安卓開發(fā)中狀態(tài)模式的應(yīng)用

一、狀態(tài)模式的基本概念

狀態(tài)模式（State Pattern）贡必，又稱狀態(tài)對(duì)象模式（State Object Pattern），是一種行為型設(shè)計(jì)模式庸毫，它允許一個(gè)對(duì)象在其內(nèi)部狀態(tài)改變時(shí)改變其行為仔拟。這個(gè)對(duì)象看上去就像是改變了它的類一樣

狀態(tài)模式有以下三個(gè)角色：

• Context（環(huán)境）：定義了客戶端需要的接口，并維護(hù)一個(gè)State的實(shí)例飒赃，將與狀態(tài)相關(guān)的操作委托給當(dāng)前的ConcreteState對(duì)象來處理利花。
• State（抽象狀態(tài)）：定義一個(gè)接口，以封裝使用Context的一個(gè)特定狀態(tài)相關(guān)的行為载佳。
• ConcreteState（具體狀態(tài)）：實(shí)現(xiàn)抽象狀態(tài)定義的接口炒事。

狀態(tài)模式的UML圖如下：

狀態(tài)模式的UML圖

二、安卓源碼中的狀態(tài)模式實(shí)例

安卓源碼中有很多使用狀態(tài)模式的例子蔫慧，例如WifiManager挠乳、AudioManager、TelephonyManager等。這里我們以WifiManager為例睡扬，來分析它是如何使用狀態(tài)模式來管理Wifi連接和斷開的過程盟蚣。

WifiManager是一個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，它提供了管理Wifi連接和掃描附近熱點(diǎn)的功能卖怜。WifiManager內(nèi)部有一個(gè)名為WifiStateMachine的類屎开，它是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine），用來控制Wifi連接和斷開的邏輯马靠。WifiStateMachine繼承自StateMachine類奄抽，StateMachine類是一個(gè)通用的有限狀態(tài)機(jī)框架，它提供了創(chuàng)建和切換狀態(tài)的方法甩鳄。

WifiStateMachine定義了以下幾個(gè)內(nèi)部類逞度，分別對(duì)應(yīng)不同的Wifi連接狀態(tài)：

• DefaultState：默認(rèn)狀態(tài)，所有消息都會(huì)先經(jīng)過這個(gè)狀態(tài)處理妙啃。
• InitialState：初始狀態(tài)第晰，當(dāng)WifiStateMachine創(chuàng)建時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。
• SupplicantStartingState：Supplicant啟動(dòng)狀態(tài)彬祖，當(dāng)打開Wifi時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。
• SupplicantStartedState：Supplicant已啟動(dòng)狀態(tài)品抽，當(dāng)Supplicant啟動(dòng)成功時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)储笑。
• DriverStartingState：驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)開始掃描熱點(diǎn)時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)圆恤。
• DriverStartedState：驅(qū)動(dòng)已啟動(dòng)狀態(tài)突倍，當(dāng)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)成功時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。
• ScanModeState：掃描模式狀態(tài)盆昙，當(dāng)處于掃描熱點(diǎn)的過程中時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)羽历。
• ConnectModeState：連接模式狀態(tài)，當(dāng)準(zhǔn)備連接某個(gè)熱點(diǎn)時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)淡喜。
• L2ConnectedState：L2層已連接狀態(tài)秕磷，當(dāng)與某個(gè)熱點(diǎn)建立L2層連接時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。
• ObtainingIpState：獲取IP地址狀態(tài)炼团，當(dāng)從某個(gè)熱點(diǎn)獲取IP地址時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)澎嚣。
• VerifyingLinkState：驗(yàn)證鏈接狀態(tài)，當(dāng)驗(yàn)證IP地址是否有效時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)瘟芝。
• CaptivePortalCheckState：檢測(cè)門戶網(wǎng)站（Captive Portal）狀態(tài)易桃，當(dāng)檢測(cè)是否需要登錄門戶網(wǎng)站時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。
• ConnectedState：已連接狀態(tài)锌俱，當(dāng)成功連接某個(gè)熱點(diǎn)并獲取網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)晤郑。
• RoamingState：漫游（Roaming）狀態(tài)，當(dāng)從一個(gè)熱點(diǎn)切換到另一個(gè)熱點(diǎn)時(shí)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。
• DisconnectingState：斷開連接中狀態(tài)造寝，當(dāng)主動(dòng)或被動(dòng)斷開某個(gè)熱點(diǎn)時(shí)進(jìn)入這個(gè)

