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设计模式状态模式

jiezi

下面用一个例子来帮助大家理解状态模式

我们每天都在乘电梯，那我们来看看电梯有哪些动作（映射到 Java 中就是有多少方法）：开门、关门、运行、停止。好，我们就用程序来实现一下电梯的动作.

电梯程序第一版

首先我们定义一个电梯接口

在坐电梯时，你不可能希望电梯在运行期间突然开门吧，也不希望电梯停下了打不开门吧，所以，电梯执行这几个动作之前都需要前置条件。

  • 敞门状态：在这个状态下电梯只能做的动作是关门动作。
  • 闭门状态：在这个状态下，可以进行的动作是：开门（我不想坐电梯了）、停止（忘记按路层号了）、运行。
  • 运行状态：在这个状态，电梯只能做停止。
  • 停止状态：可以选择继续运行和开门

下面我们改一下之前做的程序，看一下修改之后的类图

这里增加了 4 个静态常量，并增加了一个方法 setState，设置电梯的状态。

public interface ILift {
    // 电梯的 4 个状态
    public final static int OPENING_STATE = 1; // 敞门状态
    public final static int CLOSING_STATE = 2; // 闭门状态
    public final static int RUNNING_STATE = 3; // 运行状态
    public final static int STOPPING_STATE = 4; // 停止状态

    // 设置电梯的状态
    public void setState(int state);

    // 首先电梯门开启动作
    public void open();

    // 电梯门可以开启，那当然也就有关闭了
    public void close();

    // 电梯要能上能下，运行起来
    public void run();
    
    // 电梯还要能停下来
    public void stop();}

电梯实现类

public class Lift implements ILift {
    private int state;

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

    // 电梯门关闭
    public void close() {
        // 电梯在什么状态下才能关闭
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: // 可以关门，同时修改电梯状态
                this.closeWithoutLogic();
                this.setState(CLOSING_STATE);
                break;
            case CLOSING_STATE: // 电梯是关门状态，则什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case RUNNING_STATE: // 正在运行，门本来就是关闭的，也什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case STOPPING_STATE: // 停止状态，门也是关闭的，什么也不做
                //do nothing;
                break;
        }
    }

    // 电梯门开启
    public void open() {
        // 电梯在什么状态才能开启
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: // 闭门状态，什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case CLOSING_STATE: // 闭门状态，则可以开启
                this.openWithoutLogic();
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE: // 运行状态，则不能开门，什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case STOPPING_STATE: // 停止状态，当然要开门了
                this.openWithoutLogic();
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
        }
    }

    // 电梯开始运行起来
    public void run() {switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: // 敞门状态，什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case CLOSING_STATE: // 闭门状态，则可以运行
                this.runWithoutLogic();
                this.setState(RUNNING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE: // 运行状态，则什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case STOPPING_STATE: // 停止状态，可以运行
                this.runWithoutLogic();
                this.setState(RUNNING_STATE);
        }
    }

    // 电梯停止
    public void stop() {switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: // 敞门状态，要先停下来的，什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case CLOSING_STATE: // 闭门状态，则当然可以停止了
                this.stopWithoutLogic();
                this.setState(CLOSING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE: // 运行状态，有运行当然那也就有停止了
                this.stopWithoutLogic();
                this.setState(CLOSING_STATE);
                break;
            case STOPPING_STATE: // 停止状态，什么都不做
                //do nothing;
                break;
        }
    }

    // 纯粹的电梯关门，不考虑实际的逻辑
    private void closeWithoutLogic() {System.out.println("电梯门关闭...");
    }

    // 纯粹的电梯开门，不考虑任何条件
    private void openWithoutLogic() {System.out.println("电梯门开启...");
    }

    // 纯粹的运行，不考虑其他条件
    private void runWithoutLogic() {System.out.println("电梯上下运行起来...");
    }

    // 单纯的停止，不考虑其他条件
    private void stopWithoutLogic() {System.out.println("电梯停止了...");
    }
}

场景类

public class Client {public static void main(String[] args) {ILift lift = new Lift();
        
        // 电梯的初始条件应该是停止状态
        lift.setState(ILift.STOPPING_STATE);
        
        // 首先是电梯门开启，人进去
        lift.open();
        
        // 然后电梯门关闭
        lift.close();
        
        // 再然后，电梯运行起来，向上或者向下
        lift.run();
        
        // 最后到达目的地，电梯停下来
        lift.stop();}
}

在业务调用的方法中增加了电梯状态判断，电梯要不是随时都可以开的，必须满足一定
条件才能开门，人才能走进去，我们设置电梯的起始是停止状态。

运行结果

这段程序的问题：

  • 电梯实现类过长，长的原因是我们在程序中使用了大量的 switch…case 这样的判断。
  • 扩展性差：如果程序还要加上通电状态和断电状态，Open()、Close()、Run()、Stop()这 4 个方法都要增加判断条件。

