Java 设计模式之状态模式

柔情只为你懂 2022-06-01 13:11 200阅读 0赞

#### 一、了解状态模式 ####

**1.1 什么是状态模式**

状态模式允许对象在内部状态改变时改变它的行为，对象看起来好像修改了它自己的类。

状态模式将状态封装为独立的类，并将动作委托到代表当前状态的对象。

**1.2 状态模式组成结构**

*   上下文 (Context)：用户对象，拥有（聚合）一个 State 类型的成员，以标识对象的当前状态。
 *   抽象状态 (State)：接口或基类，封装与 Context 的特定状态相关的行为。
 *   具体状态 (ConcreteState)：接口实现类或子类，实现了一个与 Context 某个状态相关的行为。

**1.3 状态模式 UML 图解**  
![这里写图片描述][SouthEast]

**1.4 状态模式与策略模式**

如果对策略模式也了解的话，你会发现状态模式的类图与策略模式的类图几乎是一样的。它们之间有什么关系吗？  
PS：策略模式具体博文[http://blog.csdn.net/codejas/article/details/79077186][http_blog.csdn.net_codejas_article_details_79077186]

虽然状态模式与策略模式的类图是一样的，但是它们两个的“意图”是明显不一样的。

对于状态模式而言，我们将一群行为封装在状态对象中，context 的行为随时可委托到那些状态对象中的一个。随着时间的流逝，当前状态在状态对象集合中游走改变，以反映出 context 内部的状态，因此，context 的行为也会随着改变。但是 context 的客户对于状态对象的了解程度不多，甚至根本是浑然不知。

而对于策略模式而言，客户通常主动指定 context 所需要的策略对象是哪一个。策略模式虽然可以让我们的代码更有弹性，但是对于某个 context 对象来说，通常都只有一个最适当的策略对象。

**1.5 状态模式应用场景**

*   一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。
 *   一个操作中含有庞大的多分支结构，并且这些分支决定于对象的状态。

#### 二、状态模式具体应用 ####

**2.1 问题描述**

糖果机：一种新型糖果机的实现控制流程如图所示，现在需要我们用 Java 语言来实现它。  
![这里写图片描述][SouthEast 1]

**2.2 问题分析**

从上面这个图中我们可以找出所有的状态：没有一块钱、有一块钱、售出糖果盒糖果告罄。也就是上图中的圆圈部分。为了提高程序的扩展性和维护性，我们采用状态模式来设计代码。将四个状态映射为对应的四个类。

我们需要做的事情如下：

1.   首先定义一个 State 接口。在这个接口内，糖果机的每个动作都有一个对应的方法。
2.   然后为机器中的每个状态实现状态类。这些类将负责在对应的状态下为糖果机工作。
3.   将动作委托到状态类。

**2.3 状态模式设计类图**  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

**2.4 代码实现**

上下文糖果机 CandyMachine 类

package com.jas.state;
    
    /** * 糖果机类 * @author Jas * @create 2018-01-31 10:35 **/
    public class CandyMachine { 
        State noCoinState;
        State hasCoinState;
        State soldState;
        State soldOutState;
    
        State state = soldOutState;
        /** 刚开始糖果机中是没有糖果的，所以 count 为 0 */
        int count  = 0;    
    
        /** * 通过构造函数实例化所有状态对象 * @param numberCandys 初始化糖果机中的糖果数量 */
        public CandyMachine(int numberCandys){
            noCoinState = new NoCoinState(this);
            hasCoinState = new HasCoinState(this);
            soldState = new SoldState(this);
            soldOutState = new SoldOutState(this);
            this.count = numberCandys;
    
            //如果超过 0 颗糖果，就把状态设为 noCoinState
            if(numberCandys > 0){
                state = noCoinState;
            }
        }
    
        public void insertCoin(){
            state.insertCoin();
        }
    
        public void ejectCoin(){
            state.ejectCoin();
        }
    
        public void turnCrank(){
            state.turnCrank();
            state.dispense();
        }
    
