狀態(tài)模式(行為型)
原書(shū)鏈接設(shè)計(jì)模式(劉偉)
在軟件系統(tǒng)中老充，有些對(duì)象也像水一樣具有多種狀態(tài)簿寂，這些狀態(tài)在某些情況下能夠相互轉(zhuǎn)換啦鸣，而且對(duì)象在不同的狀態(tài)下也將具有不同的行為涣狗。為了更好地對(duì)這些具有多種狀態(tài)的對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)袜匿，我們可以使用一種被稱之為狀態(tài)模式的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)更啄。
一、相關(guān)概述
1). 概述
狀態(tài)模式用于解決系統(tǒng)中復(fù)雜對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及不同狀態(tài)下行為的封裝問(wèn)題居灯。當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)對(duì)象存在多個(gè)狀態(tài)祭务，這些狀態(tài)之間可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且對(duì)象在不同狀態(tài)下行為不相同時(shí)可以使用狀態(tài)模式穆壕。狀態(tài)模式將一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)從該對(duì)象中分離出來(lái)待牵，封裝到專門(mén)的狀態(tài)類中，使得對(duì)象狀態(tài)可以靈活變化喇勋，對(duì)于客戶端而言缨该，無(wú)須關(guān)心對(duì)象狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及對(duì)象所處的當(dāng)前狀態(tài)，無(wú)論對(duì)于何種狀態(tài)的對(duì)象川背，客戶端都可以一致處理贰拿。
- 狀態(tài)模式(State Pattern)：允許一個(gè)對(duì)象在其內(nèi)部狀態(tài)改變時(shí)改變它的行為，對(duì)象看起來(lái)似乎修改了它的類熄云。其別名為狀態(tài)對(duì)象(Objects for States)膨更，狀態(tài)模式是一種對(duì)象行為型模式。
狀態(tài)模式.png
2). 相關(guān)角色
- Context（環(huán)境類）：環(huán)境類又稱為上下文類缴允，它是擁有多種狀態(tài)的對(duì)象荚守。由于環(huán)境類的狀態(tài)存在多樣性且在不同狀態(tài)下對(duì)象的行為有所不同珍德，因此將狀態(tài)獨(dú)立出去形成單獨(dú)的狀態(tài)類。在環(huán)境類中維護(hù)一個(gè)抽象狀態(tài)類State的實(shí)例矗漾，這個(gè)實(shí)例定義當(dāng)前狀態(tài)锈候，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，它是一個(gè)State子類的對(duì)象敞贡。
- State（抽象狀態(tài)類）：它用于定義一個(gè)接口以封裝與環(huán)境類的一個(gè)特定狀態(tài)相關(guān)的行為泵琳，在抽象狀態(tài)類中聲明了各種不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)的方法，而在其子類中實(shí)現(xiàn)類這些方法誊役，由于不同狀態(tài)下對(duì)象的行為可能不同获列，因此在不同子類中方法的實(shí)現(xiàn)可能存在不同，相同的方法可以寫(xiě)在抽象狀態(tài)類中蛔垢。
- ConcreteState（具體狀態(tài)類）：它是抽象狀態(tài)類的子類击孩，每一個(gè)子類實(shí)現(xiàn)一個(gè)與環(huán)境類的一個(gè)狀態(tài)相關(guān)的行為，每一個(gè)具體狀態(tài)類對(duì)應(yīng)環(huán)境的一個(gè)具體狀態(tài)啦桌，不同的具體狀態(tài)類其行為有所不同溯壶。
3). 典型代碼
- 抽象狀態(tài)類
/**
* 抽象狀態(tài)類
*/
abstract class State {
// 聲明抽象業(yè)務(wù)方法不同的具體狀態(tài)類可以不同的實(shí)現(xiàn)
public abstract void handle();
// 【可選】在狀態(tài)類中根據(jù)環(huán)境類屬性值進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換：當(dāng)然也可以寫(xiě)在環(huán)境類中。
public void changeState(Context ctx) {
// 狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯
}
}
抽象狀態(tài)類中可以實(shí)現(xiàn)通用的方法
- 環(huán)境類
/**
* 環(huán)境類
*/
class Context {
// 維持一個(gè)對(duì)抽象狀態(tài)的引用
private State state;
// 其他屬性值甫男，該屬性值的變化可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)象狀態(tài)發(fā)生變化
private int value;
// 設(shè)置對(duì)象狀態(tài)
public void steState(State state) {
this.state = state;
}
// 環(huán)境類中且改，根據(jù)屬性值進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換：當(dāng)然，也可以在狀態(tài)類中實(shí)現(xiàn)
public void changeState() {
// 判斷轉(zhuǎn)換代碼