WifiManager的狀態(tài)模式UML圖

狀態(tài)模式的優(yōu)點(diǎn)是：

• 封裝了狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則磕洪，使?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換更加清晰和安全。
• 將所有與某個(gè)狀態(tài)有關(guān)的行為放到一個(gè)類中匹舞，方便增加新的狀態(tài)和修改狀態(tài)行為褐鸥。
• 避免使用大量的條件判斷語句，提高代碼的可讀性和可維護(hù)性赐稽。

狀態(tài)模式的缺點(diǎn)是：

• 增加了系統(tǒng)中類和對(duì)象的個(gè)數(shù)叫榕，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
• 對(duì)開閉原則的支持不太好姊舵，如果要增加新的狀態(tài)或者修改狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件晰绎，需要修改源代碼。

2.1 Kotlin使用密封類實(shí)現(xiàn)

密封類或密封接口可以限制類的繼承結(jié)構(gòu)括丁，保證類型安全和可維護(hù)性荞下。可以用來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)模式史飞，因?yàn)樗鼈兛梢员硎疽粋€(gè)有限的狀態(tài)集合尖昏，而且可以使用when表達(dá)式來匹配不同的狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的操作构资。

下面是一個(gè)使用Kotlin密封類實(shí)現(xiàn)狀態(tài)模式的例子抽诉，它模擬了一個(gè)電視機(jī)和遙控器，電視機(jī)有三種狀態(tài)：開機(jī)吐绵、關(guān)機(jī)和待機(jī)迹淌，每種狀態(tài)下可以執(zhí)行不同的操作。

// 密封類
sealed class TVState {
    // 開機(jī)狀態(tài)
    object PowerOn : TVState() {
        fun show() {
            println("電視機(jī)已開機(jī)己单，顯示畫面")
        }
    }

    // 關(guān)機(jī)狀態(tài)
    object PowerOff : TVState() {
        fun hide() {
            println("電視機(jī)已關(guān)機(jī)唉窃，隱藏畫面")
        }
    }

    // 待機(jī)狀態(tài)
    object Standby : TVState() {
        fun dim() {
            println("電視機(jī)已待機(jī)，畫面變暗")
        }
    }
}

// 環(huán)境類
class TV(var state: TVState) { // 維持一個(gè)密封類對(duì)象的引用
    fun powerOn() { // 開機(jī)操作
        when (state) { // 根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的操作
            is TVState.PowerOn -> state.show()
            is TVState.PowerOff -> {
                state = TVState.PowerOn // 切換到開機(jī)狀態(tài)
                state.show()
            }
            is TVState.Standby -> {
                state = TVState.PowerOn // 切換到開機(jī)狀態(tài)
                state.show()
            }
        }
    }

    fun powerOff() { // 關(guān)機(jī)操作
        when (state) { // 根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的操作
            is TVState.PowerOn -> {
                state = TVState.PowerOff // 切換到關(guān)機(jī)狀態(tài)
                state.hide()
            }
            is TVState.PowerOff -> state.hide()
            is TVState.Standby -> {
                state = TVState.PowerOff // 切換到關(guān)機(jī)狀態(tài)
                state.hide()
            }
        }
    }

    fun standby() { // 待機(jī)操作
        when (state) { // 根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的操作
            is TVState.PowerOn -> {
                state = TVState.Standby // 切換到待機(jī)狀態(tài)
                state.dim()
            }
            is TVState.PowerOff -> state.hide()
            is TVState.Standby -> state.dim()
        }
    }
}

