摘要:本文用一个实例场景描述Gof 23设计模式中的状态(State)模式,并用Quarkus框架代码给予实现,同时也给出实现代码的UML模型。
关键字:Gof 23 设计模式 状态模式 Quarkus
1 基础知识
1.1 标准定义
状态(State)模式标准定义: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。
1.2 分析和说明
状态(State)模式属于对象行为型模式。状态模式允许一个对象在其内部状态改变的时候改变行为。这个对象看上去象是改变了它的类一样。可理解为在不同的上下文中,相同的动作导致的结果不同。状态模式把所研究的对象的行为包装在不同的状态对象里,每一个状态对象都属于一个抽象状态类的一个子类。状态模式的意图是让一个对象在其内部状态改变的时候,其行为也随之改变。状态模式需要对每一个系统可能取得的状态创立一个状态类的子类。当系统的状态变化时,系统便改变所选的子类。
使用State模式可以将不同状态下的行为分隔开来,这样做的好处是很容易增加新的状态并实现状态转换而不影响已存在的状态和上下文环境。同时还避免了操作中庞大的条件分支语句,使代码更容易维护。
状态(State)模式结构如图1,其角色包括抽象状态(State)角色、具体状态(Concrete State)角色和环境(Context)角色。
图1 状态模式结构
抽象状态(State)角色:定义一个接口,用以封装环境(Context)对象的一个特定的状态所对应的行为。
具体状态(Concrete State)角色:每一个具体状态类都实现了环境(Context)的一个状态所对应的行为。
环境(Context)角色:定义客户端所感兴趣的接口,并且保留一个具体状态类的实例。这个具体状态类的实例给出此环境对象的现有状态。
2 应用场景举例
比如公司的项目有这么几个状态,项目立项、项目开发、项目试运行、项目验收、项目维护、项目结项等状态。当项目启动的时候,工作是要进行项目立项工作。当项目立项完成后,接下来的工作是项目开发。项目开发完成后,项目的工作变成了项目试运行。当项目试运行完成了,进入了项目验收。当项目验收后,进行项目维护,维护工作结束后,最后是项目结项。整个项目就全部完成了。所以,项目在不同的状态有不同的工作内容。通过设置项目的状态,我们可以知道应该对不同状态的项目采取什么样的工作了。其状态图如图2所示。
图2 状态模式状态图
在这里可以把State抽象类理解为抽象状态(State)角色。ProjectBuilderState类、ProjectDevelopmentState类、ProjectMaintenanceState类、ProjectRunState类和ProjectEndState类是具体状态(Concrete State)角色。Project类是环境(Context)角色。其结构类图如图3所示。ProjectBuilderState类、ProjectDevelopmentState类、ProjectMaintenanceState类、ProjectRunState类和ProjectEndState类继承State抽象类。Project类关联State抽象类,即State类是Project类的一个属性。
图3 状态模式类图
状态模式实现顺序图见图4,实现顺序描述:① 基于Project类创建一个projectA对象;②-⑥ 分别创建bullder对象、development对象、run对象、maintenance对象、end对象等状态对象。⑦ 调用projectA对象的setCurrentState方法,把bullder对象赋值给projectA;⑧ 调用projectA对象的doCurrentWork方法,显示当前projectA对象的工作内容;⑨-⑩ 与⑦-⑧方式相同,只不过是修改projectA对象的状态为development对象,并显示projectA对象在development状态下的工作内容;(11)-(12)与⑦-⑧方式相同,只不过是修改projectA对象的状态为run对象,并显示projectA对象在run状态下的工作内容;(13)-(14)与⑦-⑧方式相同,只不过是修改projectA对象的状态为maintenance对象,并显示projectA对象在maintenance状态下的工作内容;(15)-(16)与⑦-⑧方式相同,只不过是修改projectA对象的状态为end对象,并显示projectA对象在end状态下的工作内容。
图4 状态模式实现顺序图
Project对象的状态由各个属性的当前值构成。当我们调用某个对象的setxxx(),通常表示修改它的xxx属性。另外,Project对象在执行方法时,也可能修改自己的状态。对象的状态可能是决定其行为的关键因素,依赖于状态的代码逻辑可能遍布于类的大量方法。State模式的目标就是简化这类代码,把依赖于状态的逻辑集中到一组类,每一个类代表一种不同的状态,避免if语句嵌套过深或过于复杂,转而依赖于多态性来调用不同的方法。
Project定义客户感兴趣的接口,并维护一个State子类的实例,这个实例定义了当前的状态。State类定义一个接口以封装与Project的一个特定状态相关的行为。ProjectBuilderState、ProjectDevelopmentState、ProjectMaintenanceState、ProjectRunState和ProjectEndState实现与Project的一个状态相关的行为。Project将与状态相关的请求委托给当前的State对象处理。Project可将自身作为一个参数传递给处理该请求的状态对象。这使得状态对象在必要时可访问Project。Project是客户使用的主要接口。客户可用状态对象来配置一个Project,一旦一个Project配置完毕,它的客户不再需要直接与状态对象打交道。Project或State子类都可决定哪个状态是另外哪一个的后继者,以及是在何种条件下进行状态转换。
