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行为型状态模式

gavin-james设计模式设计模式大约 12 分钟

状态模式基本介绍

在软件开发过程中，应用程序中的部分对象可能会根据不同的情况做出不同的行为，我们把这种对象称为有状态的对象，而把影响对象行为的一个或多个动态变化的属性称为状态。当有状态的对象与外部事件产生互动时，其内部状态就会发生改变，从而使其行为也发生改变。如人都有高兴和伤心的时候，不同的情绪有不同的行为，当然外界也会影响其情绪变化。

对这种有状态的对象编程，传统的解决方案是：将这些所有可能发生的情况全都考虑到，然后使用 if-else 或 switch-case 语句来做状态判断，再进行不同情况的处理。但是显然这种做法对复杂的状态判断存在天然弊端，条件判断语句会过于臃肿，可读性差，且不具备扩展性，维护难度也大。且增加新的状态时要添加新的 if-else 语句，这违背了「开闭原则」，不利于程序的扩展。

以上问题如果采用 状态模式 就能很好地得到解决。状态模式的解决思想是：当控制一个对象状态转换的条件表达式过于复杂时，把相关「判断逻辑」提取出来，用各个不同的类进行表示，系统处于哪种情况，直接使用相应的状态类对象进行处理，这样能把原来复杂的逻辑判断简单化，消除了 if-else、switch-case 等冗余语句，代码更有层次性，并且具备良好的扩展力。

状态模式（State Pattern）：对有状态的对象，把复杂的「判断逻辑」提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。它主要用来解决对象在多种状态转换时，需要对外输出不同的行为的问题。状态和行为是一一对应的，状态之间可以相互转换。

当一个对象的内在状态改变时，允许改变其行为，这个对象看起来像是改变了其类。

状态模式是一种对象行为型模式。

主要优点

  • 结构清晰，状态模式将与特定状态相关的行为局部化到一个状态中，并且将不同状态的行为分割开来，满足「单一职责原则」
  • 将状态转换显示化，减少对象间的相互依赖。将不同的状态引入独立的对象中会使得状态转换变得更加明确，且减少对象间的相互依赖
  • 状态类职责明确，有利于程序的扩展。通过定义新的子类很容易地增加新的状态和转换

主要缺点

  • 状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数
  • 状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当会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要修改对应类的源码

状态模式的结构与实现

状态模式把受环境改变的对象行为包装在不同的状态对象里，其意图是让一个对象在其内部状态改变的时候，其行为也随之改变。现在我们来分析其基本结构和实现方法。

状态模式包含以下主要角色。

  • 环境类（Context）角色：也称为上下文，它定义了客户端需要的接口，内部维护一个当前状态，并负责具体状态的切换
  • 抽象状态（State）角色：定义一个接口，用以封装环境对象中的特定状态所对应的行为，可以有一个或多个行为
  • 具体状态（Concrete State）角色：实现抽象状态所对应的行为，并且在需要的情况下进行状态切换

其结构图如下图所示：

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代码实现：

// 环境类
class Context {
    private State state;
    // 定义环境类的初始状态
    public Context() {
        this.state = new ConcreteStateA();
    }
    // 设置新状态
    public void setState(State state) {
        this.state = state;
    }
    // 读取状态
    public State getState() {
        return (state);
    }
    // 对请求做处理
    public void Handle() {
        state.Handle(this);
    }
}
// 抽象状态类
abstract class State {
    public abstract void Handle(Context context);
}
// 具体状态 A 类
class ConcreteStateA extends State {
    public void Handle(Context context) {
        System.out.println("当前状态是 A.");
        context.setState(new ConcreteStateB());
    }
}
// 具体状态 B 类
class ConcreteStateB extends State {
    public void Handle(Context context) {
        System.out.println("当前状态是 B.");
        context.setState(new ConcreteStateA());
    }
}
public class StatePatternClient {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();    // 创建环境      
        context.Handle();    // 处理请求
        context.Handle();
        context.Handle();
        context.Handle();
    }
}

APP 抽奖活动问题

具体要求如下：

  • 假如每参加一次这个活动要扣除用户 50 积分，中奖概率是 10%
  • 奖品数量固定，抽完就不能抽奖
  • 活动有四个状态: 可以抽奖、不能抽奖、发放奖品和奖品领完

