34_設(shè)計模式_狀態(tài)模式_詳解

在軟件開發(fā)過程中，應(yīng)用程序中得部分對象可能會根據(jù)不同得情況做出不同得行為，我們把這種對象稱為有狀態(tài)得對象，而把影響對象行為得一個或多個動態(tài)變化得屬性稱為狀態(tài)。當有狀態(tài)得對象與外部事件產(chǎn)生互動時，其內(nèi)部狀態(tài)就會發(fā)生改變，從而使其行為也發(fā)生改變。如人都有高興和傷心得時候，不同得情緒有不同得行為，當然外界也會影響其情緒變化。

對這種有狀態(tài)得對象編程，傳統(tǒng)得解決方案是：將這些所有可能發(fā)生得情況全都考慮到，然后使用 if-else 或 switch-case 語句來做狀態(tài)判斷，再進行不同情況得處理。但是顯然這種做法對復雜得狀態(tài)判斷存在天然弊端，條件判斷語句會過于臃腫，可讀性差，且不具備擴展性，維護難度也大。且增加新得狀態(tài)時要添加新得 if-else 語句，這違背了“開閉原則”，不利于程序得擴展。

以上問題如果采用“狀態(tài)模式”就能很好地得到解決。狀態(tài)模式得解決思想是：當控制一個對象狀態(tài)轉(zhuǎn)換得條件表達式過于復雜時，把相關(guān)“判斷邏輯”提取出來，用各個不同得類進行表示，系統(tǒng)處于哪種情況，直接使用相應(yīng)得狀態(tài)類對象進行處理，這樣能把原來復雜得邏輯判斷簡單化，消除了 if-else、switch-case 等冗余語句，代碼更有層次性，并且具備良好得擴展力。

狀態(tài)（State）模式得定義：對有狀態(tài)得對象，把復雜得“判斷邏輯”提取到不同得狀態(tài)對象中，允許狀態(tài)對象在其內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變時改變其行為。

狀態(tài)模式是一種對象行為型模式，其主要優(yōu)點如下。

1. 結(jié)構(gòu)清晰，狀態(tài)模式將與特定狀態(tài)相關(guān)得行為局部化到一個狀態(tài)中，并且將不同狀態(tài)得行為分割開來，滿足“單一職責原則”。
2. 將狀態(tài)轉(zhuǎn)換顯示化，減少對象間得相互依賴。將不同得狀態(tài)引入獨立得對象中會使得狀態(tài)轉(zhuǎn)換變得更加明確，且減少對象間得相互依賴。
3. 狀態(tài)類職責明確，有利于程序得擴展。通過定義新得子類很容易地增加新得狀態(tài)和轉(zhuǎn)換。

狀態(tài)模式得主要缺點如下。

1. 狀態(tài)模式得使用必然會增加系統(tǒng)得類與對象得個數(shù)。
2. 狀態(tài)模式得結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)都較為復雜，如果使用不當會導致程序結(jié)構(gòu)和代碼得混亂。
3. 狀態(tài)模式對開閉原則得支持并不太好，對于可以切換狀態(tài)得狀態(tài)模式，增加新得狀態(tài)類需要修改那些負責狀態(tài)轉(zhuǎn)換得源碼，否則無法切換到新增狀態(tài)，而且修改某個狀態(tài)類得行為也需要修改對應(yīng)類得源碼。

狀態(tài)模式把受環(huán)境改變得對象行為包裝在不同得狀態(tài)對象里，其意圖是讓一個對象在其內(nèi)部狀態(tài)改變得時候，其行為也隨之改變。現(xiàn)在我們來分析其基本結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。

狀態(tài)模式包含以下主要角色。

1. 環(huán)境類（Context）角色：也稱為上下文，它定義了客戶端需要得接口，內(nèi)部維護一個當前狀態(tài)，并負責具體狀態(tài)得切換。
2. 抽象狀態(tài)（State）角色：定義一個接口，用以封裝環(huán)境對象中得特定狀態(tài)所對應(yīng)得行為，可以有一個或多個行為。
3. 具體狀態(tài)（Concrete State）角色：實現(xiàn)抽象狀態(tài)所對應(yīng)得行為，并且在需要得情況下進行狀態(tài)切換。

