设计模式笔记14：状态模式(State Pattern)
一、状态模式的内容
状态模式允许对象在内部改变时改变它的行为，对象看起来好像修改了它的类。
其别名为状态对象(Objects for States)，状态模式是一种对象行为型模式。
我们在做某一些操作的时候，遇到不同状态的时候就会有不同的处理方式。为了判别这些状态，我们必然会使用大量的if else语句来做状态判断处理。而随着if else(或switch case)语句的增多，程序的可读性，扩展性也会变得很弱。维护也会很麻烦，你可能看到过有的代码中 一个函数就有n多if语句，代码甚至超过了上千行。
举一个例子：我们给一部手机打电话，就可能出现这几种情况：用户开机，用户关机，用户欠费停机，用户消户等。 所以当我们拨打这个号码的时候：系统就要判断，该用户是否在开机且不忙状态，又或者是关机，欠费等状态。但不管是那种状态我们都应给出对应的处理操作。
举一个例子：我们给一部手机打电话，就可能出现这几种情况：用户开机，用户关机，用户欠费停机，用户消户等。 所以当我们拨打这个号码的时候：系统就要判断，该用户是否在开机且不忙状态，又或者是关机，欠费等状态。但不管是那种状态我们都应给出对应的处理操作。
二、状态模式要点
1． 策略模式和状态模式是双胞胎，它们有相同的类图，但是它们的意图不同。策略模式是围绕可以互换的算法来成功创建业务的,然而状态模式是通过改变对象内部的状态来帮助对象控制自己的行为.
2． Context将与状态相关的操作委托给当前的Concrete State对象处理。
3． Context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Context。
4． Context或Concrete State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。也就是说可以在State中保存对Concrete State的引用，在必要时设置具体的状态，做到状态的转换。
5． 一般来讲，当状态转换是固定的时候，状态转换就适合放在Context中。然而，当转换是更动态的时候，通常会放到具体的状态类中进行。（具体状态类持有Context的引用，实现状态的转换）
6． 在很多情况下，一个对象的行为取决于一个或多个动态变化的属性，这样的属性叫做状态，这样的对象叫做有状态的 (stateful)对象，这样的对象状态是从事先定义好的一系列值中取出的。当一个这样的对象与外部事件产生互动时，其内部状态就会改变，从而使得系统的行为也随之发生变化。
7． 在UML中可以使用状态图来描述对象状态的变化
三、状态模式结构
状态模式包含如下角色：
Context: 环境类
State: 抽象状态类
ConcreteState: 具体状态类
四、模式分析
- 状态模式描述了对象状态的变化以及对象如何在每一种状态下表现出不同的行为。
- 状态模式的关键是引入了一个抽象类来专门表示对象的状态，这个类我们叫做抽象状态类，而对象的每一种具体状态类都继承了该类，并在不同具体状态类中实现了不同状态的行为，包括各种状态之间的转换。
在状态模式结构中需要理解环境类与抽象状态类的作用：
- 环境类实际上就是拥有状态的对象，环境类有时候可以充当状态管理器(State Manager)的角色，可以在环境类中对状态进行切换操作。
- 抽象状态类可以是抽象类，也可以是接口，不同状态类就是继承这个父类的不同子类，状态类的产生是由于环境类存在多个状态，同时还满足两个条件：这些状态经常需要切换，在不同的状态下对象的行为不同。因此可以将不同对象下的行为单独提取出来封装在具体的状态类中，使得环境类对象在其内部状态改变时可以改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类，而实际上是由于切换到不同的具体状态类实现的。由于环境类可以设置为任一具体状态类，因此它针对抽象状态类进行编程，在程序运行时可以将任一具体状态类的对象设置到环境类中，从而使得环境类可以改变内部状态，并且改变行为。
五、状态模式示例代码
State: 抽象状态类
public interface State {
public void insertQuarter();
public void ejectQuarter();
public void turnCrank();
public void dispense();
}
ConcreteState: 具体状态类
public class SoldOutState implements State {
GumballMachine gumballMachine;
public SoldOutState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("You can't insert a quarter, the machine is sold out");
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("You can't eject, you haven't inserted a quarter yet");
}
public void turnCrank() {
System.out.println("You turned, but there are no gumballs");
}
public void dispense() {
System.out.println("No gumball dispensed");
}
public String toString() {
return "sold out";
}
}
public class SoldState implements State {
GumballMachine gumballMachine;
public SoldState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("Please wait, we're already giving you a gumball");
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("Sorry, you already turned the crank");
}
public void turnCrank() {
System.out.println("Turning twice doesn't get you another gumball!");
}
public void dispense() {
gumballMachine.releaseBall();
if (gumballMachine.getCount() > 0) {
gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState());
} else {
System.out.println("Oops, out of gumballs!");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldOutState());
}
}
public String toString() {
return "dispensing a gumball";
}
}
public class WinnerState implements State {
GumballMachine gumballMachine;
public WinnerState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("Please wait, we're already giving you a Gumball");
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("Please wait, we're already giving you a Gumball");
}
public void turnCrank() {
System.out.println("Turning again doesn't get you another gumball!");
}
public void dispense() {
