【Java 设计模式】行为型之状态模式

状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，用于通过将对象的行为封装到不同的状态类中，使得对象在不同的状态下具有不同的行为。状态模式允许对象在内部状态发生改变时改变其行为，而无需修改其代码。在本文中，我们将深入研究Java中状态模式的定义、结构、使用场景以及如何在实际开发中应用。

1. 定义

状态模式是一种行为型设计模式，用于通过将对象的行为封装到不同的状态类中，使得对象在不同的状态下具有不同的行为。状态模式允许对象在内部状态发生改变时改变其行为，而无需修改其代码。状态模式通常包含三个主要角色：上下文（Context）、抽象状态（Abstract State）和具体状态（Concrete State）。

• 上下文（Context）： 定义了一个接口，用于维护一个当前状态的引用，并提供一个用于切换状态的方法
• 抽象状态（Abstract State）： 定义了一个接口，用于封装与上下文相关的一个或多个行为
• 具体状态（Concrete State）： 实现了抽象状态的接口，负责处理与状态相关的行为

2. 应用场景

状态模式通常在以下场景中使用：

• 一个对象的行为取决于其内部状态，并且需要在运行时根据内部状态改变其行为：

  当一个对象的行为取决于其内部状态，并且需要在运行时根据内部状态改变其行为时，可以使用状态模式

• 一个对象具有多个状态，并且状态之间存在转换关系：

  当一个对象具有多个状态，并且这些状态之间存在转换关系时，可以使用状态模式

• 避免使用过多的条件语句来控制对象的行为：

  当需要避免使用过多的条件语句来控制对象的行为时，可以使用状态模式，将每个状态封装到一个类中，使得代码更加清晰和可维护

3. 代码实现

下面通过一个简单的例子来演示状态模式的实现。假设有一个电梯系统，电梯有开门、关门、上行、下行和停止等状态，我们可以使用状态模式来管理电梯的不同状态。

上下文 - 电梯 ElevatorContext

package com.cheney.demo;

class ElevatorContext {
    private ElevatorState currentState;

    public ElevatorContext() {
        this.currentState = new StoppedState();
    }

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

    public void openDoor() {
        currentState.openDoor(this);
    }

    public void closeDoor() {
        currentState.closeDoor(this);
    }

    public void moveUp() {
        currentState.moveUp(this);
    }

    public void moveDown() {
        currentState.moveDown(this);
    }
}

抽象状态 - 电梯状态 ElevatorState

package com.cheney.demo;

interface ElevatorState {
    void openDoor(ElevatorContext context);

    void closeDoor(ElevatorContext context);

    void moveUp(ElevatorContext context);

    void moveDown(ElevatorContext context);
}

具体状态 - 停止状态 StoppedState

package com.cheney.demo;

class StoppedState implements ElevatorState {
    @Override
    public void openDoor(ElevatorContext context) {
        System.out.println("开门");
        context.setState(new OpenedState());
    }

    @Override
    public void closeDoor(ElevatorContext context) {
        System.out.println("门已经关上了");
    }

    @Override
    public void moveUp(ElevatorContext context) {
        System.out.println("向上移动");
        context.setState(new MovingUpState());
    }

    @Override
    public void moveDown(ElevatorContext context) {
        System.out.println("向下移动");
        context.setState(new MovingDownState());
    }
}

具体状态 - 开门状态 OpenedState

package com.cheney.demo;

class OpenedState implements ElevatorState {
    @Override
    public void openDoor(ElevatorContext context) {
        System.out.println("门已经打开了");
    }

    @Override
    public void closeDoor(ElevatorContext context) {
        System.out.println("关上门");
        context.setState(new StoppedState());
    }

    @Override
    public void moveUp(ElevatorContext context) {
        System.out.println("门打开时无法向上移动");
    }

    @Override
    public void moveDown(ElevatorContext context) {
        System.out.println("门打开时无法向下移动");
    }
}

具体状态 - 上行状态 MovingUpState

package com.cheney.demo;

class MovingUpState implements ElevatorState {
    @Override
    public void openDoor(ElevatorContext context) {
        System.out.println("向上移动时无法打开门");
    }

    @Override
    public void closeDoor(ElevatorContext context) {
        System.out.println("关上门");
        context.setState(new StoppedState());
    }

    @Override
    public void moveUp(ElevatorContext context) {
        System.out.println("继续向上移动");
    }

    @Override
    public void moveDown(ElevatorContext context) {
        System.out.println("改变方向向下移动");
        context.setState(new MovingDownState());
    }
}

具体状态 - 下行状态 MovingDownState

package com.cheney.demo;

class MovingDownState implements ElevatorState {
    @Override
    public void openDoor(ElevatorContext context) {
        System.out.println("向下移动时无法打开门");
    }

    @Override
    public void closeDoor(ElevatorContext context) {
        System.out.println("关上门");
        context.setState(new StoppedState());
    }

    @Override
    public void moveUp(ElevatorContext context) {
        System.out.println("改变方向向上移动");
        context.setState(new MovingUpState());
    }

    @Override
    public void moveDown(ElevatorContext context) {
        System.out.println("继续向下移动。");
    }
}

客户端启动类 Main

package com.cheney.demo;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用状态模式管理电梯状态
        ElevatorContext elevator = new ElevatorContext();

        // 打开门
        elevator.openDoor();
        // 关上门
        elevator.closeDoor();
        // 向上移动
        elevator.moveUp();
        // 改变方向向下移动
        elevator.moveDown();
        // 向下移动时无法打开门
        elevator.openDoor();
    }
}

在上述例子中，ElevatorContext 是上下文类，维护了当前状态的引用，并提供了用于切换状态的方法。ElevatorState 是抽象状态接口，定义了与电梯状态相关的行为。StoppedState、OpenedState、MovingUpState 和 MovingDownState 是具体状态类，分别实现了抽象状态接口，负责处理不同状态下的行为。

在客户端中，我们使用状态模式管理电梯的状态。通过将电梯的不同状态封装到不同的状态类中，实现了电梯状态的切换，而无需修改 ElevatorContext 的代码。

结语

状态模式是一种用于通过将对象的行为封装到不同的状态类中，使得对象在不同的状态下具有不同的行为的设计模式。通过使用状态模式，可以使代码更加清晰、可维护，并降低对象之间的耦合度。在实际开发中，状态模式常被用于处理对象的状态转换、状态机等场景。通过合理使用状态模式，可以提高系统的可扩展性和灵活性。