Python状态设计模式

定义状态设计模式

行为模式关注的是对象的响应性。它们通过对象之间的交互以实现更强大的功能。状态设计模式是一种行为设计模式，有时也被称为状态模式对象。在此模式中，一个对象可以基于其内部状态封装多个行为。状态模式也可以看作是在运行时改变对象行为的一种方式。

状态设计模式允许对象在其内部状态变化时改变其行为。这看起来就像对象本身已经改变了它的类一样。状态设计模式常用于开发有限状态机，并帮助协调状态处理操作。

理解状态设计模式

状态设计模式的三个主要参与者：

1、State：这被认为是封装对象行为的接口。这个行为与对象的状态相关联。

2、ConcreteState：这是实现State接口的子类。ConcreteState实现对象的特定状态相关联的实际行为

3、Context：这定义了客户感兴趣的接口。Context还维护一个ConcreteState子类的实例，该子类在内部定义了对象的特定状态的实现

下面我们来考察带有上述3个参与者的状态设计模式的结构代码实现：

from abc import ABCMeta, abstractmethod


class State(metaclass=ABCMeta):
    @abstractmethod
    def handle(self):
        pass


class ConcreteStateA(State):
    def handle(self):
        print("ConcreteStateA")


class ConcreteStateB(State):
    def handle(self):
        print("ConcreteStateB")


class Context(State):
    def __init__(self):
        self.state = None

    def get_state(self):
        return self.state

    def set_state(self, state):
        self.state = state

    def handle(self):
        self.state.handle()


context = Context()
stateA = ConcreteStateA()
stateB = ConcreteStateB()

context.set_state(stateA)
context.handle()

状态设计模式的简单示例

下面的代码实现电视遥控器的开关按钮：

from abc import abstractmethod, ABCMeta


class State(metaclass=ABCMeta):
    @abstractmethod
    def do_this(self):
        pass


class StartState(State):
    def do_this(self):
        print("TV on")


class StopState(State):
    def do_this(self):
        print("TV off")


class TVContext(State):
    def __init__(self):
        self.state = None

    def set_state(self, state):
        self.state = state

    def get_state(self):
        return self.state

    def do_this(self):
        self.state.do_this()


context = TVContext()
context.get_state()

start = StartState()
stop = StopState()

context.set_state(stop)
context.do_this()

状态设计模式简单示例2

例如一个计算机系统，它可以有多个状态；如开机、关机、挂起或休眠。现在想利用状态设计模式来表述这些状态；

首先从ComputerState接口开始：

1、state应定义两个属性，它们是name和allowed。属性name表示对象的状态，而属性allowed是定义允许进入状态的对象的列表

2、state必须定义一个switch()方法，由它来实际改变对象的状态

class ComputerState(object):
    name = 'state'
    allowed = []

    def switch(self, state):
        if state.name in self.allowed:
            print('Current:', self, '=>switched to new state', state.name)
        else:
            print('Current:', self, '=>switched to', state.name, 'not possible')

    def __str__(self):
        return self.name

下面实现State接口的ConcreteState，我们定义了四个状态

1、 On：这将打开计算机。这时候允许的状态是Off、Suspend和Hibernate。

2、Off：这将关闭计算机。这时候允许的状态只有On

3、Hibernate：该状态将计算机置于休眠模式。当计算机处于这种状态时，只能执行打开操作

4、Suspend：该状态将使计算机挂起，一旦计算机挂起，就可以执行打开操作

class Off(ComputerState):
    name = 'off'
    allowed = ['on']


class On(ComputerState):
    name = 'on'
    allowed = ['off', 'suspend', 'hibernate']


class Suspend(ComputerState):
    name = 'suspend'
    allowed = ['on']


class Hibernate(ComputerState):
    name = 'hibernate'
    allowed = ['on']

现在考虑context类，上下文需要做两个主要的事情：

1、__init__():该方法定义了计算机的基本状态。

2、change():该方法将更改对象的状态，但是行为的实际更改是由ConcreteState类实现的

class Computer(object):
    def __init__(self, model='HP'):
        self.model = model
        self.state = Off()
        
    def change(self, state):
        self.state.switch(state)

以下是客户端的代码：

if __name__ == "__main__":
    comp = Computer()
    comp.change(On)
    comp.change(Off)

    comp.change(On)
    comp.change(Suspend)
    comp.change(Hibernate)
    comp.change(On)
    comp.change(Off)

 

状态模式的优缺点

优点：

1、在状态设计模式中，对象的行为是其状态的函数结果，并且行为在运动时根据状态而改变。这消除了if/else或switch/case条件逻辑的依赖。

2、使用状态模式，实现多态行为的好处显而易见的，并且更易于添加状态来支持额外的行为

3、状态设计还提高了聚合性，因为特定于状态的行为被聚合到ConcreteState类中，并且放置在代码中的同一个地方

4、使用状态设计模式，通过只添加一个ConcreteState类来添加行为是非常容易的。因此，状态模式不仅改善了扩展应用程序行为时的灵活性，而且全面提高了代码的可维护性。

缺点：

1、类爆炸：由于每个状态都需要在ConcreteState的帮助下定义，因此我们可能导致创建了太多功能比较单一的类。我们不妨考虑有限状态机的情况——如果有许多状态，但是每个状态与另一个状态没有太大的不同，我们仍然需要将它们写成单独的ConcreteState类。这即增加了代码量，又使得状态机构更加难以审查。

2、随着每个新行为的引入，Context类都需要进行相应的更新处理每个行为。这使得上下文行为更容易受到每个新的行为的影响。