状态机作为一种基础的计算模型和设计模式，在互动系统和软件开发中应用极为广泛。它通过定义系统的不同状态以及这些状态之间的转换规则，帮助开发者对复杂的逻辑流程进行结构化管理。然而，在实际开发过程中，传统的状态机设计往往将状态转移逻辑与副作用（即外部影响如网络请求、界面更新）的处理紧密耦合，导致代码难以测试、维护困难，且扩展性不足。本文将引入一种基于纯净状态机（Pure State Machines）且支持效果（Effects）的可组合设计模式，为开发者提供一套在典型命令式编程环境中实现高内聚、低耦合状态机的思路。纯净状态机的核心在于状态和事件的处理保持纯函数特性，即给定当前状态和事件，状态机的输出与新的状态是确定且无副作用的。效应则通过外部的“执行器”进行处理，确保了状态机逻辑的纯净性，与副作用的执行相分离，这种模式极大地提升了状态机的测试性和代码可维护性。
本文中以Swift语言为实例，阐释该模式的类型设计和组合实现，因为Swift作为典型的命令式语言，其类型系统兼具表达力和灵活性，非常适合演示这种设计理念。首先，状态机通过实现一个名为StateType的协议（Protocol）来定义。该协议规定了两大核心的关联类型：输入事件（InputEvent）和输出命令（OutputCommand）。状态机必须实现一个事件处理函数handleEvent，接收输入事件并基于当前状态决定状态转移和输出命令。不同于传统面向对象的状态机实现，这里强调状态是值类型，具有值语义，实现事件处理时借助可变方法的语法糖但实际保持纯净本质。这意味着状态机方法的调用会产生新的状态实例而非就地修改，确保了状态的不可变性和纯函数特性。
一个典型的示例是门禁机器（TurnstyleState），它包含锁定、解锁和故障三种状态，并定义有投币、人员通行及机器故障等事件。该状态机通过事件响应逻辑返回相应的命令，如开启门、关闭门或响报警。此纯状态机模块自身无任何副作用行为，所有外部操作交由相应的控制器对象完成。如TurnstyleController则订阅外部信号，接收事件通知后驱动状态机逻辑，再将输出的命令交给硬件控制模块或音响模块来执行对应的动作。这样将状态管理与副作用执行隔离，使核心逻辑便于单元测试和重用。该模式还支持层级状态机的设计，将复杂状态拆解为多个子状态机模块，实现状态的结构化组织以提升可维护性。
比如门禁状态机可拆分为工作状态和故障状态两个层级，父级状态机封装子状态机实例，通过组合转移实现复杂的业务流程。通过Swift中枚举类型带关联值的功能，可以无缝地实现这种层级组合。除了层级组合，本文还探讨了正交状态机（orthogonal state machines）的实现，即多个状态机并行运行，最终状态由若干个子状态的组合构成。例如一个键盘状态管理系统，主键盘和数字键盘分别独立具有自己的状态机逻辑，二者共同作用以实现整体功能，同时独立管理输入事件和输出命令。通过结构体和枚举类型的组合，实现了这种状态机的并行组合，保障了模块内聚与灵活耦合。为了方便事件和命令在层级或正交组合中的转换，模式中提供了相应的类型转换扩展，使得各子状态机的事件和命令可以被父状态机识别和处理。
这种通过类型系统完成的强类型转换保证了状态机组合时的安全性和明确性。针对常见问题，作者也提出了对副作用处理的具体策略：纯净状态机只计算新的状态和期望的命令，实际的副作用实现则由调用者（如控制器）负责执行。这种函数式核心加命令式外壳的架构，兼具纯净逻辑的可验证性和系统交互的灵活性。除了介绍设计模式，本文还分析了其他常见实现方式的优缺点，例如用函数代替枚举事件捕获状态转移，或利用泛型和协议实现状态机接口。文章提及，函数式编程语言中已有相关成熟解决方案，比如自由Monad（free monad）对命令响应模式的抽象，但在典型命令式语言环境下，如何保留函数式纯净性同时保证易用性和组合性仍是挑战。最后，作者强调该模式不仅有助于清晰表达复杂状态逻辑，也可大幅提升代码的可测试性、拓展性和维护效率。
通过类型封装、纯净逻辑和外部副作用分离，构建出的状态机体系更加健壮、模块化，极大方便团队协作和迭代开发。该模式也为嵌套、并行以及复杂业务规则的状态管理提供了具有实用价值的参考范例。总之，纯净状态机与效果的可组合模式向开发者展示了一条在现代软件架构中合理处理状态与副作用、提升代码质量的可行路径。随着软件系统复杂度不断提升，掌握并应用类似理念和技术，将会有效提升开发效率和产品稳定性。
