30. 状态模式（详解版）

在软件开发过程中，应用程序中的有些对象可能会根据不同的情况做出不同的行为，我们把这种对象称为有状态的对象，而把影响对象行为的一个或多个动态变化的属性称为状态。当有状态的对象与外部事件产生互动时，其内部状态会发生改变，从而使得其行为也随之发生改变。如人的情绪有高兴的时候和伤心的时候，不同的情绪有不同的行为，当然外界也会影响其情绪变化。

对这种有状态的对象编程，传统的解决方案是：将这些所有可能发生的情况全都考虑到，然后使用 if-else 语句来做状态判断，再进行不同情况的处理。但当对象的状态很多时，程序会变得很复杂。而且增加新的状态要添加新的 if-else 语句，这违背了“开闭原则”，不利于程序的扩展。

以上问题如果采用“状态模式”就能很好地得到解决。状态模式的解决思想是：当控制一个对象状态转换的条件表达式过于复杂时，把相关“判断逻辑”提取出来，放到一系列的状态类当中，这样可以把原来复杂的逻辑判断简单化。

状态模式的定义与特点

状态（State）模式的定义：对有状态的对象，把复杂的“判断逻辑”提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。

状态模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下。

  1. 状态模式将与特定状态相关的行为局部化到一个状态中，并且将不同状态的行为分割开来，满足“单一职责原则”。
  2. 减少对象间的相互依赖。将不同的状态引入独立的对象中会使得状态转换变得更加明确，且减少对象间的相互依赖。
  3. 有利于程序的扩展。通过定义新的子类很容易地增加新的状态和转换。

状态模式的主要缺点如下。

  1. 状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数。
  2. 状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当会导致程序结构和代码的混乱。

状态模式的结构与实现

状态模式把受环境改变的对象行为包装在不同的状态对象里，其意图是让一个对象在其内部状态改变的时候，其行为也随之改变。现在我们来分析其基本结构和实现方法。

1. 模式的结构

状态模式包含以下主要角色。

  1. 环境（Context）角色：也称为上下文，它定义了客户感兴趣的接口，维护一个当前状态，并将与状态相关的操作委托给当前状态对象来处理。
  2. 抽象状态（State）角色：定义一个接口，用以封装环境对象中的特定状态所对应的行为。
  3. 具体状态（Concrete State）角色：实现抽象状态所对应的行为。

其结构图如图 1 所示。

状态模式的结构图

图1 状态模式的结构图

2. 模式的实现

状态模式的实现代码如下：

package state;
public class StatePatternClient
{
    public static void main(String[] args)
    {       
        Context context=new Context();    //创建环境       
        context.Handle();    //处理请求
        context.Handle();
        context.Handle();
        context.Handle();
    }
}
//环境类
class Context
{
    private State state;
    //定义环境类的初始状态
    public Context()
    {
        this.state=new ConcreteStateA();
    }
    //设置新状态
    public void setState(State state)
    {
        this.state=state;
    }
    //读取状态
    public State getState()
    {
        return(state);
    }
    //对请求做处理
    public void Handle()
    {
        state.Handle(this);
    }
}
//抽象状态类
abstract class State
{
    public abstract void Handle(Context context);
}
//具体状态A类
class ConcreteStateA extends State
{
    public void Handle(Context context)
    {
        System.out.println("当前状态是 A.");
        context.setState(new ConcreteStateB());
    }
}
//具体状态B类
class ConcreteStateB extends State
{
    public void Handle(Context context)
    {
        System.out.println("当前状态是 B.");
        context.setState(new ConcreteStateA());
    }
}

程序运行结果如下：

当前状态是 A.
当前状态是 B.
当前状态是 A.
当前状态是 B.

状态模式的应用实例

【例1】用“状态模式”设计一个学生成绩的状态转换程序。

分析：本实例包含了“不及格”“中等”和“优秀” 3 种状态，当学生的分数小于 60 分时为“不及格”状态，当分数大于等于 60 分且小于 90 分时为“中等”状态，当分数大于等于 90 分时为“优秀”状态，我们用状态模式来实现这个程序。

首先，定义一个抽象状态类（AbstractState），其中包含了环境属性、状态名属性和当前分数属性，以及加减分方法 addScore(intx) 和检查当前状态的抽象方法 checkState()；然后，定义“不及格”状态类 LowState、“中等”状态类 MiddleState 和“优秀”状态类 HighState，它们是具体状态类，实现 checkState() 方法，负责检査自己的状态，并根据情况转换；最后，定义环境类（ScoreContext），其中包含了当前状态对象和加减分的方法 add(int score)，客户类通过该方法来改变成绩状态。图 2 所示是其结构图。

