设计模式之——状态模式与策略模式

如果你的简历里出现了"设计模式"的字样，那么作为面试官的我几乎都会问到一个问题: "状态模式与策略模式有哪些区别"。很多人一脸懵，我就知道这次愉快的技术交流无疾而终了。可能对于很多人来说，策略模式比较熟悉，可什么是状态模式，好多人还是比较迷糊的。此篇专题，我们就来聊聊状态模式与策略模式。

第一部分 状态模式

考虑这样的一个场景：一个电梯，有四种操作:运行、停止、开门、关门。每一种操作成功后，都对应着状态的切换。每一种状态，又可以随着操作，向另一种状态切换。但是状态与状态之间又不是随意切换的。如下表所示:

• 运行状态

  • 可以向停止状态切换
  • 不能再次切换到运行状态
  • 不能在电梯的运行过程中开门
  • 不能在电梯的运行过程中关门 - 因为运行的过程中，电梯的门必然是关的

• 停止状态

  • 可以向运行状态切换
  • 可以向开门状态切换
  • 可以向关门状态切换
  • 不能再次切换到停止状态

• 开门状态

  • 可以向关门状态切换
  • 不能再次切换到开门状态
  • 不能在开门的状态下运行
  • 不能在开门的状态下停止 - 因为开门状态下，电梯的状态必然是停止的

• 关门状态

  • 可以向运行状态切换
  • 可以向开门状态切换
  • 不能向停止状态切换 - 因为在关门状态下，电梯必然是停止的
  • 不能再次切换到关门状态

说得比较复杂，看一个状态机图

有箭头的，就是允许；没有箭头的，就不允许

Lift-State.png

1 错误示范

if - else真是个害人精，它让我们在实现功能的时候，不必过多地思考，很多没有研习过状态模式的同学也是可以轻松实现的——只不过没那么优美罢了。

• 新建一个枚举，列出四种状态
• 电梯有4个方法
• 电梯有1种状态

Lift-Design.png

• LiftState.java

  package com.futureweaver.enums;
  
  // 电梯状态
  public enum LiftState {
      // 开门状态
      Opening,
  
      // 关门状态
      Closed,
  
      // 运行状态
      Running,
  
      // 停止状态
      Stoped
  }
  

• Lift.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  import com.futureweaver.enums.LiftState;
  
  // 电梯
  public class Lift {
      private LiftState state = LiftState.Closed;
  
      // 开门
      public void open() {
          if (state == LiftState.Opening) {
              System.out.println("failure: 无法重复开门");
          } else if (state == LiftState.Closed) {
              state = LiftState.Opening;
              System.out.println("success: 开门");
          } else if (state == LiftState.Running) {
              System.out.println("failure: 运行状态下不能开门");
          } else/* if (state == LiftState.Stoped)*/ {
              state = LiftState.Opening;
              System.out.println("success: 开门");
          }
      }
  
      // 关门
      public void close() {
          if (state == LiftState.Opening) {
              state = LiftState.Closed;
              System.out.println("success: 关门");
          } else if (state == LiftState.Closed) {
              System.out.println("failure: 无法重复关门");
          } else if (state == LiftState.Running) {
              System.out.println("failure: 运行状态下，就一定是关门状态了");
          } else/* if (state == LiftState.Stoped)*/ {
              System.out.println("failure: 停止后就是关门状态了");
          }
      }
  
      // 运行
      public void run() {
          if (state == LiftState.Opening) {
              System.out.println("failure: 电梯门没关，不能运行");
          } else if (state == LiftState.Closed) {
              state = LiftState.Running;
              System.out.println("success: 运行");
          } else if (state == LiftState.Running) {
              System.out.println("failure: 无法重复运行");
          } else/* if (state == LiftState.Stoped)*/ {
              state = LiftState.Running;
              System.out.println("success: 运行");
          }
      }
  
      // 停止
      public void stop() {
          if (state == LiftState.Opening) {
              System.out.println("failure: 开门状态下不会运行，自然也不需要停止");
          } else if (state == LiftState.Closed) {
              System.out.println("failure: 关门状态下不会运行，自然也不需要停止");
          } else if (state == LiftState.Running) {
              state = LiftState.Stoped;
              System.out.println("success: 停止");
          } else/* if (state == LiftState.Stoped)*/ {
              System.out.println("failure: 无法重复停止");
          }
      }
  }
  