}
public void request() {
// 其他代碼
// 調(diào)用狀態(tài)對(duì)象的業(yè)務(wù)方法
state.handle();
// 其他代碼
}
}
在實(shí)際使用時(shí)板驳，它們之間可能存在更為復(fù)雜的關(guān)系又跛，State與Context之間可能也存在依賴或者關(guān)聯(lián)關(guān)系。
- 具體狀態(tài)類
/**
* 狀態(tài)實(shí)例類
*/
class ConcreteState extends State {
@Override
public void handle() {
// 方法具體實(shí)現(xiàn)代碼
}
}
二若治、案例需求演示
1). 需求描述
Sunny軟件公司欲為某銀行開(kāi)發(fā)一套信用卡業(yè)務(wù)系統(tǒng)慨蓝，銀行賬戶(Account)是該系統(tǒng)的核心類之一，通過(guò)分析端幼，Sunny軟件公司開(kāi)發(fā)人員發(fā)現(xiàn)在該系統(tǒng)中礼烈，賬戶存在三種狀態(tài)，且在不同狀態(tài)下賬戶存在不同的行為婆跑，具體說(shuō)明如下：
- 如果賬戶中余額大于等于0此熬，則賬戶的狀態(tài)為正常狀態(tài)(Normal State)，此時(shí)用戶既可以向該賬戶存款也可以從該賬戶取款滑进；
- 如果賬戶中余額小于0犀忱，并且大于-2000，則賬戶的狀態(tài)為透支狀態(tài)(Overdraft State)扶关，此時(shí)用戶既可以向該賬戶存款也可以從該賬戶取款阴汇，但需要按天計(jì)算利息；
- 如果賬戶中余額等于-2000节槐，那么賬戶的狀態(tài)為受限狀態(tài)(Restricted State)搀庶，此時(shí)用戶只能向該賬戶存款拐纱，不能再?gòu)闹腥】睿瑫r(shí)也將按天計(jì)算利息哥倔；
- 根據(jù)余額的不同戳玫，以上三種狀態(tài)可發(fā)生相互轉(zhuǎn)換。
2). 類圖設(shè)計(jì)
狀態(tài)模式賬戶.png
3). 完整代碼
- 環(huán)境類
/**
* 環(huán)境類：銀行賬戶
*/
public class Account {
// 維持一個(gè)對(duì)抽象狀態(tài)對(duì)象的引用
private AccountState state;
// 開(kāi)戶名
private String owner;
// 賬戶余額
private Long balance = 0L;
public Account (String owner, Long balance) {
this.owner = owner;
this.balance = balance;
// 設(shè)置初始狀態(tài)
this.state = new NormalState(this);
System.out.println(this.owner + "開(kāi)戶未斑，初始金額為" + this.balance + "\n---------------------------------------------");
}
public Long getBalance() {
return this.balance;
}
public void setBalance(Long balance) {
this.balance = balance;
}
public void setState(AccountState state) {
this.state = state;
}
// 存款
public void deposit(Long amount) {
System.out.println(this.owner + "存款" + amount);
state.deposit(amount); // 調(diào)用狀態(tài)對(duì)象的deposit()方法
System.out.println("現(xiàn)在余額為"+ this.balance);
System.out.println("現(xiàn)在帳戶狀態(tài)為"+ this.state.getClass().getName() + "\n---------------------------------------------");
}
// 取款
public void withdraw(Long amount) {
System.out.println(this.owner + "取款" + amount);
state.withdraw(amount); //調(diào)用狀態(tài)對(duì)象的withdraw()方法
System.out.println("現(xiàn)在余額為"+ this.balance);
System.out.println("現(xiàn)在帳戶狀態(tài)為"+ this. state.getClass().getName() + "\n---------------------------------------------");
}
// 計(jì)算利息
public void computeInterest() {
state.computeInterest(); //調(diào)用狀態(tài)對(duì)象的computeInterest()方法
}
}
- 抽象狀態(tài)類
/**
* 抽象狀態(tài)類
*/
public abstract class AccountState {
protected Account acc; // 維持一個(gè)賬戶的引用，子類可以訪問(wèn)
public abstract void deposit(Long amount); // 存款
public abstract void withdraw(Long amount); // 取款
public abstract void computeInterest(); // 計(jì)算利息
public abstract void stateCheck(); // 檢查狀態(tài)
}
- 具體狀態(tài)類
/**
* 正常狀態(tài)：具體狀態(tài)類
*/
