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状态模式

状态模式

作者: 迷心迷 | 来源:发表于2019-11-22 18:38 被阅读0次

    在软件开发过程中，应用程序中的有些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，其内部状态会发生改变，从而使得其行为也随之发生改变。如人的情绪有高兴的时候和伤心的时候，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 语句来做状态判断，再进行不同情况的处理。但当对象的状态很多时，程序会变得很复杂。而且增加新的状态要添加新的 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，放到一系列的状态类当中，这样可以把原来复杂的逻辑判断简单化。

    状态模式的定义与特点

    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。

    状态模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下。

    1. 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”。
    2. 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。
    3. 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。

    状态模式的主要缺点如下。

    1. 状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数。
    2. 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。

    状态模式的结构与实现

    状态模式把受环境改变的对象行为包装在不同的状态对象里，其意图是让一个对象在其内部状态改变的时候，其行为也随之改变。现在我们来分析其基本结构和实现方法。

    1. 模式的结构

    状态模式包含以下主要角色。

    1. 环境（Context）角色：也称为上下文，它定义了客户感兴趣的接口，维护一个当前状态，并将与状态相关的操作委托给当前状态对象来处理。
    2. 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。
    3. 具体状态（Concrete State）角色：实现抽象状态所对应的行为。

    其结构图如图 1 所示。

    状态模式的结构图

    图1 状态模式的结构图

    2. 模式的实现

    状态模式的实现代码如下：

    
1.  package  state;
2.  public class  StatePatternClient
3.  {
4.  public static void main(String[] args)
5.  {       
6.  Context  context=new Context();    //创建环境 
7.  context.Handle();    //处理请求
8.  context.Handle();
9.  context.Handle();
10.  context.Handle();
11.  }
12.  }
13.  //环境类
14.  class  Context
15.  {
16.  private State  state;
17.  //定义环境类的初始状态
18.  public Context()
19.  {
20.  this.state=new ConcreteStateA();
21.  }
22.  //设置新状态
23.  public void setState(State  state)
24.  {
25.  this.state=state;
26.  }
27.  //读取状态
28.  public State  getState()
29.  {
30.  return(state);
31.  }
32.  //对请求做处理
33.  public void Handle()
34.  {
35.  state.Handle(this);
36.  }
37.  }
38.  //抽象状态类
39.  abstract class  State
40.  {
41.  public abstract void Handle(Context  context);
42.  }
43.  //具体状态A类
44.  class  ConcreteStateA extends State
45.  {
46.  public void Handle(Context  context)
47.  {
48.  System.out.println("当前状态是 A.");
49.  context.setState(new ConcreteStateB());
50.  }
51.  }
52.  //具体状态B类
53.  class  ConcreteStateB extends State
54.  {
55.  public void Handle(Context  context)
56.  {
57.  System.out.println("当前状态是 B.");
58.  context.setState(new ConcreteStateA());
59.  }
60.  }

    程序运行结果如下：

    <pre class="info-box">当前状态是 A.
    当前状态是 B.
    当前状态是 A.
    当前状态是 B.</pre>

    状态模式的应用实例

    【例1】用“状态模式”设计一个学生成绩的状态转换程序。

    分析：本实例包含了“不及格”“中等”和“优秀” 3 种状态，当学生的分数小于 60 分时为“不及格”状态，当分数大于等于 60 分且小于 90 分时为“中等”状态，当分数大于等于 90 分时为“优秀”状态，我们用状态模式来实现这个程序。

    首先，定义一个抽象状态类（AbstractState），其中包含了环境属性、状态名属性和当前分数属性，以及加减分方法 addScore(intx) 和检查当前状态的抽象方法 checkState()；然后，定义“不及格”状态类 LowState、“中等”状态类 MiddleState 和“优秀”状态类 HighState，它们是具体状态类，实现 checkState() 方法，负责检査自己的状态，并根据情况转换；最后，定义环境类（ScoreContext），其中包含了当前状态对象和加减分的方法 add(int score)，客户类通过该方法来改变成绩状态。图 2 所示是其结构图。