• LiftTest.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  import org.junit.Test;
  
  public class LiftTest {
      @Test
      public void testLift() {
          Lift lift = new Lift();
  
          lift.close();
          lift.close();
          lift.open();
          lift.run();
          lift.open();
          lift.stop();
      }
  }
  

• 输出

  failure: 无法重复关门
  failure: 无法重复关门
  success: 开门
  failure: 电梯门没关，不能运行
  failure: 无法重复开门
  failure: 开门状态下不会运行，自然也不需要停止
  

结论

从测试的结果可以看出，需求实现了，也没什么问题。但这是我们编写的简单代码，回过头再来审视一下Lift.java，我们做了大量的条件判断。同一个类当中的代码量又太多——如果状态不止4种，怎么办？如果状态与状态之间的切换，业务比较复杂，不能一两条代码就搞得定，又怎么办？

2 正确示范

在现实领域中，电梯状态，自然而然就是电梯的一个属性。然而在面向对象语言中，所谓万物皆对象，状态，自然也可以作为一个对象。既然状态可以作为对象，那么就可以利用多态来解决了。

• 新建一个电梯状态的抽象类，定义4个操作: 打开、关闭、停止、运行
• 新建四个电梯状态的子类
• 每个实际状态，自己判断能否向目标状态切换。如果能切换的话，创建目标状态对象，并向电梯发送修改状态的请求

Lift-Design-State-Pattern.png

• Lift.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  // 电梯
  public class Lift {
      private LiftState state = new ClosedState();
  
      public LiftState getState() {
          return state;
      }
  
      public void setState(LiftState state) {
          this.state = state;
      }
  
      // 开门
      public void open() {
          // 由状态对象自己处理切换行为
          state.open(this);
      }
  
      // 关门
      public void close() {
          // 由状态对象自己处理切换行为
          state.close(this);
      }
  
      // 运行
      public void run() {
          // 由状态对象自己处理切换行为
          state.run(this);
      }
  
      // 停止
      public void stop() {
          // 由状态对象自己处理切换行为
          state.stop(this);
      }
  }
  

• LiftState.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  // 电梯状态
  public abstract class LiftState {
  
      // 电梯状态的共同父类，无论向哪一个状态切换都可以，子类自己覆盖要阻止的操作
  
      public void open(Lift lift) {
          // 如果成功的话，直接修改电梯的"状态"属性
          lift.setState(new OpeningState());
          System.out.println("success: 开门");
      }
  
      public void close(Lift lift) {
          // 如果成功的话，直接修改电梯的"状态"属性
          lift.setState(new ClosedState());
          System.out.println("success: 关门");
      }
  
      public void stop(Lift lift) {
          // 如果成功的话，直接修改电梯的"状态"属性
          lift.setState(new StopedState());
          System.out.println("success: 停止");
      }
  
      public void run(Lift lift) {
          // 如果成功的话，直接修改电梯的"状态"属性
          lift.setState(new RunningState());
          System.out.println("success: 运行");
      }
  }
  

• OpeningState.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  public class OpeningState extends LiftState {
      @Override
      public void open(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 无法重复开门");
      }
  
      @Override
      public void stop(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 开门状态下不会运行，自然也不需要停止");
      }
  
      @Override
      public void run(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 电梯门没关，不能运行");
      }
  
  }
  

• ClosedState.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  public class ClosedState extends LiftState {
      @Override
      public void close(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 无法重复关门");
      }
  
      @Override
      public void stop(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 关门状态下不会运行，自然也不需要停止");
      }
  }
  

• StopedState.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  public class StopedState extends LiftState {
      @Override
      public void close(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 停止后就是关门状态了");
      }
  
      @Override
      public void stop(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 无法重复停止");
      }
  }
  

• RunningState.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  public class RunningState extends LiftState {
      @Override
      public void open(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 运行状态下不能开门");
      }
  
      @Override
      public void close(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 运行状态下，就一定是关门状态了");
      }
  
      @Override
      public void run(Lift lift) {
          System.out.println("failure: 无法重复运行");
      }
  }
  