        /** * 该方法用于释放糖果，并将 count 的数量减一 */
        void releaseBall(){
            System.out.println("糖果机释放一个糖果 ...");
            if (count != 0){
                count --;
            }
        }
    
        public State getNoCoinState() {
            return noCoinState;
        }
    
        public State getHasCoinState() {
            return hasCoinState;
        }
    
        public State getSoldState() {
            return soldState;
        }
    
        public State getSoldOutState() {
            return soldOutState;
        }
    
        public int getCount() {
            return count;
        }
    
        public void setState(State state){
            this.state = state;
        }
    }

抽象状态 State 接口

package com.jas.state;
    
    /** * 所有的状态接口 * @author Jas * @create 2018-01-31 10:28 **/
    public interface State { 
        /** 投入一个硬币 */
        void insertCoin();
        /** 弹出硬币 */
        void ejectCoin();
        /** 转动曲柄 */
        void turnCrank();
        /** 糖果分发或告罄 */
        void dispense();
    }

具体状态 NoCoinState 类

package com.jas.state;
    
    /** * @author Jas * @create 2018-01-31 10:30 **/
    public class NoCoinState implements State { 
        CandyMachine candyMachine;
    
        public  NoCoinState(CandyMachine candyMachine){
            this.candyMachine = candyMachine;
        }
    
        /** * 投入硬币后，将糖果机置为有一个硬币的状态 */
        @Override
        public void insertCoin() {
            System.out.println("你投入了一个硬币！");
            candyMachine.setState(candyMachine.getHasCoinState());
        }
    
        @Override
        public void ejectCoin() {
            System.out.println("你还没有投入一个硬币！");
        }
    
        @Override
        public void turnCrank() {
            System.out.println("即使你转动了曲柄，但是不会出糖果，因为你没有投入硬币！");
        }
    
        @Override
        public void dispense() {
            System.out.println("你需要先投入一个硬币！");
        }
    }

具体状态 HasCoinState 类

package com.jas.state;
    
    /** * @author Jas * @create 2018-01-31 10:39 **/
    public class HasCoinState implements State { 
        CandyMachine candyMachine;
    
        public HasCoinState(CandyMachine candyMachine){
            this.candyMachine = candyMachine;
        }
    
        @Override
        public void insertCoin() {
            System.out.println("你已经投入了一个硬币，不能再投入硬币了！");
        }
    
        /** * 在糖果机有一个硬币的时候，你可以申请退回你的硬币，并改变糖果机的状态 */
        @Override
        public void ejectCoin() {
            System.out.println("您的硬币已退回！");
            candyMachine.setState(candyMachine.getNoCoinState());
        }
    
        /** * 糖果机有硬币的时候，你可以转动曲柄，从而获得糖果，并改变糖果机的状态 */
        @Override
        public void turnCrank() {
            System.out.println("你转动了曲柄，请稍等 ...");
            candyMachine.setState(candyMachine.getSoldState());
        }
    
        @Override
        public void dispense() {
            System.out.println("现在还没有糖果发放！");
        }
    }

具体状态 SoldState 类

package com.jas.state;
    
    /** * @author Jas * @create 2018-01-31 10:40 **/
    public class SoldState implements State { 
        CandyMachine candyMachine;
    
        public SoldState(CandyMachine candyMachine){
            this.candyMachine = candyMachine;
        }
    
        @Override
        public void insertCoin() {
            System.out.println("现在不能投入硬币了，请稍等，马上为您发放一个糖果！");
        }
    
        @Override
        public void ejectCoin() {
            System.out.println("您已经转动了曲柄，现在不能再退回硬币了！");
        }
    
        @Override
        public void turnCrank() {
            System.out.println("您已经转动了曲柄一次，多余的转动是无效的！");
        }
    
        /** * 分发糖果，并根据糖果机中的糖果数量，改变糖果机的状态 */
        @Override
        public void dispense() {
            candyMachine.releaseBall();
    
            //如果糖果机中有糖果，将糖果机置为初始没有硬币的状态
            if(candyMachine.getCount() > 0){
                candyMachine.setState(candyMachine.getNoCoinState());
            }else {
                System.out.println("糖果已经售卖完了，请改天再来！");
                candyMachine.setState(candyMachine.getSoldOutState());
            }
        }
    }

