Java 设计模式——状态模式

1.概述

【例】通过按钮来控制一个电梯的状态，电梯有开门状态，关门状态，停止状态，运行状态。每一种状态改变，都有可能要根据其他状态来更新处理。例如，如果电梯门现在处于运行时状态，就不能进行开门操作，而如果电梯门是停止状态，就可以执行开门操作。其类图如下：

具体实现代码如下：

ILift.java

public interface ILift {

    //定义四个电梯状态的常量
    int OPENING_STATE = 1;
    int CLOSING_STATE = 2;
    int RUNNING_STATE = 3;
    int STOPPING_STATE = 4;

    //设置电梯状态的功能
    void setState(int state);

    //电梯操作功能
    void open();
    void close();
    void run();
    void stop();
}

Lift.java

//电梯类(ILift 接口的实现类)
public class Lift implements ILift {

    //声明一个记录当前电梯的状态
    private int state;

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

    public void open() {
        switch (state) { //当前电梯状态
            case OPENING_STATE :
                //什么事都不做
                break;
            case CLOSING_STATE :
                System.out.println("电梯打开了...");
                //设置当前电梯状态为开启状态
                setState(OPENING_STATE);
                break;
            case STOPPING_STATE :
                System.out.println("电梯打开了...");
                //设置当前电梯状态为开启状态
                setState(OPENING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE :
                //什么事都不做
                break;
        }
    }

    public void close() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE:
                System.out.println("电梯关门了...");	//只有开门状态可以关闭电梯门，可以对应电梯状态表来看
                this.setState(CLOSING_STATE);		//关门之后电梯就是关闭状态了
                break;
            case CLOSING_STATE:
                //do nothing 	//已经是关门状态，不能关门
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing 	//运行时电梯门是关着的，不能关门
                break;
            case STOPPING_STATE:
                //do nothing 	//停止时电梯也是关着的，不能关门
                break;
        }
    }

    public void run() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE:	//电梯不能开着门就走
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE:	//门关了，可以运行了
                System.out.println("电梯开始运行了。。。");
                this.setState(RUNNING_STATE);//现在是运行状态
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing 已经是运行状态了
                break;
            case STOPPING_STATE:
                System.out.println("电梯开始运行了。。。");
                this.setState(RUNNING_STATE);
                break;
        }
    }

    public void stop() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: 	//开门的电梯已经是是停止的了(正常情况下)
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE:		//关门时才可以停止
                System.out.println("电梯停止了。。。");
                this.setState(STOPPING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE:		//运行时当然可以停止了
                System.out.println("电梯停止了。。。");
                this.setState(STOPPING_STATE);
                break;
            case STOPPING_STATE:
                //do nothing
                break;
        }
    }
}

Client.java

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建电梯对象
        Lift lift = new Lift();

        //设置当前电梯的状态
        lift.setState(ILift.OPENING_STATE);

        //打开
        lift.open();
        lift.close();
        lift.run();
        lift.stop();
    }
}

问题分析：

• 使用了大量的 switch…case 这样的判断（换成 if…else 也是一样)，使程序的可读性变差。
• 扩展性很差，如果新加了断电的状态，则需要修改上面的判断逻辑。

（2）状态模式 (State Pattern) 是一种行为型设计模式，它允许在一个对象内部状态改变时改变它的行为。状态模式将状态封装成独立的类，并将动作委托给代表当前状态的对象，以此实现状态转换时的行为变化。使用状态模式，我们可以将状态转换规则封装在不同状态类中，让上下文对象从复杂的状态转换逻辑中解耦出来，同时利用多态特性让状态转换具有扩展性和灵活性。

2.结构

状态模式包含以下主要角色：

• 上下文 (Context) 角色：是一个包含状态的对象，它在运行时根据不同的状态改变其行为。上下文对象持有一个对当前状态的引用，并将具体的操作委托给当前状态对象处理。
• 抽象状态 (Abstract State) 角色：定义了一个公共的接口，用于封装不同状态的行为。可以是一个抽象类或接口，并声明了在不同状态下可能发生的方法。
• 具体状态 (Concrete State) 角色：实现了抽象状态接口，并定义了在对应状态下具体的行为。每个具体状态类都封装了一种特定状态的行为。

3.案例实现

对上述电梯的案例使用状态模式进行改进。类图如下：

具体实现代码如下：

3.1.抽象状态类

LiftState.java()

//抽象状态类
public abstract class LiftState {

    //声明环境角色类变量
    protected Context context;

    public void setContext(Context context) {
        this.context = context;
    }

    //电梯开启操作
    public abstract void open();

    //电梯关闭操作
    public abstract void close();

    //电梯运行操作
    public abstract void run();

    //电梯停止操作
    public abstract void stop();
}

3.2.具体状态类

OpeningState.java

//电梯开启状态类
public class OpeningState extends LiftState {
    //当前状态要执行的方法
    public void open() {
        System.out.println("电梯开启。。。");
    }

    public void close() {
        //修改状态
        super.context.setLiftState(Context.CLOSING_STATE);
        //调用当前状态中的context中的close方法
        super.context.close();
    }

    public void run() {
        //什么都不做
    }

    public void stop() {
        //什么都不做
    }
}

ClosingState.java

//电梯关闭状态类
public class ClosingState extends LiftState {
    @Override
    //电梯门关闭，这是关闭状态要实现的动作
    public void close() {
        System.out.println("电梯门关闭...");
    }