活动的四个状态转换关系图：

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状态模式解决抽奖活动问题

思路分析和类图：

  • 定义出一个接口叫状态接口，每个状态都实现它
  • 接口有扣除积分方法、抽奖方法、发放奖品方法
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代码示例：

public class RaffleActivity {

    // state 表示活动当前的状态，是变化
    State state = null;
    // 奖品数量
    int count = 0;
    // 四个属性，表示四种状态
    State noRafflleState = new NoRaffleState(this);
    State canRaffleState = new CanRaffleState(this);
    State dispenseState =   new DispenseState(this);
    State dispensOutState = new DispenseOutState(this);

    // 构造器
    // 1. 初始化当前的状态为 noRafflleState（即不能抽奖的状态）
    // 2. 初始化奖品的数量 
    public RaffleActivity( int count) {
        this.state = getNoRafflleState();
        this.count = count;
    }
    // 扣分，调用当前状态的 deductMoney
    public void debuctMoney(){
        state.deductMoney();
    }
    // 抽奖 
    public void raffle(){
        // 如果当前的状态是抽奖成功
        if(state.raffle()){
            // 领取奖品
            state.dispensePrize();
        }
    }
    //这里请大家注意，每领取一次奖品，count--
    public int getCount() {
        int curCount = count; 
        count--;
        return curCount;
    }

    // setter 和 getter 方法省略
}

状态类

// 状态抽象类
public abstract class State {
    // 扣除积分 - 50
    public abstract void deductMoney();
    // 是否抽中奖品
    public abstract boolean raffle();
    // 发放奖品
    public abstract  void dispensePrize();
}
// 可以抽奖的状态
public class CanRaffleState extends State {

    RaffleActivity activity;

    public CanRaffleState(RaffleActivity activity) {
        this.activity = activity;
    }
    // 已经扣除了积分，不能再扣
    @Override
    public void deductMoney() {
        System.out.println("已经扣取过了积分");
    }
    // 可以抽奖, 抽完奖后，根据实际情况，改成新的状态
    @Override
    public boolean raffle() {
        System.out.println("正在抽奖，请稍等！");
        Random r = new Random();
        int num = r.nextInt(10);
        // 10% 中奖机会
        if(num == 0){
            // 改变活动状态为发放奖品 context
            activity.setState(activity.getDispenseState());
            return true;
        }else{
            System.out.println("很遗憾没有抽中奖品！");
            // 改变状态为不能抽奖
            activity.setState(activity.getNoRafflleState());
            return false;
        }
    }
    // 不能发放奖品
    @Override
    public void dispensePrize() {
        System.out.println("没中奖，不能发放奖品");
    }
}
// 不能抽奖状态
public class NoRaffleState extends State {
    // 初始化时传入活动引用，扣除积分后改变其状态
    RaffleActivity activity;

    public NoRaffleState(RaffleActivity activity) {
        this.activity = activity;
    }
    // 当前状态可以扣积分，扣除后，将状态设置成可以抽奖状态
    @Override
    public void deductMoney() {
        System.out.println("扣除50积分成功，您可以抽奖了");
        activity.setState(activity.getCanRaffleState());
    }
    // 当前状态不能抽奖
    @Override
    public boolean raffle() {
        System.out.println("扣了积分才能抽奖喔！");
        return false;
    }
    // 当前状态不能发奖品
    @Override
    public void dispensePrize() {
        System.out.println("不能发放奖品");
    }
}
// 发放奖品的状态
public class DispenseState extends State {

    // 初始化时传入活动引用，发放奖品后改变其状态
    RaffleActivity activity;
    public DispenseState(RaffleActivity activity) {
        this.activity = activity;
    }
    @Override
    public void deductMoney() {
        System.out.println("不能扣除积分");
    }
    @Override
    public boolean raffle() {
        System.out.println("不能抽奖");
        return false;
    }
    // 发放奖品
    @Override
    public void dispensePrize() {
        if(activity.getCount() > 0){
            System.out.println("恭喜中奖了");
            // 改变状态为不能抽奖
            activity.setState(activity.getNoRafflleState());
        }else{
            System.out.println("很遗憾，奖品发送完了");
            // 改变状态为奖品发送完毕，后面我们就不可以抽奖
            activity.setState(activity.getDispensOutState());
        }
    }
}
// 奖品发放完毕状态
public class DispenseOutState extends State {
    // 初始化时传入活动引用，当我们 activity 改变成 DispenseOutState，抽奖活动结束
    RaffleActivity activity;
    public DispenseOutState(RaffleActivity activity) {
        this.activity = activity;
    }
    @Override
    public void deductMoney() {
        System.out.println("奖品发送完了，请下次再参加");
    }
    @Override
    public boolean raffle() {
        System.out.println("奖品发送完了，请下次再参加");
        return false;
    }
    @Override
    public void dispensePrize() {
        System.out.println("奖品发送完了，请下次再参加");
    }
}

