HFSM，多层次状态机

最近和一个同事讨论状态机的问题，记录一下。

我们知道状态机是AI（当然，不光是AI了）中常用的一种架构，有很多中实现方式，总体来说对于表达简单逻辑，还是很有帮助的，而且实现简单，甚至用一个switch-case就可以了，但在实践中状态机有一个致命的缺点，当状态一旦多了之后，它的跳转就会变的不可维护，假设有n个状态的话，那我们就需要维护最多n*n的跳转链接（因为状态机允许自己跳转自己），而且对于当前处在的状态而言，我不能知道我的跳转历史，也就是说，我很难知道为什么我会在这个状态里。这也就是为什么行为树现在成为相对主流的AI架构的原因。下图就演示了多状态间的跳转链接，对于AI程序员来说是非常头疼的。

所以一般而言，除非是只有两三个状态的简单状态机，如果想要用状态机作为AI整体架构的话，现在都会选择层次化状态机结构(HFSM)，并在一定程度上规范状态机的跳转行为。据我所知，微软的著名游戏光环2(Halo2)里就用到了层次化状态机的结构。HFSM就是为了减少跳转链接而做出的努力，举个决策小狗行为的例子，我们对小狗定义了有很多行为，比如跑，吃饭，睡觉，咆哮，撒娇，摇尾巴等等，如果每个行为都是一个状态，用常规状态机的话，我们就需要在这些状态间定义跳转，比如在“跑”的状态下，如果累了，那就跳转到“睡觉”状态，再如，在“撒娇”的状态下，如果感到有威胁，那就跳转到“咆哮”的状态等等，我们会考量每一个状态间的关系，定义所有的跳转链接，建立这样一个状态机。如果用层次化的状态机的话，我们就先会把这些行为“分类”，把几个小状态归并到一个状态里，然后再定义高层状态和高层状态中内部小状态的跳转链接，可能这样说有点晕，还是看图吧

从上图可以看到，其实层次化状态机从某种程度上，就是限制了状态机的跳转，而且状态内的状态是不需要关心外部状态的跳转的，这样也做到了无关状态间的隔离，比如对于小狗来说，我们可以把小狗的状态先定义为疲劳，开心，愤怒，然后这些状态里再定义小状态，比如在开心的状态中，有撒桥，摇尾巴等小状态，这样我们在外部只需要关心三个状态的跳转（疲劳，开心，愤怒），在每个状态的内部只需要关心自己的小状态的跳转就可以了。这样就大大的降低了状态机的复杂度，另外，如果觉得两层的状态机还是状态太多的话，可以定义更多的状态层次以降低跳转链接数。

说回到和同事讨论的事情，当然同事的需求并不是用在AI中，是为了处理UI和网络异步请求的问题，我们知道，在网络游戏的UI中，经常需要给网络发送异步请求，然后得一些数据，正因为这些请求是异步的，所以需要在发送后等待网络返回结果，当这些请求很多的时候，很容易在UI端产生混乱（所以，一般来说，在项目中UI的bug是最多的:)），所以他提出了一种结构来改善这样的问题，总结下来，其实就类似于这种AI中常用的这种层次化状态机的概念，不过针对他的需求，还增加了一个并行的概念，也就是在一个状态内部，可能有多个同时运行的状态机（因为有同时多个的网络异步请求），所以当收到一个跳转请求或者消息的时候，还需要决定是哪个状态机需要跳转。另外为了防止跳转混乱，我们还谈到给状态机加更多跳转限制，增加语义支持等等问题。

最后，对于状态机，列出一些小的tips作为总结，希望对大家有所帮助

• 要为状态定义入口动作/出口动作
• 要详细设计每一个状态，列出层次化状态结构
• 针对具体问题，严格限制状态跳转的请求
• 同一层次的状态数量不宜超过5个
• 记录每一次的跳转历史，方便调试
• 可能的话，最好使用编辑器来编辑状态机