Java 设计模式系列：行为型-状态模式

news2024/11/28 19:00:32

简介

状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，允许一个对象在其内部状态改变时改变其行为。状态模式中类的行为是由状态决定的，在不同的状态下有不同的行为。

状态模式主要解决的是当控制一个对象状态的条件表达式过于复杂时的情况。把状态的判断逻辑转移到表示不同状态的一系列类中，可以把复杂的判断逻辑简化。

适用场景：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。

状态模式将一个对象的状态从该对象中分离出来，封装到专门的状态类中，使得对象状态可以灵活变化。对于客户端而言，无须关心对象状态的转换以及对象所处的当前状态，无论对于何种状态的对象，客户端都可以一致处理。

结构

状态模式包含以下主要角色。

  1. 环境类（Context）：又称上下文类，它是拥有多种状态的对象。在环境类中维护一个抽象状态类State的实例，这个实例定义当前状态，在具体实现时，它是一个state子类的对象。
  2. 抽象状态类（IState）：定义该状态下的行为，可以有一个或多个行为。
  3. 具体状态类（ConcreteState）：实现了抽象状态类中的方法，定义了该状态下环境的操作。

案例实现

例】通过按钮来控制一个电梯的状态，一个电梯有开门状态，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。

类图如下：

简介

状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，允许一个对象在其内部状态改变时改变其行为。状态模式中类的行为是由状态决定的，在不同的状态下有不同的行为。

状态模式主要解决的是当控制一个对象状态的条件表达式过于复杂时的情况。把状态的判断逻辑转移到表示不同状态的一系列类中，可以把复杂的判断逻辑简化。

适用场景：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。

状态模式将一个对象的状态从该对象中分离出来，封装到专门的状态类中，使得对象状态可以灵活变化。对于客户端而言，无须关心对象状态的转换以及对象所处的当前状态，无论对于何种状态的对象，客户端都可以一致处理。

结构

状态模式包含以下主要角色。

  1. 环境类（Context）：又称上下文类，它是拥有多种状态的对象。在环境类中维护一个抽象状态类State的实例，这个实例定义当前状态，在具体实现时，它是一个state子类的对象。
  2. 抽象状态类（IState）：定义该状态下的行为，可以有一个或多个行为。
  3. 具体状态类（ConcreteState）：实现了抽象状态类中的方法，定义了该状态下环境的操作。

案例实现

例】通过按钮来控制一个电梯的状态，一个电梯有开门状态，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。

类图如下：

代码如下：

public interface ILift {
    //电梯的4个状态
    //开门状态
    public final static int OPENING_STATE = 1;
    //关门状态
    public final static int CLOSING_STATE = 2;
    //运行状态
    public final static int RUNNING_STATE = 3;
    //停止状态
    public final static int STOPPING_STATE = 4;

    //设置电梯的状态
    public void setState(int state);

    //电梯的动作
    public void open();
    public void close();
    public void run();
    public void stop();
}

public class Lift implements ILift {
    private int state;

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

    //执行关门动作
    @Override
    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;
        }
    }

    //执行开门动作
    @Override
    public void open() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE://门已经开了，不能再开门了
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE://关门状态，门打开:
                System.out.println("电梯门打开了。。。");
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing 运行时电梯不能开门
                break;
            case STOPPING_STATE:
                System.out.println("电梯门开了。。。");//电梯停了，可以开门了
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
        }
    }

    //执行运行动作
    @Override
    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;
        }
    }

    //执行停止动作
    @Override
    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;
        }
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Lift lift = new Lift();
        lift.setState(ILift.STOPPING_STATE);//电梯是停止的
        lift.open();//开门
        lift.close();//关门
        lift.run();//运行
        lift.stop();//停止
    }
}

问题分析：

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

改进

对上述电梯的案例使用状态模式进行改进。类图如下：

代码如下：

//抽象状态类
public abstract class LiftState {
    //定义一个环境角色，也就是封装状态的变化引起的功能变化
    protected Context context;

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

    //电梯开门动作
    public abstract void open();

    //电梯关门动作
    public abstract void close();

    //电梯运行动作
    public abstract void run();

    //电梯停止动作
    public abstract void stop();
}

//开启状态
public class OpenningState extends LiftState {

    //开启当然可以关闭了，我就想测试一下电梯门开关功能
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("电梯门开启...");
    }

    @Override
    public void close() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.closeingState);
        //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();
    }

    //电梯门不能开着就跑，这里什么也不做
    @Override
    public void run() {
        //do nothing
    }

    //开门状态已经是停止的了
    @Override
    public void stop() {
        //do nothing
    }
}

//运行状态
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.stoppingState);
        super.context.stop();
    }
}

