二十二、状态模式

1 基本介绍

状态模式（State Pattern）是一种 行为型 设计模式，它 允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为，使得这个对象 看起来像是修改了它的类。

2 案例

本案例显示了 人 在 不同的季节 中 享受不同的假期 和 穿不同的上衣 的情况，季节的变化通过月份的变化而实现。

2.1 Season 接口

public interface Season { // 季节String getName(); // 季节名称void festivals(); // 节日情况void dress(); // 上衣的穿着情况
}

2.2 Spring 类

public class Spring implements Season { // 春季// 单例模式private static final Spring SPRING = new Spring();private Spring() {}public static Spring getInstance() {return SPRING;}@Overridepublic String getName() {return "春季";}@Overridepublic void festivals() {System.out.println("春节、元宵节、清明节。");}@Overridepublic void dress() {System.out.println("从 棉袄 向 短袖 过渡。");}
}

2.3 Summer 类

public class Summer implements Season { // 夏季// 单例模式private static final Summer SUMMER = new Summer();private Summer() {}public static Summer getInstance() {return SUMMER;}@Overridepublic String getName() {return "夏季";}@Overridepublic void festivals() {System.out.println("端午节、劳动节。");}@Overridepublic void dress() {System.out.println("穿短袖。");}
}

2.4 Autumn 类

public class Autumn implements Season { // 秋季// 单例模式private static final Autumn autumn = new Autumn();private Autumn() {}public static Autumn getInstance() {return autumn;}@Overridepublic String getName() {return "秋季";}@Overridepublic void festivals() {System.out.println("中秋节、重阳节。");}@Overridepublic void dress() {System.out.println("从 短袖 向 棉袄 过渡。");}
}

2.5 Winter 类

public class Winter implements Season { // 冬季// 单例模式private static final Winter INSTANCE = new Winter();private Winter() {}public static Winter getInstance() {return INSTANCE;}@Overridepublic String getName() {return "冬季";}@Overridepublic void festivals() {System.out.println("冬至、腊八节、除夕。");}@Overridepublic void dress() {System.out.println("穿棉袄。");}
}

2.6 Person 类

public class Person { // 人private int month; // 月份private Season season; // 月份对应的季节public void setMonth(int month) { // 设置月份和对应的季节if (month < 1 || month > 12) {throw new IllegalArgumentException("请输入正确的月份");}this.month = month;if (month >= 2 && month < 5) {season = Spring.getInstance();} else if (month >= 5 && month < 8) {season = Summer.getInstance();} else if (month >= 8 && month < 11) {season = Autumn.getInstance();} else {season = Winter.getInstance();}}public void showMonth() { // 显示月份和季节的情况System.out.println("=================="+ month + "月是" + season.getName()+ "==================");}public void showNotAttendClass() { // 显示不上课的情况，除了周末和寒暑假之外System.out.print("不上课的日子有：");season.festivals();}public void showDress() { // 显示上衣的穿着情况System.out.print("上衣的穿着情况：");season.dress();}
}

2.7 Client 类

public class Client { // 客户端，测试了 人在每个月 不上课的情况 和 上衣的穿着情况public static void main(String[] args) {Person person = new Person();// 每隔 1 秒增加 1 个月for (int month = 1; month <= 12; month++) {person.setMonth(month);person.showMonth();person.showNotAttendClass();person.showDress();try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}
}

2.8 Client 类的运行结果

==================1月是冬季==================
不上课的日子有：冬至、腊八节、除夕。
上衣的穿着情况：穿棉袄。
==================2月是春季==================
不上课的日子有：春节、元宵节、清明节。
上衣的穿着情况：从 棉袄 向 短袖 过渡。
==================3月是春季==================
不上课的日子有：春节、元宵节、清明节。
上衣的穿着情况：从 棉袄 向 短袖 过渡。
==================4月是春季==================
不上课的日子有：春节、元宵节、清明节。
上衣的穿着情况：从 棉袄 向 短袖 过渡。
==================5月是夏季==================
不上课的日子有：端午节、劳动节。
上衣的穿着情况：穿短袖。
==================6月是夏季==================
不上课的日子有：端午节、劳动节。
上衣的穿着情况：穿短袖。
==================7月是夏季==================
不上课的日子有：端午节、劳动节。
上衣的穿着情况：穿短袖。
==================8月是秋季==================
不上课的日子有：中秋节、重阳节。
上衣的穿着情况：从 短袖 向 棉袄 过渡。
==================9月是秋季==================
不上课的日子有：中秋节、重阳节。
上衣的穿着情况：从 短袖 向 棉袄 过渡。
==================10月是秋季==================
不上课的日子有：中秋节、重阳节。
上衣的穿着情况：从 短袖 向 棉袄 过渡。
==================11月是冬季==================
不上课的日子有：冬至、腊八节、除夕。
上衣的穿着情况：穿棉袄。
==================12月是冬季==================
不上课的日子有：冬至、腊八节、除夕。
上衣的穿着情况：穿棉袄。

2.9 总结

本案例让四个季节对应四个类，并且都实现了 Season 接口，从而能够通过调用 Season 的接口来动态地调用具体季节的方法，很好地利用了面向对象的 多态性，避免了很多判断分支语句，使得编写代码时更简单。

