GOF设计模式-对象行为型模式-状态模式

处理对象的多种状态及其相互转换——状态模式

“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”，包括人在内，很多事物都具有多种状态，而且在不同状态下 会具有不同的行为，这些状态在特定条件下还将发生相互转换。就像水，它可以凝固成冰， 也可以受热蒸发后变成水蒸汽，水可以流动，冰可以雕刻，蒸汽可以扩散。我们可以用UML 状态图来描述H2O的三种状态，如图所示：

 

在软件系统中，有些对象也像水一样具有多种状态，这些状态在某些情况下能够相互转换， 而且对象在不同的状态下也将具有不同的行为。为了更好地对这些具有多种状态的对象进行 设计，我们可以使用一种被称之为状态模式的设计模式，本章我们将学习用于描述对象状态 及其转换的状态模式。

状态模式概述

状态模式用于解决系统中复杂对象的状态转换以及不同状态下行为的封装问题。当系统中某 个对象存在多个状态，这些状态之间可以进行转换，而且对象在不同状态下行为不相同时可 以使用状态模式。状态模式将一个对象的状态从该对象中分离出来，封装到专门的状态类 中，使得对象状态可以灵活变化，对于客户端而言，无须关心对象状态的转换以及对象所处 的当前状态，无论对于何种状态的对象，客户端都可以一致处理。

状态模式定义如下：

状态模式(State Pattern)：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。其别名为状态对象(Objects for States)，状态模式是一种对象行为型模式。
在状态模式中引入了抽象状态类和具体状态类，它们是状态模式的核心，其结构如图所示：

 

在状态模式结构图中包含如下几个角色：

● Context（环境类）：环境类又称为上下文类，它是拥有多种状态的对象。由于环境类的状 态存在多样性且在不同状态下对象的行为有所不同，因此将状态独立出去形成单独的状态 类。在环境类中维护一个抽象状态类State的实例，这个实例定义当前状态，在具体实现时， 它是一个State子类的对象。
● State（抽象状态类）：它用于定义一个接口以封装与环境类的一个特定状态相关的行为，在 抽象状态类中声明了各种不同状态对应的方法，而在其子类中实现类这些方法，由于不同状 态下对象的行为可能不同，因此在不同子类中方法的实现可能存在不同，相同的方法可以写 在抽象状态类中。

● ConcreteState（具体状态类）：它是抽象状态类的子类，每一个子类实现一个与环境类的一 个状态相关的行为，每一个具体状态类对应环境的一个具体状态，不同的具体状态类其行为 有所不同。

 

环境角色类

public class Context { //持有一个State类型的对象实例 private State state; public void setState(State state) { this.state = state; } /** * 用户感兴趣的接口方法 */ public void request(String sampleParameter) { //转调state来处理 state.handle(sampleParameter); } }

抽象状态类

public interface State { /** * 状态对应的处理 */ public void handle(String sampleParameter); }

具体状态类

public class ConcreteStateA implements State { @Override public void handle(String sampleParameter) { System.out.println("ConcreteStateA handle ：" + sampleParameter); } }

 

public class ConcreteStateB implements State { @Override public void handle(String sampleParameter) { System.out.println("ConcreteStateB handle ：" + sampleParameter); } }

客户端类

public class Client { public static void main(String[] args){ //创建状态 State state = new ConcreteStateB(); //创建环境 Context context = new Context(); //将状态设置到环境中 context.setState(state); //请求 context.request("test"); } }

 

举个投票的例子看下状态模式具体使用场景：

　　考虑一个在线投票系统的应用，要实现控制同一个用户只能投一票，如果一个用户反复投票，而且投票次数超过5次，则判定为恶意刷票，要取消该用户投票的资格，当然同时也要取消他所投的票；如果一个用户的投票次数超过8次，将进入黑名单，禁止再登录和使用系统。

　　要使用状态模式实现，首先需要把投票过程的各种状态定义出来，根据以上描述大致分为四种状态：正常投票、反复投票、恶意刷票、进入黑名单。然后创建一个投票管理对象（相当于Context）。

　　系统的结构图如下所示：

 

抽象状态类

public interface VoteState { /** * 处理状态对应的行为 * @param user 投票人 * @param voteItem 投票项 * @param voteManager 投票上下文，用来在实现状态对应的功能处理的时候， * 可以回调上下文的数据 */ public void vote(String user,String voteItem,VoteManager voteManager); }

