「聊设计模式」之状态模式（State）

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大家下午好，我是bug菌，今天我们继续聊设计模式。

前言

  在软件开发中，我们面临的问题往往是复杂的，要求我们处理多个不同的操作和状态。状态模式(State)是一种处理复杂状态的设计模式，它允许对象在其内部状态发生变化时更改其行为。在本文中，我们将讨论状态模式，提供Java代码示例，并讨论其使用场景和优缺点。

摘要

  状态模式是一种典型的行为型模式，它允许对象在运行时根据内部状态的变化改变自己的行为。状态模式将状态封装成独立的类，并将行为委托给代表当前状态的对象。这使得我们可以在不同的状态下修改对象的行为，从而简化了代码，增强了可维护性和可扩展性。

状态模式

概念

  状态模式是一种行为型设计模式，它允许对象在内部状态发生变化时改变其行为。在状态模式中，一个对象的行为取决于其当前状态，而且可以随时改变这个状态。状态模式将对象的状态封装在不同的状态类中，从而使代码更加清晰和易于维护。当一个对象的状态改变时，状态模式会自动更新该对象的行为，而不需要在代码中手动进行判断和处理。状态模式是一种行为型设计模式，它允许对象在内部状态发生变化时改变其行为。在状态模式中，一个对象的行为取决于其当前状态，而且可以随时改变这个状态。状态模式将对象的状态封装在不同的状态类中，从而使代码更加清晰和易于维护。当一个对象的状态改变时，状态模式会自动更新该对象的行为，而不需要在代码中手动进行判断和处理。

结构

状态模式包含三种类型的角色：

1. 上下文(**Context**)角色：封装了状态的实例，负责维护状态实例，并将请求委托给当前的状态对象。
2. 抽象状态(**State**)角色：定义了表示不同状态的接口，并封装了该状态下的行为。所有具体状态都实现这个接口。
3. 具体状态(**Concrete State**)角色：具体实现了抽象状态角色的接口，并封装了该状态下的行为。

如下是状态模式的UML类图：

应用场景

状态模式适用于以下场景：

1. 当一个对象的行为取决于它的状态，且它需要在运行时动态切换状态时，可以使用状态模式。
2. 当一个大的条件分支语句存在于对象的行为中，且这些条件语句在对象的各个方法中都出现，可以使用状态模式将每个条件分支封装为一个状态类。
3. 当需要添加新的状态时，可以通过添加新的状态类来扩展对象的行为，而不需要修改原有的代码。
4. 当存在较为复杂的状态转换逻辑时，可以使用状态模式来简化代码，使其易于理解和维护。
5. 当需要将状态和状态转换与对象的其它行为分离时，可以使用状态模式将状态和状态转换逻辑独立出来。

优缺点

优点

状态模式的优点如下：

1. 代码简洁，结构清晰：由于状态模式将每个状态封装成了独立的类，使代码结构更加清晰，易于维护和扩展。
2. 避免了大量的if-else语句：状态模式中的每个状态都可以作为一个单独的类，因此我们不需要使用大量的if-else语句来判断当前对象的状态。
3. 提高了代码的可维护性：状态模式将状态封装成独立的类，这使得我们可以独立添加或修改状态类，而不会影响其他类的工作。缺点状态模式的缺点如下：
4. 增加了系统的复杂性：由于状态模式将每个状态封装成了独立的类，因此系统中会出现大量的类，这会增加系统的复杂性。
5. 无法避免状态转换的复杂性：当状态转换比较复杂时，状态模式并不能帮助我们避免状态转换的复杂性。

状态模式实现

  接下来我们通过一个简单的实例来说明状态模式的实现。

  假设我们正在开发一个交通灯控制系统，交通灯有三个颜色：红色、黄色、绿色，每个颜色代表了交通灯的不同状态，不同的状态需要采取不同的行为。我们使用状态模式来实现这个交通灯控制系统。

  首先，我们定义一个抽象状态类LightState，它包含了所有状态共同拥有的方法：

package com.example.javaDesignPattern.state;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 15:10
 */
public abstract class LightState {
    abstract void action();
}

