设计模式 —— 状态模式(State Pattern)

状态模式(State Pattern)

概念:状态模式 允许对象在内部状态改变时改变它的行动,对象看起来好像修改了它的类


在软件设计中,我们常常会遇需要编写有很多状态的程序。最简单的如乘坐电梯程序,当我们要坐电梯时需要判断电梯的状态,只有当电梯处于当前楼时我们才能乘坐,当电梯不在当前楼层时我们要按下按钮等待电梯到来。在平时1般都通过 if…elseswitch 判断状态后处理,这类固定的写法只有在软件后期不会更新时才可以(不过是不可能的),状态模式实际上是使用组合通过简单援用不同的状态 对象 来造成状态改变的假象。


组成:

状态模式

Context(上下文):1般是1个具有多个状态的类,当调用 request() 函数时会被拜托到状态对象。

State(状态接口):定义了所有具体状态的共同接口,任何状态都实现这个接口,这样就可以在状态之间相互转换。

ConcreteStateA(具体状态):实现状态接口,处理来自 Context 的要求。每一个 ConcreteState 都提供自己要求的实现。


例子:

我们实现电梯的例子,电梯的状态包括运行、停止、开门、关门。当电梯运行时我们等待电梯停止,停止时我们等待开门或运行,开门时进入后关门,进入后电梯变成关门状态。

状态模式

假定目前就这么多状态,用传统的 if…elseswitch 实现。

抽象状态类

public abstract class LiftState {
//4种状态
final int OPEN_STATE = 1;
final int STOP_STATE = 2;
final int CLOSE_STATE = 3;
final int RUN_STATE = 4;

public abstract void setState(int state);
//开门动作
public abstract void open();
//关门动作
public abstract void close();
//运行动作
public abstract void run();
//停止动作
public abstract void stop();
}


public class Lift extends LiftState{
private int state;

public Lift(int state) {
this.state = state;
}

@Override
public void setState(int state) {
this.state = state;
}

//开门动作
@Override
public void open() {
switch (state) {
case OPEN_STATE:
System.out.println("处于开门状态:甚么也不做");
break;
case CLOSE_STATE:
System.out.println("处于关门状态:甚么也不做");
break;
case RUN_STATE:
System.out.println("处于运行状态:甚么也不做");
break;
case STOP_STATE:
System.out.println("处于关门状态,开门...");
setState(OPEN_STATE);
break;
}
}

//关门动作
@Override
public void close() {
switch (state) {
case OPEN_STATE:
System.out.println("处于开门状态:关门...");
setState(CLOSE_STATE);
break;
case CLOSE_STATE:
System.out.println("处于关门状态:甚么也不做");
break;
case RUN_STATE:
System.out.println("处于运行状态:甚么也不做");
break;
case STOP_STATE:
System.out.println("处于停止状态:甚么也不做");
break;
}
}

//运行动作
@Override
public void run() {
switch (state) {
case OPEN_STATE:
System.out.println("处于开门状态:甚么也不做");
break;
case CLOSE_STATE:
System.out.println("处于关门状态:运行...");
setState(RUN_STATE);
break;
case RUN_STATE:
System.out.println("处于运行状态:甚么也不做");
break;
case STOP_STATE:
System.out.println("处于停止状态:运行...");
setState(RUN_STATE);
}
}

//停止动作
@Override
public void stop() {
switch (state) {
case OPEN_STATE:
System.out.println("处于开门状态:甚么也不做");
break;
case CLOSE_STATE:
System.out.println("处于关门状态:甚么也不做");
setState(CLOSE_STATE);
break;
case RUN_STATE:
System.out.println("处于运行状态:停止...");
break;
case STOP_STATE:
System.out.println("处于停止状态:甚么也不做");
}
}
}


public class LiftRun {
public static void main(String[] args) {
//初始设置为停止状态
Lift lift = new Lift(2);
//停止变成运行
lift.run();
//运行时不能开门
lift.open();
//运行变成停止
lift.stop();
//停止时不能开门
lift.close();
}
}

状态模式

上面的实现没甚么问题,但大量的用了 switch…case,当我们想要为电梯增加1种状态时,会发现需要大量的改动代码,每个 switch 都要改,这也是《重构》中称 switch代码的坏味道。我们来通过 状态模式 改变它。


状态模式改进例子:

状态模式

LiftState:

public abstract class LiftState {
Lift lift;

public LiftState(Lift lift) {
this.lift = lift;
}

//开门动作
public abstract void open();
//关门动作
public abstract void close();
//运行动作
public abstract void run();
//停止动作
public abstract void stop();
}


CloseState:

public class CloseState extends LiftState {
public CloseState(Lift lift) {
super(lift);
}

@Override
public void open() {
System.out.println("处于关闭状态...甚么也不做");
}

@Override
public void close() {
System.out.println("处于关闭状态...甚么也不做");
}

@Override
public void run() {
System.out.println("处于关闭状态:运行");
lift.setState(lift.getRunState());
}