System.out.println("YOU'RE A WINNER! You get two gumballs for your quarter");
gumballMachine.releaseBall();
if (gumballMachine.getCount() == 0) {
gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldOutState());
} else {
gumballMachine.releaseBall();
if (gumballMachine.getCount() > 0) {
gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState());
} else {
System.out.println("Oops, out of gumballs!");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldOutState());
}
}
}
public String toString() {
return "despensing two gumballs for your quarter, because YOU'RE A WINNER!";
}
}
public class HasQuarterState implements State {
Random randomWinner = new Random(System.currentTimeMillis());
GumballMachine gumballMachine;
public HasQuarterState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("You can't insert another quarter");
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("Quarter returned");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState());
}
public void turnCrank() {
System.out.println("You turned...");
int winner = randomWinner.nextInt(10);
if ((winner == 0) && (gumballMachine.getCount() > 1)) {
gumballMachine.setState(gumballMachine.getWinnerState());
} else {
gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldState());
}
}
public void dispense() {
System.out.println("No gumball dispensed");
}
public String toString() {
return "waiting for turn of crank";
}
}
public class NoQuarterState implements State {
GumballMachine gumballMachine;
public NoQuarterState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("You inserted a quarter");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getHasQuarterState());
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("You haven't inserted a quarter");
}
public void turnCrank() {
System.out.println("You turned, but there's no quarter");
}
public void dispense() {
System.out.println("You need to pay first");
}
public String toString() {
return "waiting for quarter";
}
}
Context: 环境类
public class GumballMachine {
State soldOutState;
State noQuarterState;
State hasQuarterState;
State soldState;
State winnerState;
State state = soldOutState;
int count = 0;
public GumballMachine(int numberGumballs) {
soldOutState = new SoldOutState(this);
noQuarterState = new NoQuarterState(this);
hasQuarterState = new HasQuarterState(this);
soldState = new SoldState(this);
winnerState = new WinnerState(this);
this.count = numberGumballs;
if (numberGumballs > 0) {
state = noQuarterState;
}
}
public void insertQuarter() {
state.insertQuarter();
}
public void ejectQuarter() {
state.ejectQuarter();
}
public void turnCrank() {
state.turnCrank();
state.dispense();
}
void setState(State state) {
this.state = state;
}
void releaseBall() {
System.out.println("A gumball comes rolling out the slot...");
if (count != 0) {
count = count - 1;
}
}
int getCount() {
return count;
}
void refill(int count) {
this.count = count;
state = noQuarterState;
}
public State getState() {
return state;
}
public State getSoldOutState() {
return soldOutState;
}
public State getNoQuarterState() {
return noQuarterState;
}
public State getHasQuarterState() {
return hasQuarterState;
}
public State getSoldState() {
return soldState;
}
public State getWinnerState() {
return winnerState;
}
public String toString() {
StringBuffer result = new StringBuffer();
result.append("\nMighty Gumball, Inc.");
result.append("\nJava-enabled Standing Gumball Model #2004");
result.append("\nInventory: " + count + " gumball");
if (count != 1) {
result.append("s");
}
result.append("\n");
result.append("Machine is " + state + "\n");