public class NormalState extends AccountState {
public NormalState(Account acc) { this.acc = acc; }
public NormalState(AccountState state) { this.acc = state.acc; }
// 存錢(qián)
public void deposit(Long amount) {
acc.setBalance(acc.getBalance() + amount);
stateCheck();
}
// 取款
public void withdraw(Long amount) {
Long tempBalance = acc.getBalance() - amount;
if (tempBalance < -2000) {
System.out.println("取款額度超過(guò)上限币绩，請(qǐng)重新輸入金額蜡秽！");
return;
}
acc.setBalance(tempBalance);
stateCheck();
}
// 計(jì)算利息
public void computeInterest() {
System.out.println("正常狀態(tài)，無(wú)須支付利息缆镣！");
}
// 狀態(tài)轉(zhuǎn)換
public void stateCheck() {
if (acc.getBalance() > -2000 && acc.getBalance() <= 0) {
acc.setState(new OverdraftState(this));
} else if (acc.getBalance() == -2000) {
acc.setState(new RestrictedState(this));
} else if (acc.getBalance() < -2000) {
System.out.println("操作受限芽突！");
}
}
}
/**
* 透支狀態(tài)：具體狀態(tài)類
*/
public class OverdraftState extends AccountState {
public OverdraftState(AccountState state) { this.acc = state.acc; }
// 存錢(qián)
public void deposit(Long amount) {
acc.setBalance(acc.getBalance() + amount);
stateCheck();
}
// 取錢(qián)
public void withdraw(Long amount) {
Long tempBalance = acc.getBalance() - amount;
if (tempBalance < -2000) {
System.out.println("取款額度超過(guò)上限，請(qǐng)重新輸入金額董瞻！");
return;
}
acc.setBalance(tempBalance);
stateCheck();
}
// 計(jì)算利息
public void computeInterest() {
System.out.println("計(jì)算利息寞蚌！");
}
//狀態(tài)轉(zhuǎn)換
public void stateCheck() {
if (acc.getBalance() > 0) {
acc.setState(new NormalState(this));
} else if (acc.getBalance() == -2000) {
acc.setState(new RestrictedState(this));
} else if (acc.getBalance() < -2000) {
System.out.println("操作受限！");
}
}
}
/**
* 受限狀態(tài)：具體狀態(tài)類
*/
public class RestrictedState extends AccountState {
public RestrictedState(AccountState state) { this.acc = state.acc; }
// 存錢(qián)
public void deposit(Long amount) {
acc.setBalance(acc.getBalance() + amount);
stateCheck();
}
// 取款
public void withdraw(Long amount) {
System.out.println("帳號(hào)受限钠糊，取款失敗");
}
// 計(jì)算利息
public void computeInterest() {
System.out.println("計(jì)算利息挟秤！");
}
//狀態(tài)轉(zhuǎn)換
public void stateCheck() {
if(acc.getBalance() > 0) {
acc.setState(new NormalState(this));
} else if(acc.getBalance() > -2000) {
acc.setState(new OverdraftState(this));
}
}
}
- 客戶端測(cè)試類
/**
* @author Liucheng
* @since 2019-09-13
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Account acc = new Account("段譽(yù)",0L);
acc.deposit(1000L);
acc.withdraw(2000L);
acc.deposit(3000L);
acc.withdraw(4000L);
acc.withdraw(1000L);
acc.computeInterest();
}
}
三、拓展
1). 共享狀態(tài)
在有些情況下抄伍，多個(gè)環(huán)境對(duì)象可能需要共享同一個(gè)狀態(tài)艘刚，如果希望在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)環(huán)境對(duì)象共享一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)對(duì)象，那么需要將這些狀態(tài)對(duì)象定義為環(huán)境類的靜態(tài)成員對(duì)象截珍。
