安卓开发中状态模式的应用

一、状态模式的基本概念

状态模式（State Pattern），又称状态对象模式（State Object Pattern），是一种行为型设计模式，它允许一个对象在其内部状态改变时改变其行为。这个对象看上去就像是改变了它的类一样

状态模式有以下三个角色：

• Context（环境）：定义了客户端需要的接口，并维护一个State的实例，将与状态相关的操作委托给当前的ConcreteState对象来处理。
• State（抽象状态）：定义一个接口，以封装使用Context的一个特定状态相关的行为。
• ConcreteState（具体状态）：实现抽象状态定义的接口。

状态模式的UML图如下：

状态模式的UML图

二、安卓源码中的状态模式实例

安卓源码中有很多使用状态模式的例子，例如WifiManager、AudioManager、TelephonyManager等。这里我们以WifiManager为例，来分析它是如何使用状态模式来管理Wifi连接和断开的过程。

WifiManager是一个系统服务，它提供了管理Wifi连接和扫描附近热点的功能。WifiManager内部有一个名为WifiStateMachine的类，它是一个有限状态机（Finite State Machine），用来控制Wifi连接和断开的逻辑。WifiStateMachine继承自StateMachine类，StateMachine类是一个通用的有限状态机框架，它提供了创建和切换状态的方法。

WifiStateMachine定义了以下几个内部类，分别对应不同的Wifi连接状态：

• DefaultState：默认状态，所有消息都会先经过这个状态处理。
• InitialState：初始状态，当WifiStateMachine创建时进入这个状态。
• SupplicantStartingState：Supplicant启动状态，当打开Wifi时进入这个状态。
• SupplicantStartedState：Supplicant已启动状态，当Supplicant启动成功时进入这个状态。
• DriverStartingState：驱动启动状态，当开始扫描热点时进入这个状态。
• DriverStartedState：驱动已启动状态，当驱动启动成功时进入这个状态。
• ScanModeState：扫描模式状态，当处于扫描热点的过程中时进入这个状态。
• ConnectModeState：连接模式状态，当准备连接某个热点时进入这个状态。
• L2ConnectedState：L2层已连接状态，当与某个热点建立L2层连接时进入这个状态。
• ObtainingIpState：获取IP地址状态，当从某个热点获取IP地址时进入这个状态。
• VerifyingLinkState：验证链接状态，当验证IP地址是否有效时进入这个状态。
• CaptivePortalCheckState：检测门户网站（Captive Portal）状态，当检测是否需要登录门户网站时进入这个状态。
• ConnectedState：已连接状态，当成功连接某个热点并获取网络访问权限时进入这个状态。
• RoamingState：漫游（Roaming）状态，当从一个热点切换到另一个热点时进入这个状态。
• DisconnectingState：断开连接中状态，当主动或被动断开某个热点时进入这个

WifiManager的状态模式UML图

状态模式的优点是：

• 封装了状态转换规则，使状态转换更加清晰和安全。
• 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，方便增加新的状态和修改状态行为。
• 避免使用大量的条件判断语句，提高代码的可读性和可维护性。

状态模式的缺点是：

• 增加了系统中类和对象的个数，增加了系统的复杂度。
• 对开闭原则的支持不太好，如果要增加新的状态或者修改状态转换条件，需要修改源代码。

2.1 Kotlin使用密封类实现

密封类或密封接口可以限制类的继承结构，保证类型安全和可维护性。可以用来实现状态模式，因为它们可以表示一个有限的状态集合，而且可以使用when表达式来匹配不同的状态，并执行相应的操作。

下面是一个使用Kotlin密封类实现状态模式的例子，它模拟了一个电视机和遥控器，电视机有三种状态：开机、关机和待机，每种状态下可以执行不同的操作。

// 密封类
sealed class TVState {
    // 开机状态
    object PowerOn : TVState() {
        fun show() {
            println("电视机已开机，显示画面")
        }
    }

    // 关机状态
    object PowerOff : TVState() {
        fun hide() {
            println("电视机已关机，隐藏画面")
        }
    }

    // 待机状态
    object Standby : TVState() {
        fun dim() {
            println("电视机已待机，画面变暗")
        }
    }
}

// 环境类
class TV(var state: TVState) { // 维持一个密封类对象的引用
    fun powerOn() { // 开机操作
        when (state) { // 根据不同的状态执行不同的操作
            is TVState.PowerOn -> state.show()
            is TVState.PowerOff -> {
                state = TVState.PowerOn // 切换到开机状态
                state.show()
            }
            is TVState.Standby -> {
                state = TVState.PowerOn // 切换到开机状态
                state.show()
            }
        }
    }

    fun powerOff() { // 关机操作
        when (state) { // 根据不同的状态执行不同的操作
            is TVState.PowerOn -> {
                state = TVState.PowerOff // 切换到关机状态
                state.hide()
            }
            is TVState.PowerOff -> state.hide()
            is TVState.Standby -> {
                state = TVState.PowerOff // 切换到关机状态
                state.hide()
            }
        }
    }

    fun standby() { // 待机操作
        when (state) { // 根据不同的状态执行不同的操作
            is TVState.PowerOn -> {
                state = TVState.Standby // 切换到待机状态
                state.dim()
            }
            is TVState.PowerOff -> state.hide()
            is TVState.Standby -> state.dim()
        }
    }
}