//停止状态
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.openningState);
        //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.closeingState);
        //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.runningState);
        //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...");
    }
}

//关闭状态
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.openningState);
        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.runningState);
        super.context.run();
    }

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

//环境角色
public class Context {
    //定义出所有的电梯状态
    public final static OpenningState openningState = new OpenningState();//开门状态，这时候电梯只能关闭
    public final static ClosingState closeingState = new ClosingState();//关闭状态，这时候电梯可以运行、停止和开门
    public final static RunningState runningState = new RunningState();//运行状态，这时候电梯只能停止
    public final static StoppingState stoppingState = new StoppingState();//停止状态，这时候电梯可以开门、运行


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

    public LiftState getLiftState() {
        return this.liftState;
    }

    public void setLiftState(LiftState liftState) {
        //当前环境改变
        this.liftState = liftState;
        //把当前的环境通知到各个实现类中
        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();
    }
}

//测试类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();
        context.setLiftState(new ClosingState());

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

优缺点

1，优点：

  • 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。

2，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。

使用场景

  • 当一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时根据状态改变它的行为时，就可以考虑使用状态模式。
  • 一个操作中含有庞大的分支结构，并且这些分支决定于对象的状态时。

代码如下：

public interface ILift {
    //电梯的4个状态
    //开门状态
    public final static int OPENING_STATE = 1;
    //关门状态
    public final static int CLOSING_STATE = 2;
    //运行状态
    public final static int RUNNING_STATE = 3;
    //停止状态
    public final static int STOPPING_STATE = 4;

    //设置电梯的状态
    public void setState(int state);

    //电梯的动作
    public void open();
    public void close();
    public void run();
    public void stop();
}

public class Lift implements ILift {
    private int state;

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

    //执行关门动作
    @Override
    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;
        }
    }

    //执行开门动作
    @Override
    public void open() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE://门已经开了，不能再开门了
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE://关门状态，门打开:
                System.out.println("电梯门打开了。。。");
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing 运行时电梯不能开门
                break;
            case STOPPING_STATE:
                System.out.println("电梯门开了。。。");//电梯停了，可以开门了
                this.setState(OPENING_STATE);
                break;
        }
    }

    //执行运行动作
    @Override
    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;
        }
    }

    //执行停止动作
    @Override
    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;
        }
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Lift lift = new Lift();
        lift.setState(ILift.STOPPING_STATE);//电梯是停止的
        lift.open();//开门
        lift.close();//关门
        lift.run();//运行
        lift.stop();//停止
    }
}

问题分析：

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

改进

对上述电梯的案例使用状态模式进行改进。类图如下：

代码如下：

//抽象状态类
public abstract class LiftState {
    //定义一个环境角色，也就是封装状态的变化引起的功能变化
    protected Context context;

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

    //电梯开门动作
    public abstract void open();

    //电梯关门动作
    public abstract void close();

    //电梯运行动作
    public abstract void run();

    //电梯停止动作
    public abstract void stop();
}

//开启状态
public class OpenningState extends LiftState {

    //开启当然可以关闭了，我就想测试一下电梯门开关功能
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("电梯门开启...");
    }

    @Override
    public void close() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.closeingState);
        //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();
    }

    //电梯门不能开着就跑，这里什么也不做
    @Override
    public void run() {
        //do nothing
    }

    //开门状态已经是停止的了
    @Override
    public void stop() {
        //do nothing
    }
}

//运行状态
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.stoppingState);
        super.context.stop();
    }
}

//停止状态
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.openningState);
        //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.closeingState);
        //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.runningState);
        //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...");
    }
}

//关闭状态
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.openningState);
        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.runningState);
        super.context.run();
    }

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

//环境角色
public class Context {
    //定义出所有的电梯状态
    public final static OpenningState openningState = new OpenningState();//开门状态，这时候电梯只能关闭
    public final static ClosingState closeingState = new ClosingState();//关闭状态，这时候电梯可以运行、停止和开门
    public final static RunningState runningState = new RunningState();//运行状态，这时候电梯只能停止
    public final static StoppingState stoppingState = new StoppingState();//停止状态，这时候电梯可以开门、运行


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

    public LiftState getLiftState() {
        return this.liftState;
    }

    public void setLiftState(LiftState liftState) {
        //当前环境改变
        this.liftState = liftState;
        //把当前的环境通知到各个实现类中
        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();
    }
}

//测试类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();
        context.setLiftState(new ClosingState());

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

优缺点

1，优点：

  • 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。

2，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。

使用场景

  • 当一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时根据状态改变它的行为时，就可以考虑使用状态模式。
  • 一个操作中含有庞大的分支结构，并且这些分支决定于对象的状态时。

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