具体状态类——正常投票

public class NormalVoteState implements VoteState { @Override public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) { //正常投票，记录到投票记录中 voteManager.getMapVote().put(user, voteItem); System.out.println("恭喜投票成功"); } }

具体状态类——重复投票

public class RepeatVoteState implements VoteState { @Override public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) { //重复投票，暂时不做处理 System.out.println("请不要重复投票"); } }

具体状态类——恶意刷票

public class SpiteVoteState implements VoteState { @Override public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) { // 恶意投票，取消用户的投票资格，并取消投票记录 String str = voteManager.getMapVote().get(user); if(str != null){ voteManager.getMapVote().remove(user); } System.out.println("你有恶意刷屏行为，取消投票资格"); } }

具体状态类——黑名单

public class BlackVoteState implements VoteState { @Override public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) { //记录黑名单中，禁止登录系统 System.out.println("进入黑名单，将禁止登录和使用本系统"); } }

环境类

public class VoteManager { //持有状体处理对象 private VoteState state = null; //记录用户投票的结果，Map<String,String>对应Map<用户名称，投票的选项> private Map<String,String> mapVote = new HashMap<String,String>(); //记录用户投票次数，Map<String,Integer>对应Map<用户名称，投票的次数> private Map<String,Integer> mapVoteCount = new HashMap<String,Integer>(); /** * 获取用户投票结果的Map */ public Map<String, String> getMapVote() { return mapVote; } /** * 投票 * @param user 投票人 * @param voteItem 投票的选项 */ public void vote(String user,String voteItem){ //1.为该用户增加投票次数 //从记录中取出该用户已有的投票次数 Integer oldVoteCount = mapVoteCount.get(user); if(oldVoteCount == null){ oldVoteCount = 0; } oldVoteCount += 1; mapVoteCount.put(user, oldVoteCount); //2.判断该用户的投票类型，就相当于判断对应的状态 //到底是正常投票、重复投票、恶意投票还是上黑名单的状态 if(oldVoteCount == 1){ state = new NormalVoteState(); } else if(oldVoteCount > 1 && oldVoteCount < 5){ state = new RepeatVoteState(); } else if(oldVoteCount >= 5 && oldVoteCount <8){ state = new SpiteVoteState(); } else if(oldVoteCount > 8){ state = new BlackVoteState(); } //然后转调状态对象来进行相应的操作 state.vote(user, voteItem, this); } }

客户端类

public class Client { public static void main(String[] args) { VoteManager vm = new VoteManager(); for(int i=0;i<9;i++){ vm.vote("u1","A"); } } }

运行结果如下：

 

状态模式总结

状态模式将一个对象在不同状态下的不同行为封装在一个个状态类中，通过设置不同的状态 对象可以让环境对象拥有不同的行为，而状态转换的细节对于客户端而言是透明的，方便了 客户端的使用。在实际开发中，状态模式具有较高的使用频率，在工作流和游戏开发中状态 模式都得到了广泛的应用，例如公文状态的转换、游戏中角色的升级等。
1. 主要优点
状态模式的主要优点如下：
(1) 封装了状态的转换规则，在状态模式中可以将状态的转换代码封装在环境类或者具体状态 类中，可以对状态转换代码进行集中管理，而不是分散在一个个业务方法中。
(2) 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，只需要注入一个不同的状态对象即可使环境 对象拥有不同的行为。
(3) 允许状态转换逻辑与状态对象合成一体，而不是提供一个巨大的条件语句块，状态模式可 以让我们避免使用庞大的条件语句来将业务方法和状态转换代码交织在一起。
(4) 可以让多个环境对象共享一个状态对象，从而减少系统中对象的个数。
1. 主要缺点
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中类和对象的个数，导致系统运行开销增大。
(2) 状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱，增加系 统设计的难度。
(3) 状态模式对“开闭原则”的支持并不太好，增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源 代码，否则无法转换到新增状态；而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。
1. 适用场景
在以下情况下可以考虑使用状态模式：
(1) 对象的行为依赖于它的状态（如某些属性值），状态的改变将导致行为的变化。
(2) 在代码中包含大量与对象状态有关的条件语句，这些条件语句的出现，会导致代码的可维 护性和灵活性变差，不能方便地增加和删除状态，并且导致客户类与类库之间的耦合增强。