// 遙控器類
class RemoteControl(private val tv: TV) { // 持有一個(gè)環(huán)境對(duì)象的引用
    fun pressPowerButton() { // 按下電源鍵操作
        tv.powerOn() // 調(diào)用環(huán)境對(duì)象的開機(jī)操作
    }

    fun pressStandbyButton() { // 按下待機(jī)鍵操作
        tv.standby() // 調(diào)用環(huán)境對(duì)象的待機(jī)操作
    }

    fun pressPowerOffButton() { // 按下關(guān)機(jī)鍵操作
        tv.powerOff() // 調(diào)用環(huán)境對(duì)象的關(guān)機(jī)操作
    }
}

fun main() {
    val tv = TV(TVState.PowerOff) // 創(chuàng)建環(huán)境對(duì)象纹笼，初始為關(guān)機(jī)狀態(tài)
    val remoteControl = RemoteControl(tv) // 創(chuàng)建遙控器對(duì)象纹份，持有環(huán)境對(duì)象的引用
    remoteControl.pressPowerButton() // 按下電源鍵操作
    remoteControl.pressStandbyButton() // 按下待機(jī)鍵操作
    remoteControl.pressPowerOffButton() // 按下關(guān)機(jī)鍵操作
}

輸出結(jié)果：

電視機(jī)已開機(jī)，顯示畫面
電視機(jī)已待機(jī)廷痘，畫面變暗
電視機(jī)已關(guān)機(jī)矮嫉，隱藏畫面

2.2 Kotlin中的狀態(tài)模式加入?yún)f(xié)程

// 定義一個(gè)枚舉類，表示電視機(jī)的狀態(tài)
enum class TVState {
    // 開機(jī)狀態(tài)
    PowerOn {
        override fun handle() {
            println("電視機(jī)已開機(jī)牍疏，顯示畫面")
        }
    },

    // 關(guān)機(jī)狀態(tài)
    PowerOff {
        override fun handle() {
            println("電視機(jī)已關(guān)機(jī)蠢笋，隱藏畫面")
        }
    },

    // 待機(jī)狀態(tài)
    Standby {
        override fun handle() {
            println("電視機(jī)已待機(jī)，畫面變暗")
        }
    };

    // 定義一個(gè)抽象方法鳞陨，用來執(zhí)行不同狀態(tài)下的操作
    abstract fun handle()
}

// 定義一個(gè)協(xié)程上下文元素昨寞，用來保存和恢復(fù)電視機(jī)的狀態(tài)
class TVContextElement(var state: TVState) : AbstractCoroutineContextElement(Key) {
    companion object Key : CoroutineContext.Key<TVContextElement>
}

// 定義一個(gè)協(xié)程作用域的擴(kuò)展函數(shù)瞻惋，用來創(chuàng)建一個(gè)帶有電視機(jī)狀態(tài)的協(xié)程
fun CoroutineScope.tvCoroutine(state: TVState, block: suspend CoroutineScope.() -> Unit): Job {
    return launch(TVContextElement(state)) {
        block()
    }
}

// 定義一個(gè)協(xié)程上下文元素的擴(kuò)展函數(shù)，用來切換電視機(jī)的狀態(tài)
suspend fun TVContextElement.switchState(newState: TVState) {
    state = newState
}

// 定義一個(gè)掛起函數(shù)援岩，用來執(zhí)行電視機(jī)的操作
suspend fun handleTV() {
    // 獲取當(dāng)前協(xié)程上下文中的電視機(jī)狀態(tài)元素歼狼，并執(zhí)行對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的操作
    coroutineContext[TVContextElement.Key]?.state?.handle()
}

