状态模式

1. 什么是状态模式

允许一个对象在其内部状态发生改变时改变其行为，使这个对象看上去就像改变了它的类型一样。如水一般，状态即事物所处的某一种形态。状态模式是说一个对象在其内部状态发生改变时，其表现的行为和外在属性不一样，这个对象看上去就像改变了它的类型一样。因此，状态模式又称为对象的行为模式。就像水有三种不同状态：冰、水、水蒸气。三种不同的状态有着完全不一样的外在特性：

• 冰，质坚硬，无流动性，表面光滑；
• 水，具有流动性；
• 水蒸气，质轻，肉眼看不见，却存在于空气中。

这三种状态的特性相差巨大，简直就不像是同一种东西，但事实却是不管它在什么状态，其内部组成都是一样的，都是水分子（H20）

2. 水模拟状态模式的例子

分析：

• 从对象的角度来考虑会有哪个类，首先不管它是什么状态，对象始终是水（H2O），所以会有一Water类；
• 而它又有三种状态，我们可以定义三个状态类：SolidState、LiquidState、GaseousState；
• 从SolidState、LiquidState、GaseousState这三个单词中我们会发现都有一个State后缀，于是我们会想它们之间是否有一些共性，能否提取出一个更抽象的类，这个类就是状态类（State）

类图

image.png

代码实现

• 水类

from abc import ABCMeta, abstractmethod
# 引入ABCMeta和abstractmethod来定义抽象类和抽象方法

class Water:
    """水(H2O)"""

    def __init__(self, state):
        self.__temperature = 25 # 默认25℃常温
        self.__state = state # 水的状态

    def setState(self, state): # 设置水温
        self.__state = state

    def changeState(self, state): # 状态改变
        if (self.__state):
            print("由", self.__state.getName(), "变为", state.getName())
        else:
            print("初始化为", state.getName())
        self.__state = state

    def getTemperature(self): # 获取温度
        return self.__temperature

    def setTemperature(self, temperature): # 设置温度
        self.__temperature = temperature
        if (self.__temperature <= 0):
            self.changeState(SolidState("固态"))
        elif (self.__temperature <= 100):
            self.changeState(LiquidState("液态"))
        else:
            self.changeState(GaseousState("气态"))

    def riseTemperature(self, step): # 升温
        self.setTemperature(self.__temperature + step)

    def reduceTemperature(self, step): # 降温
        self.setTemperature(self.__temperature - step)

    def behavior(self):
        self.__state.behavior(self)

• 状态基类

class State(metaclass=ABCMeta):
    """状态类"""

    def __init__(self, name):
        self.__name = name

    def getName(self):
        return self.__name

    @abstractmethod
    def behavior(self, water):
        """不同状态下的行为"""
        pass

• 三种状态类

class SolidState(State):
    """固态"""

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)

    def behavior(self, water):
        print("我性格高冷，当前体温" + str(water.getTemperature()) +
              "℃，我坚如钢铁，仿如一冷血动物，请用我砸人，嘿嘿……")


class LiquidState(State):
    """液态"""

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)

    def behavior(self, water):
        print("我性格温和，当前体温" + str(water.getTemperature()) +
              "℃，我可滋润万物，饮用我可让你活力倍增……")


class GaseousState(State):
    """气态"""

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)

    def behavior(self, water):
        print("我性格热烈，当前体温" + str(water.getTemperature()) +
              "℃，飞向天空是我毕生的梦想，在这你将看不到我的存在，我将达到无我的境界……")

• 测试

def testState():
    water = Water(LiquidState("液态"))
    water.behavior()
    water.setTemperature(-4)
    water.behavior()
    water.riseTemperature(18)
    water.behavior()
    water.riseTemperature(110)
    water.behavior()

• 测试结果

我性格温和，当前体温25℃，我可滋润万物，饮用我可让你活力倍增……
由 液态 变为 固态
我性格高冷，当前体温-4℃，我坚如钢铁，仿如一冷血动物，请用我砸人，嘿嘿……
由 固态 变为 液态
我性格温和，当前体温14℃，我可滋润万物，饮用我可让你活力倍增……
由 液态 变为 气态
我性格热烈，当前体温124℃，飞向天空是我毕生的梦想，在这你将看不到我的存在，我将达到无我的境界……

以上代码实现的不足之处

• Water的setTemperature（self,temperature）方法不符合程序设计中的开放封闭原则。虽然水只有三种状态，但在其他的应用场景中可能会有更多的状态，如果要再加一个状态（State），则要在SetTemperature中再加一个if else判断。
• 表示状态的类应该只会有一个实例，因为不可能出现“固态1”“固态2”的情形，所以状态类的实现要使用单例。

