专题 - 设计模式 - 31 状态模式（详解版）31/41 ---- 未整理

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：

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  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. }

package state;
public class StatePatternClient
{

public static void main(String\[\] args)
{       
    Context context=new Context();    //创建环境       
    context.Handle();    //处理请求
    context.Handle();
    context.Handle();
    context.Handle();
}

}
//环境类
class Context
{

private State state;
//定义环境类的初始状态
public Context()
{
    this.state=new ConcreteStateA();
}
//设置新状态
public void setState(State state)
{
    this.state=state;
}
//读取状态
public State getState()
{
    return(state);
}
//对请求做处理
public void Handle()
{
    state.Handle(this);
}

}
//抽象状态类
abstract class State
{

public abstract void Handle(Context context);

}
//具体状态A类
class ConcreteStateA extends State
{

public void Handle(Context context)
{
    System.out.println("当前状态是 A.");
    context.setState(new ConcreteStateB());
}

}
//具体状态B类
class ConcreteStateB extends State
{

public void Handle(Context context)
{
    System.out.println("当前状态是 B.");
    context.setState(new ConcreteStateA());
}

}

程序运行结果如下：

当前状态是 A.
当前状态是 B.
当前状态是 A.
当前状态是 B.

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：

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  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. }

package state;
public class ScoreStateTest
{

public static void main(String\[\] args)
{
    ScoreContext account=new ScoreContext();
    System.out.println("学生成绩状态测试：");
    account.add(30);
    account.add(40);
    account.add(25);
    account.add(-15);
    account.add(-25);
}

}
//环境类
class ScoreContext
{

private AbstractState state;
ScoreContext()
{
    state=new LowState(this);
}
public void setState(AbstractState state)
{
    this.state=state;
}
public AbstractState getState()
{
    return state;
}   
public void add(int score)
{
    state.addScore(score);
}

}
//抽象状态类
abstract class AbstractState
{

protected ScoreContext hj;  //环境
protected String stateName; //状态名
protected int score; //分数
public abstract void checkState(); //检查当前状态
public void addScore(int x)
{
    score+=x;       
    System.out.print("加上："+x+"分，\\t当前分数："+score );
    checkState();
    System.out.println("分，\\t当前状态："+hj.getState().stateName);
}

}
//具体状态类：不及格
class LowState extends AbstractState
{

public LowState(ScoreContext h)
{
    hj=h;
    stateName="不及格";
    score=0;
}
public LowState(AbstractState state)
{
    hj=state.hj;
    stateName="不及格";
    score=state.score;
}
public void checkState()
{
    if(score>=90)
    {
        hj.setState(new HighState(this));
    }
    else if(score>=60)
    {
        hj.setState(new MiddleState(this));
    }
}

}
//具体状态类：中等
class MiddleState extends AbstractState
{

public MiddleState(AbstractState state)
{
    hj=state.hj;
    stateName="中等";
    score=state.score;
}
public void checkState()
{
    if(score<60)
    {
        hj.setState(new LowState(this));
    }
    else if(score>=90)
    {
        hj.setState(new HighState(this));
    }
}

}
//具体状态类：优秀
class HighState extends AbstractState
{

public HighState(AbstractState state)
{
    hj=state.hj;
    stateName="优秀";
    score=state.score;
}           
public void checkState()
{
    if(score<60)
    {
        hj.setState(new LowState(this));
    }
    else if(score<90)
    {
        hj.setState(new MiddleState(this));
    }
}

}

程序运行结果如下：

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

【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：

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  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. }

package state;
public class ThreadStateTest
{

public static void main(String\[\] args)
{
    ThreadContext context=new ThreadContext();
    context.start();
    context.getCPU();
    context.suspend();
    context.resume();
    context.getCPU();
    context.stop();
}

}
//环境类
class ThreadContext
{

private ThreadState state;
ThreadContext()
{
    state=new New();
}
public void setState(ThreadState state)
{
    this.state=state;
}
public ThreadState getState()
{
    return state;
}   
public void start()
{
    ((New) state).start(this);
}
public void getCPU()
{
    ((Runnable) state).getCPU(this);
}
public void suspend()
{
    ((Running) state).suspend(this);
}
public void stop()
{
    ((Running) state).stop(this);
}
public void resume()
{
    ((Blocked) state).resume(this);
}