return result.toString();
}
}
测试
public class GumballMachineTestDrive {
public static void main(String[] args) {
GumballMachine gumballMachine =
new GumballMachine(10);
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
}
}
代码二
class Switch
{
private static State state,onState,offState;
private String name;
public Switch(String name)
{
this.name=name;
onState=new OnState();
offState=new OffState();
state=onState;
}
public void setState(State state)
{
this.state=state;
}
public void on()
{
System.out.print(name);
state.on(this);
}
public void off()
{
System.out.print(name);
state.off(this);
}
public static State getState(String type)
{
if(type.equalsIgnoreCase("on"))
{
return onState;
}
else
{
return offState;
}
}
}
abstract class State
{
public abstract void on(Switch s);
public abstract void off(Switch s);
}
class OnState extends State
{
public void on(Switch s)
{
System.out.println("已经打开！");
}
public void off(Switch s)
{
System.out.println("关闭！");
s.setState(Switch.getState("off"));
}
}
class OffState extends State
{
public void on(Switch s)
{
System.out.println("打开！");
s.setState(Switch.getState("on"));
}
public void off(Switch s)
{
System.out.println("已经关闭！");
}
}
class Client
{
public static void main(String args[])
{
Switch s1,s2;
s1=new Switch("开关1");
s2=new Switch("开关2");
s1.on();
s2.on();
s1.off();
s2.off();
s2.on();
s1.on();
}
}
六、状态模式扩展
共享状态
在有些情况下多个环境对象需要共享同一个状态，如果希望在系统中实现多个环境对象实例共享一个或多个状态对象，那么需要将这些状态对象定义为环境的静态成员对象。
在有些情况下多个环境对象需要共享同一个状态，如果希望在系统中实现多个环境对象实例共享一个或多个状态对象，那么需要将这些状态对象定义为环境的静态成员对象。
简单状态模式与可切换状态的状态模式
(1) 简单状态模式：简单状态模式是指状态都相互独立，状态之间无须进行转换的状态模式，这是最简单的一种状态模式。对于这种状态模式，每个状态类都封装与状态相关的操作，而无须关心状态的切换，可以在客户端直接实例化状态类，然后将状态对象设置到环境类中。如果是这种简单的状态模式，它遵循“开闭原则”，在客户端可以针对抽象状态类进行编程，而将具体状态类写到配置文件中，同时增加新的状态类对原有系统也不造成任何影响。
(1) 简单状态模式：简单状态模式是指状态都相互独立，状态之间无须进行转换的状态模式，这是最简单的一种状态模式。对于这种状态模式，每个状态类都封装与状态相关的操作，而无须关心状态的切换，可以在客户端直接实例化状态类，然后将状态对象设置到环境类中。如果是这种简单的状态模式，它遵循“开闭原则”，在客户端可以针对抽象状态类进行编程，而将具体状态类写到配置文件中，同时增加新的状态类对原有系统也不造成任何影响。
(2) 可切换状态的状态模式：大多数的状态模式都是可以切换状态的状态模式，在实现状态切换时，在具体状态类内部需要调用环境类Context的setState()方法进行状态的转换操作，在具体状态类中可以调用到环境类的方法，因此状态类与环境类之间通常还存在关联关系或者依赖关系。通过在状态类中引用环境类的对象来回调环境类的setState()方法实现状态的切换。在这种可以切换状态的状态模式中，增加新的状态类可能需要修改其他某些状态类甚至环境类的源代码，否则系统无法切换到新增状态。
七、状态模式优缺点
状态模式的优点- 封装了转换规则。
- 枚举可能的状态，在枚举状态之前需要确定状态种类。
- 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，并且可以方便地增加新的状态，只需要改变对象状态即可改变对象的行为。
- 允许状态转换逻辑与状态对象合成一体，而不是某一个巨大的条件语句块。
- 可以让多个环境对象共享一个状态对象，从而减少系统中对象的个数。
状态模式的缺点
- 状态模式的使用必然会增加系统类和对象的个数。
- 状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱。
- 状态模式对“开闭原则”的支持并不太好，对于可以切换状态的状态模式，增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源代码，否则无法切换到新增状态；而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。
八、状态模式适用环境
在以下情况下可以使用状态模式：- 对象的行为依赖于它的状态（属性）并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为。
- 代码中包含大量与对象状态有关的条件语句，这些条件语句的出现，会导致代码的可维护性和灵活性变差，不能方便地增加和删除状态，使客户类与类库之间的耦合增强。在这些条件语句中包含了对象的行为，而且这些条件对应于对象的各种状态。
九、状态模式应用
(1) 状态模式在工作流或游戏等类型的软件中得以广泛使用，甚至可以用于这些系统的核心功能设计，如在政府OA办公系统中，一个批文的状态有多种：尚未办理；正在办理；正在批示；正在审核；已经完成等各种状态，而且批文状态不同时对批文的操作也有所差异。使用状态模式可以描述工作流对象（如批文）的状态转换以及不同状态下它所具有的行为。(2) 在目前主流的RPG（Role Play Game，角色扮演游戏）中，使用状态模式可以对游戏角色进行控制，游戏角色的升级伴随着其状态的变化和行为的变化。对于游戏程序本身也可以通过状态模式进行总控，一个游戏活动包括开始、运行、结束等状态，通过对状态的控制可以控制系统的行为，决定游戏的各个方面，因此可以使用状态模式对整个游戏的架构进行设计与实现。
State (recognizeable by behavioral methods which changes its behaviour depending on the instance's state which can be controlled externally)
-
javax.faces.lifecycle.LifeCycle#execute()(controlled byFacesServlet, the behaviour is dependent on current phase (state) of JSF lifecycle)
十、参考资料
- 《设计模式》刘伟主编清华大学出版社
- 《Head First 设计模式》
- http://stackoverflow.com/questions/1673841/examples-of-gof-design-patterns