3. 状态模式的框架模型

代码实现

• 上下文环境类

from abc import ABCMeta, abstractmethod
# 引入ABCMeta和abstractmethod来定义抽象类和抽象方法

class Context(metaclass=ABCMeta):
    """状态模式的上下文环境类"""

    def __init__(self):
        self.__states = []
        self.__curState = None
        # 状态发生变化依赖的属性, 当这一变量由多个变量共同决定时可以将其单独定义成一个类
        self.__stateInfo = 0

    def addState(self, state):
        if (state not in self.__states):
            self.__states.append(state)

    def changeState(self, state):
        if (state is None):
            return False
        if (self.__curState is None):
            print("初始化为", state.getName())
        else:
            print("由", self.__curState.getName(), "变为", state.getName())
        self.__curState = state
        self.addState(state)
        return True

    def getState(self):
        return self.__curState

    def _setStateInfo(self, stateInfo):
        self.__stateInfo = stateInfo
        for state in self.__states:
            if( state.isMatch(stateInfo) ):
                self.changeState(state)

    def _getStateInfo(self):
        return self.__stateInfo

• 状态的基类

class State:
    """状态的基类"""

    def __init__(self, name):
        self.__name = name

    def getName(self):
        return self.__name

    def isMatch(self, stateInfo):
        "状态的属性stateInfo是否在当前的状态范围内"
        return False

    @abstractmethod
    def behavior(self, context): #状态的行为，抽象接口等待子类去实现
        pass

框架类图

image.png

• State是抽象状态类（基类），负责状态的定义和接口的统一。
• StateA和StateB是具体的状态类，如SolidState、LiquidState 、GaseousState。
• Context是上下文环境类，负责具体状态的切换

4.基于框架的优化后H20的例子

• Water继承Context

class Water(Context):
    """水(H2O)"""

    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.addState(SolidState("固态"))
        self.addState(LiquidState("液态"))
        self.addState(GaseousState("气态"))
        self.setTemperature(25)

    def getTemperature(self):
        return self._getStateInfo()

    def setTemperature(self, temperature):
        self._setStateInfo(temperature)

    def riseTemperature(self, step):
        self.setTemperature(self.getTemperature() + step)

    def reduceTemperature(self, step):
        self.setTemperature(self.getTemperature() - step)

    def behavior(self):
        state = self.getState()
        if(isinstance(state, State)):
            state.behavior(self)

• 单例的装饰器

def singleton(cls, *args, **kwargs):
    "构造一个单例的装饰器"
    instance = {}

    def __singleton(*args, **kwargs):
        if cls not in instance:
            instance[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instance[cls]

    return __singleton

• 具体状态类

@singleton
class SolidState(State):
    """固态"""

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)

    def isMatch(self, stateInfo):
        return stateInfo < 0

    def behavior(self, context):
        print("我性格高冷，当前体温", context._getStateInfo(),
              "℃，我坚如钢铁，仿如一冷血动物，请用我砸人，嘿嘿……")


@singleton
class LiquidState(State):
    """液态"""

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)

    def isMatch(self, stateInfo):
        return (stateInfo >= 0 and stateInfo < 100)

    def behavior(self, context):
        print("我性格温和，当前体温", context._getStateInfo(),
              "℃，我可滋润万物，饮用我可让你活力倍增……")

@singleton
class GaseousState(State):
    """气态"""

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)

    def isMatch(self, stateInfo):
        return stateInfo >= 100

    def behavior(self, context):
        print("我性格热烈，当前体温", context._getStateInfo(),
              "℃，飞向天空是我毕生的梦想，在这你将看不到我的存在，我将达到无我的境界……")

• 测试代码

def testState():
    water = Water()
    water.behavior()
    water.setTemperature(-4)
    water.behavior()
    water.riseTemperature(18)
    water.behavior()
    water.riseTemperature(110)
    water.behavior()

• 测试结果

初始化为 液态
我性格温和，当前体温 25 ℃，我可滋润万物，饮用我可让你活力倍增……
由 液态 变为 固态
我性格高冷，当前体温 -4 ℃，我坚如钢铁，仿如一冷血动物，请用我砸人，嘿嘿……
由 固态 变为 液态
我性格温和，当前体温 14 ℃，我可滋润万物，饮用我可让你活力倍增……
由 液态 变为 气态
我性格热烈，当前体温 124 ℃，飞向天空是我毕生的梦想，在这你将看不到我的存在，我将达到无我的境界……

5.状态模式技术要点总结

设计注意点：

• 在实现状态模式的时候，实现的场景状态有时候会非常复杂，决定状态变化的因素也非常多，我们可以把决定状态变化的属性单独抽象成一个类 StateInfo，这样判断状态属性是否符合当前的状态isMatch时就可以传入更多的信息。
• 每一种状态应当只有唯一的实例。

状态模式的优缺点

优点：

• 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中，对状态转换代码进行集中管理，而不是分散在一个个业务逻辑中。
• 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中（称为状态类），使开发人员只专注于该状态下的逻辑开发。
• 允许状态转换逻辑与状态对象合为一体，使用时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。

缺点：

• 会增加系统类和对象的个数。
• 状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当容易导致程序结构和代码的混乱。

6.状态模式应用场景

• 一个对象的行为取决于它的状态，并且它在运行时可能经常改变它的状态，从而改变它的行为。
• 一个操作中含有庞大的多分支的条件语句，这些分支依赖于该对象的状态，且每一个分支的业务逻辑都非常复杂时，我们可以使用状态模式来拆分不同的分支逻辑，使程序有更好的可读性和可维护性。