【Java设计模式】状态模式

? 在很多情况下，一个对象的行为取决于一个或多个动态变化的属性，这样的属性叫做状态，这样的对象叫做有状态的（ stateful）对象，这样的对象状态是从事先定义好的一系列值中取出的。当一个这样的对象与外部事件产生互动时，其内部状态就会改变，从而使得系统的行为也随之发生变化

在UML中可以使用状态图来描述对象状态的变化。

状态模式（ state Pattern）的定义如下：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类。其别名为状态对象（ Objects for States），状态模式是对象行为型模式

状态模式包含如下角色：

• Context：环境类，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。
• State：抽象状态类，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。
• Concretestate：具体状态类，实现抽象状态所对应的行为。

? 下面演示一下

以视频播放为例

创建中国大学慕课Mooc课程视频的抽象类

public abstract class CourseVideoState {
    protected CourseVideoContext courseVideoContext;

    public void setCourseVideoContext(CourseVideoContext courseVideoContext) {
        this.courseVideoContext = courseVideoContext;
    }

    public abstract void play();  //播放
    public abstract void speed();  //快进
    public abstract void pause();  //暂停
    public abstract void stop();  //停止
}

暂停状态

public class PauseState extends CourseVideoState {

    @Override
    public void play() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.PLAY_STATE);
    }

    @Override
    public void speed() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.SPEED_STATE);
    }

    @Override
    public void pause() {
        System.out.println("暂停播放课程视频状态");
    }

    @Override
    public void stop() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.STOP_STATE);
    }
}

播放状态

public class PlayState extends CourseVideoState {

    @Override
    public void play() {
        System.out.println("正常播放课程视频状态");
    }

    @Override
    public void speed() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.SPEED_STATE);
    }

    @Override
    public void pause() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.PAUSE_STATE);
    }

    @Override
    public void stop() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.STOP_STATE);
    }
}

快进状态

public class SpeedState extends CourseVideoState {
    @Override
    public void play() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.PLAY_STATE);
    }

    @Override
    public void speed() {
        System.out.println("快进播放课程视频状态");
    }

    @Override
    public void pause() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.PAUSE_STATE);
    }

    @Override
    public void stop() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.STOP_STATE);
    }
}

停止状态

public class StopState extends CourseVideoState {
    @Override
    public void play() {
        super.courseVideoContext.setCourseVideoState(CourseVideoContext.PLAY_STATE);
    }

    @Override
    public void speed() {
        System.out.println("ERROR 停止状态不能快进!!");
    }

    @Override
    public void pause() {
        System.out.println("ERROR 停止状态不能暂停!!");
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("停止播放课程视频状态");
    }
}

声明视频的上下文

public class CourseVideoContext {

    private CourseVideoState courseVideoState;
    public final static PlayState PLAY_STATE = new PlayState();
    public final static StopState STOP_STATE = new StopState();
    public final static PauseState PAUSE_STATE = new PauseState();
    public final static SpeedState SPEED_STATE = new SpeedState();

    public CourseVideoState getCourseVideoState() {
        return courseVideoState;
    }

    public void setCourseVideoState(CourseVideoState courseVideoState) {
        this.courseVideoState = courseVideoState;
        this.courseVideoState.setCourseVideoContext(this);
    }
    public void play(){
        this.courseVideoState.play();
    }

    public void speed(){
        this.courseVideoState.speed();
    }

    public void stop(){
        this.courseVideoState.stop();
    }

    public void pause(){
        this.courseVideoState.pause();
    }
}

我们看一下类图

关注细节

中央的是四种状态 声明视频的上下文负责处理这些状态

测试

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        CourseVideoContext courseVideoContext = new CourseVideoContext();
        courseVideoContext.setCourseVideoState(new PlayState());

        System.out.println("当前状态:"+courseVideoContext.getCourseVideoState().getClass().getSimpleName());
        courseVideoContext.pause();

        System.out.println("当前状态:"+courseVideoContext.getCourseVideoState().getClass().getSimpleName());

        courseVideoContext.speed();

        System.out.println("当前状态:"+courseVideoContext.getCourseVideoState().getClass().getSimpleName());

        courseVideoContext.stop();