    //电梯门关了再打开，逗你玩呢，那这个允许呀
    @Override
    public void open() {
        super.context.setLiftState(Context.OPENING_STATE);
        super.context.open();
    }

    //电梯门关了就跑，这是再正常不过了
    @Override
    public void run() {
        super.context.setLiftState(Context.RUNNING_STATE);
        super.context.run();
    }

    //电梯门关着，我就不按楼层
    @Override
    public void stop() {
        super.context.setLiftState(Context.STOPPING_STATE);
        super.context.stop();
    }
}

RunningState.java

//电梯运行状态类
public class RunningState extends LiftState {
    //运行的时候开电梯门？你疯了！电梯不会给你开的
    @Override
    public void open() {
        //do nothing
    }

    //电梯门关闭？这是肯定了
    @Override
    public void close() {//虽然可以关门，但这个动作不归我执行
        //do nothing
    }

    //这是在运行状态下要实现的方法
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("电梯正在运行...");
    }

    //这个事绝对是合理的，光运行不停止还有谁敢做这个电梯？！估计只有上帝了
    @Override
    public void stop() {
        super.context.setLiftState(Context.STOPPING_STATE);
        super.context.stop();
    }
}

StoppingState.java

//电梯停止状态类
public class StoppingState extends LiftState {
    //停止状态，开门，那是要的！
    @Override
    public void open() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.OPENING_STATE);
        //动作委托为CloseState来执行，也就是委托给了 ClosingState 子类执行这个动作
        super.context.getLiftState().open();
    }

    @Override
    public void close() {//虽然可以关门，但这个动作不归我执行
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.CLOSING_STATE);
        //动作委托为 CloseState 来执行，也就是委托给了 ClosingState 子类执行这个动作
        super.context.getLiftState().close();
    }

    //停止状态再跑起来，正常的很
    @Override
    public void run() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.RUNNING_STATE);
        //动作委托为 CloseState 来执行，也就是委托给了 ClosingState 子类执行这个动作
        super.context.getLiftState().run();
    }

    //停止状态是怎么发生的呢？当然是停止方法执行了
    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("电梯停止了...");
    }
}

3.3.上下文类

Context.java

//环境角色类
public class Context {

    //定义对应状态对象的常量
    public final static OpeningState OPENING_STATE = new OpeningState();
    public final static ClosingState CLOSING_STATE = new ClosingState();
    public final static RunningState RUNNING_STATE = new RunningState();
    public final static StoppingState STOPPING_STATE = new StoppingState();

    //定义一个当前电梯状态变量
    private LiftState liftState;

    public LiftState getLiftState() {
        return liftState;
    }

    //设置当前状态对象
    public void setLiftState(LiftState liftState) {
        this.liftState = liftState;
        //设置当前状态对象中的 Context 对象
        this.liftState.setContext(this);
    }

    public void open() {
        this.liftState.open();
    }

    public void close() {
        this.liftState.close();
    }

    public void run() {
        this.liftState.run();
    }

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

3.4.测试

Client.java

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建环境角色对象
        Context context = new Context();
        //设置当前电梯装填
        context.setLiftState(new ClosingState());

        context.open();
        context.run();
        context.close();
        context.stop();
    }
}

4.优缺点

• 优点：
  • 将状态封装成独立的类，使得状态转换的逻辑更加清晰，避免了大量的条件判断语句。
  • 将状态和状态切换的行为分离，使得状态转换的代码可扩展和可维护。增加新的状态类或修改现有的状态类时，对上下文对象和其他状态类都没有影响。
  • 增强了代码的可读性和可维护性。每个状态都有自己的类，使得代码具备了良好的结构化，并且易于理解和修改。
  • 通过引入多态性，可以方便地增加新的状态类，而不需要修改现有的代码。
• 缺点：
  • 如果状态类很多，可能会导致类的数量庞大，增加了代码的复杂性。
  • 状态类的创建和销毁需要维护和管理，可能会增加系统的开销。
  • 当状态转换的逻辑较为简单时，使用状态模式可能会显得过于繁琐。

5.使用场景

（1）状态模式适用于以下情况：

• 当一个对象的行为取决于其内部状态，并且在不同状态下需要有不同的行为时，可以使用状态模式。例如，订单状态的改变会导致不同的操作和行为，可以使用状态模式来管理订单的状态转换。
• 当有大量的条件语句用于根据不同状态执行不同操作时，可以使用状态模式来简化代码并提高可维护性。
• 当一个对象的行为需要根据多个条件进行判断，并且这些条件随着时间的推移可能会发生变化时，可以使用状态模式。通过将每个条件封装为一个状态类，可以方便地添加、修改或删除状态，而不会对其他部分产生影响。
• 当需要在运行时动态改变对象的行为时，可以使用状态模式。通过改变对象的状态，可以改变其行为，而不需要修改对象的代码。

（2）总之，状态模式适用于需要根据对象的内部状态来改变其行为，并且希望将状态转换逻辑封装在独立的状态类中的情况。它提供了一种清晰、灵活和可扩展的方式来管理对象的状态和行为。