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状态模式

article 2025/1/26 14:15:43

在软件开发过程中，我们经常会遇到这样的情况：一个对象的行为会随着其内部状态的改变而发生变化。例如，一个手机在不同状态下（开机、关机、静音等）对相同的操作（如来电）会有不同的反应。传统的解决方案可能会使用大量的条件判断语句（如 if - else 或 switch - case）来处理不同状态下的行为，但这种方式会使代码变得臃肿、难以维护和扩展。状态模式（State Pattern）应运而生，它提供了一种优雅的方式来处理对象状态变化及其对应的行为变化。

状态模式概述

状态模式是一种行为型设计模式，它允许对象在内部状态改变时改变其行为，就好像对象修改了它的类一样。状态模式主要包含以下几个角色：

环境类（Context）：也称为上下文，它持有一个状态对象的引用，定义了客户端感兴趣的接口，并将与状态相关的操作委托给当前的状态对象来处理。
抽象状态类（State）：定义了一个接口，用于封装与环境类的一个特定状态相关的行为。
具体状态类（ConcreteState）：实现抽象状态类中定义的接口，每个具体状态类对应环境类的一个具体状态，实现该状态下的具体行为。

状态模式代码示例

以下是使用 Java 语言实现状态模式的示例代码。以一个简单的电梯控制系统为例，电梯有 “运行”、“停止” 两种状态，并且在不同状态下对 “开门”、“关门” 操作有不同的响应。

// 抽象状态类
abstract class LiftState {
    protected LiftContext liftContext;

    public void setLiftContext(LiftContext liftContext) {
        this.liftContext = liftContext;
    }

    public abstract void open();

    public abstract void close();

    public abstract void run();

    public abstract void stop();
}

// 运行状态类
class RunningState extends LiftState {
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("电梯正在运行，无法开门");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("电梯正在运行，门已关闭");
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("电梯正在运行");
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("电梯停止运行");
        liftContext.setState(liftContext.getStoppedState());
    }
}

// 停止状态类
class StoppedState extends LiftState {
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("电梯停止，门打开");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("电梯停止，门关闭");
        liftContext.setState(liftContext.getRunningState());
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("电梯开始运行");
        liftContext.setState(liftContext.getRunningState());
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("电梯已停止");
    }
}

// 环境类
class LiftContext {
    private LiftState state;
    private RunningState runningState = new RunningState();
    private StoppedState stoppedState = new StoppedState();

    public LiftContext() {
        this.state = stoppedState;
        runningState.setLiftContext(this);
        stoppedState.setLiftContext(this);
    }

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

    public RunningState getRunningState() {
        return runningState;
    }

    public StoppedState getStoppedState() {
        return stoppedState;
    }

    public void open() {
        state.open();
    }

    public void close() {
        state.close();
    }

    public void run() {
        state.run();
    }

    public void stop() {
        state.stop();
    }
}

public class StatePatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LiftContext liftContext = new LiftContext();
        liftContext.open();
        liftContext.close();
        liftContext.run();
        liftContext.stop();
        liftContext.open();
    }
}

在上述代码中，LiftState 是抽象状态类，定义了电梯在不同状态下可执行的操作接口。RunningState 和 StoppedState 是具体状态类，分别实现了电梯在 “运行” 和 “停止” 状态下的具体行为。LiftContext 是环境类，持有当前电梯的状态，并将对电梯的操作委托给当前状态对象。在 main 方法中，我们模拟了电梯的一系列操作，展示了状态模式下电梯在不同状态下的行为变化。

状态模式的应用场景

游戏开发：游戏角色在不同状态下（如站立、奔跑、跳跃、受伤等）对用户输入（如按键操作）会有不同的反应。通过状态模式，可以将不同状态下的行为封装在各自的具体状态类中，使代码结构更加清晰，易于维护和扩展。
工作流系统：在工作流系统中，任务可能处于不同的状态（如待处理、处理中、已完成等），并且在不同状态下对各种操作（如分配任务、提交任务等）有不同的处理方式。状态模式可以很好地处理这种情况，将工作流的状态管理和行为处理分离。
设备状态管理：对于各种设备（如打印机、空调等），它们在不同状态下（如开启、关闭、故障等）对用户操作（如打印指令、温度调节等）的响应不同。使用状态模式可以方便地实现设备状态的管理和相应行为的处理。

状态模式的优缺点

优点
- 清晰的状态管理：状态模式将对象的状态和行为封装在不同的具体状态类中，使得代码结构更加清晰，易于理解和维护。每个状态类专注于实现该状态下的特定行为，符合单一职责原则。
- 易于扩展：当需要添加新的状态或修改现有状态的行为时，只需要创建新的具体状态类或修改现有状态类的代码，而不需要在大量的条件判断语句中进行修改，符合开闭原则。
- 提高可维护性：避免了使用大量的条件判断语句，使得代码更加简洁，减少了出错的可能性。同时，当状态变化时，只需要修改相应状态类的代码，而不会影响其他状态的行为。
缺点
- 增加类的数量：由于每个状态都需要一个具体的状态类来实现，可能会导致类的数量增加，使项目的代码结构变得复杂。在小型项目中，这种复杂性可能会显得过于冗余。
- 状态转换逻辑复杂：在一些复杂的应用场景中，状态之间的转换逻辑可能会变得复杂，需要仔细设计和维护状态转换的条件和顺序，否则可能会导致状态转换错误或不符合预期的行为。