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設計模式 —— 狀態模式（State Pattern）

來源：程序員人生發布時間：2016-06-08 08:26:22 閱讀次數：2786次

狀態模式（State Pattern）

概念：狀態模式 允許對象在內部狀態改變時改變它的行動，對象看起來好像修改了它的類

在軟件設計中，我們常常會遇需要編寫有很多狀態的程序。最簡單的如乘坐電梯程序，當我們要坐電梯時需要判斷電梯的狀態，只有當電梯處于當前樓時我們才能乘坐，當電梯不在當前樓層時我們要按下按鈕等待電梯到來。在平時1般都通過 if…else 或 switch 判斷狀態后處理，這類固定的寫法只有在軟件后期不會更新時才可以（不過是不可能的），狀態模式實際上是使用組合通過簡單援用不同的狀態對象來造成狀態改變的假象。

組成：

狀態模式

Context（上下文）：1般是1個具有多個狀態的類，當調用 request() 函數時會被拜托到狀態對象。

State（狀態接口）：定義了所有具體狀態的共同接口，任何狀態都實現這個接口，這樣就可以在狀態之間相互轉換。

ConcreteStateA（具體狀態）：實現狀態接口，處理來自 Context 的要求。每一個 ConcreteState 都提供自己要求的實現。

例子：

我們實現電梯的例子，電梯的狀態包括運行、停止、開門、關門。當電梯運行時我們等待電梯停止，停止時我們等待開門或運行，開門時進入后關門，進入后電梯變成關門狀態。

狀態模式

假定目前就這么多狀態，用傳統的 if…else 和 switch 實現。

抽象狀態類

public abstract class LiftState {
    //4種狀態
    final int OPEN_STATE = 1;
    final int STOP_STATE = 2;
    final int CLOSE_STATE = 3;
    final int RUN_STATE = 4;

    public abstract void setState(int state);
    //開門動作
    public abstract void open();
    //關門動作
    public abstract void close();
    //運行動作
    public abstract void run();
    //停止動作
    public abstract void stop();
}

public class Lift extends LiftState{
    private int state;

    public Lift(int state) {
        this.state = state;
    }

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

    //開門動作
    @Override
    public void open() {
        switch (state) {
            case OPEN_STATE:
                System.out.println("處于開門狀態：甚么也不做");
                break;
            case CLOSE_STATE:
                System.out.println("處于關門狀態：甚么也不做");
                break;
            case RUN_STATE:
                System.out.println("處于運行狀態：甚么也不做");
                break;
            case STOP_STATE:
                System.out.println("處于關門狀態，開門...");
                setState(OPEN_STATE);
                break;
        }
    }

    //關門動作
    @Override
    public void close() {
        switch (state) {
            case OPEN_STATE:
                System.out.println("處于開門狀態：關門...");
                setState(CLOSE_STATE);
                break;
            case CLOSE_STATE:
                System.out.println("處于關門狀態：甚么也不做");
                break;
            case RUN_STATE:
                System.out.println("處于運行狀態：甚么也不做");
                break;
            case STOP_STATE:
                System.out.println("處于停止狀態：甚么也不做");
                break;
        }
    }

    //運行動作
    @Override
    public void run() {
        switch (state) {
            case OPEN_STATE:
                System.out.println("處于開門狀態：甚么也不做");
                break;
            case CLOSE_STATE:
                System.out.println("處于關門狀態：運行...");
                setState(RUN_STATE);
                break;
            case RUN_STATE:
                System.out.println("處于運行狀態：甚么也不做");
                break;
            case STOP_STATE:
                System.out.println("處于停止狀態：運行...");
                setState(RUN_STATE);
        }
    }

    //停止動作
    @Override
    public void stop() {
        switch (state) {
            case OPEN_STATE:
                System.out.println("處于開門狀態：甚么也不做");
                break;
            case CLOSE_STATE:
                System.out.println("處于關門狀態：甚么也不做");
                setState(CLOSE_STATE);
                break;
            case RUN_STATE:
                System.out.println("處于運行狀態：停止...");
                break;
            case STOP_STATE:
                System.out.println("處于停止狀態：甚么也不做");
        }
    }
}

public class LiftRun {
    public static void main(String[] args) {
        //初始設置為停止狀態
        Lift lift = new Lift(2);
        //停止變成運行
        lift.run();
        //運行時不能開門
        lift.open();
        //運行變成停止
        lift.stop();
        //停止時不能開門
        lift.close();
    }
}

狀態模式

上面的實現沒甚么問題，但大量的用了 switch…case，當我們想要為電梯增加1種狀態時，會發現需要大量的改動代碼，每個 switch 都要改，這也是《重構》中稱 switch 為代碼的壞味道。我們來通過 狀態模式 改變它。

狀態模式改進例子：

狀態模式

LiftState：

public abstract class LiftState {
    Lift lift;

    public LiftState(Lift lift) {
        this.lift = lift;
    }

    //開門動作
    public abstract void open();
    //關門動作
    public abstract void close();
    //運行動作
    public abstract void run();
    //停止動作
    public abstract void stop();
}