// 定義一個(gè)遙控器類，用來控制電視機(jī)的協(xié)程
class RemoteControl(private val tvJob: Job) {
    fun pressPowerButton() { // 按下電源鍵操作
        GlobalScope.launch { // 在全局作用域中啟動(dòng)一個(gè)新的協(xié)程
            tvJob.join() // 等待電視機(jī)協(xié)程完成
            tvCoroutine(TVState.PowerOn) { // 創(chuàng)建一個(gè)新的帶有開機(jī)狀態(tài)的電視機(jī)協(xié)程
                handleTV() // 執(zhí)行開機(jī)操作
            }
        }
    }

    fun pressStandbyButton() { // 按下待機(jī)鍵操作
        GlobalScope.launch { // 在全局作用域中啟動(dòng)一個(gè)新的協(xié)程
            tvJob.join() // 等待電視機(jī)協(xié)程完成 原創(chuàng)作者：簡書-長點(diǎn)點(diǎn)
            tvCoroutine(TVState.Standby) { // 創(chuàng)建一個(gè)新的帶有待機(jī)狀態(tài)的電視機(jī)協(xié)程
                handleTV() // 執(zhí)行待機(jī)操作
            }
        }
    }

    fun pressPowerOffButton() { // 按下關(guān)機(jī)鍵操作
        GlobalScope.launch { // 在全局作用域中啟動(dòng)一個(gè)新的協(xié)程
            tvJob.join() // 等待電視機(jī)協(xié)程完成
            tvCoroutine(TVState.PowerOff) { // 創(chuàng)建一個(gè)新的帶有關(guān)機(jī)狀態(tài)的電視機(jī)協(xié)程
                handleTV() // 執(zhí)行關(guān)機(jī)操作
            }
        }
    }
}

fun main() {
    val tvJob = GlobalScope.tvCoroutine(TVState.PowerOff) {} // 創(chuàng)建一個(gè)初始為關(guān)機(jī)狀態(tài)的電視機(jī)協(xié)程
    val remoteControl = RemoteControl(tvJob) // 創(chuàng)建遙控器對(duì)象享怀，持有電視機(jī)協(xié)程的引用
    remoteControl.pressPowerButton() // 按下電源鍵操作
    remoteControl.pressStandbyButton() // 按下待機(jī)鍵操作
    remoteControl.pressPowerOffButton() // 按下關(guān)機(jī)鍵操作
    GlobalScope.cancel() // 取消全局作用域中的所有協(xié)程
}

電視機(jī)已開機(jī)羽峰，顯示畫面
電視機(jī)已待機(jī)，畫面變暗
電視機(jī)已關(guān)機(jī)添瓷，隱藏畫面

這個(gè)例子中梅屉，我使用了Kotlin協(xié)程中的狀態(tài)機(jī)的思想，將電視機(jī)的狀態(tài)保存在一個(gè)協(xié)程上下文元素中鳞贷，然后使用一個(gè)協(xié)程構(gòu)建器來創(chuàng)建一個(gè)帶有電視機(jī)狀態(tài)的協(xié)程坯汤，再使用一個(gè)掛起函數(shù)來切換和執(zhí)行電視機(jī)的狀態(tài)。遙控器類則是用來控制電視機(jī)協(xié)程的啟動(dòng)和取消的搀愧。這樣惰聂，每次按下遙控器的按鈕時(shí)，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的電視機(jī)協(xié)程咱筛，并根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的操作搓幌。

2.3 Java接口實(shí)現(xiàn)

// Java實(shí)現(xiàn)

// 抽象狀態(tài)類
interface LightState {
    void handle(Light light); // 處理操作
}

// 開燈狀態(tài)類
class LightOnState implements LightState {
    @Override
    public void handle(Light light) {
        System.out.println("燈已經(jīng)開了");
        light.setState(new LightOffState()); // 切換到關(guān)燈狀態(tài)
    }
}

