Java 设计模式——状态模式-CSDN博客

1.概述

【例】通过按钮来控制一个电梯的状态电梯有开门状态关门状态停止状态运行状态。每一种状态改变都有可能要根据其他状态来更新处理。例如如果电梯门现在处于运行时状态就不能进行开门操作而如果电梯门是停止状态就可以执行开门操作。其类图如下

具体实现代码如下

ILift.java

public interface ILift {

    //定义四个电梯状态的常量
    int OPENING_STATE = 1;
    int CLOSING_STATE = 2;
    int RUNNING_STATE = 3;
    int STOPPING_STATE = 4;

    //设置电梯状态的功能
    void setState(int state);

    //电梯操作功能
    void open();
    void close();
    void run();
    void stop();
}

Lift.java

//电梯类(ILift 接口的实现类)
public class Lift implements ILift {

    //声明一个记录当前电梯的状态
    private int state;

    public void setState(int state) {
        this.state = state;
    }

    public void open() {
        switch (state) { //当前电梯状态
            case OPENING_STATE :
                //什么事都不做
                break;
            case CLOSING_STATE :
                System.out.println("电梯打开了...");
                //设置当前电梯状态为开启状态
                setState(OPENING_STATE);
                break;
            case STOPPING_STATE :
                System.out.println("电梯打开了...");
                //设置当前电梯状态为开启状态
                setState(OPENING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE :
                //什么事都不做
                break;
        }
    }

    public void close() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE:
                System.out.println("电梯关门了...");	//只有开门状态可以关闭电梯门可以对应电梯状态表来看
                this.setState(CLOSING_STATE);		//关门之后电梯就是关闭状态了
                break;
            case CLOSING_STATE:
                //do nothing 	//已经是关门状态不能关门
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing 	//运行时电梯门是关着的不能关门
                break;
            case STOPPING_STATE:
                //do nothing 	//停止时电梯也是关着的不能关门
                break;
        }
    }

    public void run() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE:	//电梯不能开着门就走
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE:	//门关了可以运行了
                System.out.println("电梯开始运行了。。。");
                this.setState(RUNNING_STATE);//现在是运行状态
                break;
            case RUNNING_STATE:
                //do nothing 已经是运行状态了
                break;
            case STOPPING_STATE:
                System.out.println("电梯开始运行了。。。");
                this.setState(RUNNING_STATE);
                break;
        }
    }

    public void stop() {
        switch (this.state) {
            case OPENING_STATE: 	//开门的电梯已经是是停止的了(正常情况下)
                //do nothing
                break;
            case CLOSING_STATE:		//关门时才可以停止
                System.out.println("电梯停止了。。。");
                this.setState(STOPPING_STATE);
                break;
            case RUNNING_STATE:		//运行时当然可以停止了
                System.out.println("电梯停止了。。。");
                this.setState(STOPPING_STATE);
                break;
            case STOPPING_STATE:
                //do nothing
                break;
        }
    }
}

Client.java

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建电梯对象
        Lift lift = new Lift();

        //设置当前电梯的状态
        lift.setState(ILift.OPENING_STATE);

        //打开
        lift.open();
        lift.close();
        lift.run();
        lift.stop();
    }
}

问题分析

• 使用了大量的 switch…case 这样的判断换成 if…else 也是一样)使程序的可读性变差。
• 扩展性很差如果新加了断电的状态则需要修改上面的判断逻辑。

2状态模式 (State Pattern) 是一种行为型设计模式它允许在一个对象内部状态改变时改变它的行为。状态模式将状态封装成独立的类并将动作委托给代表当前状态的对象以此实现状态转换时的行为变化。使用状态模式我们可以将状态转换规则封装在不同状态类中让上下文对象从复杂的状态转换逻辑中解耦出来同时利用多态特性让状态转换具有扩展性和灵活性。

2.结构

状态模式包含以下主要角色

• 上下文 (Context) 角色是一个包含状态的对象它在运行时根据不同的状态改变其行为。上下文对象持有一个对当前状态的引用并将具体的操作委托给当前状态对象处理。
• 抽象状态 (Abstract State) 角色定义了一个公共的接口用于封装不同状态的行为。可以是一个抽象类或接口并声明了在不同状态下可能发生的方法。
• 具体状态 (Concrete State) 角色实现了抽象状态接口并定义了在对应状态下具体的行为。每个具体状态类都封装了一种特定状态的行为。

3.案例实现

对上述电梯的案例使用状态模式进行改进。类图如下

具体实现代码如下

3.1.抽象状态类

LiftState.java()

//抽象状态类
public abstract class LiftState {

    //声明环境角色类变量
    protected Context context;

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

    //电梯开启操作
    public abstract void open();

    //电梯关闭操作
    public abstract void close();

    //电梯运行操作
    public abstract void run();

    //电梯停止操作
    public abstract void stop();
}

3.2.具体状态类

OpeningState.java

//电梯开启状态类
public class OpeningState extends LiftState {
    //当前状态要执行的方法
    public void open() {
        System.out.println("电梯开启。。。");
    }

    public void close() {
        //修改状态
        super.context.setLiftState(Context.CLOSING_STATE);
        //调用当前状态中的context中的close方法
        super.context.close();
    }

    public void run() {
        //什么都不做
    }

    public void stop() {
        //什么都不做
    }
}

ClosingState.java

//电梯关闭状态类
public class ClosingState extends LiftState {
    @Override
    //电梯门关闭这是关闭状态要实现的动作
    public void close() {
        System.out.println("电梯门关闭...");
    }

