Flutter有限状态机管理插件dart_fsm的使用

Flutter有限状态机管理插件dart_fsm的使用

1. 关于有限状态机

有限状态机（Finite State Machine, FSM）是一种数学抽象的行为模型，由有限数量的状态、转换和动作组成。将应用程序的可能状态建模为有限状态机可以带来以下好处：

• 减少设计阶段的遗漏：确保在设计阶段考虑到所有可能的状态和转换。
• 弥合设计与实现之间的差距：通过在设计阶段定义有限状态机，使设计和实现更加一致。
• 消除不必要的空值检查：通过定义状态机中的状态，避免不必要的空值检查。
• 防止出现意外的不存在状态：确保所有状态都在状态机中定义，防止出现意外的状态。
• 防止无意的应用状态更改：通过明确的状态转换规则，防止无意中更改应用状态。
• 简化测试：状态机的确定性使得测试更加容易。

随着应用程序复杂性的增加，使用有限状态机设计应用程序的效果会更加显著。

2. 动机

虽然使用有限状态机进行状态管理非常有用，但使用 switch 或 if 语句实现状态机可能会导致代码难以阅读且容易出错，尤其是在状态转换变得复杂时。此外，不同的开发人员可能会以不同的方式实现状态转换，从而降低代码的可维护性。因此，在使用有限状态机管理状态时，需要清晰地定义状态转换并自动化这些转换。此外，在应用程序中使用状态管理时，有时希望在状态转换期间触发副作用（如 API 调用）。如果没有统一的实现方式，不同开发人员的实现差异会降低代码的可维护性。

dart_fsm 插件提供了一种机制，用于在使用有限状态机管理状态时清晰地定义状态转换，并自动化这些转换。它还定义了副作用的实现方式，消除了开发人员之间的实现差异，提高了代码的可维护性。

3. 功能

• 描述状态转换图的 DSL：提供了一种特定领域的语言（DSL），用于描述不带副作用的状态转换图。
• 实现伴随状态转换的副作用：提供了实现副作用的方法。
• 处理间歇性值场景（如 Streams）：提供了在间歇性值场景（如 Streams）中实现有限状态机的方法。
• 使用有限状态机进行测试：提供了使用有限状态机进行测试的方法。
• 测试有限状态机本身：提供了测试有限状态机本身的方法。

4. 使用方法

4.1 描述状态转换图

有限状态机通常使用状态转换图来表示。dart_fsm 提供了一个 DSL 来描述状态转换图。考虑以下状态转换图：

stateDiagram-v2
    [*] --> Initial
    Initial --> Loading: Fetch
    Loading --> Success: Succeed
    Loading --> Error: Fail

我们将使用 dart_fsm 描述这个转换图。首先，定义状态和动作。状态和动作都使用密封类（sealed class）来定义，如下所示：

// 定义状态
sealed class SampleState {
  const SampleState();
}

final class SampleStateInitial extends SampleState {
  const SampleStateInitial();
}

final class SampleStateLoading extends SampleState {
  const SampleStateLoading();
}

final class SampleStateSuccess extends SampleState {
  const SampleStateSuccess(this.data);
  
  final Data data;
}

final class SampleStateError extends SampleState {
  const SampleStateError(this.exception);
  
  final Exception exception;
}

// 定义动作
sealed class SampleAction {
  const SampleAction();
}

final class SampleActionFetch extends SampleAction {
  const SampleActionFetch();
}

final class SampleActionSucceed extends SampleAction {
  const SampleActionSucceed(this.data);
  
  final Data data;
}

final class SampleActionFail extends SampleAction {
  const SampleActionFail(this.exception);
  
  final Exception exception;
}

接下来，使用 GraphBuilder 类描述状态转换图。GraphBuilder 提供了 state 和 on 方法来描述状态转换。on 方法接受一个函数，该函数接收前一个状态和动作，并返回下一个状态。

final stateGraph = GraphBuilder<SampleState, SampleAction>()
  ..state<SampleStateInitial>(
    (b) => b
      ..on<SampleActionFetch>(
        (state, action) => b.transitionTo(const SampleStateLoading()),
      ),
  )
  ..state<SampleStateLoading>(
    (b) => b
      ..on<SampleActionSucceed>(
        (state, action) => b.transitionTo(SampleStateSuccess(action.data)),
      )
      ..on<SampleActionFail>(
        (state, action) => b.transitionTo(SampleStateError(action.exception)),
      ),
  );

描述完状态转换图后，使用 createStateMachine 方法生成有限状态机。

final stateMachine = createStateMachine(
  initialState: const SampleStateInitial(),
  graphBuilder: stateGraph,
);

生成的有限状态机可以通过 dispatch 方法触发状态转换。

stateMachine.dispatch(const SampleActionFetch());

可以通过 state 属性或 stateStream 属性获取有限状态机的当前状态或状态流。

print(stateMachine.state); 
stateMachine.stateStream.listen((state) {
  print(state);
});