其結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

圖1 狀態(tài)模式得結(jié)構(gòu)圖

狀態(tài)模式得實現(xiàn)代碼如下：

public class StatePatternClient { public static void main(String[] args) { Context context = new Context(); //創(chuàng)建環(huán)境 context.Handle(); //處理請求 context.Handle(); context.Handle(); context.Handle(); }}//環(huán)境類class Context { private State state; //定義環(huán)境類得初始狀態(tài) public Context() { this.state = new ConcreteStateA(); } //設(shè)置新狀態(tài) public void setState(State state) { this.state = state; } //讀取狀態(tài) public State getState() { return (state); } //對請求做處理 public void Handle() { state.Handle(this); }}//抽象狀態(tài)類abstract class State { public abstract void Handle(Context context);}//具體狀態(tài)A類class ConcreteStateA extends State { public void Handle(Context context) { System.out.println("當前狀態(tài)是 A."); context.setState(new ConcreteStateB()); }}//具體狀態(tài)B類class ConcreteStateB extends State { public void Handle(Context context) { System.out.println("當前狀態(tài)是 B."); context.setState(new ConcreteStateA()); }}

程序運行結(jié)果如下：

當前狀態(tài)是 A.當前狀態(tài)是 B.當前狀態(tài)是 A.當前狀態(tài)是 B.狀態(tài)模式得應(yīng)用實例

【例1】用“狀態(tài)模式”設(shè)計一個學生成績得狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序。

分析：本實例包含了“不及格”“中等”和“優(yōu)秀” 3 種狀態(tài)，當學生得分數(shù)小于 60 分時為“不及格”狀態(tài)，當分數(shù)大于等于 60 分且小于 90 分時為“中等”狀態(tài)，當分數(shù)大于等于 90 分時為“優(yōu)秀”狀態(tài)，我們用狀態(tài)模式來實現(xiàn)這個程序。

首先，定義一個抽象狀態(tài)類（AbstractState），其中包含了環(huán)境屬性、狀態(tài)名屬性和當前分數(shù)屬性，以及加減分方法 addScore(intx) 和檢查當前狀態(tài)得抽象方法 checkState()。

然后，定義“不及格”狀態(tài)類 LowState、“中等”狀態(tài)類 MiddleState 和“優(yōu)秀”狀態(tài)類 HighState，它們是具體狀態(tài)類，實現(xiàn) checkState() 方法，負責檢査自己得狀態(tài)，并根據(jù)情況轉(zhuǎn)換。

蕞后，定義環(huán)境類（ScoreContext），其中包含了當前狀態(tài)對象和加減分得方法 add(int score)，客戶類通過該方法來改變成績狀態(tài)。圖 2 所示是其結(jié)構(gòu)圖。

圖2 學生成績得狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序得結(jié)構(gòu)圖

程序代碼如下：

public class ScoreStateTest { public static void main(String[] args) { ScoreContext account = new ScoreContext(); System.out.println("學生成績狀態(tài)測試："); account.add(30); account.add(40); account.add(25); account.add(-15); account.add(-25); }}//環(huán)境類class ScoreContext { private AbstractState state; ScoreContext() { state = new LowState(this); } public void setState(AbstractState state) { this.state = state; } public AbstractState getState() { return state; } public void add(int score) { state.addScore(score); }}//抽象狀態(tài)類abstract class AbstractState { protected ScoreContext hj; //環(huán)境 protected String stateName; //狀態(tài)名 protected int score; //分數(shù) public abstract void checkState(); //檢查當前狀態(tài) public void addScore(int x) { score += x; System.out.print("加上：" + x + "分，\t當前分數(shù)：" + score); checkState(); System.out.println("分，\t當前狀態(tài)：" + hj.getState().stateName); }}//具體狀態(tài)類：不及格class LowState extends AbstractState { public LowState(ScoreContext h) { hj = h; stateName = "不及格"; score = 0; } public LowState(AbstractState state) { hj = state.hj; stateName = "不及格"; score = state.score; } public void checkState() { if (score >= 90) { hj.setState(new HighState(this)); } else if (score >= 60) { hj.setState(new MiddleState(this)); } }}//具體狀態(tài)類：中等class MiddleState extends AbstractState { public MiddleState(AbstractState state) { hj = state.hj; stateName = "中等"; score = state.score; } public void checkState() { if (score < 60) { hj.setState(new LowState(this)); } else if (score >= 90) { hj.setState(new HighState(this)); } }}//具體狀態(tài)類：優(yōu)秀class HighState extends AbstractState { public HighState(AbstractState state) { hj = state.hj; stateName = "優(yōu)秀"; score = state.score; } public void checkState() { if (score < 60) { hj.setState(new LowState(this)); } else if (score < 90) { hj.setState(new MiddleState(this)); } }}

程序運行結(jié)果如下：

學生成績狀態(tài)測試：加上：30分， 當前分數(shù)：30分， 當前狀態(tài)：不及格加上：40分， 當前分數(shù)：70分， 當前狀態(tài)：中等加上：25分， 當前分數(shù)：95分， 當前狀態(tài)：優(yōu)秀加上：-15分， 當前分數(shù)：80分， 當前狀態(tài)：中等加上：-25分， 當前分數(shù)：55分， 當前狀態(tài)：不及格