3.Quarkus的实现程序代码
Quarkus程序实现主要包括Project类文件,State抽象类文件,ProjectBuilderState类文件、ProjectDevelopmentState类文件、ProjectMaintenanceState类文件、ProjectRunState类文件和ProjectEndState类文件等7个文件。其关系如图3所示。下面分别列出这7个文件的程序代码,最后列出测试代码并显示输出结果。
Project类程序代码清单01所示。
程序代码清单01
@ApplicationScoped
public class Project {
private String projectName ;
private State currentState;
public Project() {
}
public Project(String projectName) {
super();
this.projectName = projectName;
}
public String getProjectName() {
return projectName;
}
public void setProjectName(String projectName) {
this.projectName = projectName;
}
public void setCurrentState(State state){
currentState = state;
}
public void doCurrentWork(){
currentState.doWork(this);
}
}
State抽象类程序代码清单02所示。
程序代码清单02
public abstract class State {
public void doWork(Project project){}
}
ProjectBuilderState类、ProjectDevelopmentState类、ProjectMaintenanceState类、ProjectRunState类和ProjectEndState类继承State抽象类,其程序代码清单03所示。
程序代码清单03
@ApplicationScoped
public class ProjectBuilderState extends State{
public void doWork(Project project){
System.out.println(project.getProjectName()+"正在进行立项工作");
}
}
@ApplicationScoped
public class ProjectDevelopmentState extends State {
public void doWork(Project project){
System.out.println(project.getProjectName()+"正在进行开发工作");
}
}
@ApplicationScoped
public class ProjectEndState extends State{
public void doWork(Project project){
System.out.println(project.getProjectName()+"正在进行结项工作");
}
}
@ApplicationScoped
public class ProjectMaintenanceState extends State{
public void doWork(Project project){
System.out.println(project.getProjectName()+"正在进行维护工作");
}
}
@ApplicationScoped
public class ProjectRunState extends State{
public void doWork(Project project){
System.out.println(project.getProjectName()+"正在进行试运行工作");
}
}
状态模式测试程序的代码清单04如下:
程序代码清单04
public class StateClient implements QuarkusApplication{
@ConfigProperty(name = "gof23.behavioralpattern.state.title", defaultValue = "gof23")
String title;
@Inject ProjectBuilderState bullder;
@Inject ProjectDevelopmentState development;
@Inject ProjectRunState run;
@Inject ProjectMaintenanceState maintenance;
@Inject ProjectEndState end;
@Inject Project projectA ;
@Override
public int run(String... args) {
System.out.println("—————" + title + "演示输出—————");
projectA.setProjectName("projectA");
System.out.println("——————设置项目为立项状态——————");
