设计模式之状态模式（State Pattern）
一.什么是状态模式？
把所有动作都封装在状态对象中，状态持有者将行为委托给当前状态对象
也就是说，状态持有者（比如汽车，电视，ATM机都有多个状态）并不知道动作细节，状态持有者只关心自己当前所处的状态（持有的状态对象是哪个），再把一切事情都交给当前状态对象去打理就好了，甚至都不用去控制状态切换（当然，状态持有者有权利控制状态切换，也可以选择做甩手掌柜。。）
二.举个例子
假设我们要模拟一个ATM机，有以下需求：
- 取款，验证卡密，吐出现钞，结束服务
- 若卡密验证失败或者余额不足，则直接弹出卡片，结束本次服务
- 机器内无存钞，显示No Cash，并向银行发送无钞信息
- 机器故障，显示No Service，并向维修人员发送维修请求
那么用户取款的过程应该是这样的：
这是用户操作的流程，对于ATM机而言还需要注意下面几点：
- 获得用户输入金额后，不仅要验证用户卡内余额，还要验证ATM机内余额
- 每一次成功的取款服务结束后，都要检查ATM机内余额（若无钞则进行相应处理）
- 任何环节出现无法处理的错误，都按照故障来处理
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想想上面的取款过程，我们还必须考虑各种非法操作，比如：
- 不插卡直接输入密码
- 机器故障时仍然进行操作
- 机内无钞时要求取款
细分之后，我们会发现细节问题变得很麻烦，机器就摆在那里，所有的用户接口都开放着，用户完全有可能在任何时候使用任何接口
为了防止这些非法操作，我们不得不添加一系列的判断，比如：
- 验证密码之前应该检查是否已经插卡，以及机器是否发生了故障
- 插卡之前应该检查机器是否发生了故障
- 取款操作之前应该检查机器是否故障，是否无钞，是否。。。
我们的代码中需要设置大量的成员变量，用来标识机器的状态，更可怕的是我们的逻辑块里面存在大量的if-else，而且每一个操作里面的if-else块都只有细微的差别，看起来像冗余，但又不好处理（即使我们把每一个判断都提出来作为独立的方法，可以缩减代码规模，但在处理过程上仍然是冗余。。）
更好的处理方法就是使用状态模式，能够完全消除状态判断部分的冗余，并提供清晰整洁的代码结构
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下面用状态模式来实现例子中的需求
（1）首先找出ATM提供的所有接口
- 插卡
- 提交密码
- 取款（假设取款按钮是物理键）
- 查询（假设同上）
- 取卡
（2）再找出ATM的所有状态以及各个状态对应的动作
- 准备就绪（Ready），可用接口：全部
- 无钞（NoCash），可用接口：1，2，4，5
- 故障（NoService），可用接口：无
（3）编码实现
先定义State基类，类中封装了（1）列出的所有接口：
package StatePattern;
/**
* 定义ATM机状态
* @author ayqy
*/
public interface ATMState {
/**
* 插卡
*/
public abstract void insertCard();
/**
* 提交密码
*/
public abstract void submitPwd();
/**
* 取款
*/
public abstract void getCash();
/**
* 查询余额
*/
public abstract void queryBalance();
/**
* 取卡
*/
public abstract void ejectCard();
}
再逐一实现三个状态
ReadyState：
package StatePattern;
/**
* 实现ATM就绪状态
* @author ayqy
*/
public class ReadyState implements ATMState{
private ATM atm;//保留状态持有者的引用，以便对其进行操作
public ReadyState(ATM atm){
this.atm = atm;
}
@Override
public void insertCard() {
System.out.println("插卡完成");
}
@Override
public void submitPwd() {
System.out.println("密码提交完成");
//验证密码并做相应处理
if("123".equals(atm.getPwd())){
System.out.println("密码验证通过");
}
else{
System.out.println("密码验证失败");
//弹出卡片
ejectCard();
}
}
@Override
public void getCash() {
if(atm.getTotalAmount() >= atm.getAmount() && atm.getBalance() >= atm.getAmount()){
//更新账户余额
atm.setBalance(atm.getBalance() - atm.getAmount());
//更新机内现钞总数
atm.setTotalAmount(atm.getTotalAmount() - atm.getAmount());
System.out.println("吐出￥" + atm.getAmount());
System.out.println("取款完成");
//弹出卡片
ejectCard();
//检查机内余钞
if(atm.getTotalAmount() == 0){//若无钞，切换到NoService状态
atm.setCurrState(atm.getNoCashState());
System.out.println("无钞信息已经发送至银行");
}
}
else{
System.out.println("取款失败，余额不足");
//弹出卡片
ejectCard();
}
}
@Override
public void queryBalance() {
System.out.println("余额￥" + atm.getBalance());
System.out.println("余额查询完成");
}
@Override
public void ejectCard() {
System.out.println("取卡完成");
}
}
注意我们在状态类中进行状态切换的部分：
if(atm.getTotalAmount() == 0){//若无钞，切换到NoService状态
atm.setCurrState(atm.getNoCashState());
}
我们并不是直接new具体状态对象，而是使用了ATM提供的set接口，这样做是为了尽量的解耦（兄弟对象彼此之间并不认识），获取更多的弹性
实现NoCashState：
package StatePattern;
/**
* 实现ATM无钞状态
* @author ayqy
*/
public class NoCashState implements ATMState{
private ATM atm;//保留状态持有者的引用，以便对其进行操作
public NoCashState(ATM atm){
this.atm = atm;
}
@Override
public void insertCard() {
System.out.println("插卡完成");
}
@Override
public void submitPwd() {
System.out.println("密码提交完成");
//验证密码并做相应处理