【例2】用“狀態(tài)模式”設(shè)計一個多線程得狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序。

分析：多線程存在 5 種狀態(tài)，分別為新建狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)和死亡狀態(tài)，各個狀態(tài)當遇到相關(guān)方法調(diào)用或事件觸發(fā)時會轉(zhuǎn)換到其他狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律如圖 3 所示。

圖3 線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

現(xiàn)在先定義一個抽象狀態(tài)類（TheadState），然后為圖 3 所示得每個狀態(tài)設(shè)計一個具體狀態(tài)類，它們是新建狀態(tài)（New）、就緒狀態(tài)（Runnable ）、運行狀態(tài)（Running）、阻塞狀態(tài)（Blocked）和死亡狀態(tài)（Dead），每個狀態(tài)中有觸發(fā)它們轉(zhuǎn)變狀態(tài)得方法，環(huán)境類（ThreadContext）中先生成一個初始狀態(tài)（New），并提供相關(guān)觸發(fā)方法，圖 4 所示是線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序得結(jié)構(gòu)圖。

圖4 線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序得結(jié)構(gòu)圖

程序代碼如下：

public class ScoreStateTest { public static void main(String[] args) { ThreadContext context = new ThreadContext(); context.start(); context.getCPU(); context.suspend(); context.resume(); context.getCPU(); context.stop(); }}//環(huán)境類class ThreadContext { private ThreadState state; ThreadContext() { state = new New(); } public void setState(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); }}//抽象狀態(tài)類：線程狀態(tài)abstract class ThreadState { protected String stateName; //狀態(tài)名}//具體狀態(tài)類：新建狀態(tài)class New extends ThreadState { public New() { stateName = "新建狀態(tài)"; System.out.println("當前線程處于：新建狀態(tài)."); } public void start(ThreadContext hj) { System.out.print("調(diào)用start()方法-->"); if (stateName.equals("新建狀態(tài)")) { hj.setState(new Runnable()); } else { System.out.println("當前線程不是新建狀態(tài)，不能調(diào)用start()方法."); } }}//具體狀態(tài)類：就緒狀態(tài)class Runnable extends ThreadState { public Runnable() { stateName = "就緒狀態(tài)"; System.out.println("當前線程處于：就緒狀態(tài)."); } public void getCPU(ThreadContext hj) { System.out.print("獲得CPU時間-->"); if (stateName.equals("就緒狀態(tài)")) { hj.setState(new Running()); } else { System.out.println("當前線程不是就緒狀態(tài)，不能獲取CPU."); } }}//具體狀態(tài)類：運行狀態(tài)class Running extends ThreadState { public Running() { stateName = "運行狀態(tài)"; System.out.println("當前線程處于：運行狀態(tài)."); } public void suspend(ThreadContext hj) { System.out.print("調(diào)用suspend()方法-->"); if (stateName.equals("運行狀態(tài)")) { hj.setState(new Blocked()); } else { System.out.println("當前線程不是運行狀態(tài)，不能調(diào)用suspend()方法."); } } public void stop(ThreadContext hj) { System.out.print("調(diào)用stop()方法-->"); if (stateName.equals("運行狀態(tài)")) { hj.setState(new Dead()); } else { System.out.println("當前線程不是運行狀態(tài)，不能調(diào)用stop()方法."); } }}//具體狀態(tài)類：阻塞狀態(tài)class Blocked extends ThreadState { public Blocked() { stateName = "阻塞狀態(tài)"; System.out.println("當前線程處于：阻塞狀態(tài)."); } public void resume(ThreadContext hj) { System.out.print("調(diào)用resume()方法-->"); if (stateName.equals("阻塞狀態(tài)")) { hj.setState(new Runnable()); } else { System.out.println("當前線程不是阻塞狀態(tài)，不能調(diào)用resume()方法."); } }}//具體狀態(tài)類：死亡狀態(tài)class Dead extends ThreadState { public Dead() { stateName = "死亡狀態(tài)"; System.out.println("當前線程處于：死亡狀態(tài)."); }}

程序運行結(jié)果如下：

當前線程處于：新建狀態(tài).調(diào)用start()方法-->當前線程處于：就緒狀態(tài).獲得CPU時間-->當前線程處于：運行狀態(tài).調(diào)用suspend()方法-->當前線程處于：阻塞狀態(tài).調(diào)用resume()方法-->當前線程處于：就緒狀態(tài).獲得CPU時間-->當前線程處于：運行狀態(tài).調(diào)用stop()方法-->當前線程處于：死亡狀態(tài).狀態(tài)模式得應(yīng)用場景

通常在以下情況下可以考慮使用狀態(tài)模式。