- 案例需求描述
某系統(tǒng)要求兩個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)象要么都處于開(kāi)的狀態(tài)攀甚，要么都處于關(guān)的狀態(tài)，在使用時(shí)它們的狀態(tài)必須保持一致岗喉，開(kāi)關(guān)可以由開(kāi)轉(zhuǎn)換到關(guān)秋度，也可以由關(guān)轉(zhuǎn)換到開(kāi)。
- 類圖設(shè)計(jì)
狀態(tài)模式開(kāi)關(guān).png
- 完整代碼
/**
* 環(huán)境類
*/
public class Switch {
//定義三個(gè)靜態(tài)的狀態(tài)對(duì)象,用于對(duì)象共享
private static State state;
private static State onState;
private static State offState;
private String name;
public Switch(String name) {
this.name = name;
onState = new OnState();
offState = new OffState();
this.state = onState;
}
public void setState(State state) {
this.state = state;
}
public static State getState(String type) {
if (type.equalsIgnoreCase("on")) {
return onState;
}
else {
return offState;
}
}
//打開(kāi)開(kāi)關(guān)
public void on() {
System.out.print(name);
state.on(this);
}
//關(guān)閉開(kāi)關(guān)
public void off() {
System.out.print(name);
state.off(this);
}
}
/**
* 抽象狀態(tài)類
*/
public abstract class State {
public abstract void on(Switch s);
public abstract void off(Switch s);
}
/**
* 打開(kāi)狀態(tài)
*/
public class OnState extends State {
public void on(Switch s) {
System.out.println("已經(jīng)打開(kāi)钱床！");
}
public void off(Switch s) {
System.out.println("關(guān)閉荚斯！");
s.setState(Switch.getState("off"));
}
}
/**
* 關(guān)閉狀態(tài)
*/
public class OffState extends State {
public void on(Switch s) {
System.out.println("打開(kāi)！");
s.setState(Switch.getState("on"));
}
public void off(Switch s) {
System.out.println("已經(jīng)關(guān)閉诞丽！");
}
}
/**
* @author Liucheng
* @since 2019-09-14
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Switch s1 = new Switch("開(kāi)關(guān)1");
Switch s2 = new Switch("開(kāi)關(guān)2");
s1.on();
s2.on();
s1.off();
s2.off();
s2.on();
s1.on();
}
}
2). 使用環(huán)境類實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換
需求描述
用戶單擊“放大鏡”按鈕之后屏幕將放大一倍鲸拥，再點(diǎn)擊一次“放大鏡”按鈕屏幕再放大一倍，第三次點(diǎn)擊該按鈕后屏幕將還原到默認(rèn)大小僧免。類圖設(shè)計(jì)
放大鏡.png
- 完整代碼
/**
* 環(huán)境類：屏幕類
*/
public class Screen {
// 枚舉所有的狀態(tài)刑赶，currentState表示當(dāng)前狀態(tài)
private State currentState;
private State normalState;
private State largerState;
private State largestState;
public Screen() {
this.normalState = new NormalState(); // 創(chuàng)建正常狀態(tài)對(duì)象
this.largerState = new LargerState(); // 創(chuàng)建二倍放大狀態(tài)對(duì)象
this.largestState = new LargestState(); // 創(chuàng)建四倍放大狀態(tài)對(duì)象
this.currentState = normalState; // 設(shè)置初始狀態(tài)
this.currentState.display();
}
public void setState(State state) { this.currentState = state; }
// 單擊事件處理方法，封轉(zhuǎn)了對(duì)狀態(tài)類中業(yè)務(wù)方法的調(diào)用和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換