测试类

// 状态模式测试类
public class ClientTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建活动对象，奖品有 1 个奖品
        RaffleActivity activity = new RaffleActivity(1);
        // 我们连续抽 300 次奖
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            System.out.println("--------第" + (i + 1) + "次抽奖----------");
            // 参加抽奖，第一步点击扣除积分
            activity.debuctMoney();
            // 第二步抽奖
            activity.raffle();
        }
    }
}

状态模式在实际项目源码

借贷平台的订单，有审核、发布、抢单等等步骤，随着操作的不同，会改变订单的状态，项目中的这个模块实现就会使用到状态模式。

通常通过 if/else 判断订单的状态，从而实现不同的逻辑，伪代码如下：

if(审核) {
    // 审核逻辑
}else if(发布) {
    // 发布逻辑
}else if(抢单) {
    // 抢单逻辑
}

问题分析

这类代码难以应对变化，在添加一种状态时，我们需要手动添加 if/else，在添加一种功能时，要对所有的状态进行判断。因此代码会变得越来越臃肿，并且一旦没有处理某个状态，便会发生极其严重的 BUG，难以维护。

使用状态模式完成借贷平台项目的审核模块

状态类

public interface State {
    // 电审
    void checkEvent(Context context);
    // 电审失败
    void checkFailEvent(Context context);
    // 定价发布
    void makePriceEvent(Context context);
    // 接单
    void acceptOrderEvent(Context context);
    // 无人接单失效
    void notPeopleAcceptEvent(Context context);
    // 付款
    void payOrderEvent(Context context);
    // 接单有人支付失效
    void orderFailureEvent(Context context);
    // 反馈
    void feedBackEvent(Context context);
	// 获取状态
    String getCurrentState();
}

各种状态子类

public abstract class AbstractState implements State {
    protected static final RuntimeException EXCEPTION = new RuntimeException("操作流程不允许");
    // 抽象类，默认实现了 State 接口的所有方法
    // 该类的所有方法，其子类（具体的状态类），可以有选择的进行重写
    @Override
    public void checkEvent(Context context) {
        throw EXCEPTION;
    }
    @Override
    public void checkFailEvent(Context context) {
        throw EXCEPTION;
    }
    @Override
    public void makePriceEvent(Context context) {
        throw EXCEPTION;
    }
    @Override
    public void acceptOrderEvent(Context context) {
        throw EXCEPTION;
    }
    @Override
    public void notPeopleAcceptEvent(Context context) {
        throw EXCEPTION;
    }
    @Override
    public void payOrderEvent(Context context) {
        throw EXCEPTION;
    }
    @Override
    public void orderFailureEvent(Context context) {
        throw EXCEPTION;
    }
    @Override
    public void feedBackEvent(Context context) {
        throw EXCEPTION;
    }
}
// 已完结状态类
class FeedBackState extends AbstractState {

    @Override
    public String getCurrentState() {
        return StateEnum.FEED_BACKED.getValue();
    }
}
// 订单生成状态类
class GenerateState extends AbstractState {

    @Override
    public void checkEvent(Context context) {
        context.setState(new ReviewState());
    }

    @Override
    public void checkFailEvent(Context context) {
        context.setState(new FeedBackState());
    }

    @Override
    public String getCurrentState() {
        return StateEnum.GENERATE.getValue();
    }
}
// 待付款状态类
class NotPayState extends AbstractState {

    @Override
    public void payOrderEvent(Context context) {
        context.setState(new PaidState());
    }

    @Override
    public void feedBackEvent(Context context) {
        context.setState(new FeedBackState());
    }

