【十五】设计模式~~~行为型模式~~~状态模式（Java）

【学习难度：★★★☆☆，使用频率：★★★☆☆】

4.1. 模式动机

• 在很多情况下，一个对象的行为取决于一个或多个动态变化的属性，这样的属性叫做状态，这样的对象叫做有状态的(stateful)对象，这样的对象状态是从事先定义好的一系列值中取出的。当一个这样的对象与外部事件产生互动时，其内部状态就会改变，从而使得系统的行为也随之发生变化。
• 在UML中可以使用状态图来描述对象状态的变化。

案例1

      “人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”，包括人在内，很多事物都具有多种状态，而且在不同状态下会具有不同的行为，这些状态在特定条件下还将发生相互转换。就像水，它可以凝固成冰，也可以受热蒸发后变成水蒸汽，水可以流动，冰可以雕刻，蒸汽可以扩散。我们可以用UML状态图来描述H2O的三种状态，如图1所示：

      在软件系统中，有些对象也像水一样具有多种状态，这些状态在某些情况下能够相互转换，而且对象在不同的状态下也将具有不同的行为。为了更好地对这些具有多种状态的对象进行设计，我们可以使用一种被称之为状态模式的设计模式，

案例2（银行系统中的账户类设计）

      Sunny软件公司欲为某银行开发一套信用卡业务系统，银行账户(Account)是该系统的核心类之一，通过分析，Sunny软件公司开发人员发现在该系统中，账户存在三种状态，且在不同状态下账户存在不同的行为，具体说明如下：

• (1) 、如果账户中余额大于等于0，则账户的状态为正常状态(Normal State)，此时用户既可以向该账户存款也可以从该账户取款；
• (2)、 如果账户中余额小于0，并且大于-2000，则账户的状态为透支状态(Overdraft State)，此时用户既可以向该账户存款也可以从该账户取款，但需要按天计算利息；
• (3) 、如果账户中余额等于-2000，那么账户的状态为受限状态(Restricted State)，此时用户只能向该账户存款，不能再从中取款，同时也将按天计算利息；
• (4) 、根据余额的不同，以上三种状态可发生相互转换。

      Sunny软件公司开发人员对银行账户类进行分析，绘制了如图2所示UML状态图：

      在图2中，NormalState表示正常状态，OverdraftState表示透支状态，RestrictedState表示受限状态，在这三种状态下账户对象拥有不同的行为，方法deposit()用于存款，withdraw()用于取款，computeInterest()用于计算利息，stateCheck()用于在每一次执行存款和取款操作后根据余额来判断是否要进行状态转换并实现状态转换，相同的方法在不同的状态中可能会有不同的实现。为了实现不同状态下对象的各种行为以及对象状态之间的相互转换，Sunny软件公司开发人员设计了一个较为庞大的账户类Account，其中部分代码如下所示：

class Account {
    
    
	private String state; //状态
	private int balance; //余额
	......
	
	//存款操作	
	public void deposit() {
    
    
		//存款
		stateCheck();	
	}
	
	//取款操作
	public void withdraw() {
    
    
		if (state.equalsIgnoreCase("NormalState") || state.equalsIgnoreCase("OverdraftState ")) {
    
    
			//取款
			stateCheck();
		}
		else {
    
    
			//取款受限
		}
	}
	
	//计算利息操作
	public void computeInterest() {
    
    
		if(state.equalsIgnoreCase("OverdraftState") || state.equalsIgnoreCase("RestrictedState ")) {
    
    
			//计算利息
		}
	}
	
	//状态检查和转换操作
	public void stateCheck() {
    
    
		if (balance >= 0) {
    
    
			state = "NormalState";
		}
		else if (balance > -2000 && balance < 0) {
    
    
			state = "OverdraftState";
		}
		else if (balance == -2000) {
    
    
			state = "RestrictedState";
		}
        else if (balance < -2000) {
    
    
            //操作受限
        }
	}
	......
}

      分析上述代码，我们不难发现存在如下几个问题：

• (1) 几乎每个方法中都包含状态判断语句，以判断在该状态下是否具有该方法以及在特定状态下该方法如何实现，导致代码非常冗长，可维护性较差；
• (2) 拥有一个较为复杂的stateCheck()方法，包含大量的if…else if…else…语句用于进行状态转换，代码测试难度较大，且不易于维护；
• (3) 系统扩展性较差，如果需要增加一种新的状态，如冻结状态（Frozen State，在该状态下既不允许存款也不允许取款），需要对原有代码进行大量修改，扩展起来非常麻烦。