学生成绩的状态转换程序的结构图

图2 学生成绩的状态转换程序的结构图

程序代码如下：

package state;
public class ScoreStateTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        ScoreContext account=new ScoreContext();
        System.out.println("学生成绩状态测试：");
        account.add(30);
        account.add(40);
        account.add(25);
        account.add(-15);
        account.add(-25);
    }
}
//环境类
class ScoreContext
{
    private AbstractState state;
    ScoreContext()
    {
        state=new LowState(this);
    }
    public void setState(AbstractState state)
    {
        this.state=state;
    }
    public AbstractState getState()
    {
        return state;
    }   
    public void add(int score)
    {
        state.addScore(score);
    }
}
//抽象状态类
abstract class AbstractState
{
    protected ScoreContext hj;  //环境
    protected String stateName; //状态名
    protected int score; //分数
    public abstract void checkState(); //检查当前状态
    public void addScore(int x)
    {
        score+=x;       
        System.out.print("加上："+x+"分，\t当前分数："+score );
        checkState();
        System.out.println("分，\t当前状态："+hj.getState().stateName);
    }   
}
//具体状态类：不及格
class LowState extends AbstractState
{
    public LowState(ScoreContext h)
    {
        hj=h;
        stateName="不及格";
        score=0;
    }
    public LowState(AbstractState state)
    {
        hj=state.hj;
        stateName="不及格";
        score=state.score;
    }
    public void checkState()
    {
        if(score>=90)
        {
            hj.setState(new HighState(this));
        }
        else if(score>=60)
        {
            hj.setState(new MiddleState(this));
        }
    }   
}
//具体状态类：中等
class MiddleState extends AbstractState
{
    public MiddleState(AbstractState state)
    {
        hj=state.hj;
        stateName="中等";
        score=state.score;
    }
    public void checkState()
    {
        if(score<60)
        {
            hj.setState(new LowState(this));
        }
        else if(score>=90)
        {
            hj.setState(new HighState(this));
        }
    }
}
//具体状态类：优秀
class HighState extends AbstractState
{
    public HighState(AbstractState state)
    {
        hj=state.hj;
        stateName="优秀";
        score=state.score;
    }           
    public void checkState()
    {
        if(score<60)
        {
            hj.setState(new LowState(this));
        }
        else if(score<90)
        {
            hj.setState(new MiddleState(this));
        }
    }
}

程序运行结果如下：

学生成绩状态测试：
加上：30分，    当前分数：30分，    当前状态：不及格
加上：40分，    当前分数：70分，    当前状态：中等
加上：25分，    当前分数：95分，    当前状态：优秀
加上：-15分，    当前分数：80分，    当前状态：中等
加上：-25分，    当前分数：55分，    当前状态：不及格

【例2】用“状态模式”设计一个多线程的状态转换程序。

分析：多线程存在 5 种状态，分别为新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和死亡状态，各个状态当遇到相关方法调用或事件触发时会转换到其他状态，其状态转换规律如图 3 所示。

线程状态转换图

图3 线程状态转换图

现在先定义一个抽象状态类（TheadState），然后为图 3 所示的每个状态设计一个具体状态类，它们是新建状态（New）、就绪状态（Runnable ）、运行状态（Running）、阻塞状态（Blocked）和死亡状态（Dead），每个状态中有触发它们转变状态的方法，环境类（ThreadContext）中先生成一个初始状态（New），并提供相关触发方法，图 4 所示是线程状态转换程序的结构图。