CloseState：

public class CloseState extends LiftState {
    public CloseState(Lift lift) {
        super(lift);
    }

    @Override
    public void open() {
        System.out.println("處于關閉狀態...甚么也不做");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("處于關閉狀態...甚么也不做");
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("處于關閉狀態：運行");
        lift.setState(lift.getRunState());
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("處于關閉狀態...甚么也不做");
    }
}

OpenState：

public class OpenState extends LiftState {
    public OpenState(Lift lift) {
        super(lift);
    }

    @Override
    public void open() {
        System.out.println("處于開門狀態...甚么也不錯");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("處于開門狀態：關門");
        lift.setState(lift.getCloseState());
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("處于開門狀態...甚么也不錯");
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("處于開門狀態...甚么也不錯");
    }
}

RunState：

public class RunState extends LiftState {
    public RunState(Lift lift) {
        super(lift);
    }

    @Override
    public void open() {
        System.out.println("處于運行狀態...甚么也不做");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("處于運行狀態...甚么也不做");
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("處于運行狀態...甚么也不做");
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("處于運行狀態：停止");
        lift.setState(lift.getStopState());
    }
}

StopState：

public class StopState extends LiftState {
    public StopState(Lift lift) {
        super(lift);
    }

    @Override
    public void open() {
        System.out.println("處于停止狀態：開門");
        lift.setState(lift.getOpenState());
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("處于停止狀態...甚么也不做");
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("處于停止狀態：運行");
        lift.setState(lift.getRunState());
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("處于停止狀態...甚么也不做");
    }
}

Lift：

public class Lift {
    LiftState openState;
    LiftState closeState;
    LiftState runState;
    LiftState stopState;

    LiftState state;

    public Lift() {
        openState = new OpenState(this);
        closeState = new CloseState(this);
        runState = new RunState(this);
        stopState = new StopState(this);
        //起始設置為停止狀態
        state = stopState;
    }
    //拜托給狀態對象履行
    public void stop() {
        state.stop();
    }

    public void run() {
        state.run();
    }

    public void close() {
        state.close();
    }

    public void open() {
        state.open();
    }
    //僅僅更換當前對象的援用
    public void setState(LiftState state) {
        this.state = state;
    }

    public LiftState getOpenState() {
        return openState;
    }

    public LiftState getCloseState() {
        return closeState;
    }

    public LiftState getRunState() {
        return runState;
    }

    public LiftState getStopState() {
        return stopState;
    }
}

LiftRun：

public class LiftRun {
    public static void main(String[] args) {
        //其實設置為停止狀態
        Lift lift = new Lift();
        lift.run();
        lift.open();
        lift.stop();
        lift.close();
    }
}

運行結果：

狀態模式

通過狀態模式改進后，我們將每一個狀態和狀態行動封裝成了對象和方法，雖然增加了類的數目，但是當我們增加狀態時不用改動本來的代碼，僅需創建新的狀態實現接口的方法便可。

如增加故障狀態：

public class BugState extends LiftState {
    public BugState(Lift lift) {
        super(lift);
    }

    @Override
    public void open() {
        System.out.println("故障狀態，不能打開");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("故障狀態，不能關閉");
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("故障狀態，不能運行");
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("故障狀態，停止..維修");
        lift.setState(lift.getStopState());
    }

    @Override
    public void bug() {
        System.out.println("故障狀態");
    }
}

在每一個狀態對象中加入相應的 bug 狀態函數，如：

    @Override
    public void bug() {
        System.out.println("處于停止狀態：維修電梯");
        lift.setState(lift.getBugState());
    }

接著在 Lift 類中加入 bug 狀態：

    LiftState bugState;
    ...
    //構造函數中
    bugState = new BugState(this);
    ...
    public LiftState getBugState() {
        return bugState;
    }

測試函數：

public class LiftRun {
    public static void main(String[] args) {
        //其實設置為停止狀態
        Lift lift = new Lift();
        //運行
        lift.run();
        lift.bug();
        lift.stop();
        lift.run();
    }
}

狀態模式

處于狀態模式下僅僅需要新增1個類外加做1些小改動便可完成狀態的增加，大大方便了后期的保護和修改。

適用處景：

1個對象的行動取決于它的狀態, 并且它必須在運行時刻根據狀態改變它的行動。
代碼中包括大量與對象狀態有關的條件語句：1個操作中含有龐大的多分支的條件（if else 或switch case)語句，且這些分支依賴于該對象的狀態。這個狀態通經常使用1個或多個枚舉常量表示。通常 , 有多個操作包括這1相同的條件結構。 State模式將每個條件分支放入1個獨立的類中。這使得你可以根據對象本身的情況將對象的狀態作為1個對象，這1對象可以不依賴于其他對象而獨立變化。