然后，我们实现具体的状态类，如下所示：

package com.example.javaDesignPattern.state;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 15:11
 */
public class RedLightState extends LightState{
    @Override
    void action() {
        System.out.println("红灯停");
    }
}

package com.example.javaDesignPattern.state;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 15:11
 */
public class YellowLightState extends LightState{
    @Override
    void action() {
        System.out.println("黄灯亮");
    }
}

package com.example.javaDesignPattern.state;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 15:11
 */
public class GreenLightState extends LightState{
    @Override
    void action() {
        System.out.println("绿灯行");
    }
}

  最后，我们定义一个上下文类TrafficLight，它维护了当前状态对象，并提供了切换状态的方法：

package com.example.javaDesignPattern.state;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 15:11
 */
public class TrafficLight {
    private LightState state;

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

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

  现在，我们就可以使用这些类来实现我们的交通灯控制系统了。我们可以先初始化一个交通灯的对象，然后定义三个相应的状态对象，最后通过改变状态对象来控制交通灯的状态。

package com.example.javaDesignPattern.state;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 15:11
 */
public class StateTest {

    public static void main(String[] args) {
        TrafficLight trafficLight = new TrafficLight();

        LightState redLightState = new RedLightState();
        LightState yellowLightState = new YellowLightState();
        LightState greenLightState = new GreenLightState();

        trafficLight.setState(redLightState);
        trafficLight.action();//红灯停

        trafficLight.setState(yellowLightState);
        trafficLight.action();//黄灯亮

        trafficLight.setState(greenLightState);
        trafficLight.action();//绿灯行
    }
}

执行结果如下：

代码方法介绍

  本实例中，共包含4个类LightState，RedLightState，YellowLightState和GreenLightState。其中，LightState是一个抽象类，定义了所有状态共同拥有的方法，RedLightState、YellowLightState和GreenLightState是具体的状态类，它们实现了LightState中定义的方法。

  另外，还有一个上下文类TrafficLight，它维护了当前状态对象，并提供了切换状态的方法。

测试用例

我们使用JUnit来对代码进行测试。测试代码如下：

import org.junit.Test;
package state;

import com.example.javaDesignPattern.state.*;
import org.junit.Test;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 15:15
 */
@SpringBootTest
public class StateTest {

    @Test
    public void test() {
        TrafficLight trafficLight = new TrafficLight();

        LightState redLightState = new RedLightState();
        LightState yellowLightState = new YellowLightState();
        LightState greenLightState = new GreenLightState();

        trafficLight.setState(redLightState);
        trafficLight.action();

        trafficLight.setState(yellowLightState);
        trafficLight.action();

        trafficLight.setState(greenLightState);
        trafficLight.action();
    }
}

运行测试用例，我们可以得到以下输出结果：

测试代码成功地演示了状态模式的使用。

测试用例代码解析

  此代码是一个 JUnit 测试类，测试了一个交通信号灯的状态转换。该交通信号灯有三种状态：红灯、黄灯和绿灯。在测试方法中，创建了一个 TrafficLight 对象和三个 LightState 对象，其中 LightState 是一个接口，它有三个实现类：RedLightState、YellowLightState 和 GreenLightState。state 对象通过 TrafficLight 对象的 setState() 方法设置，再通过调用 TrafficLight 对象的 action() 方法，执行相应的操作。测试方法在交通信号灯的三种状态间进行切换，以确保状态转换的正确性。

小结

  本文介绍了状态模式，该模式允许对象在其内部状态发生变化时更改其行为。我们先讲述了状态模式的结构和实现，然后讨论了状态模式的优缺点，最后提供了一个使用状态模式的Java示例并进行了测试。

  状态模式是一种十分有用的设计模式，它可以便于维护和扩展代码，并减少复杂的条件判断语句。在实际开发中，我们需要根据具体的场景来选择合适的设计模式，只有在合适的场景下使用合适的设计模式，才能使代码更加优雅和可维护。

附录源码

  如上涉及代码均已上传同步在GitHub，提供给同学们参考性学习。

总结

  本文介绍了状态模式，它是一种处理复杂状态的设计模式，允许对象在其内部状态发生变化时更改其行为。状态模式将状态封装成独立的类，并将行为委托给代表当前状态的对象。这使得我们可以在不同的状态下修改对象的行为，从而简化了代码，增强了可维护性和可扩展性。状态模式适用于当一个对象的行为取决于它的状态，并且需要在运行时动态切换状态的情况。它可以避免大量的if-else语句，并提高代码的可维护性。但是，它也会增加系统的复杂性。最后，本文提供了一个交通灯控制系统的Java代码示例来说明状态模式的实现。

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