Java设计模式之java状态模式详解

目录

• 状态模式的结构
• 状态模式的角色
• 示例代码
• 适用场景
• 投票案例
• 认识状态模式
• 状态和行为
• 行为的平行性
• 环境和状态处理对象
• 状态模式优点
• 状态模式的缺点
• 状态模式和策略模式对比
• 参考文章
• 总结

状态模式的结构

用一句话来表述，状态模式把所研究的对象的行为包装在不同的状态对象里，每一个状态对象都属于一个抽象状态类的一个子类。状态模式的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。状态模式的示意性类图如下所示：

状态模式的角色

• 环境(Context)角色，也成上下文：定义客户端所感兴趣的接口，并且保留一个具体状态类的实例。这个具体状态类的实例给出此环境对象的现有状态。
• 抽象状态(State)角色：定义一个接口，用以封装环境（Context）对象的一个特定的状态所对应的行为。
• 具体状态(ConcreteState)角色：每一个具体状态类都实现了环境（Context）的一个状态所对应的行为。

示例代码

环境角色类

public class Context {
    //持有一个State类型的对象实例
    private State state;

    public void setState(State state) {
        this.state = state;
    }
    /**
     * 用户感兴趣的接口方法
     */
    public void request(String sampleParameter) {
        //转调state来处理
        state.handle(sampleParameter);
    }
}

抽象状态类

public interface State {
    /**
     * 状态对应的处理
     */
    public void handle(String sampleParameter);
}

具体状态类

public class ConcreteStateA implements State {

    @Override
    public void handle(String sampleParameter) {

        System.out.println("ConcreteStateA handle ：" + sampleParameter);
    }

}

public class ConcreteStateB implements State {

    @Override
    public void handle(String sampleParameter) {

        System.out.println("ConcreteStateB handle ：" + sampleParameter);
    }

}

客户端类

public class Client {

    public static void main(String[] args){
        //创建状态
        State state = new ConcreteStateB();
        //创建环境
        Context context = new Context();
        //将状态设置到环境中
        context.setState(state);
        //请求
        context.request("test");
    }
}

从上面可以看出，环境类Context的行为request()是委派给某一个具体状态类的。通过使用多态性原则，可以动态改变环境类Context的属性State的内容，使其从指向一个具体状态类变换到指向另一个具体状态类，从而使环境类的行为request()由不同的具体状态类来执行。

适用场景

（1）对象的行为依赖于它的状态，并且可以在运行时根据状态改变行为。

（2） 代码中包含大量与对象状态有关的条件语句:一个操作中含有庞大的多分支的条件（if else(或switch case)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。

投票案例

考虑一个在线投票系统的应用，要实现控制同一个用户只能投一票，如果一个用户反复投票，而且投票次数超过5次，则判定为恶意刷票，要取消该用户投票的资格，当然同时也要取消他所投的票；如果一个用户的投票次数超过8次，将进入黑名单，禁止再登录和使用系统。

要使用状态模式实现，首先需要把投票过程的各种状态定义出来，根据以上描述大致分为四种状态：正常投票、反复投票、恶意刷票、进入黑名单。然后创建一个投票管理对象（相当于Context）。

系统的结构图如下所示：

抽象状态类

//抽象状态类
public interface VoteState
{
    /**
     * 处理状态对应的行为
     * @param user    投票人
     * @param voteItem    投票项
     * @param voteManager    投票上下文，用来在实现状态对应的功能处理的时候，
     *                         可以回调上下文的数据
     */
    public void vote(String user,String voteItem,VoteManager voteManager);
}

具体状态类——正常投票

//具体状态类---正常投票
public class NormalVoteState implements VoteState
{

    @Override
    public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
        //正常投票，记录到投票记录中
        voteManager.getMapVote().put(user, voteItem);
        System.out.println("恭喜投票成功");
    }
}

具体状态类–重复投票

//具体状态类--重复投票
public class RepeatVoteState implements VoteState
{

    @Override
    public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
            //重复投票，暂时不做处理
            System.out.println("请不要重复投票");
    }
}

具体状态类—恶意投票

//恶意刷票
public class SpiteVoteState implements VoteState{
    @Override
    public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
        // 恶意投票，取消用户的投票资格，并取消投票记录
        String str = voteManager.getMapVote().get(user);
        if(str != null){
            voteManager.getMapVote().remove(user);
        }
        System.out.println("你有恶意刷屏行为，取消投票资格");
    }
}

