设计模式-状态模式

笔记

参考：http://c.biancheng.net/view/1388.html

什么是状态模式

​ 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。

优点：

  1. 结构清晰，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. 将状态转换显示化，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. 状态类职责明确，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。

缺点：

  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。
  3. 状态模式对开闭原则的支持并不太好，对于可以切换状态的状态模式，增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源码，否则无法切换到新增状态，而且修改某个状态类的行为也需要修改对应类的源码。

结构与实现

状态模式包含以下主要角色。

  1. 环境类（Context）角色：也称为上下文，它定义了客户端需要的接口，内部维护一个当前状态，并负责具体状态的切换。
  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，可以有一个或多个行为。
  3. 具体状态（Concrete State）角色：实现抽象状态所对应的行为，并且在需要的情况下进行状态切换。

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代码实现：

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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 this.state;
    }
    //对请求做处理
    public void handle() {
        this.state.handle(this);
    }
}
//抽象状态类
interface State {
    void handle(Context context);
}
//具体状态A类
class ConcreteStateA implements State {
    @Override
    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 implements State {
    @Override
    public void handle(Context context) {
        System.out.println("当前状态是 B.");
        context.setState(new ConcreteStateA());
    }
}

运行结果：

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当前状态是 A.
当前状态是 B.
当前状态是 A.
当前状态是 B.

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。

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public class ScoreMain {
    public static void main(String[] args) {
        ScoreContext context = new ScoreContext();
        System.out.println("学生成绩状态测试：");
        context.add(30);
        context.add(30);
        context.add(30);
        context.add(-15);
    }
}

class ScoreContext{
    private AbstractState abstractState;

    public ScoreContext(){
        abstractState = new LowState(this);
    }

    public void add(int x){
        abstractState.addScore(x);
    }

    public AbstractState getState(){
        return abstractState;
    }

    public void setState(AbstractState abstractState){
        this.abstractState = abstractState;
    }
}

abstract class AbstractState {
    protected ScoreContext context;
    protected String stateName;
    protected int score;
    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：" + context.getState().stateName);
    }
    public abstract void checkState();
}

class HighState extends AbstractState{
    public HighState(AbstractState state){
        context = state.context;
        stateName = "优秀";
        score = state.score;
    }

    @Override
    public void checkState() {
        if (score<60){
            context.setState(new LowState(this));
        }else if(score>=60 && score<90){
            context.setState(new MiddleState(this));
        }
    }
}

class MiddleState extends AbstractState{
    public MiddleState(AbstractState state){
        context = state.context;
        stateName = "中等";
        score = state.score;
    }

    @Override
    public void checkState() {
        if (score<60){
            context.setState(new LowState(this));
        }else if(score>=90){
            context.setState(new HighState(this));
        }
    }
}

class LowState extends AbstractState{
    public LowState(AbstractState state){
        context = state.context;
        stateName = "不及格";
        score = state.score;
    }

    public LowState(ScoreContext sc){
        context = sc;
        stateName = "不及格";
        score=0;
    }


    @Override
    public void checkState() {
        if (score>=60 && score<90){
            context.setState(new MiddleState(this));
        }else if(score>=90){
            context.setState(new HighState(this));
        }
    }
}

运行结果：

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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：30分，	当前分数：60分，	当前状态：中等
加上：30分，	当前分数：90分，	当前状态：优秀
加上：-15分，	当前分数：75分，	当前状态：中等

【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。

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public class ScoreStateTest {
    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;
    public 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.");
    }
}

运行结果：

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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.

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。

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。

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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<>();
    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"));
    }
}

运行结果：

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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

拓展

状态模式与责任链模式的区别

​ 状态模式和责任链模式都能消除 if-else 分支过多的问题。但在某些情况下，状态模式中的状态可以理解为责任，那么在这种情况下，两种模式都可以使用。

从定义来看，状态模式强调的是一个对象内在状态的改变，而责任链模式强调的是外部节点对象间的改变。

从代码实现上来看，两者最大的区别就是状态模式的各个状态对象知道自己要进入的下一个状态对象，而责任链模式并不清楚其下一个节点处理对象，因为链式组装由客户端负责。

状态模式与策略模式的区别

​ 状态模式和策略模式的 UML 类图架构几乎完全一样，但两者的应用场景是不一样的。策略模式的多种算法行为择其一都能满足，彼此之间是独立的，用户可自行更换策略算法，而状态模式的各个状态间存在相互关系，彼此之间在一定条件下存在自动切换状态的效果，并且用户无法指定状态，只能设置初始状态。