设计模式：状态模式

关于

在软件开发过程中，应用程序中的部分对象可能会根据不同的情况做出不同的行为，我们把这种对象称为“有状态的对象”，而把影响对象行为的一个或多个动态变化的属性称为状态。当有状态的对象与外部事件产生互动时，其内部状态就会发生改变，从而使其行为也发生改变。如人都有高兴和伤心的时候，不同的情绪有不同的行为，当然外界也会影响其情绪变化。

对这种有状态的对象编程，传统的解决方案是：将这些所有可能发生的情况全都考虑到，然后使用 if-else 或 switch-case 语句来做状态判断，再进行不同情况的处理。但是显然这种做法对复杂的状态判断存在天然弊端，条件判断语句会过于臃肿，可读性差，且不具备扩展性，维护难度也大。且增加新的状态时要添加新的 if-else 语句，这违背了“开闭原则”，不利于程序的扩展。

以上问题如果采用“状态模式”就能很好地得到解决。

状态模式的解决思想是：当控制一个对象状态转换的条件表达式过于复杂时，【把相关“判断逻辑”提取出来，用各个不同的类进行表示】，系统处于哪种情况，直接使用相应的状态类对象进行处理，这样能把原来复杂的逻辑判断简单化，消除了 if-else、switch-case 等冗余语句，代码更有层次性，并且具备良好的扩展力。

状态（State）模式的定义：对有状态的对象，把复杂的“判断逻辑”提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。

优点和缺点

优点：

结构清晰，状态模式将与特定状态相关的行为局部化到一个状态中，并且将不同状态的行为分割开来，满足“单一职责原则”。
将状态转换显示化，减少对象间的相互依赖。将不同的状态引入独立的对象中会使得状态转换变得更加明确，且减少对象间的相互依赖。
状态类职责明确，有利于程序的扩展。通过定义新的子类很容易地增加新的状态和转换。

缺点：

状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数。
状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当会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要修改对应类的源码。

应用场景

通常在以下情况下可以考虑使用状态模式：

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。

结构与实现

状态模式包含以下主要角色。

环境类（Context）角色：也称为上下文，它定义了客户端需要的接口，内部维护一个当前状态，并负责具体状态的切换。
抽象状态（State）角色：定义一个接口，用以封装环境对象中的特定状态所对应的行为，可以有一个或多个行为。
具体状态（Concrete State）角色：实现抽象状态所对应的行为，并且在需要的情况下进行状态切换。

其结构如下：

其代码如下：

//抽象状态类
abstract class State {
    public abstract void Handle(Context context);
}

//具体状态A类
class ConcreteStateA extends State {
    public void Handle(Context context) {
        System.out.println("当前状态是 A.");
        context.setState(new ConcreteStateB());
    }
}
//具体状态B类
class ConcreteStateB extends State {
    public void Handle(Context context) {
        System.out.println("当前状态是 B.");
        context.setState(new ConcreteStateA());
    }
}


//环境类
class Context {
    private State state;
    //定义环境类的初始状态
    public Context() {
        this.state = new ConcreteStateA();
    }
    //设置新状态
    public void setState(State state) {
        this.state = state;
    }
    //读取状态
    public State getState() {
        return (state);
    }
    
    //对请求做处理
    public void Handle() {
        state.Handle(this);
    }
}


public class StatePatternClient {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();    //创建环境      
        context.Handle();    //处理请求
        context.Handle();
        context.Handle();
        context.Handle();
    }
}

当前状态是 A.
当前状态是 B.
当前状态是 A.
当前状态是 B.

示例

用“状态模式”设计一个多线程的状态转换程序：

分析：多线程存在 5 种状态，分别为新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和死亡状态，各个状态当遇到相关方法调用或事件触发时会转换到其他状态，其状态转换规律如下：

其结构如下：

其代码如下：

//抽象状态类：线程状态
abstract class ThreadState {
    protected String stateName; //状态名
}

//具体状态类：新建状态
class New extends ThreadState {
    // 构造方法
    public New() {
        stateName = "新建状态";
        System.out.println("当前线程处于：新建状态.");
    }
    
    // 状态转换方法
    public void start(ThreadContext hj) {
        System.out.print("调用start()方法-->");
        if (stateName.equals("新建状态")) {
            hj.setState(new Runnable());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是新建状态，不能调用start()方法.");
        }
    }
}
//具体状态类：就绪状态
class Runnable extends ThreadState {
    // 构造方法
    public Runnable() {
        stateName = "就绪状态";
        System.out.println("当前线程处于：就绪状态.");
    }
    
    // 状态转换方法
    public void getCPU(ThreadContext hj) {
        System.out.print("获得CPU时间-->");
        if (stateName.equals("就绪状态")) {
            hj.setState(new Running());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是就绪状态，不能获取CPU.");
        }
    }
}
//具体状态类：运行状态
class Running extends ThreadState {
    // 构造方法
    public Running() {
        stateName = "运行状态";
        System.out.println("当前线程处于：运行状态.");
    }
    