public void onClick() {
if (this.currentState == normalState) {
this.setState(largerState);
this.currentState.display();
} else if (this.currentState == largerState) {
this.setState(largestState);
this.currentState.display();
} else if (this.currentState == largestState) {
this.setState(normalState);
this.currentState.display();
}
}
}
/**
* 抽象狀態(tài)類
*/
public abstract class State {
public abstract void display();
}
/**
* 正常狀態(tài)類
*/
public class NormalState extends State{
public void display() {
System.out.println("正常大卸谩撞叨！");
}
}
/**
* 二倍狀態(tài)類
*/
public class LargerState extends State{
public void display() {
System.out.println("二倍大薪鹱佟！");
}
}
/**
* 四倍狀態(tài)類
*/
public class LargestState extends State{
public void display() {
System.out.println("四倍大星７蟆胡岔！");
}
}
/**
* 客戶端測(cè)試
* @author Liucheng
* @since 2019-09-14
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Screen screen = new Screen();
screen.onClick();
screen.onClick();
screen.onClick();
}
}
四、總結(jié)
狀態(tài)模式將一個(gè)對(duì)象在不同狀態(tài)下的不同行為封裝在一個(gè)個(gè)狀態(tài)類中枷餐，通過(guò)設(shè)置不同的狀態(tài)對(duì)象可以讓環(huán)境對(duì)象擁有不同的行為靶瘸，而狀態(tài)轉(zhuǎn)換的細(xì)節(jié)對(duì)于客戶端而言是透明的，方便了客戶端的使用毛肋。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中怨咪，狀態(tài)模式具有較高的使用頻率，在工作流和游戲開(kāi)發(fā)中狀態(tài)模式都得到了廣泛的應(yīng)用润匙，例如公文狀態(tài)的轉(zhuǎn)換诗眨、游戲中角色的升級(jí)等。
1). 優(yōu)點(diǎn)
- 封裝了狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則孕讳，在狀態(tài)模式中可以將狀態(tài)的轉(zhuǎn)換代碼封裝在環(huán)境類或者具體狀態(tài)類中匠楚，可以對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換代碼進(jìn)行集中管理，而不是分散在一個(gè)個(gè)業(yè)務(wù)方法中厂财。
- 將所有與某個(gè)狀態(tài)有關(guān)的行為放到一個(gè)類中芋簿，只需要注入一個(gè)不同的狀態(tài)對(duì)象即可使環(huán)境對(duì)象擁有不同的行為。
- 允許狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯與狀態(tài)對(duì)象合成一體璃饱，而不是提供一個(gè)巨大的條件語(yǔ)句塊益咬，狀態(tài)模式可以讓我們避免使用龐大的條件語(yǔ)句來(lái)將業(yè)務(wù)方法和狀態(tài)轉(zhuǎn)換代碼交織在一起。
- 可以讓多個(gè)環(huán)境對(duì)象共享一個(gè)狀態(tài)對(duì)象帜平，從而減少系統(tǒng)中對(duì)象的個(gè)數(shù)幽告。
2). 缺點(diǎn)
- 狀態(tài)模式的使用必然會(huì)增加系統(tǒng)中類和對(duì)象的個(gè)數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)銷(xiāo)增大裆甩。
- 狀態(tài)模式的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)都較為復(fù)雜冗锁，如果使用不當(dāng)將導(dǎo)致程序結(jié)構(gòu)和代碼的混亂，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度嗤栓。
- 狀態(tài)模式對(duì)“開(kāi)閉原則”的支持并不太好冻河，增加新的狀態(tài)類需要修改那些負(fù)責(zé)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的源代碼，否則無(wú)法轉(zhuǎn)換到新增狀態(tài)茉帅；而且修改某個(gè)狀態(tài)類的行為也需修改對(duì)應(yīng)類的源代碼叨叙。
3). 適用場(chǎng)景
- 對(duì)象的行為依賴于它的狀態(tài)（如某些屬性值），狀態(tài)的改變將導(dǎo)致行為的變化堪澎。
- 在代碼中包含大量與對(duì)象狀態(tài)有關(guān)的條件語(yǔ)句擂错，這些條件語(yǔ)句的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致代碼的可維護(hù)性和靈活性變差樱蛤，不能方便地增加和刪除狀態(tài)钮呀，并且導(dǎo)致客戶類與類庫(kù)之間的耦合增強(qiáng)剑鞍。