projectA.setCurrentState(bullder);
projectA.doCurrentWork();
System.out.println("——————设置项目为开发状态——————");
projectA.setCurrentState(development);
projectA.doCurrentWork();
System.out.println("——————设置项目为试运行状态——————");
projectA.setCurrentState(run);
projectA.doCurrentWork();
System.out.println("——————设置项目为维护状态——————");
projectA.setCurrentState(maintenance);
projectA.doCurrentWork();
System.out.println("——————设置项目为结项状态——————");
projectA.setCurrentState(end);
projectA.doCurrentWork();
return 0;
}
public static void main(String... args) {
Quarkus.run(StateClient.class, args);
}
}
状态模式测试类输出结果如下所示:
——————设置项目为立项状态——————
projectA正在进行立项工作
——————设置项目为开发状态——————
projectA正在进行开发工作
——————设置项目为试运行状态——————
projectA正在进行试运行工作
——————设置项目为维护状态——————
projectA正在进行维护工作
——————设置项目为结项状态——————
projectA正在进行结项工作
4. 相关Quarkus程序源码下载
可以直接从github上获取代码,读者可以从github上clone预先准备好的示例代码。
git clone https://github.com/rengang66/quarkus-sample-gof23.git
这是一个Maven项目,然后Maven导入工程。该程序位于“src\main\java\com\iiit\quarkus\sample\gof23\behavioralpattern\state”目录中。
同时也可以从gitee上clone预先准备好的示例代码,命令如下:
git clone https://gitee.com/rengang66/quarkus-sample-gof23.git
5 扩展和说明
状态实际上就是对象的多态性的表现。
State模式适用于下面两种情况:
(1)一个对象的行为取决于它的状态,并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。
(2)一个操作中含有庞大的多分支的条件语句。且这些分支依赖于该对象的状态。这个状态通常用一个或多个枚举常量表示。通常,有多个操作包含这一相同的条件结构。
State模式将每一个条件分支放入一个独立的类中。这使得你可以根据对象自身的情况将对象的状态作为一个对象,这一对象可以不依赖于其他对象而独立变化。
使用State模式可以将不同状态下的行为分隔开来,这样做的好处是很容易增加新的状态并实现状态转换而不影响已存在的状态和上下文环境。同时还避免了操作中庞大的条件分支语句,使代码更容易维护。
参考文献
[1] E.Gamma, R.Helm, R.Johnson, and Vlissides. Design Patterns Elements of Reusable Object Oriented Software. Addison-Wesley, 1995
[2] E.Gamma, R.Helm, R.Johnson, and Vlissides.著,李英军等译,设计模式:可复用面向对象软件的基础,北京:机械工业出版社.2000.9.
[3] 阎宏,Java与模式,北京:电子工业出版社. 2002.10
[4] 王俊峰 戚晓滨. 设计模式和UML. 计算机应用研究,1999.16(5), 27-29,39.
[5] 陈琴 朱正强. UML在设计模式描述中的应用. 计算机工程与设计,2003.24(4), 81-84.
[6] 唐露萍 陈洁. 设计模式在短波通信软件中的应用. 计算机工程,2008.34(D09), 148-150.
[9] 汪永好. 设计模式在工作流管理系统实现中的应用. 计算机工程与设计,2006.27(6), 1096-1097,1100.
[8] 何江玲 孙其博. 设计模式在软交换软件系统中的应用. 世界电信,2003.16(9), 42-44.
[8] 尚鲜连 陈静. 两种设计模式及其在公众监督系统中的应用. 计算机与现代化,2008.(7), 40-42.
[8] 蔡文貌 王自强 都思丹. 设计模式在机器人控制系统中的应用. 科学技术与工程,2008.8(1), 199-202.
[9] 俞良松. State设计模式在Java中的应用. 开放系统世界,2002.(11), 88-90.
[10] 卫昆 彭福祥. 基于模式的UI设计实战. 程序员,2005.(8), 101-104.
[11] 杨贵福 杨凡 牛利 冯云祥 许晓宇. State模式在化学仪器控制程序中的应用. 吉林大学学报:理学版,2006.44(5), 767-770.
[12] 吴平 廖建新 宋钊 武家春. State设计模式在基于安全用户平面A-GPS技术的定位平台中的应用. 电信工程技术与标准化,2006.19(5), 88-91.
[13] Quarkus官网. https://quarkus.io/