      为了解决这些问题，我们可以使用状态模式，在状态模式中，我们将对象在每一个状态下的行为和状态转移语句封装在一个个状态类中，通过这些状态类来分散冗长的条件转移语句，让系统具有更好的灵活性和可扩展性，状态模式可以在一定程度上解决上述问题。

4.2. 模式定义

      状态模式(State Pattern) ：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类。其别名为状态对象(Objects for States)，状态模式是一种对象行为型模式

4.3. 模式结构

状态模式包含如下角色：

• Context: 环境类，环境类又称为上下文类，它是拥有多种状态的对象。由于环境类的状态存在多样性且在不同状态下对象的行为有所不同，因此将状态独立出去形成单独的状态类。在环境类中维护一个抽象状态类State的实例，这个实例定义当前状态，在具体实现时，它是一个State子类的对象。
• State: 抽象状态类，它用于定义一个接口以封装与环境类的一个特定状态相关的行为，在抽象状态类中声明了各种不同状态对应的方法，而在其子类中实现类这些方法，由于不同状态下对象的行为可能不同，因此在不同子类中方法的实现可能存在不同，相同的方法可以写在抽象状态类中。
• ConcreteState: 具体状态类，它是抽象状态类的子类，每一个子类实现一个与环境类的一个状态相关的行为，每一个具体状态类对应环境的一个具体状态，不同的具体状态类其行为有所不同。
  

      在状态模式中，我们将对象在不同状态下的行为封装到不同的状态类中，为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，同时对各状态下的共有行为进行封装，我们需要对状态进行抽象，引入了抽象状态类角色，其典型代码如下所示：

abstract class State {
    
    
    //声明抽象业务方法，不同的具体状态类可以不同的实现
	public abstract void handle();
}

      在抽象状态类的子类即具体状态类中实现了在抽象状态类中声明的业务方法，不同的具体状态类可以提供完全不同的方法实现，在实际使用时，在一个状态类中可能包含多个业务方法，如果在具体状态类中某些业务方法的实现完全相同，可以将这些方法移至抽象状态类，实现代码的复用，典型的具体状态类代码如下所示：

class ConcreteState extends State {
    
    
	public void handle() {
    
    
		//方法具体实现代码
	}
}

      环境类维持一个对抽象状态类的引用，通过setState()方法可以向环境类注入不同的状态对象，再在环境类的业务方法中调用状态对象的方法，典型代码如下所示：

class Context {
    
    
	private State state; //维持一个对抽象状态对象的引用
	private int value; //其他属性值，该属性值的变化可能会导致对象状态发生变化
 
    //设置状态对象
	public void setState(State state) {
    
    
		this.state = state;
	}
 
	public void request() {
    
    
		//其他代码
		state.handle(); //调用状态对象的业务方法
		//其他代码
	}
}

      环境类实际上是真正拥有状态的对象，我们只是将环境类中与状态有关的代码提取出来封装到专门的状态类中。在状态模式结构图中，环境类Context与抽象状态类State之间存在单向关联关系，在Context中定义了一个State对象。在实际使用时，它们之间可能存在更为复杂的关系，State与Context之间可能也存在依赖或者关联关系。
      在状态模式的使用过程中，一个对象的状态之间还可以进行相互转换，通常有两种实现状态转换的方式：
      (1) 统一由环境类来负责状态之间的转换，此时，环境类还充当了状态管理器(State Manager)角色，在环境类的业务方法中通过对某些属性值的判断实现状态转换，还可以提供一个专门的方法用于实现属性判断和状态转换，如下代码片段所示：

      public void changeState() {
    
    
		//判断属性值，根据属性值进行状态转换
      if (value == 0) {
    
    
			this.setState(new ConcreteStateA());
		}
		else if (value == 1) {
    
    
			this.setState(new ConcreteStateB());
		}

	}

      (2) 由具体状态类来负责状态之间的转换，可以在具体状态类的业务方法中判断环境类的某些属性值再根据情况为环境类设置新的状态对象，实现状态转换，同样，也可以提供一个专门的方法来负责属性值的判断和状态转换。此时，状态类与环境类之间就将存在依赖或关联关系，因为状态类需要访问环境类中的属性值，如下代码片段所示：