具体状态 SoldOutState 类

package com.jas.state;
    
    /** * @author Jas * @create 2018-01-31 10:41 **/
    public class SoldOutState implements State { 
        CandyMachine candyMachine;
    
        public SoldOutState(CandyMachine candyMachine){
            this.candyMachine = candyMachine;
        }
    
        @Override
        public void insertCoin() {
            System.out.println("请不要再投入硬币了，糖果已经卖完了！");
        }
    
        @Override
        public void ejectCoin() {
            System.out.println("您没有投入硬币，所以现在不能弹出硬币！");
        }
    
        @Override
        public void turnCrank() {
            System.out.println("即使你转动了曲柄，但还是不会出糖果，因为已经没有糖果了！");
        }
    
        @Override
        public void dispense() {
            System.out.println("糖果已经卖完了，没有糖果用于发放了!");
        }
    }

测试类

package com.jas.state;
    
    /** * @author Jas * @create 2018-01-31 11:04 **/
    public class CansyMachineTestDrive { 
        public static void main(String[] args) {
    
            //初始化糖果机中的糖果数量为 1 个
            CandyMachine candyMachine = new CandyMachine(1);    
    
            candyMachine.insertCoin();
            candyMachine.ejectCoin();
    
            System.out.println("======================");
    
            candyMachine.insertCoin();
            candyMachine.turnCrank();
    
            System.out.println("======================");
    
            candyMachine.insertCoin();
            candyMachine.turnCrank();
        }
    }
         /** * 输出 * 你投入了一个硬币！ * 您的硬币已退回！ * ====================== * 你投入了一个硬币！ * 你转动了曲柄，请稍等 ... * 糖果机释放一个糖果 ... * 糖果已经售卖完了，请改天再来！ * ====================== * 请不要再投入硬币了，糖果已经卖完了！ * 即使你转动了曲柄，但还是不会出糖果，因为已经没有糖果了！ * 糖果已经卖完了，没有糖果用于发放了! */

**2.5 问题总结**

在上面这个例子中，客户并不直接与具体状态类直接交互，而是通过糖果机类向状态类发出请求，还有要注意的是，客户并不会直接改变糖果机的状态。了解状态的是糖果机类，客户并不了解，所以客户不会直接与状态类交互。在糖果机类中有一个状态实例，用这个实例来完成状态之间不同的切换。

#### 三、 状态模式总结 ####

**3.1 状态模式的优缺点**

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。

缺点

1.   状态模式的使用必然会增加系统类和对象的个数。
2.   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。
3.   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。

**3.2 状态模式知识总结**

*   状态模式允许一个对象基于内部的状态而拥有不同的行为。
 *   状态模式用类来表示状态。
 *   上下文 (Context) 会将行为委托给当前的状态对象。
 *   状态模式和策略模式虽然有相同的类图，但是它们的意图是不一样的。
 *   状态模式允许上下文随着状态的改变而改变行为。
 *   使用状态模式通常会导致类的数量大量增加。
 *  状态类可以被多个上下文 (Context) 实例共享。

**PS:点击了解更多设计模式** **[http://blog.csdn.net/codejas/article/details/79236013][http_blog.csdn.net_codejas_article_details_79236013]**

#### 参考文献 ####

《Head First 设计模式》  
[http://www.runoob.com/design-pattern/state-pattern.html][http_www.runoob.com_design-pattern_state-pattern.html]

[SouthEast]: /images/20220601/ec98401b6f1b4937bd404fc47b12aa61.png
[http_blog.csdn.net_codejas_article_details_79077186]: http://blog.csdn.net/codejas/article/details/79077186
[SouthEast 1]: /images/20220601/54223dfbe12040638309b863c29747e9.png
[SouthEast 2]: /images/20220601/7559e32ae31443729baee6d0067d5017.png
[http_blog.csdn.net_codejas_article_details_79236013]: http://blog.csdn.net/codejas/article/details/79236013
[http_www.runoob.com_design-pattern_state-pattern.html]: http://www.runoob.com/design-pattern/state-pattern.html