电梯程序第二版 – 状态模式

下图为电梯程序的以状态作为导向的类图

在类图中，定义了一个 LiftState 抽象类，声明了一个受保护的类型 Context 变量，这个是
串联各个状态的封装类。封装的目的很明显，就是电梯对象内部状态的变化不被调用类知
晓，也就是迪米特法则了（我的类内部情节你知道得越少越好），并且还定义了 4 个具体的
实现类，承担的是状态的产生以及状态间的转换过渡。

抽象电梯状态

public abstract class LiftState {
    // 定义一个环境角色，也就是封装状态的变化引起的功能变化
    protected Context context;

    public void setContext(Context _context) {this.context = _context;}

    // 首先电梯门开启动作
    public abstract void open();

    // 电梯门有开启，那当然也就有关闭了
    public abstract void close();

    // 电梯要能上能下，运行起来
    public abstract void run();

    // 电梯还要能停下来
    public abstract void stop();}

上下文类 Context

public class Context {
    // 定义出所有的电梯状态
    public final static OpenningState openningState = new OpenningState();
    public final static ClosingState closeingState = new ClosingState();
    public final static RunningState runningState = new RunningState();
    public final static StoppingState stoppingState = new StoppingState();
    
    // 定一个当前电梯状态
    private LiftState liftState;
    
    public LiftState getLiftState() {return liftState;}

    public void setLiftState(LiftState liftState) {
        this.liftState = liftState;
        // 把当前的环境通知到各个实现类中
        this.liftState.setContext(this);
    }
    
    public void open(){this.liftState.open();
    }
    
    public void close(){this.liftState.close();
    }
    
    public void run(){this.liftState.run();
    }
    
    public void stop(){this.liftState.stop();
    }
}

敞门状态实现

public class OpenningState extends LiftState {
    // 开启当然可以关闭了，我就想测试一下电梯门开关功能
    @Override
    public void close() {
        // 状态修改
        super.context.setLiftState(Context.closeingState);
        // 动作委托为 CloseState 来执行
        super.context.getLiftState().close();
    }

    // 打开电梯门
    @Override
    public void open() {System.out.println("电梯门开启...");
    }

    // 门开着时电梯就运行跑，这电梯，吓死你！@Override
    public void run() {//do nothing;}

    // 开门还不停止？public void stop() {//do nothing;}
}

关门状态实现

public class ClosingState extends LiftState {
    // 电梯门关闭，这是关闭状态要实现的动作
    @Override
    public void close() {System.out.println("电梯门关闭...");
    }

    // 电梯门关了再打开
    @Override
    public void open() {super.context.setLiftState(Context.openningState); // 置为敞门状态
        super.context.getLiftState().open();
    }

    // 电梯门关了就运行，这是再正常不过了
    @Override
    public void run() {super.context.setLiftState(Context.runningState); // 设置为运行状态
        super.context.getLiftState().run();
    }

    // 电梯门关着，我就不按楼层
    @Override
    public void stop() {super.context.setLiftState(Context.stoppingState); // 设置为停止状态
        super.context.getLiftState().stop();
    }
}

运行和停止状态实现与上面两种类似

场景测试类

public class Client {public static void main(String[] args) {Context context = new Context();
        context.setLiftState(new ClosingState());
        context.open();
        context.close();
        context.run();
        context.stop();}
}

状态模式的应用

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

我们先来看看状态模式中的 3 个角色。
● State——抽象状态角色
接口或抽象类，负责对象状态定义，并且封装环境角色以实现状态切换。
● ConcreteState——具体状态角色
每一个具体状态必须完成两个职责：本状态的行为管理以及趋向状态处理，通俗地说，
就是本状态下要做的事情，以及本状态如何过渡到其他状态。
● Context——环境角色
定义客户端需要的接口，并且负责具体状态的切换。

状态模式的优缺点

优点

  • 结构清晰 ，避免了过多的 switch…case 或者 if…else 语句的使用，避免了程序的复杂性, 提高系统的可
    维护性。
  • 遵循设计原则，很好地体现了开闭原则和单一职责原则，每个状态都是一个子类，你要增加状态就要增
    加子类，你要修改状态，你只修改一个子类就可以了。
  • 封装性好，这也是状态模式的基本要求，状态变换放置到类的内部来实现，外部的调用不用知道类
    内部如何实现状态和行为的变换。

缺点

  • 子类会太多，也就是类膨胀。

状态模式的使用场景

  • 行为随状态改变而改变的场景
  • 条件、分支判断语句的替代者：在程序中大量使用 switch 语句或者 if 判断语句会导致程序结构不清晰，逻辑混乱，使用状态模式可以很好地避免这一问题，它通过扩展子类实现了条件的判断处理

下面用一个例子来帮助大家理解状态模式

我们每天都在乘电梯，那我们来看看电梯有哪些动作（映射到 Java 中就是有多少方法）：开门、关门、运行、停止。好，我们就用程序来实现一下电梯的动作.