	……
      public void changeState(Context ctx) {
    
    
		//根据环境对象中的属性值进行状态转换
      if (ctx.getValue() == 1) {
    
    
			ctx.setState(new ConcreteStateB());
		}
		else if (ctx.getValue() == 2) {
    
    
			ctx.setState(new ConcreteStateC());
		}
        ......
	}
    ……

4.4. 时序图

4.5. 代码分析

      Sunny软件公司开发人员使用状态模式来解决账户状态的转换问题，客户端只需要执行简单的存款和取款操作，系统根据余额将自动转换到相应的状态，其基本结构如图4所示：

4.5.1 生产

      在图4中，Account充当环境类角色，AccountState充当抽象状态角色，NormalState、OverdraftState和RestrictedState充当具体状态角色。完整代码如下所示：

package com.zyz.demo;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/28 21:50
 * @Description:
 */


//银行账户：环境类

class Account {
    
    
    private AccountState state; //维持一个对抽象状态对象的引用
    private String owner; //开户名
    private double balance = 0; //账户余额

    public Account(String owner,double init) {
    
    
        this.owner = owner;
        this.balance = balance;
        this.state = new NormalState(this); //设置初始状态
        System.out.println(this.owner + "开户，初始金额为" + init);
        System.out.println("---------------------------------------------");
    }

    public double getBalance() {
    
    
        return this.balance;
    }

    public void setBalance(double balance) {
    
    
        this.balance = balance;
    }

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

    public void deposit(double amount) {
    
    
        System.out.println(this.owner + "存款" + amount);
        state.deposit(amount); //调用状态对象的deposit()方法
        System.out.println("现在余额为"+ this.balance);
        System.out.println("现在帐户状态为"+ this.state.getClass().getName());
        System.out.println("---------------------------------------------");
    }

    public void withdraw(double amount) {
    
    
        System.out.println(this.owner + "取款" + amount);
        state.withdraw(amount); //调用状态对象的withdraw()方法
        System.out.println("现在余额为"+ this.balance);
        System.out.println("现在帐户状态为"+ this. state.getClass().getName());
        System.out.println("---------------------------------------------");
    }

    public void computeInterest()
    {
    
    
        state.computeInterest(); //调用状态对象的computeInterest()方法
    }
}


//抽象状态类

abstract class AccountState {
    
    
    protected Account acc;
    public abstract void deposit(double amount);
    public abstract void withdraw(double amount);
    public abstract void computeInterest();
    public abstract void stateCheck();
}


//正常状态：具体状态类

class NormalState extends AccountState {
    
    
    public NormalState(Account acc) {
    
    
        this.acc = acc;
    }

    public NormalState(AccountState state) {
    
    
        this.acc = state.acc;
    }

    @Override
    public void deposit(double amount) {
    
    
        acc.setBalance(acc.getBalance() + amount);
        stateCheck();
    }
    @Override
    public void withdraw(double amount) {
    
    
        acc.setBalance(acc.getBalance() - amount);
        stateCheck();
    }

    @Override
    public void computeInterest()
    {
    
    
        System.out.println("正常状态，无须支付利息！");
    }

    /**
     * 状态转换
     */
    @Override
    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！");
        }
    }
}

//透支状态：具体状态类

class OverdraftState extends AccountState
{
    
    
    public OverdraftState(AccountState state) {
    
    
        this.acc = state.acc;
    }

    @Override
    public void deposit(double amount) {
    
    
        acc.setBalance(acc.getBalance() + amount);
        stateCheck();
    }

    @Override
    public void withdraw(double amount) {
    
    
        acc.setBalance(acc.getBalance() - amount);
        stateCheck();
    }

    @Override
    public void computeInterest() {
    
    
        System.out.println("计算利息！");
    }

    /**
     * 状态转换
     */
    @Override
    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！");
        }
    }
}

//受限状态：具体状态类

class RestrictedState extends AccountState {
    
    
    public RestrictedState(AccountState state) {
    
    
        this.acc = state.acc;
    }

    @Override
    public void deposit(double amount) {
    
    
        acc.setBalance(acc.getBalance() + amount);
        stateCheck();
    }

    @Override
    public void withdraw(double amount) {
    
    
        System.out.println("帐号受限，取款失败");
    }

    @Override
    public void computeInterest() {
    
    
        System.out.println("计算利息！");
    }

    /**
     * 状态转换
     */
    @Override
    public void stateCheck() {
    
    
        if(acc.getBalance() > 0) {
    
    
            acc.setState(new NormalState(this));
        }
        else if(acc.getBalance() > -2000) {
    
    
            acc.setState(new OverdraftState(this));
        }
    }
}

4.5.2 客户端

package com.zyz.demo;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/28 21:53
 * @Description:
 */
public class Client {
    
    
    public static void main(String args[]) {
    
    
        Account acc = new Account("段誉",0.0);
        acc.deposit(1000);
        acc.withdraw(2000);
        acc.deposit(3000);
        acc.withdraw(4000);
        acc.withdraw(1000);
        acc.computeInterest();
    }
}

