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状态模式（State）

介绍

状态模式是一种行为设计模式

状态模式能在一个对象的内部状态变化时改变其行为，使其看上去就像改变了自身所属的类一样。

与有限状态机的概念紧密相关。

状态机由 3 个部分组成：状态、事件（转移条件）、动作。事件触发状态的转移及动作的执行。

适用场景

  • 对象需要根据当前状态进行不同行为，同时状态的数量非常多且与状态相关的代码会频繁变更。
  • 某个类需要根据成员变量的当前值改变自身行为，从而需要使用大量的条件语句。
  • 当相似状态和基于条件的状态机转换中存在许多重复代码。
  • ...

优缺点

优点：

  • 开闭原则。
  • 单一职责原则。
  • 通过消除臃肿的状态机条件语句简化上下文代码。

缺点：

  • 复杂度增加：如果状态机只有很少的几个状态，使用状态模式会很复杂。

与其他模式的关系

  • 状态可被视为策略的扩展
    • 策略模式中的策略则几乎完全不知道其他策略的存在。
    • 状态模式中，特定状态知道其他所有状态的存在，且能触发从一个状态到另一个状态的转换。

实现方式

  1. 声明状态接口。
  2. 为每个实际状态创建一个继承状态接口的类。
  3. 在上下文类中添加一个状态接口类型的引用成员变量，以及一个用于修改该成员变量值的公有设置器。
  4. 为切换上下文状态，你需要创建某个状态类实例并将其传递给上下文。
    • 可以在上下文、各种状态或客户端中完成这项工作。无论在何处完成这项工作，该类都将依赖于其所实例化的具体类。
    • 如果状态类中不包含成员变量，则可以使用单例模式来配合使用。

其他实现方法：

分支逻辑法： 直接利用 if 逻辑或者 switch 分支逻辑，直接写状态转移的代码。适合简单直接的状态机。

查表法： 通过二维数组来表示状态转移图，能极大地提高代码的可读性和可维护性。适合状态较多、转移复杂的状态机。

示例

状态接口

public abstract class State {

    Kettle kettle;

    public State(Kettle kettle) {
        this.kettle = kettle;
    }

    // 动作

    // 加水
    public abstract String addWater();
    // 煮水
    public abstract String boilWater();
    // 倒水
    public abstract String pourWater();
}

状态实现

public class EmptyState extends State {

    public EmptyState(Kettle kettle) {
        super(kettle);
    }

    @Override
    public String addWater() {
        // 切换上下文状态
        kettle.changeState(new ColdState(kettle));
        return "加水成功";
    }
    @Override
    public String boilWater() {
        return "没水...";
    }
    @Override
    public String pourWater() {
        return "没水...";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "空的状态";
    }
}

public class ColdState extends State {

    public ColdState(Kettle kettle) {
        super(kettle);
    }

    @Override
    public String addWater() {
        return "有水了，别加了";
    }
    @Override
    public String boilWater() {
        // 切换上下文状态
        kettle.changeState(new BoilingState(kettle));
        return "煮水成功";
    }
    @Override
    public String pourWater() {
        // 切换上下文状态
        kettle.changeState(new EmptyState(kettle));
        return "倒水成功（冷水）";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "冷水状态";
    }
}

public class BoilingState extends State {

    public BoilingState(Kettle kettle) {
        super(kettle);
    }

    @Override
    public String addWater() {
        return "有水了，别加了";
    }
    @Override
    public String boilWater() {
        return "保温中...";
    }
    @Override
    public String pourWater() {
        // 切换上下文状态
        kettle.changeState(new EmptyState(kettle));
        return "倒水成功（开水）";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "热水状态";
    }
}

上下文（热水壶类）

public class Kettle {

    // 保存一个指向表示当前状态的状态对象的引用
    private State state;

    // ... 这里也可以存放一些其他数据，如水量水温等。

    public Kettle() {
        this.state = new EmptyState(this);
    }
    
    public State getState() {
        return state;
    }

    // 公有设置器
    public void changeState(State state) {
        this.state = state;
    }

    // 将执行工作委派给当前状态 x3
    public String addWater() {
        return state.addWater();
    }
    public String boilWater() {
        return state.boilWater();
    }
    public String pourWater() {
        return state.pourWater();
    }
}

测试代码

public class StateTest {
    @Test
    public void test() {

        Kettle kettle = new Kettle();

        Assertions.assertEquals("空的状态", kettle.getState().toString());

        Assertions.assertEquals("没水...", kettle.pourWater());
        Assertions.assertEquals("加水成功", kettle.addWater());

        Assertions.assertEquals("冷水状态", kettle.getState().toString());

        Assertions.assertEquals("有水了，别加了", kettle.addWater());
        Assertions.assertEquals("煮水成功", kettle.boilWater());

        Assertions.assertEquals("热水状态", kettle.getState().toString());

        Assertions.assertEquals("有水了，别加了", kettle.addWater());
        Assertions.assertEquals("保温中...", kettle.boilWater());
        Assertions.assertEquals("倒水成功（开水）", kettle.pourWater());

        Assertions.assertEquals("空的状态", kettle.getState().toString());
    }
}