    // 状态转换方法
    public void suspend(ThreadContext hj) {
        System.out.print("调用suspend()方法-->");
        if (stateName.equals("运行状态")) {
            hj.setState(new Blocked());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用suspend()方法.");
        }
    }
    // 状态转换方法
    public void stop(ThreadContext hj) {
        System.out.print("调用stop()方法-->");
        if (stateName.equals("运行状态")) {
            hj.setState(new Dead());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用stop()方法.");
        }
    }
}
//具体状态类：阻塞状态
class Blocked extends ThreadState {
    // 构造方法
    public Blocked() {
        stateName = "阻塞状态";
        System.out.println("当前线程处于：阻塞状态.");
    }
    
    // 状态转换方法
    public void resume(ThreadContext hj) {
        System.out.print("调用resume()方法-->");
        if (stateName.equals("阻塞状态")) {
            hj.setState(new Runnable());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是阻塞状态，不能调用resume()方法.");
        }
    }
}
//具体状态类：死亡状态
class Dead extends ThreadState {
    // 构造方法
    public Dead() {
        stateName = "死亡状态";
        System.out.println("当前线程处于：死亡状态.");
    }
}


//环境类
class ThreadContext {
    private ThreadState state;
    public void setState(ThreadState state) {
        this.state = state;
    }
    public ThreadState getState() {
        return state;
    }
    
    // 构造方法：新建线程
    ThreadContext() {
        state = new New();
    }
 
    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);
    }
}


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();
    }
}

当前线程处于：新建状态.
调用start()方法-->当前线程处于：就绪状态.
获得CPU时间-->当前线程处于：运行状态.
调用suspend()方法-->当前线程处于：阻塞状态.
调用resume()方法-->当前线程处于：就绪状态.
获得CPU时间-->当前线程处于：运行状态.
调用stop()方法-->当前线程处于：死亡状态.

模式的扩展：“共享状态模式”

在有些情况下，可能有多个环境对象需要共享一组状态，这时需要引入“享元模式”，将这些具体状态对象放在集合中供程序共享。

其结构如下：

共享状态模式的不同之处是在环境类中增加了一个 HashMap 来保存相关状态，当需要某种状态时可以从中获取。

其代码如下：

package state;

import java.util.HashMap;

//抽象状态类
abstract class ShareState {
    public abstract void Handle(ShareContext context);
}

//具体状态1类
class ConcreteState1 extends ShareState {
    public void Handle(ShareContext context) {
        System.out.println("当前状态是： 状态1");
        context.setState(context.getState("2"));
    }
}
//具体状态2类
class ConcreteState2 extends ShareState {
    public void Handle(ShareContext context) {
        System.out.println("当前状态是： 状态2");
        context.setState(context.getState("1"));
    }
}

//环境类
class ShareContext {
    private ShareState state;
    private HashMap<String, ShareState> stateSet = new HashMap<String, ShareState>();
    
    // 构造方法：预设置不同状态
    public ShareContext() {
        state = new ConcreteState1();
        stateSet.put("1", state);
        state = new ConcreteState2();
        stateSet.put("2", state);
        state = getState("1");
    }
    
    //设置新状态
    public void setState(ShareState state) {
        this.state = state;
    }
    //读取状态
    public ShareState getState(String key) {
        ShareState s = (ShareState) stateSet.get(key);
        return s;
    }
    
    //对请求做处理
    public void Handle() {
        state.Handle(this);
    }
}

public class FlyweightStatePattern {
    public static void main(String[] args) {
        ShareContext context = new ShareContext(); //创建环境      
        context.Handle(); //处理请求
        context.Handle();
        context.Handle();
        context.Handle();
    }
}

当前状态是： 状态1
当前状态是： 状态2
当前状态是： 状态1
当前状态是： 状态2

辨析

与“责任链模式”的区别

同：

状态模式和责任链模式都能消除 if-else 分支过多的问题。但在某些情况下，状态模式中的状态可以理解为责任，那么在这种情况下，两种模式都可以使用。

异：

从定义来看：状态模式强调的是一个对象内在状态的改变；而责任链模式强调的是外部节点对象间的改变。
从代码来看：状态模式的各个状态对象知道自己要进入的下一个状态对象；而责任链模式并不清楚其下一个节点处理对象，因为链式组装由客户端负责。

与“策略模式”的区别

状态模式和策略模式的 UML 类图架构几乎完全一样，但两者的应用场景是不一样的：

策略模式的多种算法行为择其一都能满足，彼此之间是独立的，用户可自行更换策略算法，
而状态模式的各个状态间存在相互关系，彼此之间在一定条件下存在自动切换状态的效果，并且用户无法指定状态，只能设置初始状态。

设计模式：状态模式

目录

关于

优点和缺点

应用场景

结构与实现

示例

模式的扩展：“共享状态模式”

辨析

与“责任链模式”的区别

与“策略模式”的区别

导航菜单

设计模式：状态模式

关于

优点和缺点

应用场景

结构与实现

示例

模式的扩展：“共享状态模式”

辨析

与“责任链模式”的区别

与“策略模式”的区别

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