4.5.3 测试结果

4.6. 模式分析

• 状态模式描述了对象状态的变化以及对象如何在每一种状态下表现出不同的行为。
• 状态模式的关键是引入了一个抽象类来专门表示对象的状态，这个类我们叫做抽象状态类，而对象的每一种具体状态类都继承了该类，并在不同具体状态类中实现了不同状态的行为，包括各种状态之间的转换。
  在状态模式结构中需要理解环境类与抽象状态类的作用：
• 环境类实际上就是拥有状态的对象，环境类有时候可以充当状态管理器(State Manager)的角色，可以在环境类中对状态进行切换操作。
• 抽象状态类可以是抽象类，也可以是接口，不同状态类就是继承这个父类的不同子类，状态类的产生是由于环境类存在多个状态，同时还满足两个条件： 这些状态经常需要切换，在不同的状态下对象的行为不同。因此可以将不同对象下的行为单独提取出来封装在具体的状态类中，使得环境类对象在其内部状态改变时可以改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类，而实际上是由于切换到不同的具体状态类实现的。由于环境类可以设置为任一具体状态类，因此它针对抽象状态类进行编程，在程序运行时可以将任一具体状态类的对象设置到环境类中，从而使得环境类可以改变内部状态，并且改变行为。

4.7. 实例

TCPConnection
      这个示例来自《设计模式》,展示了一个简化版的TCP协议实现; TCP连接的状态有多种可能，状态之间的转换有相应的逻辑前提； 这是使用状态模式的场合；
结构图：

时序图

4.8. 优点

状态模式的优点

• 封装了转换规则。
• 枚举可能的状态，在枚举状态之前需要确定状态种类。
• 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，并且可以方便地增加新的状态，只需要改变对象状态即可改变对象的行为。
• 允许状态转换逻辑与状态对象合成一体，而不是某一个巨大的条件语句块。
• 可以让多个环境对象共享一个状态对象，从而减少系统中对象的个数。

4.9. 缺点

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。
• 状态模式对“开闭原则”的支持并不太好，对于可以切换状态的状态模式，增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源代码，否则无法切换到新增状态；而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。

4.10. 适用环境

在以下情况下可以使用状态模式：

• 对象的行为依赖于它的状态（属性）并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为。
• 代码中包含大量与对象状态有关的条件语句，这些条件语句的出现，会导致代码的可维护性和灵活性变差，不能方便地增加和删除状态，使客户类与类库之间的耦合增强。在这些条件语句中包含了对象的行为，而且这些条件对应于对象的各种状态。

4.11. 模式应用

      状态模式在工作流或游戏等类型的软件中得以广泛使用，甚至可以用于这些系统的核心功能设计，如在政府OA办公系统中，一个批文的状态有多种：尚未办理；正在办理；正在批示；正在审核；已经完成等各种状态，而且批文状态不同时对批文的操作也有所差异。使用状态模式可以描述工作流对象（如批文）的状态转换以及不同状态下它所具有的行为。

4.12. 模式扩展

共享状态

• 在有些情况下多个环境对象需要共享同一个状态，如果希望在系统中实现多个环境对象实例共享一个或多个状态对象，那么需要将这些状态对象定义为环境的静态成员对象。

简单状态模式与可切换状态的状态模式

1. 简单状态模式：简单状态模式是指状态都相互独立，状态之间无须进行转换的状态模式，这是最简单的一种状态模式。对于这种状态模式，每个状态类都封装与状态相关的操作，而无须关心状态的切换，可以在客户端直接实例化状态类，然后将状态对象设置到环境类中。如果是这种简单的状态模式，它遵循“开闭原则”，在客户端可以针对抽象状态类进行编程，而将具体状态类写到配置文件中，同时增加新的状态类对原有系统也不造成任何影响。
2. 可切换状态的状态模式：大多数的状态模式都是可以切换状态的状态模式，在实现状态切换时，在具体状态类内部需要调用环境类Context的setState()方法进行状态的转换操作，在具体状态类中可以调用到环境类的方法，因此状态类与环境类之间通常还存在关联关系或者依赖关系。通过在状态类中引用环境类的对象来回调环境类的setState()方法实现状态的切换。在这种可以切换状态的状态模式中，增加新的状态类可能需要修改其他某些状态类甚至环境类的源代码，否则系统无法切换到新增状态。

