设计模式 ——— 状态模式
STATE(状态) ———— 对象行为型模式
意图
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。
状态和行为
所谓对象的状态，通常指的就是对象实例的属性的值；而行为指的就是对象的功能，再具体点说，行为多半可以对应到方法上。
状态模式的功能就是分离状态的行为，通过维护状态的变化，来调用不同的状态对应的不同的功能。
也就是说，状态和行为是相关联的，它们的关系可以描述为：状态决定行为。
由于状态是在运行期被改变的，因此行为也会在运行期，根据状态的改变而改变，看起来，同一个对象，在不同的运行时刻，行为是不一样的，就像是类被修改了一样。
行为的平行性
注意是平行性而不是平等性。所谓平行性指的是各个状态的行为所处的层次是一样的，是根据不同的状态来决定到底走平行线的哪一条，行为是不同的，当然对应的实现也是不同的，相互之间是不可替换的。如图所示：
而平等性强调的是可替换性，大家是同一行为的不同描述或实现，因此在同一个行为发生的时候，可以根据条件来挑选任意一个实现来进行相应的处理。如图所示：
大家可能会发现状态模式的结构和策略模式的结构完全一样，但是，它们的目的、实现、本质都是完全不一样的。这个行为之间的特性也是状态模式和策略模式一个很重要的区别，状态模式的行为是平行性的，不可相互替换的；而策略模式的行为是平等性的，是可以相互替换的。
适用性
在下面的两种情况下均可使用State模式：
① 一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。
② 一个操作中含有庞大的多分支的条件语句，且这些分支依赖于该对象的状态。这个状态通常用一个或多个枚举常量表示。通常，有多个操作包含这一相同的条件结构。State模式将每一个条件分支放入一个独立的类中。这使得你可以根据对象自身的情况将对象的状态作为一个对象，这一对象可以不依赖于其他对象而独立变化。
结构
状态模式结构图.png
-
Context (上下文环境)
定义客户感兴趣的接口
维护一个ConcreteState子类的实例，这个实例定义当前状态。 -
State (状态)
定义一个接口以封装与Context的一个特定状态相关的行为。 -
ConcreteState subclasses (具体状态子类)
每一子类实现一个与Context的一个状态相关的行为。
协作
- Context将与状态相关的请求委托给当前的ConcreteState对象处理。
- Context可将自身作为一个参数传递给处理该请求的状态对象。这使得状态对象在必要时可访问Context。
- Context是客户使用的主要接口。客户可用状态对象来配置一个Context，一旦一个Context配置完毕，它的客户不再需要直接与状态对象打交道。
- Context或ConcreteState子类都可以决定哪个状态是另外哪一个的后续者，以及是在何种条件下进行状态转换。
状态维护和转换控制
所谓状态的维护，指的就是维护状态的数据，就是给状态设置不同的状态值；而状态的转换，指的就是根据状态的变化来选择不同的状态处理对象。在状态模式中，通常有两个地方可以进行状态的维护和转换控制。
一个就是在上下文(Context)当中，因为状态本身通常被实现为上下文对象的状态，因此可以在上下文里面进行状态维护，当然也就可以控制状态的转换了。
另外一个地方就是在状态的处理类(ConcreteState)里面，当每个状态处理对象处理完自身状态所对应的功能后，可以根据需要指定后继的状态，以便让应用能正确处理后续的请求。
状态模式的优缺点
优点
① 简化应用逻辑控制
状态模式使用单独的类来封装一个状态的处理。如果把一个大的程序控制分成很多小块，每块定义一个状态来代表，那么就可以把这些逻辑控制的代码分散到很多单独的状态类当中去，这样就把着眼点从执行状态提高到整个对象的状态，使得代码结构化和意图更清晰，从而简化应用的逻辑控制。
对于依赖于状态的if-else，理论上来讲，也可以改变成应用状态模式来实现，把每个if或else块定义一个状态来代表，那么就可以把块内的功能代码移动到状态处理类去了，从而减少if-else，避免出现巨大的条件语句。
② 更好的分离状态和行为
状态模式通过设置所有状态类的公共接口，把状态和状态对应的行为分离开来，把所有与一个特定的状态相关的行为都放入一个对象中，使得应用程序在控制的时候，只需要关心状态的切换，而不用关心这个状态对应的真正处理。
③ 更好的扩展性
引入了状态处理的公共接口后，使得扩展新的状态变得非常容易，只需要新增加一个实现状态处理的公共接口的实现类，然后在进行状态维护的地方，设置状态变化到这个新的状态即可。
④ 显式化进行状态转换
状态模式为不同的状态引入独立的对象，使得状态的转换变得更加明确。而且状态对象可以保证上下文不会发生内部状态不一致的情况，因为上下文中只有一个变量来记录状态对象，只要为这一个变量赋值就可以了。
缺点
① 引入太多的状态类
状态模式也有一个很明显的缺点，一个状态对应一个状态处理类，会使得程序引入太多的状态类，使程序变得杂乱。
示例
Context类：
public class GumballMachine {
State soldOutState;
State noQuarterState;
State hasQuarterState;
State soldState;
State state = soldOutState;
int count = 0;
public GumballMachine(int numberGumballs) {
soldOutState = new SoldOutState(this);
noQuarterState = new NoQuarterState(this);
hasQuarterState = new HasQuarterState(this);
soldState = new SoldState(this);
this.count = numberGumballs;
if (numberGumballs > 0) {
state = noQuarterState;
}
}
public void insertQuarter() {
state.insertQuarter();
}
public void ejectQuarter() {
state.ejectQuarter();
}
public void turnCrank() {
state.turnCrank();
state.dispense();
}
void setState(State state) {
this.state = state;
}
void releaseBall() {
System.out.println("A gumball comes rolling out the slot...");
if (count != 0) {
count = count - 1;
}
}
int getCount() {
return count;
}
void refill(int count) {
this.count = count;
state = noQuarterState;
}
public State getState() {
return state;
}
public State getSoldOutState() {
return soldOutState;
}
public State getNoQuarterState() {
return noQuarterState;
}
public State getHasQuarterState() {
return hasQuarterState;
}
public State getSoldState() {
return soldState;
