设计模式之状态模式

在软件开发过程中，应用程序中的有些对象可能会根据不同的情况做出不同的行为，我们把这种对象称为有状态的对象，而把影响对象行为的一个或多个动态变化的属性称为状态。当有状态的对象与外部事件产生互动时，其内部状态会发生改变，从而使得其行为也随之发生改变。如人的情绪有高兴的时候和伤心的时候，不同的情绪有不同的行为，当然外界也会影响其情绪变化。

对这种有状态的对象编程，传统的解决方案是：将这些所有可能发生的情况全都考虑到，然后使用 if-else 语句来做状态判断，再进行不同情况的处理。但当对象的状态很多时，程序会变得很复杂。而且增加新的状态要添加新的 if-else 语句，这违背了“开闭原则”，不利于程序的扩展。

以上问题如果采用“状态模式”就能很好地得到解决。状态模式的解决思想是：当控制一个对象状态转换的条件表达式过于复杂时，把相关“判断逻辑”提取出来，放到一系列的状态类当中，这样可以把原来复杂的逻辑判断简单化。

概念

状态（State）模式的定义：对有状态的对象，把复杂的“判断逻辑”提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。

结构类图

状态模式的结构类图

状态模式包含以下主要角色。
1、环境（Context）角色：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。
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。
3、具体状态（Concrete State）角色：实现抽象状态所对应的行为。

优点

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”。
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。
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

状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数。
状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当会导致程序结构和代码的混乱。

案例

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，其状态转换规律如图 所示。

线程状态转换图

现在先定义一个抽象状态类（TheadState），然后为图 3 所示的每个状态设计一个具体状态类，它们是新建状态（New）、就绪状态（Runnable ）、运行状态（Running）、阻塞状态（Blocked）和死亡状态（Dead），每个状态中有触发它们转变状态的方法，环境类（ThreadContext）中先生成一个初始状态（New），并提供相关触发方法，图 4 所示是线程状态转换程序的结构图。

线程状态转换程序的结构图

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace StateMode
{
    class Program
    {
        //抽象状态类：线程状态
        class ThreadState
        {
            protected string stateName;
        }
        //具体状态类：新建状态        
        class New : ThreadState
        {
            public New()
            {
                stateName = "新建状态";
                Console.WriteLine("当前线程处于:新建状态");
            }
            public void start(ThreadContext hj)
            {
                Console.WriteLine("调用start()方法-->");
                if (stateName.Equals("新建状态"))
                {
                    hj.SetStare(new Runnable());
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine("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 : ThreadState
        {
            public Runnable()
            {
                stateName = "就绪状态";
                Console.WriteLine("当前线程处于：就绪状态.");
            }
            public void getCPU(ThreadContext hj)
            {
                Console.WriteLine("获得CPU时间-->");
                if (stateName.Equals("就绪状态"))
                {
                    hj.SetStare(new Running());
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine("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 : ThreadState
        {
            public Running()
            {
                stateName = "运行状态";
                Console.WriteLine("当前线程处于：运行状态.");
            }
            public void suspend(ThreadContext hj)
            {
                Console.WriteLine("调用suspend()方法-->");
                if (stateName.Equals("运行状态"))
                {
                    hj.SetStare(new Blocked());
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine("当前线程不是运行状态，不能调用suspend()方法.");
                }
            }
            public void stop(ThreadContext hj)
            {
                Console.WriteLine("调用stop()方法-->");
                if (stateName.Equals("运行状态"))
                {
                    hj.SetStare(new Dead());
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine("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 : ThreadState
        {
            public Blocked()
            {
                stateName = "阻塞状态";
                Console.WriteLine("当前线程处于：阻塞状态.");
            }
            public void resume(ThreadContext hj)
            {
                Console.WriteLine("调用resume()方法-->");
                if (stateName.Equals("阻塞状态"))
                {
                    hj.SetStare(new Runnable());
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine("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 : ThreadState
        {
            public Dead()
            {
                stateName = "死亡状态";
                Console.WriteLine("当前线程处于：死亡状态.");
            }
        }

        class ThreadContext
        {
            private ThreadState state;

            public ThreadContext()
            {
                state = new New();
            }
            public void SetStare(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);
            }
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadContext context = new ThreadContext();
            context.start();
            context.getCPU();
            context.suspend();
            context.resume();
            context.getCPU();
            context.stop();
            Console.ReadLine();
        }
    }
}

结果

image.png

状态模式的应用场景

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。

状态模式的扩展

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