具体状态类–黑名单

//黑名单
public class BlackVoteState implements VoteState
{
    @Override
    public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
//记录黑名单中，禁止登录系统
        System.out.println("进入黑名单，将禁止登录和使用本系统");
    }
}

环境类

//环境类
public class VoteManager
{
    //维护一个抽象状态对象
    private VoteState state;
    //记录用户投票的结果，Map<String,String>对应Map<用户名称，投票的选项>
    private Map<String,String> mapVote = new HashMap<String,String>();
    //记录用户投票次数，Map<String,Integer>对应Map<用户名称，投票的次数>
    private Map<String,Integer> mapVoteCount = new HashMap<String,Integer>();
    /**
     * 获取用户投票结果的Map
     */
    public Map<String, String> getMapVote() {
        return mapVote;
    }
    /**
     * 投票
     * @param user    投票人
     * @param voteItem    投票的选项
     */
    public void vote(String user,String voteItem){
        //1.为该用户增加投票次数
        //从记录中取出该用户已有的投票次数
        Integer oldVoteCount = mapVoteCount.get(user);
        if(oldVoteCount == null){
            oldVoteCount = 0;
        }
        oldVoteCount += 1;
        mapVoteCount.put(user, oldVoteCount);
        //2.判断该用户的投票类型，就相当于判断对应的状态
        //到底是正常投票、重复投票、恶意投票还是上黑名单的状态
        if(oldVoteCount == 1){
            state = new NormalVoteState();
        }
        else if(oldVoteCount > 1 && oldVoteCount < 5){
            state = new RepeatVoteState();
        }
        else if(oldVoteCount >= 5 && oldVoteCount <8){
            state = new SpiteVoteState();
        }
        else if(oldVoteCount > 8){
            state = new BlackVoteState();
        }
        //然后转调状态对象来进行相应的操作
        state.vote(user, voteItem, this);
    }
}

客户端测试

public class Client
{
    public static void main(String[] args) {

        VoteManager vm = new VoteManager();
        for(int i=0;i<9;i++){
            vm.vote("u1","A");
        }
    }
}

从上面的示例可以看出，状态的转换基本上都是内部行为，主要在状态模式内部来维护。比如对于投票的人员，任何时候他的操作都是投票，但是投票管理对象的处理却不一定一样，会根据投票的次数来判断状态，然后根据状态去选择不同的处理。

认识状态模式

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，行为大多可以对应到方法上。
• 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，来调用不同状态对应的不同功能。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。

行为的平行性

注意平行线而不是平等性。所谓平行性指的是各个状态的行为所处的层次是一样的，相互独立的、没有关联的，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。

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，可以根据条件挑选任意一个实现来进行相应的处理。

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、本质却是完全不一样的。还有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。

环境和状态处理对象

• 在状态模式中，环境(Context)是持有状态的对象，但是环境(Context)自身并不处理跟状态相关的行为，而是把处理状态的功能委托给了状态对应的状态处理类来处理。
• 在具体的状态处理类中经常需要获取环境(Context)自身的数据，甚至在必要的时候会回调环境(Context)的方法，因此，通常将环境(Context)自身当作一个参数传递给具体的状态处理类。
• 客户端一般只和环境(Context)交互。客户端可以用状态对象来配置一个环境(Context)，一旦配置完毕，就不再需要和状态对象打交道了。客户端通常不负责运行期间状态的维护，也不负责决定后续到底使用哪一个具体的状态处理对象。

状态模式优点

• 每个状态都是一个子类，只要增加状态就要增加子类，修改状态，只修改一个子类即可。
• 结构清晰，避免了过多的switch…case或者if…else语句的使用，避免了程序的复杂性，提高可维护性。
• State对象可被共享如果State对象没有实例变量—即它们表示的状态完全以它们的类型来编码—那么各Context对象可以共享一个State对象。当状态以这种方式被共享时,它们必然是没有内部状态, 只有行为的轻量级对象。

状态模式的缺点

• 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。

状态模式和策略模式对比

相同之处:

• 在状态模式和策略模式中，Context对象对修改是关闭的，添加新的状态或策略，都不需要修改Context。
• 正如状态模式中的Context会有初始状态一样，策略模式同样有默认策略。
• 状态模式以不同的状态封装不同的行为，而策略模式以不同的策略封装不同的行为。
• 它们都依赖子类去实现相关行为

不同之处:

最根本的差异在于策略模式是在求解同一个问题的多种解法，这些不同解法之间毫无关联；状态模式则不同，状态模式要求各个状态之间有所关联，以便实现状态转移。

参考文章

《JAVA与模式》之状态模式

总结

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