// 遥控器类
class RemoteControl(private val tv: TV) { // 持有一个环境对象的引用
    fun pressPowerButton() { // 按下电源键操作
        tv.powerOn() // 调用环境对象的开机操作
    }

    fun pressStandbyButton() { // 按下待机键操作
        tv.standby() // 调用环境对象的待机操作
    }

    fun pressPowerOffButton() { // 按下关机键操作
        tv.powerOff() // 调用环境对象的关机操作
    }
}

fun main() {
    val tv = TV(TVState.PowerOff) // 创建环境对象，初始为关机状态
    val remoteControl = RemoteControl(tv) // 创建遥控器对象，持有环境对象的引用
    remoteControl.pressPowerButton() // 按下电源键操作
    remoteControl.pressStandbyButton() // 按下待机键操作
    remoteControl.pressPowerOffButton() // 按下关机键操作
}

输出结果：

电视机已开机，显示画面
电视机已待机，画面变暗
电视机已关机，隐藏画面

2.2 Kotlin中的状态模式加入协程

// 定义一个枚举类，表示电视机的状态
enum class TVState {
    // 开机状态
    PowerOn {
        override fun handle() {
            println("电视机已开机，显示画面")
        }
    },

    // 关机状态
    PowerOff {
        override fun handle() {
            println("电视机已关机，隐藏画面")
        }
    },

    // 待机状态
    Standby {
        override fun handle() {
            println("电视机已待机，画面变暗")
        }
    };

    // 定义一个抽象方法，用来执行不同状态下的操作
    abstract fun handle()
}

// 定义一个协程上下文元素，用来保存和恢复电视机的状态
class TVContextElement(var state: TVState) : AbstractCoroutineContextElement(Key) {
    companion object Key : CoroutineContext.Key<TVContextElement>
}

// 定义一个协程作用域的扩展函数，用来创建一个带有电视机状态的协程
fun CoroutineScope.tvCoroutine(state: TVState, block: suspend CoroutineScope.() -> Unit): Job {
    return launch(TVContextElement(state)) {
        block()
    }
}

// 定义一个协程上下文元素的扩展函数，用来切换电视机的状态
suspend fun TVContextElement.switchState(newState: TVState) {
    state = newState
}

// 定义一个挂起函数，用来执行电视机的操作
suspend fun handleTV() {
    // 获取当前协程上下文中的电视机状态元素，并执行对应状态下的操作
    coroutineContext[TVContextElement.Key]?.state?.handle()
}

// 定义一个遥控器类，用来控制电视机的协程
class RemoteControl(private val tvJob: Job) {
    fun pressPowerButton() { // 按下电源键操作
        GlobalScope.launch { // 在全局作用域中启动一个新的协程
            tvJob.join() // 等待电视机协程完成
            tvCoroutine(TVState.PowerOn) { // 创建一个新的带有开机状态的电视机协程
                handleTV() // 执行开机操作
            }
        }
    }

    fun pressStandbyButton() { // 按下待机键操作
        GlobalScope.launch { // 在全局作用域中启动一个新的协程
            tvJob.join() // 等待电视机协程完成 原创作者：简书-长点点
            tvCoroutine(TVState.Standby) { // 创建一个新的带有待机状态的电视机协程
                handleTV() // 执行待机操作
            }
        }
    }

    fun pressPowerOffButton() { // 按下关机键操作
        GlobalScope.launch { // 在全局作用域中启动一个新的协程
            tvJob.join() // 等待电视机协程完成
            tvCoroutine(TVState.PowerOff) { // 创建一个新的带有关机状态的电视机协程
                handleTV() // 执行关机操作
            }
        }
    }
}

fun main() {
    val tvJob = GlobalScope.tvCoroutine(TVState.PowerOff) {} // 创建一个初始为关机状态的电视机协程
    val remoteControl = RemoteControl(tvJob) // 创建遥控器对象，持有电视机协程的引用
    remoteControl.pressPowerButton() // 按下电源键操作
    remoteControl.pressStandbyButton() // 按下待机键操作
    remoteControl.pressPowerOffButton() // 按下关机键操作
    GlobalScope.cancel() // 取消全局作用域中的所有协程
}