4.2 实现副作用

假设我们希望在转换到 Loading 状态时触发一个副作用，例如发起 API 请求。为此，我们可以使用 SideEffectCreator 和 SideEffect 来定义副作用。SideEffectCreator 是一个用于生成副作用的类，而 SideEffect 表示具体的副作用。有三种类型的副作用：

• AfterSideEffectCreator：在发出动作后立即执行，但在状态转换之前。
• BeforeSideEffectCreator：在发出动作并且状态转换发生后执行。
• FinallySideEffectCreator：在发出动作后执行，无论状态转换是否发生。

通常情况下，AfterSideEffectCreator 是最常用的，适用于生成因状态转换而发生的副作用，如 API 请求或保存数据。

以下是实现 API 请求副作用的示例：

final class SampleSideEffectCreator
    implements AfterSideEffectCreator<SampleState, SampleAction, SampleSideEffect> {
  const SampleSideEffectCreator(this.apiClient);

  final ApiClient apiClient;

  @override
  SampleSideEffect? create(SampleState state, SampleAction action) {
    return switch (action) {
      SampleActionFetch() => SampleSideEffect(apiClient),
      _ => null,
    };
  }
}

final class SampleSideEffect
    implements AfterSideEffect<SampleState, SampleAction> {
  const SampleSideEffect(this.apiClient);

  final ApiClient apiClient;

  @override
  Future<void> execute(StateMachine<SampleState, SampleAction> stateMachine) async {
    try {
      final data = await apiClient.fetchData();
      stateMachine.dispatch(SampleActionSucceed(data));
    } on Exception catch (e) {
      stateMachine.dispatch(SampleActionFail(e));
    }
  }
}

现在，我们将 SampleSideEffect 和 SampleSideEffectCreator 注册到有限状态机中。

final stateMachine = createStateMachine(
  initialState: const SampleStateInitial(),
  graphBuilder: stateGraph,
  sideEffectCreator: SampleSideEffectCreator(apiClient),
);

每次状态转换发生时，SampleSideEffectCreator 会被调用，如果触发转换的动作是 Fetch，则会生成 SampleSideEffect 并发起 API 请求。

4.3 处理间歇性值场景（如 Streams）

当在间歇性值场景（如 Streams）中实现有限状态机时，可以使用 Subscription 类。Subscription 在 StateMachine 实例生成时仅被调用一次，并在其生命周期内保持有效。考虑以下状态转换图：

stateDiagram-v2
    [*] --> Initial
    Initial --> Loading: Fetch
    Loading --> Success: Succeed
    Success --> Success: UpdateData
    Loading --> Error: Fail

假设我们希望在每次发出 UpdateData 动作后更新数据。可以实现一个 Subscription，根据 Stream 中的数据发出 SampleActionUpdate 动作。

final class SampleSubscription
    implements Subscription<SampleState, SampleAction> {
  SampleSubscription(this.webSocketClient);

  final WebSocketClient webSocketClient;

  StreamSubscription<Data>? _subscription;

  @override
  void subscribe(StateMachine<SampleState, SampleAction> stateMachine) {
    _subscription = webSocketClient.subscribeData().listen((data) {
      stateMachine.dispatch(SampleActionUpdate(data));
    });
  }

  @override
  void dispose() {
    _subscription?.cancel();
  }
}

然后将 Subscription 注册到 StateMachine 中。

final stateMachine = createStateMachine(
  initialState: const SampleStateInitial(),
  graphBuilder: stateGraph,
  sideEffectCreator: SampleSideEffectCreator(apiClient),
  subscription: SampleSubscription(webSocketClient),
);

这样，有限状态机会接收来自 WebSocketClient 的数据，并根据数据发出 SampleActionUpdate 动作。

5. 完整示例 Demo

以下是一个完整的示例，展示了如何使用 dart_fsm 实现一个简单的有限状态机，包括状态转换、副作用和间歇性值处理。

import 'package:dart_fsm/dart_fsm.dart';

// 定义状态
sealed class SampleState {
  const SampleState();
}

final class SampleStateA extends SampleState {
  const SampleStateA();
}

final class SampleStateB extends SampleState {
  const SampleStateB();
}

// 定义动作
sealed class SampleAction {
  const SampleAction();
}

final class SampleActionA extends SampleAction {
  const SampleActionA();
}

// 定义状态转换图
void main() {
  final stateMachineGraph = GraphBuilder<SampleState, SampleAction>()
    ..state<SampleStateA>(
      (b) => b
        ..on<SampleActionA>(
          (state, action) => b.transitionTo(const SampleStateB()),
        ),
    );

  // 创建有限状态机
  final stateMachine = createStateMachine(
    initialState: const SampleStateA(),
    graphBuilder: stateMachineGraph,
  );

  // 打印初始状态
  print(stateMachine.state); // SampleStateA

  // 触发状态转换
  stateMachine.dispatch(const SampleActionA());

  // 打印转换后的状态
  print(stateMachine.state); // SampleStateB
}