// 關(guān)燈狀態(tài)類
class LightOffState implements LightState {
    @Override
    public void handle(Light light) {
        System.out.println("燈已經(jīng)關(guān)了");
        light.setState(new LightOnState()); // 切換到開燈狀態(tài)
    }
}

// 環(huán)境類
class Light {
    private LightState state; // 維持一個(gè)抽象狀態(tài)對(duì)象的引用

    public Light(LightState state) { // 構(gòu)造函數(shù)
        this.state = state;
    }

    public void setState(LightState state) { // 設(shè)置新狀態(tài)
        this.state = state;
    }

    public void pressSwitch() { // 按下開關(guān)操作
        state.handle(this); // 調(diào)用狀態(tài)方法
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Light light = new Light(new LightOffState()); // 創(chuàng)建環(huán)境對(duì)象，初始為關(guān)燈狀態(tài)
        light.pressSwitch(); // 按下開關(guān)操作
        light.pressSwitch(); // 按下開關(guān)操作
    }
}

輸出結(jié)果：

燈已經(jīng)關(guān)了
燈已經(jīng)開了

2.4 C++實(shí)現(xiàn)

下面是一個(gè)使用C++實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)模式的例子迅箩，它模擬了一個(gè)電視機(jī)遙控器溉愁，電視機(jī)有兩種狀態(tài)：開機(jī)和關(guān)機(jī)，每種狀態(tài)下可以執(zhí)行不同的操作沙热。

// 抽象狀態(tài)類
class TVState {
public:
    virtual void handle() = 0; // 處理操作
};

// 開機(jī)狀態(tài)類
class PowerOnState : public TVState {
public:
    void handle() {
        cout << "電視機(jī)已開機(jī)" << endl;
    }
};

// 關(guān)機(jī)狀態(tài)類
class PowerOffState : public TVState {
public:
    void handle() {
        cout << "電視機(jī)已關(guān)機(jī)" << endl;
    }
};

// 環(huán)境類
class TVContext {
private:
    TVState* state; // 維持一個(gè)抽象狀態(tài)對(duì)象的引用
public:
    TVContext() : state(nullptr) {} // 默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)
    TVContext(TVState* state) : state(state) {} // 構(gòu)造函數(shù)
    ~TVContext() { delete state; } // 析構(gòu)函數(shù)
    void setState(TVState* state) { // 設(shè)置新狀態(tài)
        delete this->state; // 釋放舊狀態(tài)
        this->state = state; // 更改狀態(tài)
    }
    TVState* getState() { return state; } // 獲取當(dāng)前狀態(tài)
    void powerOn() { // 開機(jī)操作
        setState(new PowerOnState()); // 設(shè)置開機(jī)狀態(tài)
        state->handle(); // 調(diào)用狀態(tài)方法
    }
    void powerOff() { // 關(guān)機(jī)操作
        setState(new PowerOffState()); // 設(shè)置關(guān)機(jī)狀態(tài)
        state->handle(); // 調(diào)用狀態(tài)方法
    }
};

int main() {
    TVContext* tv = new TVContext(); // 創(chuàng)建環(huán)境對(duì)象
    tv->powerOn(); // 開機(jī)操作
    tv->powerOff(); // 關(guān)機(jī)操作
    delete tv; // 釋放環(huán)境對(duì)象
    return 0;
}

輸出結(jié)果：

電視機(jī)已開機(jī)
電視機(jī)已關(guān)機(jī)

三、與其他相似設(shè)計(jì)模式對(duì)比

• 策略模式
  讓對(duì)象可以根據(jù)自身的選擇或配置來選擇不同的算法罢缸，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地改變對(duì)象的行為篙贸。
• 模板方法模式
  讓子類可以在不改變算法結(jié)構(gòu)的情況下重寫某些步驟，實(shí)現(xiàn)代碼的復(fù)用和擴(kuò)展枫疆。
• 命令模式
  將一個(gè)請(qǐng)求封裝為一個(gè)對(duì)象爵川，實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求和執(zhí)行的解耦和撤銷/重做功能。