• LiftTest.java

  package com.futureweaver.domain;
  
  import org.junit.Test;
  
  public class LiftTest {
      @Test
      public void testLift() {
          Lift lift = new Lift();
  
          lift.close();
          lift.close();
          lift.open();
          lift.run();
          lift.open();
          lift.stop();
      }
  }
  

• 输出

  failure: 无法重复关闭
  failure: 无法重复关闭
  success: 开门
  failure: 电梯门没关，不能运行
  failure: 无法重复开门
  failure: 开门状态下不会运行，自然也不需要停止
  

结论

这种实现方式，电梯与电梯状态产生了双向依赖，属于一种紧耦合；电梯状态抽象父类，与电梯状态具体类又产生了双向依赖，属于一种紧耦合。理解起来有点绕，一条一条地说。

• 电梯与电梯状态的通信

电梯具备一个电梯状态对象，当接收到操作请求时，电梯对象本身不做任何的判断和处理，而是交由状态对象处理。

当电梯状态接收到转换请求时，如果可以转换，那么我们想要得到的结果是：电梯的状态发生了变化。所以电梯状态需要向电梯对象发送"改变状态"的消息，那么电梯状态就需要知道，到底是哪一个电梯对象。所以电梯状态的转换操作，需要接收一个电梯对象的参数。

• 抽象状态与具体状态的通信

具体状态需要继承自抽象状态。

抽象状态定义了默认方法，其中的默认方法就是: 所有的操作，都是合法的。既然是合法的，就要向目标状态切换。因为使用了状态模式，状态是一个对象了，所以需要创建具体状态的对象，再把创建好的状态对象，发送给电梯。

• 说得比较复杂，结合看一下类图和序列图

  • 类图

Lift-Design-State-Pattern.png

• 序列图

Lift-Sequence.png

3 状态模式总结

State-Pattern.png

• 状态模式

  允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。

  通过内聚，提升了灵活性、可维护性和可扩展性。

第二部分 状态模式与策略模式

在上一篇文章《设计模式在RESTful当中的应用》当中，已经聊过策略模式，乍一看它们的类图，是很相似的:

• 状态模式

State-Pattern.png

• 策略模式

Strategy-Pattern.png

策略模式与状态模式都把实际的行为，延迟到了子类，以此完成多态。同时，上下文(Context)面向的都是一个抽象类。(一些编程语言明确地区分了接口与抽象类，比如Java；而一些编程语言并没有明确地区分，比如C++。OOD本身与语言的关联是比较弱的，所以在OOP的时候，到底是面向接口还是抽象类，是需要酌情考虑的。)

状态模式与策略模式的区别

类结构相似，想要找出状态模式与策略模式的区别，就需要从它们的行为入手了

• 策略模式

  在程序运行的过程中，策略与策略之间，是相互独立的，从而耦合度是比较松的。因为本身策略中封装的是一系列可以相互替换的算法，每一个策略是可以独立完成自己所要完成的工作的。

  上下文(Context)依赖于策略，而策略不依赖于上下文。因为策略在工作时，并不关心这个信息是谁发送过来的。

• 状态模式: 允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。

  在程序运行的过程中，状态与状态之间。比如从A状态，过渡到B状态，A状态是需要获取一个B状态(至于到底怎么获取，创建也好，使用注册表也好，使用享元也好，这个就要看具体业务了)的状态对象的。所以状态与状态之间是互相依赖的，耦合度是比较紧的。

  上下文(Context)依赖于状态，而状态又依赖于上下文。比如从A状态，过渡到B状态，A状态先获取一个B状态，之后要找到上下文，把上下文的状态给修改掉。所以上下文下状态之间是互相依赖的，耦合度也是比较紧的。

第三部分 总结

综上所述，策略模式实现起来比较简单，是真正利用了面向对象的多态技术，完成了算法的互换使用，并且既遵循了高内聚，又遵循了松耦合的设计原则。

而状态模式实现起来比较复杂，其亦是利用了面向对象的多态技术，完成状态与状态之间的过渡。虽然状态模式遵循了高内聚的设计原则，但却破坏了松耦合原则。

两者都是通过内聚，提升了灵活性，可维护性和可扩展性。但归根结底，两者的区别就在于:策略模式是松耦合、状态模式是紧耦合。

打完收工