        System.out.println("当前状态:"+courseVideoContext.getCourseVideoState().getClass().getSimpleName());

        courseVideoContext.speed();
    }
}

结果：

Test相当于应用层了 再看一下类图

条理是非常清晰的 一定要关注视频上下文的类 和 各个状态类之间的联系 和编程思想

? 模式分析
状态模式描述了对象状态的变化以及对象如何在每一种状态下表现出不同的行为。

状态模式的关键是引入了一个抽象类来专门表示对象的状态，这个类我们叫做抽象状态类，而对象的每种具体状态类都继承了该类，并在不同具体状态类中实现了不同状态的行为，包括各种状态之间的转换。

在状态模式结构中需要理解环境类与抽象状态类的作用：

• 环境类实际上就是拥有状态的对象，环境类有时候可以充当状态管理器（ State Manager）的角色，可以在环境类中对状态进行切换操作。
• 抽象状态类可以是抽象类，也可以是接口，不同状态类就是继承这个父类的不同子类，状态类的产生是由于环境类存在多个状态，同时还满足两个条件这些状态经常需要切换，在不同的状态下对象的行为不同。因此可以将不同对象下的行为单独提取出来封装在具体的状态类中，使得环境类对象在其内部状态改变时可以改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类，而实际上是由于切换到不同的具体状态类实现的。由于环境类可以设置为任一具体状态类，因此它针对抽象状态类进行编程，在程序运行时可以将任一具体状态类的对象设置到环境类中，从而使得环境类可以改变内部状态，并且改变行为

? 模式优缺点

状态模式的优点

• 封装了转换规则。
• 枚举可能的状态，在枚举状态之前需要确定状态种类。
• 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，并且可以方便地增加新的状态，只需要改变对象状态即可改变对象的行为。
• 允许状态转换逻辑与状态对象合成一体，而不是某一个巨大的条件语句块。
• 可以让多个环境对象共享一个状态对象，从而减少系统中对象的个数

状态模式的缺点

• 状态模式的使用必然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，如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱。
• 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代码，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修改对应类的源代码。

? 在以下情况下可以使用状态模式：

• 对象的行为依赖于它的状态（属性）并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为。
• 代码中包含大量与对象状态有关的条件语句，这些条件语句的出现，会导致代码的可维护性和灵活性变差，不能方便地增加和删除状态，使客户类与类库之间的耦合增强。在这些条件语句中包含了对象的行为，而且这些条件对应于对象的各种状态。

? 模式应用
（1）状态模式在工作流或游戏等类型的软件中得以广泛使用，甚至可以用于这些系统的核心功能设计，如在政府OA办公系统中，一个批文的状态有多种：尚未办理；正在办理；正在批示；正在审核；已经完成等各种状态，而且批文状态不同时对批文的操作也有所差异。使用状态模式可以描述工作流对象（如批文）的状态转换以及不同状态下它所具有的行为。

（2）在目前主流的RPG（ Role Play Game，角色扮演游戏）中，使用状态模式可以对游戏角色进行控制，游戏角色的升级伴随着其状态的变化和行为的变化。对于游戏程序本身也可以通过状态模式进行总控，一个游戏活动包括开始、运行、结束等状态，通过对状态的控制可以控制系统的行为，决定游戏的各个方面，因此可以使用状态模式对整个游戏的架构进行设计与实现。

（3）共享状态：在有些情况下多个环境对象需要共享同一个状态，如果希望在系统中实现多个环境对象实例共享一个或多个状态对象，那么需要将这些状态对象定义为环境的静态成员对象。

? 模式扩展

简单状态模式与可切换状态的状态模式

（1）简单状态模式：简单状态模式是指状态都相互独立，状态之间无须进行转换的状态模式，这是最简单的一种状态模式。对于这种状态模式，每个状态类都封装与状态相关的操作，而无须关心状态的切换，可以在客户端直接实例化状态类，然后将状态对象设置到环境类中。如果是这种简单的状态模式，它遵循“开闭原则”，在客户端可以针对抽象状态类进行编程，而将具体状态类写到配置文件中，同时增加新的状态类对原有系统也不造成任何影响。

（2）可切换状态的状态模式：大多数的状态模式都是可以切换状态的状态模式，在实现状态切换时，在具体状态类内部需要调用环境类 Context的 setstate（）方法进行状态的转换操作，在具体状态类中可以调用到环境类的方法，因此状态类与环境类之间通常还存在关联关系或者依赖关系。通过在状态类中引用环境类的对象来回调环境类的 setstate（方法实现状态的切换。在这种可以切换状态的状态模式中，增加新的状态类可能需要修改其他某些状态类甚至环境类的源代码，否则系统无法切换到新增状态。