@Override
public void stop() {
System.out.println("处于关闭状态...甚么也不做");
}
}


OpenState:

public class OpenState extends LiftState {
public OpenState(Lift lift) {
super(lift);
}

@Override
public void open() {
System.out.println("处于开门状态...甚么也不错");
}

@Override
public void close() {
System.out.println("处于开门状态:关门");
lift.setState(lift.getCloseState());
}

@Override
public void run() {
System.out.println("处于开门状态...甚么也不错");
}

@Override
public void stop() {
System.out.println("处于开门状态...甚么也不错");
}
}


RunState:

public class RunState extends LiftState {
public RunState(Lift lift) {
super(lift);
}

@Override
public void open() {
System.out.println("处于运行状态...甚么也不做");
}

@Override
public void close() {
System.out.println("处于运行状态...甚么也不做");
}

@Override
public void run() {
System.out.println("处于运行状态...甚么也不做");
}

@Override
public void stop() {
System.out.println("处于运行状态:停止");
lift.setState(lift.getStopState());
}
}


StopState:

public class StopState extends LiftState {
public StopState(Lift lift) {
super(lift);
}

@Override
public void open() {
System.out.println("处于停止状态:开门");
lift.setState(lift.getOpenState());
}

@Override
public void close() {
System.out.println("处于停止状态...甚么也不做");
}

@Override
public void run() {
System.out.println("处于停止状态:运行");
lift.setState(lift.getRunState());
}

@Override
public void stop() {
System.out.println("处于停止状态...甚么也不做");
}
}


Lift:

public class Lift {
LiftState openState;
LiftState closeState;
LiftState runState;
LiftState stopState;

LiftState state;

public Lift() {
openState = new OpenState(this);
closeState = new CloseState(this);
runState = new RunState(this);
stopState = new StopState(this);
//起始设置为停止状态
state = stopState;
}
//拜托给状态对象履行
public void stop() {
state.stop();
}

public void run() {
state.run();
}

public void close() {
state.close();
}

public void open() {
state.open();
}
//仅仅更换当前对象的援用
public void setState(LiftState state) {
this.state = state;
}

public LiftState getOpenState() {
return openState;
}

public LiftState getCloseState() {
return closeState;
}

public LiftState getRunState() {
return runState;
}

public LiftState getStopState() {
return stopState;
}
}


LiftRun:

public class LiftRun {
public static void main(String[] args) {
//其实设置为停止状态
Lift lift = new Lift();
lift.run();
lift.open();
lift.stop();
lift.close();
}
}

运行结果:

状态模式

通过状态模式改进后,我们将每一个状态和状态行动封装成了对象和方法,虽然增加了类的数目,但是当我们增加状态时不用改动本来的代码,仅需创建新的状态实现接口的方法便可。

如增加故障状态:

public class BugState extends LiftState {
public BugState(Lift lift) {
super(lift);
}

@Override
public void open() {
System.out.println("故障状态,不能打开");
}

@Override
public void close() {
System.out.println("故障状态,不能关闭");
}

@Override
public void run() {
System.out.println("故障状态,不能运行");
}

@Override
public void stop() {
System.out.println("故障状态,停止..维修");
lift.setState(lift.getStopState());
}

@Override
public void bug() {
System.out.println("故障状态");
}
}

在每一个状态对象中加入相应的 bug 状态函数,如:

@Override
public void bug() {
System.out.println("处于停止状态:维修电梯");
lift.setState(lift.getBugState());
}

接着在 Lift 类中加入 bug 状态:

LiftState bugState;
...
//构造函数中
bugState = new BugState(this);
...
public LiftState getBugState() {
return bugState;
}

测试函数:

public class LiftRun {
public static void main(String[] args) {
//其实设置为停止状态
Lift lift = new Lift();
//运行
lift.run();
lift.bug();
lift.stop();
lift.run();
}
}

状态模式

处于状态模式下仅仅需要新增1个类外加做1些小改动便可完成状态的增加,大大方便了后期的保护和修改。

适用处景:

  • 1个对象的行动取决于它的状态, 并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行动。
  • 代码中包括大量与对象状态有关的条件语句:1个操作中含有庞大的多分支的条件(if else 或switch case)语句,且这些分支依赖于该对象的状态。这个状态通经常使用1个或多个枚举常量表示。通常 , 有多个操作包括这1相同的条件结构。 State模式将每个条件分支放入1个独立的类中。这使得你可以根据对象本身的情况将对象的状态作为1个对象,这1对象可以不依赖于其他对象而独立变化。

优缺点:

优点:

  • 封装了转换规则,将所有与某个状态有关的行动放到1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便可改变对象的行动。
  • 允许状态转换逻辑与状态对象合成1体,而不是某1个巨大的条件语句块。
  • 可让多个环境对象同享1个状态对象,从而减少系统中对象的个数。

缺点:

  • 状态模式的使用必定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,如果使用不当将致使程序结构和代码的混乱。

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