if("123".equals(atm.getPwd())){
System.out.println("密码验证通过");
}
else{
System.out.println("密码验证失败");
//弹出卡片
ejectCard();
}
}
@Override
public void getCash() {
System.out.println("取款失败，机内无钞");
}
@Override
public void queryBalance() {
System.out.println("余额￥" + atm.getBalance());
System.out.println("余额查询完成");
}
@Override
public void ejectCard() {
System.out.println("取卡完成");
}
}
实现NoServiceState：
package StatePattern;
/**
* 实现ATM故障状态
* @author ayqy
*/
public class NoServiceState implements ATMState{
private ATM atm;//保留状态持有者的引用，以便对其进行操作
public NoServiceState(ATM atm){
this.atm = atm;
}
@Override
public void insertCard() {
System.out.println("插卡失败，机器发生了故障");
}
@Override
public void submitPwd() {
System.out.println("密码提交失败，机器发生了故障");
}
@Override
public void getCash() {
System.out.println("取款失败，机器发生了故障");
}
@Override
public void queryBalance() {
System.out.println("余额查询失败，机器发生了故障");
}
@Override
public void ejectCard() {
System.out.println("取卡失败，机器发生了故障");
}
}
实现了具体的状态，就可以构造ATM类了，就像这样：
package StatePattern;
/**
* 实现ATM机
* @author ayqy
*/
public class ATM {
/*所有状态*/
private ATMState readyState;
private ATMState noCashState;
private ATMState noServiceState;
private ATMState currState;//当前状态
private int totalAmount;//机内现钞总数
/*测试用的临时变量*/
private String pwd;//密码
private int balance;//余额
private int amount;//取款金额
public ATM(int totalAmount, int balance, int amount, String pwd) throws Exception{
//初始化所有状态
readyState = new ReadyState(this);
noCashState = new NoCashState(this);
noServiceState = new NoServiceState(this);
if(totalAmount > 0){
currState = readyState;
}
else if(totalAmount == 0){
currState = noCashState;
}
else{
throw new Exception();
}
//初始化测试数据
this.totalAmount = totalAmount;
this.balance = balance;
this.amount = amount;
this.pwd = pwd;
}
/*把具体行为委托给状态对象*/
/**
* 插卡
*/
public void insertCard(){
currState.insertCard();
}
/**
* 提交密码
*/
public void submitPwd(){
currState.submitPwd();
}
/**
* 取款
*/
public void getCash(){
currState.getCash();
}
/**
* 查询余额
*/
public void queryBalance(){
currState.queryBalance();
}
/**
* 取卡
*/
public void ejectCard(){
currState.ejectCard();
}
public String toString(){
return "现钞总数￥" + totalAmount;
}
/*此处略去大量getter and setter*/
}
一切都做好了，迫不及待的测试一下吧
三.运行示例
首先实现一个Test类：
package StatePattern;
import java.util.Scanner;
/**
* 实现测试类
* @author ayqy
*/
public class Test {
public static void main(String[] args) {
/*测试数据*/
/* 机内总数 账户余额 取款金额 密码
* 1000 500 200 123
* 1000 300 500 123
* 0 500 200 123
* */
try {
test(1000, 500, 200, "123");
System.out.println("-------");
test(1000, 300, 500, "123");
System.out.println("-------");
test(0, 500, 200, "123");
} catch (Exception e) {
System.out.println("机器故障，维修请求已经发送至维修方");
}
}
private static void test(int totalAmount, int balance, int amount, String pwd)throws Exception{
//创建ATM
ATM atm;
atm = new ATM(totalAmount, balance, amount, pwd);
//输出初始状态
System.out.println(atm.toString());
atm.insertCard();
atm.submitPwd();
atm.getCash();
//输出结束状态
System.out.println(atm.toString());
}
}
我们设计的三个用例（正常取款，取大于余额的款，机内无现钞）运行结果如下：
四.状态模式与策略模式
还记得策略模式吗？难道不觉得这两者很相像吗？
没错，这两种模式的类图是完全相同的，解释一下：
- 状态主体（拥有者）持有状态对象，运行时可以通过动态指定状态对象来改变类的行为
- 策略主体持有算法族对象，运行时可以通过动态选择算法族中的算法（策略）来改变类的行为
也就是说，状态模式与策略模式都支持运行时的多态，并且其实现方式都是组合 + 委托
但是这并不代表这两种模式是相同的，因为它们的目标不同：
- 状态模式实现了算法流程可变（即状态切换，不同的状态有不同的流程）
- 策略模式实现了算法细节可选（即选择算法族内的算法，一个算法族包含多个可选算法）