电梯程序第一版

首先我们定义一个电梯接口

在坐电梯时，你不可能希望电梯在运行期间突然开门吧，也不希望电梯停下了打不开门吧，所以，电梯执行这几个动作之前都需要前置条件。

  • 敞门状态：在这个状态下电梯只能做的动作是关门动作。
  • 闭门状态：在这个状态下，可以进行的动作是：开门（我不想坐电梯了）、停止（忘记按路层号了）、运行。
  • 运行状态：在这个状态，电梯只能做停止。
  • 停止状态：可以选择继续运行和开门

下面我们改一下之前做的程序，看一下修改之后的类图

这里增加了 4 个静态常量，并增加了一个方法 setState，设置电梯的状态。

public interface ILift {
    // 电梯的 4 个状态
    public final static int OPENING_STATE = 1; // 敞门状态
    public final static int CLOSING_STATE = 2; // 闭门状态
    public final static int RUNNING_STATE = 3; // 运行状态
    public final static int STOPPING_STATE = 4; // 停止状态

    // 设置电梯的状态
    public void setState(int state);

    // 首先电梯门开启动作
    public void open();

    // 电梯门可以开启，那当然也就有关闭了
    public void close();

    // 电梯要能上能下，运行起来
    public void run();
    
    // 电梯还要能停下来
    public void stop();}

电梯实现类

public class Lift implements ILift {
    private int state;

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

    // 电梯门关闭
    public void close() {
        // 电梯在什么状态下才能关闭
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: // 可以关门，同时修改电梯状态
                this.closeWithoutLogic();
                this.setState(CLOSING_STATE);
                break;
            case CLOSING_STATE: // 电梯是关门状态，则什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case RUNNING_STATE: // 正在运行，门本来就是关闭的，也什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case STOPPING_STATE: // 停止状态，门也是关闭的，什么也不做
                //do nothing;
                break;
        }
    }

    // 电梯门开启
    public void open() {
        // 电梯在什么状态才能开启
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: // 闭门状态，什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case CLOSING_STATE: // 闭门状态，则可以开启
                this.openWithoutLogic();
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE: // 运行状态，则不能开门，什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case STOPPING_STATE: // 停止状态，当然要开门了
                this.openWithoutLogic();
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
        }
    }

    // 电梯开始运行起来
    public void run() {switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: // 敞门状态，什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case CLOSING_STATE: // 闭门状态，则可以运行
                this.runWithoutLogic();
                this.setState(RUNNING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE: // 运行状态，则什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case STOPPING_STATE: // 停止状态，可以运行
                this.runWithoutLogic();
                this.setState(RUNNING_STATE);
        }
    }

    // 电梯停止
    public void stop() {switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: // 敞门状态，要先停下来的，什么都不做
                //do nothing;
                break;
            case CLOSING_STATE: // 闭门状态，则当然可以停止了
                this.stopWithoutLogic();
                this.setState(CLOSING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE: // 运行状态，有运行当然那也就有停止了
                this.stopWithoutLogic();
                this.setState(CLOSING_STATE);
                break;
            case STOPPING_STATE: // 停止状态，什么都不做
                //do nothing;
                break;
        }
    }

    // 纯粹的电梯关门，不考虑实际的逻辑
    private void closeWithoutLogic() {System.out.println("电梯门关闭...");
    }

    // 纯粹的电梯开门，不考虑任何条件
    private void openWithoutLogic() {System.out.println("电梯门开启...");
    }

    // 纯粹的运行，不考虑其他条件
    private void runWithoutLogic() {System.out.println("电梯上下运行起来...");
    }

    // 单纯的停止，不考虑其他条件
    private void stopWithoutLogic() {System.out.println("电梯停止了...");
    }
}

场景类

public class Client {public static void main(String[] args) {ILift lift = new Lift();
        
        // 电梯的初始条件应该是停止状态
        lift.setState(ILift.STOPPING_STATE);
        
        // 首先是电梯门开启，人进去
        lift.open();
        
        // 然后电梯门关闭
        lift.close();
        
        // 再然后，电梯运行起来，向上或者向下
        lift.run();
        
        // 最后到达目的地，电梯停下来
        lift.stop();}
}

在业务调用的方法中增加了电梯状态判断，电梯要不是随时都可以开的，必须满足一定
条件才能开门，人才能走进去，我们设置电梯的起始是停止状态。

运行结果

这段程序的问题：

  • 电梯实现类过长，长的原因是我们在程序中使用了大量的 switch…case 这样的判断。
  • 扩展性差：如果程序还要加上通电状态和断电状态，Open()、Close()、Run()、Stop()这 4 个方法都要增加判断条件。