    //电梯门关了再打开逗你玩呢那这个允许呀
    @Override
    public void open() {
        super.context.setLiftState(Context.OPENING_STATE);
        super.context.open();
    }

    //电梯门关了就跑这是再正常不过了
    @Override
    public void run() {
        super.context.setLiftState(Context.RUNNING_STATE);
        super.context.run();
    }

    //电梯门关着我就不按楼层
    @Override
    public void stop() {
        super.context.setLiftState(Context.STOPPING_STATE);
        super.context.stop();
    }
}

RunningState.java

//电梯运行状态类
public class RunningState extends LiftState {
    //运行的时候开电梯门你疯了电梯不会给你开的
    @Override
    public void open() {
        //do nothing
    }

    //电梯门关闭这是肯定了
    @Override
    public void close() {//虽然可以关门但这个动作不归我执行
        //do nothing
    }

    //这是在运行状态下要实现的方法
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("电梯正在运行...");
    }

    //这个事绝对是合理的光运行不停止还有谁敢做这个电梯估计只有上帝了
    @Override
    public void stop() {
        super.context.setLiftState(Context.STOPPING_STATE);
        super.context.stop();
    }
}

StoppingState.java

//电梯停止状态类
public class StoppingState extends LiftState {
    //停止状态开门那是要的
    @Override
    public void open() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.OPENING_STATE);
        //动作委托为CloseState来执行也就是委托给了 ClosingState 子类执行这个动作
        super.context.getLiftState().open();
    }

    @Override
    public void close() {//虽然可以关门但这个动作不归我执行
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.CLOSING_STATE);
        //动作委托为 CloseState 来执行也就是委托给了 ClosingState 子类执行这个动作
        super.context.getLiftState().close();
    }

    //停止状态再跑起来正常的很
    @Override
    public void run() {
        //状态修改
        super.context.setLiftState(Context.RUNNING_STATE);
        //动作委托为 CloseState 来执行也就是委托给了 ClosingState 子类执行这个动作
        super.context.getLiftState().run();
    }

    //停止状态是怎么发生的呢当然是停止方法执行了
    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("电梯停止了...");
    }
}

3.3.上下文类

Context.java

//环境角色类
public class Context {

    //定义对应状态对象的常量
    public final static OpeningState OPENING_STATE = new OpeningState();
    public final static ClosingState CLOSING_STATE = new ClosingState();
    public final static RunningState RUNNING_STATE = new RunningState();
    public final static StoppingState STOPPING_STATE = new StoppingState();

    //定义一个当前电梯状态变量
    private LiftState liftState;

    public LiftState getLiftState() {
        return liftState;
    }

    //设置当前状态对象
    public void setLiftState(LiftState liftState) {
        this.liftState = liftState;
        //设置当前状态对象中的 Context 对象
        this.liftState.setContext(this);
    }

    public void open() {
        this.liftState.open();
    }

    public void close() {
        this.liftState.close();
    }

    public void run() {
        this.liftState.run();
    }

    public void stop() {
        this.liftState.stop();
    }
}

3.4.测试

Client.java

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建环境角色对象
        Context context = new Context();
        //设置当前电梯装填
        context.setLiftState(new ClosingState());

        context.open();
        context.run();
        context.close();
        context.stop();
    }
}

4.优缺点

• 优点
  • 将状态封装成独立的类使得状态转换的逻辑更加清晰避免了大量的条件判断语句。
  • 将状态和状态切换的行为分离使得状态转换的代码可扩展和可维护。增加新的状态类或修改现有的状态类时对上下文对象和其他状态类都没有影响。
  • 增强了代码的可读性和可维护性。每个状态都有自己的类使得代码具备了良好的结构化并且易于理解和修改。
  • 通过引入多态性可以方便地增加新的状态类而不需要修改现有的代码。
• 缺点
  • 如果状态类很多可能会导致类的数量庞大增加了代码的复杂性。
  • 状态类的创建和销毁需要维护和管理可能会增加系统的开销。
  • 当状态转换的逻辑较为简单时使用状态模式可能会显得过于繁琐。

5.使用场景

1状态模式适用于以下情况

• 当一个对象的行为取决于其内部状态并且在不同状态下需要有不同的行为时可以使用状态模式。例如订单状态的改变会导致不同的操作和行为可以使用状态模式来管理订单的状态转换。
• 当有大量的条件语句用于根据不同状态执行不同操作时可以使用状态模式来简化代码并提高可维护性。
• 当一个对象的行为需要根据多个条件进行判断并且这些条件随着时间的推移可能会发生变化时可以使用状态模式。通过将每个条件封装为一个状态类可以方便地添加、修改或删除状态而不会对其他部分产生影响。
• 当需要在运行时动态改变对象的行为时可以使用状态模式。通过改变对象的状态可以改变其行为而不需要修改对象的代码。

2总之状态模式适用于需要根据对象的内部状态来改变其行为并且希望将状态转换逻辑封装在独立的状态类中的情况。它提供了一种清晰、灵活和可扩展的方式来管理对象的状态和行为。