    @Override
    public String getCurrentState() {
        return StateEnum.NOT_PAY.getValue();
    }
}
// 已付款状态类
class PaidState extends AbstractState {

    @Override
    public void feedBackEvent(Context context) {
        context.setState(new FeedBackState());
    }

    @Override
    public String getCurrentState() {
        return StateEnum.PAID.getValue();
    }
}
// 已发布状态类
class PublishState extends AbstractState {
    @Override
    public void acceptOrderEvent(Context context) {
        // 把当前状态设置为  NotPayState
        // 至于应该变成哪个状态，有流程图来决定
        context.setState(new NotPayState());
    }
    @Override
    public void notPeopleAcceptEvent(Context context) {
        context.setState(new FeedBackState());
    }
    @Override
    public String getCurrentState() {
        return StateEnum.PUBLISHED.getValue();
    }
}
// 已审核状态类
class ReviewState extends AbstractState {
    @Override
    public void makePriceEvent(Context context) {
        context.setState(new PublishState());
    }
    @Override
    public String getCurrentState() {
        return StateEnum.REVIEWED.getValue();
    }
}

状态枚举类

public enum StateEnum {
    // 订单生成
    GENERATE(1, "GENERATE"),
    // 已审核
    REVIEWED(2, "REVIEWED"),
    // 已发布
    PUBLISHED(3, "PUBLISHED"),
    // 待付款
    NOT_PAY(4, "NOT_PAY"),
    // 已付款
    PAID(5, "PAID"),
    // 已完结
    FEED_BACKED(6, "FEED_BACKED");
    
    private int key;
    private String value;
    StateEnum(int key, String value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }
    public int getKey() {return key;}
    public String getValue() {return value;}
}

环境上下文类

// 环境上下文
public class Context extends AbstractState{
	// 当前的状态 state，根据我们的业务流程处理，不停的变化
	private State state;

    @Override
    public void checkEvent(Context context) {
        state.checkEvent(this);
        getCurrentState();
    }
    @Override
    public void checkFailEvent(Context context) {
        state.checkFailEvent(this);
        getCurrentState();
    }
    @Override
    public void makePriceEvent(Context context) {
        state.makePriceEvent(this);
        getCurrentState();
    }
    @Override
    public void acceptOrderEvent(Context context) {
        state.acceptOrderEvent(this);
        getCurrentState();
    }
    @Override
    public void notPeopleAcceptEvent(Context context) {
        state.notPeopleAcceptEvent(this);
        getCurrentState();
    }
    @Override
    public void payOrderEvent(Context context) {
        state.payOrderEvent(this);
        getCurrentState();
    }
    @Override
    public void orderFailureEvent(Context context) {
        state.orderFailureEvent(this);
        getCurrentState();
    }
    @Override
    public void feedBackEvent(Context context) {
        state.feedBackEvent(this);
        getCurrentState();
    }
    public State getState() {
        return state;
    }
    public void setState(State state) {
        this.state = state;
    }
    @Override
    public String getCurrentState() {
        System.out.println("当前状态 : " + state.getCurrentState());
        return state.getCurrentState();
    }
}

测试类

public class ClientTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建 context 对象
        Context context = new Context();
        // 将当前状态设置为 PublishState
        context.setState(new PublishState());
        System.out.println(context.getCurrentState());

        context.acceptOrderEvent(context);
        context.payOrderEvent(context);
        // 失败, 检测失败时，会抛出异常
        try {
            context.checkFailEvent(context);
            System.out.println("流程正常..");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

状态模式的注意事项和细节

  • 状态模式的代码有很强的可读性。状态模式将每个状态的行为封装到对应的一个类
  • 状态模式方便维护。将容易产生问题的 if-else 语句删除了，如果把每个状态的行为都放到一个类中，每次调用方法时都要判断当前是什么状态，不但会产出很多 if-else 语句，而且容易出错
  • 符合「开闭原则」。容易增删状态
  • 会产生很多类。每个状态都要一个对应的类，当状态过多时会产生很多类，加大维护难度

状态模式的应用场景

通常在以下情况下可以考虑使用状态模式：

  • 当一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时根据状态改变它的行为时，就可以考虑使用状态模式
  • 一个操作中含有庞大的分支结构，并且这些分支决定于对象的状态时
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