电梯程序第二版 – 状态模式

下图为电梯程序的以状态作为导向的类图

在类图中，定义了一个 LiftState 抽象类，声明了一个受保护的类型 Context 变量，这个是
串联各个状态的封装类。封装的目的很明显，就是电梯对象内部状态的变化不被调用类知
晓，也就是迪米特法则了（我的类内部情节你知道得越少越好），并且还定义了 4 个具体的
实现类，承担的是状态的产生以及状态间的转换过渡。

抽象电梯状态

public abstract class LiftState {
    // 定义一个环境角色，也就是封装状态的变化引起的功能变化
    protected Context context;

    public void setContext(Context _context) {this.context = _context;}

    // 首先电梯门开启动作
    public abstract void open();

    // 电梯门有开启，那当然也就有关闭了
    public abstract void close();

    // 电梯要能上能下，运行起来
    public abstract void run();

    // 电梯还要能停下来
    public abstract void stop();}

上下文类 Context

public class Context {
    // 定义出所有的电梯状态
    public final static OpenningState openningState = new OpenningState();
    public final static ClosingState closeingState = new ClosingState();
    public final static RunningState runningState = new RunningState();
    public final static StoppingState stoppingState = new StoppingState();
    
    // 定一个当前电梯状态
    private LiftState liftState;
    
    public LiftState getLiftState() {return liftState;}

    public void setLiftState(LiftState liftState) {
        this.liftState = liftState;
        // 把当前的环境通知到各个实现类中
        this.liftState.setContext(this);
    }
    
    public void open(){this.liftState.open();
    }
    
    public void close(){this.liftState.close();
    }
    
    public void run(){this.liftState.run();
    }
    
    public void stop(){this.liftState.stop();
    }
}

敞门状态实现

public class OpenningState extends LiftState {
    // 开启当然可以关闭了，我就想测试一下电梯门开关功能
    @Override
    public void close() {
        // 状态修改
        super.context.setLiftState(Context.closeingState);
        // 动作委托为 CloseState 来执行
        super.context.getLiftState().close();
    }

    // 打开电梯门
    @Override
    public void open() {System.out.println("电梯门开启...");
    }

    // 门开着时电梯就运行跑，这电梯，吓死你！@Override
    public void run() {//do nothing;}

    // 开门还不停止？public void stop() {//do nothing;}
}

关门状态实现

public class ClosingState extends LiftState {
    // 电梯门关闭，这是关闭状态要实现的动作
    @Override
    public void close() {System.out.println("电梯门关闭...");
    }

    // 电梯门关了再打开
    @Override
    public void open() {super.context.setLiftState(Context.openningState); // 置为敞门状态
        super.context.getLiftState().open();
    }

    // 电梯门关了就运行，这是再正常不过了
    @Override
    public void run() {super.context.setLiftState(Context.runningState); // 设置为运行状态
        super.context.getLiftState().run();
    }

    // 电梯门关着，我就不按楼层
    @Override
    public void stop() {super.context.setLiftState(Context.stoppingState); // 设置为停止状态
        super.context.getLiftState().stop();
    }
}

运行和停止状态实现与上面两种类似

场景测试类

public class Client {public static void main(String[] args) {Context context = new Context();
        context.setLiftState(new ClosingState());
        context.open();
        context.close();
        context.run();
        context.stop();}
}

状态模式的应用

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

我们先来看看状态模式中的 3 个角色。
● State——抽象状态角色
接口或抽象类，负责对象状态定义，并且封装环境角色以实现状态切换。
● ConcreteState——具体状态角色
每一个具体状态必须完成两个职责：本状态的行为管理以及趋向状态处理，通俗地说，
就是本状态下要做的事情，以及本状态如何过渡到其他状态。
● Context——环境角色
定义客户端需要的接口，并且负责具体状态的切换。

状态模式的优缺点

优点

  • 结构清晰 ，避免了过多的 switch…case 或者 if…else 语句的使用，避免了程序的复杂性, 提高系统的可
    维护性。
  • 遵循设计原则，很好地体现了开闭原则和单一职责原则，每个状态都是一个子类，你要增加状态就要增
    加子类，你要修改状态，你只修改一个子类就可以了。
  • 封装性好，这也是状态模式的基本要求，状态变换放置到类的内部来实现，外部的调用不用知道类
    内部如何实现状态和行为的变换。

缺点

  • 子类会太多，也就是类膨胀。

状态模式的使用场景

  • 行为随状态改变而改变的场景
  • 条件、分支判断语句的替代者：在程序中大量使用 switch 语句或者 if 判断语句会导致程序结构不清晰，逻辑混乱，使用状态模式可以很好地避免这一问题，它通过扩展子类实现了条件的判断处理

参考书籍：《设计模式之禅》

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