    学生成绩的状态转换程序的结构图

    图2 学生成绩的状态转换程序的结构图

    程序代码如下：

    
1.  package  state;
2.  public class  ScoreStateTest
3.  {
4.  public static void main(String[] args)
5.  {
6.  ScoreContext  account=new ScoreContext();
7.  System.out.println("学生成绩状态测试：");
8.  account.add(30);
9.  account.add(40);
10.  account.add(25);
11.  account.add(-15);
12.  account.add(-25);
13.  }
14.  }
15.  //环境类
16.  class  ScoreContext
17.  {
18.  private AbstractState  state;
19.  ScoreContext()
20.  {
21.  state=new LowState(this);
22.  }
23.  public void setState(AbstractState  state)
24.  {
25.  this.state=state;
26.  }
27.  public AbstractState  getState()
28.  {
29.  return state;
30.  }   
31.  public void add(int score)
32.  {
33.  state.addScore(score);
34.  }
35.  }
36.  //抽象状态类
37.  abstract class  AbstractState
38.  {
39.  protected ScoreContext  hj;  //环境
40.  protected String  stateName; //状态名
41.  protected int score; //分数
42.  public abstract void checkState(); //检查当前状态
43.  public void addScore(int x)
44.  {
45.  score+=x;       
46.  System.out.print("加上："+x+"分，\t当前分数："+score );
47.  checkState();
48.  System.out.println("分，\t当前状态："+hj.getState().stateName);
49.  }   
50.  }
51.  //具体状态类：不及格
52.  class  LowState extends AbstractState
53.  {
54.  public LowState(ScoreContext  h)
55.  {
56.  hj=h;
57.  stateName="不及格";
58.  score=0;
59.  }
60.  public LowState(AbstractState  state)
61.  {
62.  hj=state.hj;
63.  stateName="不及格";
64.  score=state.score;
65.  }
66.  public void checkState()
67.  {
68.  if(score>=90)
69.  {
70.  hj.setState(new HighState(this));
71.  }
72.  else if(score>=60)
73.  {
74.  hj.setState(new MiddleState(this));
75.  }
76.  }   
77.  }
78.  //具体状态类：中等
79.  class  MiddleState extends AbstractState
80.  {
81.  public MiddleState(AbstractState  state)
82.  {
83.  hj=state.hj;
84.  stateName="中等";
85.  score=state.score;
86.  }
87.  public void checkState()
88.  {
89.  if(score<60)
90.  {
91.  hj.setState(new LowState(this));
92.  }
93.  else if(score>=90)
94.  {
95.  hj.setState(new HighState(this));
96.  }
97.  }
98.  }
99.  //具体状态类：优秀
100.  class  HighState extends AbstractState
101.  {
102.  public HighState(AbstractState  state)
103.  {
104.  hj=state.hj;
105.  stateName="优秀";
106.  score=state.score;
107.  }           
108.  public void checkState()
109.  {
110.  if(score<60)
111.  {
112.  hj.setState(new LowState(this));
113.  }
114.  else if(score<90)
115.  {
116.  hj.setState(new MiddleState(this));
117.  }
118.  }
119.  }

    程序运行结果如下：

    <pre class="info-box">学生成绩状态测试：
    加上：30分， 当前分数：30分， 当前状态：不及格
    加上：40分， 当前分数：70分， 当前状态：中等
    加上：25分， 当前分数：95分， 当前状态：优秀
    加上：-15分， 当前分数：80分， 当前状态：中等
    加上：-25分， 当前分数：55分， 当前状态：不及格</pre>

    【例2】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，其状态转换规律如图 3 所示。

    线程状态转换图

    图3 线程状态转换图

    现在先定义一个抽象状态类（TheadState），然后为图 3 所示的每个状态设计一个具体状态类，它们是新建状态（New）、就绪状态（Runnable ）、运行状态（Running）、阻塞状态（Blocked）和死亡状态（Dead），每个状态中有触发它们转变状态的方法，环境类（ThreadContext）中先生成一个初始状态（New），并提供相关触发方法，图 4 所示是线程状态转换程序的结构图。

