Java设计模式之深入理解状态模式

模式动机

在很多情况下，一个对象的行为取决于一个或多个动态变化的属性，这样的属性叫做状态，这样的对象叫做有状态的(stateful)对象，这样的对象状态是从事先定义好的一系列值中取出的。当一个这样的对象与外部事件产生互动时，其内部状态就会改变，从而使得系统的行为也随之发生变化。

模式定义

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。

模式结构

状态模式包含如下角色：

• Context: 环境类
• State: 抽象状态类
• ConcreteState: 具体状态类

模式类图

模式时序图

既然是状态模式，加上状态图，对状态间的转移理解会更清晰。

模式应用

java.util.Iterator

模式分析

• 状态模式描述了对象状态的变化以及对象如何在每一种状态下表现出不同的行为。
• 状态模式的关键是引入了一个抽象类来专门表示对象的状态，这个类我们叫做抽象状态类，而对象的每一种具体状态类都继承了该类，并在不同具体状态类中实现了不同状态的行为，包括各种状态之间的转换。

在状态模式结构中需要理解环境类与抽象状态类的作用：

• 环境类实际上就是拥有状态的对象，环境类有时候可以充当状态管理器(State Manager)的角色，可以在环境类中对状态进行切换操作。
• 抽象状态类可以是抽象类，也可以是接口，不同状态类就是继承这个父类的不同子类，状态类的产生是由于环境类存在多个状态，同时还满足两个条件： 这些状态经常需要切换，在不同的状态下对象的行为不同。因此可以将不同对象下的行为单独提取出来封装在具体的状态类中，使得环境类对象在其内部状态改变时可以改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类，而实际上是由于切换到不同的具体状态类实现的。由于环境类可以设置为任一具体状态类，因此它针对抽象状态类进行编程，在程序运行时可以将任一具体状态类的对象设置到环境类中，从而使得环境类可以改变内部状态，并且改变行为。

模式优点

• 封装了转换规则。
• 枚举可能的状态，在枚举状态之前需要确定状态种类。
• 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，并且可以方便地增加新的状态，只需要改变对象状态即可改变对象的行为。
• 允许状态转换逻辑与状态对象合成一体，而不是某一个巨大的条件语句块。
• 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。

模式缺点

• 状态模式的使用必然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，如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱。
• 状态模式对“开闭原则”的支持并不太好，对于可以切换状态的状态模式，增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源代码，否则无法切换到新增状态；而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。

模式扩展

共享状态

• 在有些情况下多个环境对象需要共享同一个状态，如果希望在系统中实现多个环境对象实例共享一个或多个状态对象，那么需要将这些状态对象定义为环境的静态成员对象。

简单状态模式与可切换状态的状态模式

1. 简单状态模式：简单状态模式是指状态都相互独立，状态之间无须进行转换的状态模式，这是最简单的一种状态模式。对于这种状态模式，每个状态类都封装与状态相关的操作，而无须关心状态的切换，可以在客户端直接实例化状态类，然后将状态对象设置到环境类中。如果是这种简单的状态模式，它遵循“开闭原则”，在客户端可以针对抽象状态类进行编程，而将具体状态类写到配置文件中，同时增加新的状态类对原有系统也不造成任何影响。
2. 可切换状态的状态模式：大多数的状态模式都是可以切换状态的状态模式，在实现状态切换时，在具体状态类内部需要调用环境类Context的setState()方法进行状态的转换操作，在具体状态类中可以调用到环境类的方法，因此状态类与环境类之间通常还存在关联关系或者依赖关系。通过在状态类中引用环境类的对象来回调环境类的setState()方法实现状态的切换。在这种可以切换状态的状态模式中，增加新的状态类可能需要修改其他某些状态类甚至环境类的源代码，否则系统无法切换到新增状态。

实例代码

实例：报销审核流程

上下文类

/**
 * @author 天启
 * @date 2020-02-24 17:33
 * @description 报销审批状态上下文
 */
public class Context {
    private State state;

    public Context() {
        this.state = new PresidentState();
        state.setContext(this);
    }

    public void changeState(State state) {
        this.state = state;
        this.state.setContext(this);
    }

    /**
     * 审批通过请求
     */
    public void request() {
        this.state.handle();
    }
}

抽象状态类

/**
 * @author 天启
 * @date 2020-02-24 17:33
 * @description 抽象状态类
 */
public abstract class State {

    protected Context context;

    public void setContext(Context context) {
        this.context = context;
    }

    /**
     * 处理方法
     */
    public abstract void handle();
}

具体状态类

总裁审批

/**
 * @author 天启
 * @date 2020-02-24 17:35
 * @description 总裁审批
 */
public class PresidentState extends State {
    @Override
    public void handle() {
        System.out.println("总裁审批通过，下一个主管审批");
        context.changeState(new SupervisorState());
    }
}

主管审批

/**
 * @author 天启
 * @date 2020-02-24 17:34
 * @description 主管审批
 */
public class SupervisorState extends State {
    @Override
    public void handle() {
        System.out.println("主管审批通过，下一个财务审批");
        context.changeState(new FinanceState());
    }
}

财务审核

/**
 * @author 天启
 * @date 2020-02-24 17:34
 * @description 财务审批
 */
public class FinanceState extends State {
    @Override
    public void handle() {
        System.out.println("财务审批通过，执行转账");
    }
}

客户端代码

public class Client {
  public static void main(String args[]) {
      Context context = new Context();
      // 总裁审批通过请求
      context.request();
      // 主管审批通过请求
      context.request();
      // 财务审核通过请求
      context.request();
  }
}

运行结果：

总裁审批通过，下一个主管审批

主管审批通过，下一个财务审批

财务审批通过，执行转账

 

写在最后

学习状态模式花费的时间比较多，不是模式很复杂，也不是难理解，而是因为看完状态模式的类图后，就感觉状态模式与策略模式一样，但是就让是两种设计模式肯定是不一样的。于是就去网络上寻找答案，很多文章讲的状态模式都是不对的，终于在java设计模式之状态模式，策略模式的孪生兄弟这篇文章找到我能接受的答案。

状态模式与策略模式最核心的区别是，状态模式（State Pattern）中，类的行为是基于它的状态改变的，而状态之间的切换是系统控制的，不是客户端控制；而在策略模式中，策略是客户端给的，系统只是根据所给的策略执行对应的行为。简单来说，状态模式中执行的行为是系统控制，策略模式中执行的行为是客户端控制。

本来打算把常用的23种设计模式学习完之后，再逐一整理发文章，但是发现网络上这么多讲解状态模式的都是对的文章，以至于我急迫想把这篇文章分享给大家！

参考：https://design-patterns.readthedocs.io/zh_CN/latest/index.html