}
public String toString() {
StringBuffer result = new StringBuffer();
result.append("\nMighty Gumball, Inc.");
result.append("\nJava-enabled Standing Gumball Model #2004");
result.append("\nInventory: " + count + " gumball");
if (count != 1) {
result.append("s");
}
result.append("\n");
result.append("Machine is " + state + "\n");
return result.toString();
}
}
State接口：
public interface State {
public void insertQuarter();
public void ejectQuarter();
public void turnCrank();
public void dispense();
}
ConcreteState 子类：
public class HasQuarterState implements State {
GumballMachine gumballMachine;
public HasQuarterState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("You can't insert another quarter");
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("Quarter returned");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState());
}
public void turnCrank() {
System.out.println("You turned...");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldState());
}
public void dispense() {
System.out.println("No gumball dispensed");
}
public String toString() {
return "waiting for turn of crank";
}
}
public class NoQuarterState implements State {
GumballMachine gumballMachine;
public NoQuarterState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("You inserted a quarter");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getHasQuarterState());
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("You haven't inserted a quarter");
}
public void turnCrank() {
System.out.println("You turned, but there's no quarter");
}
public void dispense() {
System.out.println("You need to pay first");
}
public String toString() {
return "waiting for quarter";
}
}
public class SoldOutState implements State {
GumballMachine gumballMachine;
public SoldOutState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("You can't insert a quarter, the machine is sold out");
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("You can't eject, you haven't inserted a quarter yet");
}
public void turnCrank() {
System.out.println("You turned, but there are no gumballs");
}
public void dispense() {
System.out.println("No gumball dispensed");
}
public String toString() {
return "sold out";
}
}
public class SoldState implements State {
GumballMachine gumballMachine;
public SoldState(GumballMachine gumballMachine) {
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
public void insertQuarter() {
System.out.println("Please wait, we're already giving you a gumball");
}
public void ejectQuarter() {
System.out.println("Sorry, you already turned the crank");
}
public void turnCrank() {
System.out.println("Turning twice doesn't get you another gumball!");
}
public void dispense() {
gumballMachine.releaseBall();
if (gumballMachine.getCount() > 0) {
gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState());
} else {
System.out.println("Oops, out of gumballs!");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldOutState());
}
}
public String toString() {
return "dispensing a gumball";
}
}
客户测试：
public class GumballMachineTestDrive {
public static void main(String[] args) {
GumballMachine gumballMachine = new GumballMachine(5);
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
gumballMachine.insertQuarter();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
}
}
参考
《Head First 设计模式》
《设计模式：可复用面向对象软件的基础》
《研磨设计模式》