    线程状态转换程序的结构图

    图4 线程状态转换程序的结构图

    程序代码如下：

    
1.  package  state;
2.  public class  ThreadStateTest
3.  {
4.  public static void main(String[] args)
5.  {
6.  ThreadContext  context=new ThreadContext();
7.  context.start();
8.  context.getCPU();
9.  context.suspend();
10.  context.resume();
11.  context.getCPU();
12.  context.stop();
13.  }
14.  }
15.  //环境类
16.  class  ThreadContext
17.  {
18.  private ThreadState  state;
19.  ThreadContext()
20.  {
21.  state=new New();
22.  }
23.  public void setState(ThreadState  state)
24.  {
25.  this.state=state;
26.  }
27.  public ThreadState  getState()
28.  {
29.  return state;
30.  }   
31.  public void start()
32.  {
33.  ((New) state).start(this);
34.  }
35.  public void getCPU()
36.  {
37.  ((Runnable) state).getCPU(this);
38.  }
39.  public void suspend()
40.  {
41.  ((Running) state).suspend(this);
42.  }
43.  public void stop()
44.  {
45.  ((Running) state).stop(this);
46.  }
47.  public void resume()
48.  {
49.  ((Blocked) state).resume(this);
50.  }
51.  }
52.  //抽象状态类：线程状态
53.  abstract class  ThreadState
54.  {
55.  protected String  stateName; //状态名
56.  }
57.  //具体状态类：新建状态
58.  class  New extends ThreadState
59.  {
60.  public New()
61.  {       
62.  stateName="新建状态";
63.  System.out.println("当前线程处于：新建状态.");   
64.  }
65.  public void start(ThreadContext  hj)
66.  {
67.  System.out.print("调用start()方法-->");
68.  if(stateName.equals("新建状态"))
69.  {
70.  hj.setState(new Runnable());
71.  }
72.  else
73.  {
74.  System.out.println("当前线程不是新建状态，不能调用start()方法.");
75.  }
76.  }   
77.  }
78.  //具体状态类：就绪状态
79.  class  Runnable extends ThreadState
80.  {
81.  public Runnable()
82.  {       
83.  stateName="就绪状态";
84.  System.out.println("当前线程处于：就绪状态.");   
85.  }
86.  public void getCPU(ThreadContext  hj)
87.  {
88.  System.out.print("获得CPU时间-->");
89.  if(stateName.equals("就绪状态"))
90.  {
91.  hj.setState(new Running());
92.  }
93.  else
94.  {
95.  System.out.println("当前线程不是就绪状态，不能获取CPU.");
96.  }
97.  }   
98.  }
99.  //具体状态类：运行状态
100.  class  Running extends ThreadState
101.  {
102.  public Running()
103.  {       
104.  stateName="运行状态";
105.  System.out.println("当前线程处于：运行状态.");   
106.  }
107.  public void suspend(ThreadContext  hj)
108.  {
109.  System.out.print("调用suspend()方法-->");
110.  if(stateName.equals("运行状态"))
111.  {
112.  hj.setState(new Blocked());
113.  }
114.  else
115.  {
116.  System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用suspend()方法.");
117.  }
118.  }
119.  public void stop(ThreadContext  hj)
120.  {
121.  System.out.print("调用stop()方法-->");
122.  if(stateName.equals("运行状态"))
123.  {
124.  hj.setState(new Dead());
125.  }
126.  else
127.  {
128.  System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用stop()方法.");
129.  }
130.  }
131.  }
132.  //具体状态类：阻塞状态
133.  class  Blocked extends ThreadState
134.  {
135.  public Blocked()
136.  {       
137.  stateName="阻塞状态";
138.  System.out.println("当前线程处于：阻塞状态.");   
139.  }
140.  public void resume(ThreadContext  hj)
141.  {
142.  System.out.print("调用resume()方法-->");
143.  if(stateName.equals("阻塞状态"))
144.  {
145.  hj.setState(new Runnable());
146.  }
147.  else
148.  {
149.  System.out.println("当前线程不是阻塞状态，不能调用resume()方法.");
150.  }
151.  }   
152.  }
153.  //具体状态类：死亡状态
154.  class  Dead extends ThreadState
155.  {
156.  public Dead()
157.  {
158.  stateName="死亡状态";
159.  System.out.println("当前线程处于：死亡状态.");   
160.  }   
161.  }

    程序运行结果如下：

    <pre class="info-box">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.</pre>

    状态模式的应用场景

    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。

    状态模式的扩展

    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，其结构图如图 5 所示。

    共享状态模式的结构图

    图5 共享状态模式的结构图

    分析：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，其程序代码如下：

    
package  state;
 import  java.util.HashMap;
 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();
  }
 }
 //环境类
  class  ShareContext
 {
 private ShareState  state;
  private HashMap<String, ShareState>  stateSet=new HashMap<String, ShareState>();
 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);
}
}
//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"));
 }
 }

    程序运行结果如下：

    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

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