4.13. 总结

• 状态模式允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类。其别名为状态对象，状态模式是一种对象行为型模式。
• 状态模式包含三个角色：环境类又称为上下文类，它是拥有状态的对象，在环境类中维护一个抽象状态类State的实例，这个实例定义当前状态，在具体实现时，它是一个State子类的对象，可以定义初始状态；抽象状态类用于定义一个接口以封装与环境类的一个特定状态相关的行为；具体状态类是抽象状态类的子类，每一个子类实现一个与环境类的一个状态相关的行为，每一个具体状态类对应环境的一个具体状态，不同的具体状态类其行为有所不同。
• 状态模式描述了对象状态的变化以及对象如何在每一种状态下表现出不同的行为。
• 状态模式的主要优点在于封装了转换规则，并枚举可能的状态，它将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，并且可以方便地增加新的状态，只需要改变对象状态即可改变对象的行为，还可以让多个环境对象共享一个状态对象，从而减少系统中对象的个数；其缺点在于使用状态模式会增加系统类和对象的个数，且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，对于可以切换状态的状态模式不满足“开闭原则”的要求。
• 状态模式适用情况包括：对象的行为依赖于它的状态（属性）并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为；代码中包含大量与对象状态有关的条件语句，这些条件语句的出现，会导致代码的可维护性和灵活性变差，不能方便地增加和删除状态，使客户类与类库之间的耦合增强。

4.14.处理对象的多种状态及其相互转换

使用环境类实现状态转换
      在状态模式中实现状态转换时，具体状态类可通过调用环境类Context的setState()方法进行状态的转换操作，也可以统一由环境类Context来实现状态的转换。此时，增加新的具体状态类可能需要修改其他具体状态类或者环境类的源代码，否则系统无法转换到新增状态。但是对于客户端来说，无须关心状态类，可以为环境类设置默认的状态类，而将状态的转换工作交给具体状态类或环境类来完成，具体的转换细节对于客户端而言是透明的。

      在上面的“银行账户状态转换”实例中，我们通过具体状态类来实现状态的转换，在每一个具体状态类中都包含一个stateCheck()方法，在该方法内部实现状态的转换，除此之外，我们还可以通过环境类来实现状态转换，环境类作为一个状态管理器，统一实现各种状态之间的转换操作。

      下面通过一个包含循环状态的简单实例来说明如何使用环境类实现状态转换：

      Sunny软件公司某开发人员欲开发一个屏幕放大镜工具，其具体功能描述如下：
用户单击“放大镜”按钮之后屏幕将放大一倍，再点击一次“放大镜”按钮屏幕再放大一倍，第三次点击该按钮后屏幕将还原到默认大小。
      可以考虑使用状态模式来设计该屏幕放大镜工具，我们定义三个屏幕状态类NormalState、LargerState和LargestState来对应屏幕的三种状态，分别是正常状态、二倍放大状态和四倍放大状态，屏幕类Screen充当环境类，其结构如图6所示：

本实例核心代码如下所示：

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/28 22:12
 * @Description:
 */

//屏幕类

class Screen {
    
    
    //枚举所有的状态，currentState表示当前状态
    private State currentState, normalState, largerState, largestState;

    public Screen() {
    
    
        this.normalState = new NormalState(); //创建正常状态对象
        this.largerState = new LargerState(); //创建二倍放大状态对象
        this.largestState = new LargestState(); //创建四倍放大状态对象
        this.currentState = normalState; //设置初始状态
        this.currentState.display();
    }

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

    /**
     * 单击事件处理方法，封转了对状态类中业务方法的调用和状态的转换
     */
    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();
        }
    }
}


//抽象状态类

abstract class State {
    
    
    public abstract void display();
}

//正常状态类

class NormalState extends State{
    
    
    @Override
    public void display() {
    
    
        System.out.println("正常大小！");
    }
}


//二倍状态类

class LargerState extends State{
    
    
    @Override
    public void display() {
    
    
        System.out.println("二倍大小！");
    }
}


//四倍状态类

class LargestState extends State{
    
    
    @Override
    public void display() {
    
    
        System.out.println("四倍大小！");
    }


}

      在上述代码中，所有的状态转换操作都由环境类Screen来实现，此时，环境类充当了状态管理器角色。如果需要增加新的状态，例如“八倍状态类”，需要修改环境类，这在一定程度上违背了“开闭原则”，但对其他状态类没有任何影响。
      编写如下客户端代码进行测试：

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/28 22:13
 * @Description: 客户端
 */
class Client {
    
    
    public static void main(String args[]) {
    
    
        Screen screen = new Screen();
        screen.onClick();
        screen.onClick();
        screen.onClick();
    }
}

输出结果如下：