        var h = Input.GetAxis("Horizontal");
        var v = Input.GetAxis("Vertical");
        if (new Vector2(h, v).sqrMagnitude > 0.01f) {
            ctx.StateMachine.ChangeState(new RunState());
        } else if (Input.GetButtonDown("Jump")) {
            ctx.StateMachine.ChangeState(new JumpState());
        }
    }
}

public class RunState : IState<Character> {
    public void Enter(Character ctx) {
        ctx.GetComponent<Animator>().Play("Run");
    }
    public void Exit(Character ctx) { }
    public void Update(Character ctx) {
        var dir = new Vector3(Input.GetAxis("Horizontal"), 0, Input.GetAxis("Vertical")).normalized;
        ctx.transform.Translate(dir * ctx.runSpeed * Time.deltaTime, Space.World);
        if (dir.sqrMagnitude < 0.01f) {
            ctx.StateMachine.ChangeState(new IdleState());
        } else if (Input.GetButtonDown("Jump")) {
            ctx.StateMachine.ChangeState(new JumpState());
        }
    }
}

public class JumpState : IState<Character> {
    private bool _started;
    public void Enter(Character ctx) {
        ctx.GetComponent<Animator>().Play("Jump");
        ctx._rb.AddForce(Vector3.up * ctx.jumpForce, ForceMode.VelocityChange);
        _started = true;
    }
    public void Exit(Character ctx) { }
    public void Update(Character ctx) {
        // 跳跃阶段结束：检测落地
        if (_started && ctx._rb.velocity.y <= 0 && ctx.IsGrounded()) {
            ctx.StateMachine.ChangeState(new IdleState());
        }
    }
}

提示：IsGrounded() 可用射线检测或碰撞回调实现。

四、高级话题与扩展

4.1 状态复用与单例状态

如果状态无内部数据，可将状态实例设为单例，避免频繁 new：

public class IdleState : IState<Character> {
    public static readonly IdleState Instance = new IdleState();
    private IdleState() { }
    // … 实现 Enter/Exit/Update
}
...
ctx.StateMachine.ChangeState(IdleState.Instance);

4.2 基于 ScriptableObject 的状态

利用 SO 资产定义状态，便于策划在 Inspector 编辑动画剪辑、参数等：

public abstract class SOState : ScriptableObject, IState<Character> {
    public abstract void Enter(Character ctx);
    public abstract void Exit(Character ctx);
    public abstract void Update(Character ctx);
}

4.3 层级状态机（Hierarchical State Machine）

• 父状态：定义公共 Enter/Exit；
• 子状态：在父状态内部切换，支持复用行为。
• 实现：StateMachine 嵌套或在状态内部持有子 StateMachine。

4.4 状态超时与触发器

• 在 Enter 记录时间戳 t0；
• 在 Update 中若 Time.time - t0 > duration，自动切换；
• 用枚举或事件触发全局状态变更。

五、性能与调试

1. GC 控制

   • 尽量重用状态实例，避免每帧 new；

2. Profiler

   • 确认 StateMachine.Update() 调用开销；

3. 调试可视化

   • 在 Inspector 中显示当前状态：

   [ReadOnly] public string currentStateName;
   void Update() {
       currentStateName = StateMachine.CurrentState.GetType().Name;
   }
   

4. 日志

   • 在 ChangeState 中打印日志，快速定位错误切换。

六、注意事项

七、小结

1. 职责单一：每个状态只封装自身行为，Enter/Exit/Update 清晰分离；
2. 状态实例重用：无数据状态可用单例，带数据状态可用池化；
3. 配置驱动：ScriptableObject 状态+Inspector 组合，方便无代码扩展；
4. 层次化设计：用父子状态或子状态机复用公共逻辑；
5. 可视化与日志：在运行时实时查看当前状态与切换日志，提升调试效率。