电视机已开机，显示画面
电视机已待机，画面变暗
电视机已关机，隐藏画面

这个例子中，我使用了Kotlin协程中的状态机的思想，将电视机的状态保存在一个协程上下文元素中，然后使用一个协程构建器来创建一个带有电视机状态的协程，再使用一个挂起函数来切换和执行电视机的状态。遥控器类则是用来控制电视机协程的启动和取消的。这样，每次按下遥控器的按钮时，都会创建一个新的电视机协程，并根据不同的状态执行不同的操作。

2.3 Java接口实现

// Java实现

// 抽象状态类
interface LightState {
    void handle(Light light); // 处理操作
}

// 开灯状态类
class LightOnState implements LightState {
    @Override
    public void handle(Light light) {
        System.out.println("灯已经开了");
        light.setState(new LightOffState()); // 切换到关灯状态
    }
}

// 关灯状态类
class LightOffState implements LightState {
    @Override
    public void handle(Light light) {
        System.out.println("灯已经关了");
        light.setState(new LightOnState()); // 切换到开灯状态
    }
}

// 环境类
class Light {
    private LightState state; // 维持一个抽象状态对象的引用

    public Light(LightState state) { // 构造函数
        this.state = state;
    }

    public void setState(LightState state) { // 设置新状态
        this.state = state;
    }

    public void pressSwitch() { // 按下开关操作
        state.handle(this); // 调用状态方法
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Light light = new Light(new LightOffState()); // 创建环境对象，初始为关灯状态
        light.pressSwitch(); // 按下开关操作
        light.pressSwitch(); // 按下开关操作
    }
}

输出结果：

灯已经关了
灯已经开了

2.4 C++实现

下面是一个使用C++实现的状态模式的例子，它模拟了一个电视机遥控器，电视机有两种状态：开机和关机，每种状态下可以执行不同的操作。

// 抽象状态类
class TVState {
public:
    virtual void handle() = 0; // 处理操作
};

// 开机状态类
class PowerOnState : public TVState {
public:
    void handle() {
        cout << "电视机已开机" << endl;
    }
};

// 关机状态类
class PowerOffState : public TVState {
public:
    void handle() {
        cout << "电视机已关机" << endl;
    }
};

// 环境类
class TVContext {
private:
    TVState* state; // 维持一个抽象状态对象的引用
public:
    TVContext() : state(nullptr) {} // 默认构造函数
    TVContext(TVState* state) : state(state) {} // 构造函数
    ~TVContext() { delete state; } // 析构函数
    void setState(TVState* state) { // 设置新状态
        delete this->state; // 释放旧状态
        this->state = state; // 更改状态
    }
    TVState* getState() { return state; } // 获取当前状态
    void powerOn() { // 开机操作
        setState(new PowerOnState()); // 设置开机状态
        state->handle(); // 调用状态方法
    }
    void powerOff() { // 关机操作
        setState(new PowerOffState()); // 设置关机状态
        state->handle(); // 调用状态方法
    }
};

int main() {
    TVContext* tv = new TVContext(); // 创建环境对象
    tv->powerOn(); // 开机操作
    tv->powerOff(); // 关机操作
    delete tv; // 释放环境对象
    return 0;
}

输出结果：

电视机已开机
电视机已关机

三、与其他相似设计模式对比

• 策略模式
  让对象可以根据自身的选择或配置来选择不同的算法，实现动态地改变对象的行为。
• 模板方法模式
  让子类可以在不改变算法结构的情况下重写某些步骤，实现代码的复用和扩展。
• 命令模式
  将一个请求封装为一个对象，实现请求和执行的解耦和撤销/重做功能。

设计模式	目的	优点	缺点	使用场景
策略模式	定义一组可互换的算法，让对象可以根据自身的选择或配置来选择不同的算法	可以动态地改变对象的行为，增加了对象的灵活性和可扩展性，避免了多重条件语句	增加了系统中类和对象的个数，客户端必须知道不同的算法和它们之间的区别	当一个对象有多种行为，而且这些行为可以相互替换时，例如不同的排序算法、压缩算法、加密算法等
模板方法模式	定义一个算法的骨架，让子类可以在不改变算法结构的情况下重写某些步骤	可以实现代码复用，增加了子类的灵活性和可扩展性，遵循了开闭原则	增加了系统中类和对象的个数，可能导致子类过多或过于复杂，增加了维护成本	当一个算法有固定的步骤，而且这些步骤中有一些可以由子类来实现时，例如不同类型的文档、游戏、窗口等
命令模式	将一个请求封装为一个对象，让不同的请求者或接收者来执行这个请求	可以实现请求和执行的解耦，增加了请求者和接收者之间的灵活性和可扩展性，支持撤销和重做操作	增加了系统中类和对象的个数，可能导致命令过多或过于复杂，增加了维护成本	当需要将请求者和执行者分开，或者需要支持撤销和重做操作时，例如遥控器、撤销/重做、宏命令等