}
//抽象状态类：线程状态
abstract class ThreadState
{

protected String stateName; //状态名

}
//具体状态类：新建状态
class New extends ThreadState
{

public New()
{       
    stateName="新建状态";
    System.out.println("当前线程处于：新建状态.");   
}
public void start(ThreadContext hj)
{
    System.out.print("调用start()方法-->");
    if(stateName.equals("新建状态"))
    {
        hj.setState(new Runnable());
    }
    else
    {
        System.out.println("当前线程不是新建状态，不能调用start()方法.");
    }
}

}
//具体状态类：就绪状态
class Runnable extends ThreadState
{

public Runnable()
{       
    stateName="就绪状态";
    System.out.println("当前线程处于：就绪状态.");   
}
public void getCPU(ThreadContext hj)
{
    System.out.print("获得CPU时间-->");
    if(stateName.equals("就绪状态"))
    {
        hj.setState(new Running());
    }
    else
    {
        System.out.println("当前线程不是就绪状态，不能获取CPU.");
    }
}

}
//具体状态类：运行状态
class Running extends ThreadState
{

public Running()
{       
    stateName="运行状态";
    System.out.println("当前线程处于：运行状态.");   
}
public void suspend(ThreadContext hj)
{
    System.out.print("调用suspend()方法-->");
    if(stateName.equals("运行状态"))
    {
        hj.setState(new Blocked());
    }
    else
    {
        System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用suspend()方法.");
    }
}
public void stop(ThreadContext hj)
{
    System.out.print("调用stop()方法-->");
    if(stateName.equals("运行状态"))
    {
        hj.setState(new Dead());
    }
    else
    {
        System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用stop()方法.");
    }
}

}
//具体状态类：阻塞状态
class Blocked extends ThreadState
{

public Blocked()
{       
    stateName="阻塞状态";
    System.out.println("当前线程处于：阻塞状态.");   
}
public void resume(ThreadContext hj)
{
    System.out.print("调用resume()方法-->");
    if(stateName.equals("阻塞状态"))
    {
        hj.setState(new Runnable());
    }
    else
    {
        System.out.println("当前线程不是阻塞状态，不能调用resume()方法.");
    }
}

}
//具体状态类：死亡状态
class Dead extends ThreadState
{

public Dead()
{
    stateName="死亡状态";
    System.out.println("当前线程处于：死亡状态.");   
}

}

程序运行结果如下：

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.

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：

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  1. package state;
  2. import java.util.HashMap;
  3. public class FlyweightStatePattern
  4. {
  5. public static void main(String[] args)
  6. {
  7. ShareContext context=new ShareContext(); //创建环境
  8. context.Handle(); //处理请求
  9. context.Handle();
  10. context.Handle();
  11. context.Handle();
  12. }
  13. }
  14. //环境类
  15. class ShareContext
  16. {
  17. private ShareState state;
  18. private HashMap<String, ShareState> stateSet=new HashMap<String, ShareState>();
  19. public ShareContext()
  20. {
  21. state=new ConcreteState1();
  22. stateSet.put("1", state);
  23. state=new ConcreteState2();
  24. stateSet.put("2", state);
  25. state=getState("1");
  26. }
  27. //设置新状态
  28. public void setState(ShareState state)
  29. {
  30. this.state=state;
  31. }
  32. //读取状态
  33. public ShareState getState(String key)
  34. {
  35. ShareState s=(ShareState)stateSet.get(key);
  36. return s;
  37. }
  38. //对请求做处理
  39. public void Handle()
  40. {
  41. state.Handle(this);
  42. }
  43. }
  44. //抽象状态类
  45. abstract class ShareState
  46. {
  47. public abstract void Handle(ShareContext context);
  48. }
  49. //具体状态1类
  50. class ConcreteState1 extends ShareState
  51. {
  52. public void Handle(ShareContext context)
  53. {
  54. System.out.println("当前状态是： 状态1");
  55. context.setState(context.getState("2"));
  56. }
  57. }
  58. //具体状态2类
  59. class ConcreteState2 extends ShareState
  60. {
  61. public void Handle(ShareContext context)
  62. {
  63. System.out.println("当前状态是： 状态2");
  64. context.setState(context.getState("1"));
  65. }
  66. }

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

Original url: Access
Created at: 2020-09-23 12:21:57
Category: default
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