线程状态转换程序的结构图

图4 线程状态转换程序的结构图

程序代码如下：

package state;
public class ThreadStateTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        ThreadContext context=new ThreadContext();
        context.start();
        context.getCPU();
        context.suspend();
        context.resume();
        context.getCPU();
        context.stop();
    }
}
//环境类
class ThreadContext
{
    private ThreadState state;
    ThreadContext()
    {
        state=new New();
    }
    public void setState(ThreadState state)
    {
        this.state=state;
    }
    public ThreadState getState()
    {
        return state;
    }   
    public void start()
    {
        ((New) state).start(this);
    }
    public void getCPU()
    {
        ((Runnable) state).getCPU(this);
    }
    public void suspend()
    {
        ((Running) state).suspend(this);
    }
    public void stop()
    {
        ((Running) state).stop(this);
    }
    public void resume()
    {
        ((Blocked) state).resume(this);
    }
}
//抽象状态类：线程状态
abstract class ThreadState
{
    protected String stateName; //状态名
}
//具体状态类：新建状态
class New extends ThreadState
{
    public New()
    {       
        stateName="新建状态";
        System.out.println("当前线程处于：新建状态.");   
    }
    public void start(ThreadContext hj)
    {
        System.out.print("调用start()方法-->");
        if(stateName.equals("新建状态"))
        {
            hj.setState(new Runnable());
        }
        else
        {
            System.out.println("当前线程不是新建状态，不能调用start()方法.");
        }
    }   
}
//具体状态类：就绪状态
class Runnable extends ThreadState
{
    public Runnable()
    {       
        stateName="就绪状态";
        System.out.println("当前线程处于：就绪状态.");   
    }
    public void getCPU(ThreadContext hj)
    {
        System.out.print("获得CPU时间-->");
        if(stateName.equals("就绪状态"))
        {
            hj.setState(new Running());
        }
        else
        {
            System.out.println("当前线程不是就绪状态，不能获取CPU.");
        }
    }   
}
//具体状态类：运行状态
class Running extends ThreadState
{
    public Running()
    {       
        stateName="运行状态";
        System.out.println("当前线程处于：运行状态.");   
    }
    public void suspend(ThreadContext hj)
    {
        System.out.print("调用suspend()方法-->");
        if(stateName.equals("运行状态"))
        {
            hj.setState(new Blocked());
        }
        else
        {
            System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用suspend()方法.");
        }
    }
    public void stop(ThreadContext hj)
    {
        System.out.print("调用stop()方法-->");
        if(stateName.equals("运行状态"))
        {
            hj.setState(new Dead());
        }
        else
        {
            System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用stop()方法.");
        }
    }
}
//具体状态类：阻塞状态
class Blocked extends ThreadState
{
    public Blocked()
    {       
        stateName="阻塞状态";
        System.out.println("当前线程处于：阻塞状态.");   
    }
    public void resume(ThreadContext hj)
    {
        System.out.print("调用resume()方法-->");
        if(stateName.equals("阻塞状态"))
        {
            hj.setState(new Runnable());
        }
        else
        {
            System.out.println("当前线程不是阻塞状态，不能调用resume()方法.");
        }
    }   
}
//具体状态类：死亡状态
class Dead extends ThreadState
{
    public Dead()
    {
        stateName="死亡状态";
        System.out.println("当前线程处于：死亡状态.");   
    }   
}

程序运行结果如下：

当前线程处于：新建状态.
调用start()方法-->当前线程处于：就绪状态.
获得CPU时间-->当前线程处于：运行状态.
调用suspend()方法-->当前线程处于：阻塞状态.
调用resume()方法-->当前线程处于：就绪状态.
获得CPU时间-->当前线程处于：运行状态.
调用stop()方法-->当前线程处于：死亡状态.

状态模式的应用场景

通常在以下情况下可以考虑使用状态模式。

  • 当一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时根据状态改变它的行为时，就可以考虑使用状态模式。
  • 一个操作中含有庞大的分支结构，并且这些分支决定于对象的状态时。

状态模式的扩展

在有些情况下，可能有多个环境对象需要共享一组状态，这时需要引入享元模式，将这些具体状态对象放在集合中供程序共享，其结构图如图 5 所示。

共享状态模式的结构图

图5 共享状态模式的结构图

分析：共享状态模式的不同之处是在环境类中增加了一个 HashMap 来保存相关状态，当需要某种状态时可以从中获取，其程序代码如下：

package state;
import java.util.HashMap;
public class FlyweightStatePattern
{
    public static void main(String[] args)
    {
        ShareContext context=new ShareContext(); //创建环境       
        context.Handle(); //处理请求
        context.Handle();
        context.Handle();
        context.Handle();
    }
}
//环境类
class ShareContext
{
    private ShareState state;
    private HashMap<String, ShareState> stateSet=new HashMap<String, ShareState>();
    public ShareContext()
    {
        state=new ConcreteState1();
        stateSet.put("1", state);
        state=new ConcreteState2();
        stateSet.put("2", state);
        state=getState("1");
    }
    //设置新状态
    public void setState(ShareState state)
    {
        this.state=state;
    }
    //读取状态
    public ShareState getState(String key)
    {
        ShareState s=(ShareState)stateSet.get(key);
        return s;
    }
    //对请求做处理
    public void Handle()
    {
        state.Handle(this);
    }
}
//抽象状态类
abstract class ShareState
{
    public abstract void Handle(ShareContext context);
}
//具体状态1类
class ConcreteState1 extends ShareState
{
    public void Handle(ShareContext context)
    {
        System.out.println("当前状态是： 状态1");
        context.setState(context.getState("2"));
    }
}
//具体状态2类
class ConcreteState2 extends ShareState
{
    public void Handle(ShareContext context)
    {
        System.out.println("当前状态是： 状态2");
        context.setState(context.getState("1"));
    }
}

程序运行结果如下：

当前状态是： 状态1
当前状态是： 状态2
当前状态是： 状态1
当前状态是： 状态2
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