此外，由于四个具体的季节类中没有成员字段，所以使用 单例模式 来创建它们的对象实例。

3 各角色之间的关系

3.1 角色

3.1.1 State ( 状态 )

该角色负责 定义 根据不同状态进行不同处理的 接口。本案例中，Season 接口扮演了该角色。

3.1.2 ConcreteState ( 具体的状态 )

该角色负责 实现 State 角色定义的 接口。本案例中，Spring, Summer, Autumn, Winter 类都在扮演该角色。

3.1.3 Context ( 上下文 )

该角色负责 持有表示当前状态的 ConcreteState 角色的实例对象，并 定义供外部使用的接口。本案例中，Person 类扮演了该角色。

3.1.4 Client ( 客户端 )

该角色负责 使用 Context 角色完成具体的业务逻辑。本案例中，Client 类扮演了该角色。

3.2 类图

说明：

• 有时候 State 可以使用抽象类实现，只需要注意 单继承 即可。
• Context 表面上聚合了 State，实际上根据具体情况会聚合不同的 ConcreteState。
• Client 可能不会直接使用 State 和 ConcreteState，而是给 Context 传递一个变量，Context 根据这个变量修改自身的状态，就像本案例一样，Client 类给 Person 类的 setMonth() 方法传递 月份 这个参数，从而修改 Person 类内部聚合的 season 对象。

4 注意事项

• 避免过多状态：虽然状态模式可以处理多个状态，但过多的状态会使系统变得复杂，增加维护难度。因此，在设计时应尽量控制状态的数量，避免状态爆炸。
• 遵守单一职责原则：每个 ConcreteState 应该只负责一种状态的行为，避免将多个状态的行为放在同一个类中。
• 避免复杂逻辑：ConcreteState 中的逻辑应该尽量简单，避免在 ConcreteState 中实现复杂的业务逻辑。复杂的逻辑应该由 Context 或其他类来处理。
• 性能考虑：虽然状态模式可以提高代码的可读性和可维护性，但在某些情况下，由于 需要频繁地创建和销毁状态对象，可能会降低系统的性能。因此，应该避免不必要的对象创建和销毁，可以考虑使用 单例模式、享元模式 来避免创建过多的对象。
• 状态转换的管理：状态转换有两种管理方式，在使用本模式时需要选择具体的管理方式。
  • 在 Context 中管理：
    • 优点：提高 ConcreteState 的独立性，程序的整体结构会更加清晰。
    • 缺点：Context 必须了解所有 ConcreteState。
  • 在各个 ConcreteState 中管理：
    • 优点：每个 ConcreteState 都知道在什么情况下进行状态转换。
    • 缺点：每个 ConcreteState 都必须了解所有 ConcreteState。

5 优缺点

优点：

• 提高代码的可读性和可重用性：状态模式通过明确的 ConcreteState 来表示不同的状态，使得代码更加易于理解和重用。其他对象或系统也可以通过 State 与 ConcreteState 进行交互，而不需要关心具体的状态实现，从而提高了代码的 可读性 和 可重用性。
• 增强系统的可维护性：由于每个 ConcreteState 都封装了与特定状态相关的行为，因此当需要修改某个状态的行为时，只需要修改该 ConcreteState 的代码即可，而不会影响到其他 ConcreteState 或 Context 的代码，从而增强了系统的 可维护性。
• 增强系统的扩展性：当需要添加新的状态时，只需要新增一个 ConcreteState，并在 Context 中修改状态转换的逻辑即可，而不需要修改其他 ConcreteState 的代码，这符合开闭原则（对扩展开放，对修改关闭），从而增强了系统的 扩展性。

缺点：

• 增加类的数量：状态模式会引入大量的 ConcreteState，这可能会增加系统的复杂性和类的数量。当状态数量较多时，系统的维护成本也会相应增加。
• 状态转换的逻辑可能变得复杂：在某些情况下，状态之间的转换逻辑可能非常复杂，这可能会导致 ConcreteState 的代码变得难以理解和维护。此外，如果状态转换的逻辑不恰当，还可能导致系统出现错误或不一致的行为。
• 对开闭原则的支持有限：虽然状态模式在一定程度上支持开闭原则，但在某些情况下，添加 新的状态 或 修改状态转换的逻辑 仍然需要修改 ConcreteState 的代码，这可能会违反开闭原则，使得系统的扩展性受到一定的限制。

6 适用场景

• 多状态行为：当 一个对象具有多种状态，并且这些状态会影响其行为 时，可以使用状态模式。每个状态对应一个 ConcreteState，封装了在该状态下对象的行为。
• 状态转换复杂：如果 对象的状态转换逻辑非常复杂，并且这些转换逻辑分散在多个地方（如多个条件语句或方法中），那么使用状态模式可以将这些逻辑集中管理，使代码更加清晰和易于维护。
• 实现状态机：状态模式是实现 状态机 的一种有效方式。状态机是 一种用于描述系统在不同状态下如何响应不同事件的模型。状态模式允许将状态机的各个状态作为独立的类来实现，并通过状态转换来模拟状态机的行为。

7 总结

状态模式 是一种 行为型 设计模式，它使用 多态性 来区分对象在不同状态下的不同行为，避免了在多处书写多重分支语句的复杂性。在本模式中，对象的 状态转换 是一个重点，使用本模式之前需要明确对象的状态应该在合适变化。本模式在生产中比较常用，因为现实生活中有很多实体需要有状态的概念，例如用户的标签。