软件设计模式系列之二十二——状态模式

1 模式的定义

状态模式是一种行为型设计模式，它允许对象在内部状态发生改变时改变其行为，使得对象的行为看起来像是改变了其类。状态模式将对象的状态抽象成一个独立的类，让对象在不同状态下具有不同的行为，而且可以在运行时切换状态。这种方式使得状态的管理更加清晰，避免了大量的条件判断语句，提高了代码的可维护性和可扩展性。

2 举例说明

在日常生活中，有许多符合状态模式并为大家所熟知的例子。以下是几个常见的例子：

交通信号灯。
交通信号灯是一个典型的状态模式的例子。它有三种状态：红灯、绿灯和黄灯。每种状态都对应着不同的行为，如红灯停、绿灯行、黄灯准备停等。信号灯在不同状态之间切换，根据交通需求控制交通流量。

游戏角色状态。
在电子游戏中，游戏角色通常有多种状态，如站立、行走、奔跑、攻击等。玩家通过控制输入来改变游戏角色的状态，从而实现不同的行为。

自动售货机。
自动售货机也是一个状态模式的例子。它通常有多个状态，如空闲、接受货币、选择商品、出货等。售货机会根据用户的操作和投入的货币来改变状态，最终完成购买过程。

这些例子都展示了状态模式在日常生活中的广泛应用。它们通过将对象的状态抽象成不同的类，并根据当前状态执行相应的行为，实现了状态和行为的解耦，提高了系统的灵活性和可维护性。

3 结构

状态模式的主要结构包括以下几个角色：

Context（上下文）：维护一个对具体状态对象的引用，负责将客户端的请求委派给当前状态对象处理。

State（状态抽象类或接口）：定义一个接口或抽象类，用于封装与Context相关的一个或多个行为。

ConcreteState（具体状态类）：实现State接口或继承State抽象类，具体实现状态相关的行为。

Client（客户端）：使用Context来与状态对象进行交互，不直接与具体状态类交互。

4 实现步骤

实现状态模式的关键步骤如下：

定义状态抽象类或接口（State），声明状态相关的方法。

创建具体状态类，实现状态抽象类或接口中的方法，每个具体状态类代表一个状态。

创建上下文类（Context），维护一个对当前状态对象的引用，并将请求委派给当前状态对象处理。

在客户端中创建上下文对象，通过上下文对象来与状态对象交互。

5 代码实现（Java）

下面是一个简单的状态模式的Java示例，实现一个电梯控制系统：

// 步骤1: 定义状态抽象类
interface State {
    void open();
    void close();
    void run();
    void stop();
}

// 步骤2: 创建具体状态类
class OpenState implements State {
    // 实现状态相关的方法
    // ...
}

class CloseState implements State {
    // 实现状态相关的方法
    // ...
}

class RunState implements State {
    // 实现状态相关的方法
    // ...
}

class StopState implements State {
    // 实现状态相关的方法
    // ...
}

// 步骤3: 创建上下文类
class Context {
    private State currentState;

    public void setState(State state) {
        this.currentState = state;
    }

    public void request() {
        currentState.handle();
    }
}

// 步骤4: 在客户端中使用状态模式
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();
        context.setState(new CloseState());

        // 在不同状态下请求
        context.request();
    }
}

6 典型应用场景

状态模式适用于以下情况：

对象的行为随着其内部状态的改变而改变：如果一个对象有多个状态，且在不同状态下需要不同的行为，状态模式是一个合适的选择。它允许对象在运行时根据其状态切换行为，而无需大量的条件判断语句。

条件语句过多且难以维护：当一个对象有多个状态，并且在不同状态下需要执行不同的操作时，通常会导致大量的条件语句。状态模式能够将这些条件逻辑封装在不同的状态类中，使得代码更加清晰、可维护，并降低错误的风险。

状态转换需要动态性：如果状态之间的转换规则需要在运行时动态改变，状态模式可以灵活应对这种需求。状态模式使得状态切换变得容易，可以根据特定条件自动切换状态。

对象的状态会频繁变化：如果对象的状态会频繁发生改变，使用状态模式可以简化状态管理，并且使得状态变化对系统的影响更加可控。

需要避免使用大量条件判断语句：状态模式能够避免大量的条件判断语句，提高代码的可读性和可维护性。这对于复杂的状态管理场景特别有用。

对象的行为和状态无法简单映射为枚举类型：有时对象的状态和行为并不容易用简单的枚举类型表示，而是需要更多的灵活性和复杂性。状态模式可以提供这种灵活性。

希望通过组合而不是继承来扩展对象的行为：状态模式是一种对象组合的方式，可以通过组合不同的状态类来扩展对象的行为，而不是通过继承来实现。

总之，状态模式在处理对象的状态和行为之间的复杂关系，以及需要将状态转换逻辑封装、分离和可维护时，是一个非常有用的设计模式。它能够提高代码的可扩展性、可读性和可维护性，尤其在需要处理多个状态和状态之间复杂转换规则的情况下表现出色。

7 优缺点

优点：

将状态相关的行为封装到不同的状态类中，提高了代码的可维护性和可读性。
可以轻松添加新的状态类，扩展系统的行为。
避免了大量的条件判断语句，使得代码更加简洁。

缺点：

如果状态转换逻辑过于复杂，可能会导致类的数量增加，增加维护难度。
不适用于所有情况，只有当对象的行为与其状态密切相关时才适用。

8 类似模式

策略模式（Strategy Pattern）：

策略模式和状态模式都允许对象在运行时改变其行为，但它们的目的不同。状态模式关注对象在不同状态下的行为变化，而策略模式关注在相同状态下不同算法的选择。在策略模式中，算法可以随时替换，而在状态模式中，状态会影响对象的行为。电梯控制系统可以使用状态模式来管理电梯状态（停止、上升、下降），而支付系统可以使用策略模式来选择不同的支付策略（信用卡支付、支付宝支付）。

责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）：

责任链模式和状态模式都可以通过对象之间的协作来处理请求，但它们的目的和结构不同。责任链模式用于处理多个处理器对象，每个处理器可以选择处理请求、传递给下一个处理器或者中断链条。状态模式用于对象状态的管理，每个状态对象负责处理对象在特定状态下的请求。请假申请审批系统可以使用责任链模式，不同级别的审批者可以构成责任链，每个审批者可以选择批准、拒绝或者将请求传递给下一个审批者。在状态模式中，审批状态可以是一种状态。

虽然这些模式有相似之处，但它们在解决不同问题和场景中具有不同的应用。选择合适的模式取决于问题的性质和需求。

9 小结

状态模式是一种强大的设计模式，用于管理对象的状态和行为，使得系统更加灵活和可扩展。通过将状态抽象成独立的类，状态模式消除了大量的条件判断，使得代码更加清晰易懂。在实际应用中，状态模式可以帮助我们构建更加可维护和可扩展的系统，提高代码质量和可读性。无论是电梯控制系统还是订单状态管理，状态模式都可以发挥其优势，让软件设计更加优雅和灵活。希望本文能够帮助读者深入理解状态模式，并在实际项目中灵活运用。