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JAVA设计模式--状态模式

阅读 : 25

一、什么是状态模式

状态(State))模式,又称状态对象(Pattern of Objects for States)模式,是一种对象的行为模式。状态模式允许一个对象在其内部状态改变的时候改变其行为。这个对象看上去就像是改变了它的类一样。

状态模式的本质:根据状态来分离和选择行为  

二、状态模式的结构

状态模式涉及的角色及其职责如下:

环境(Context)角色:也称上下文,通常用来定义客户端感兴趣的接口,同时维护一个来具体处理当前状态的对象示例。
抽象状态(State)角色:定义一个接口,用来封装与环境(Context)对象的一个特定的状态所对应的行为。
           具体状态(ConcreteState)角色:每一个具体状态类都实现了一个跟环境(Context)相关的状态的具体处理。

状态模式结构示意源代码如下:

/**
 * 抽象状态(State)角色,用来封装与环境(Context)对象的一个特定的状态所对应的行为
 */
public interface State {

	/**
	 * 状态对应的处理
	 * 
	 * @param sampleParameter 示例参数
	 */
	public void handle(String sampleParameter);
}
/**
 * 具体状态(ConcreteState)角色,实现一个与Context的一个特定状态相关的行为
 */
public class ConcreteStateA implements State {

	@Override
	public void handle(String sampleParameter) {
		// 实现具体的处理

	}

}
/**
 * 具体状态(ConcreteState)角色,实现一个与Context的一个特定状态相关的行为
 */
public class ConcreteStateB implements State {

	@Override
	public void handle(String sampleParameter) {
		// 实现具体的处理

	}

}

 

/**
 * 环境(Context)角色
 */
public class Context {

	// 持有一个State类型的对象实例
	private State state;

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

	public void request(String sampleParameter) {
		// 处理操作,会转调State来处理
		state.handle(sampleParameter);
	}
}

三、状态模式应用举例

《研磨设计模式》中给出这么一个场景:实现在线投票。
            考虑一个在线投票的应用,要实现控制同一个用户只能投一票,如果一个用户重复投票,而且投票次数超过5次,则判定为恶意刷票,要取消该用户投票的资格,当然同时也要取消他所投的票;如果一个用户的投票次数超过8次,将进入黑名单,禁止再登录和使用系统。

以上功能我们使用状态模式来实现:
           首先需要把投票过程的各种状态定义出来,根据以上描述大致分为四种状态:正常投票、重复投票、恶意刷票、进入黑名单。

设计好的程序结构如图所示:

先来看看状态接口的代码实现,示例代码如下。 

public interface VoteState {
	/**
	 * 处理状态对应的行为
	 * 
	 * @param user
	 *            投票人
	 * @param voteItem
	 *            投票项
	 * @param voteManager
	 *            投票上下文,用来在实现状态对应的功能处理的时候, 可以回调上下文的数据
	 */
	public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager);
}

接下来看看各个状态对应的处理,示例代码如下。 

/**
 * 正常投票状态
 */
public class NormalVoteState implements VoteState {

	@Override
	public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
		// 正常投票,记录到投票记录中
		voteManager.getMapVote().put(user, voteItem);
		System.out.println("恭喜您,投票成功。");
	}

}
/**
 * 重复投票状态
 */
public class RepeatVoteState implements VoteState {
	@Override
	public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
		// 重复投票,此处仅打印一个警告作为示意
		System.out.println("警告:请不要重复投票!");
	}
}
/**
 * 恶意刷票状态
 */
public class SpiteVoteState implements VoteState {
	@Override
	public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
		// 恶意投票,取消用户的投票资格,并取消投票记录
		String str = voteManager.getMapVote().get(user);
		if (str != null) {
			voteManager.getMapVote().remove(user);
		}
		System.out.println("你有恶意刷屏行为,取消投票资格!");
	}
}
/**
 * 黑名单状态
 */
public class BlackVoteState implements VoteState {
	@Override
	public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
		// 记录在黑名单中,禁止登录系统
		System.out.println("提示:您已进入投票黑名单,禁止登录和使用本系统!");
	}

}

最后看看投票管理,相当于状态模式中的上下文,示例代码如下。 

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class VoteManager {
	// 持有状体处理对象实例
	private VoteState state = null;
	// 记录用户投票的结果,Map<String,String>对应Map<用户名称,投票的选项>
	private Map<String, String> mapVote = new HashMap<String, String>();
	// 记录用户投票次数,Map<String,Integer>对应Map<用户名称,投票的次数>
	private Map<String, Integer> mapVoteCount = new HashMap<String, Integer>();

	/**
	 * 获取用户投票结果的Map
	 */
	public Map<String, String> getMapVote() {
		return mapVote;
	}

	/**
	 * 投票
	 * 
	 * @param user
	 *            投票人
	 * @param voteItem
	 *            投票的选项
	 */
	public void vote(String user, String voteItem) {
		// 1.为该用户增加投票次数
		// 从记录中取出该用户已有的投票次数
		Integer oldVoteCount = mapVoteCount.get(user);
		if (oldVoteCount == null) {
			oldVoteCount = 0;
		}
		oldVoteCount += 1;
		mapVoteCount.put(user, oldVoteCount);
		// 2.判断该用户的投票类型,就相当于判断对应的状态
		// 到底是正常投票、重复投票、恶意投票还是上黑名单的状态
		if (oldVoteCount == 1) {
			state = new NormalVoteState();
		} else if (oldVoteCount > 1 && oldVoteCount < 5) {
			state = new RepeatVoteState();
		} else if (oldVoteCount >= 5 && oldVoteCount < 8) {
			state = new SpiteVoteState();
		} else if (oldVoteCount > 8) {
			state = new BlackVoteState();
		}
		// 3.然后转调状态对象来进行相应的操作
		state.vote(user, voteItem, this);
	}
}

写个客户端来测试一下,示例代码如下。 

public class Client {

	public static void main(String[] args) {
		// 创建一个投票管理对象实例
		VoteManager vm = new VoteManager();

		// 通过一个循环操作来模仿用户连续投票9次的行为
		for (int i = 0; i < 9; i++) {
			vm.vote("u1", "A");
		}
	}

}

运行程序打印结果如下: 

恭喜您,投票成功。
警告:请不要重复投票!
警告:请不要重复投票!
警告:请不要重复投票!
你有恶意刷屏行为,取消投票资格!
你有恶意刷屏行为,取消投票资格!
你有恶意刷屏行为,取消投票资格!
你有恶意刷屏行为,取消投票资格!
提示:您已进入投票黑名单,禁止登录和使用本系统!

四、理解状态模式

(1)状态和行为

所谓对象的状态,通常指的就是对象实例的属性的值;而行为指的就是对象的功能,再具体点说,行为大多可以对应到方法上。

状态模式的功能就是分离状态的行为,通过维护状态的变化,来调用不同状态对应的不同功能。也就是说,状态和行为是相关联的,它们的关系可以描述为:状态决定行为。

由于状态是在运行期间被改变的,因此行为也会在运行期间根据状态的改变而改变,看起来,同一个对象,在不同的运行时刻,行为是不一样的,就像是类被修改了一样。

(2)行为的平行性

注意平行性而不是平等性。所谓平行性指的是各个状态的行为所处的层次是一样的,相互独立的、没有关联的,是根据不同的状态来决定到底走平行线的哪一条。行为是不同的,当然对应的实现也是不同的,相互之间是不可替换的,如下图所示。 

而平等性强调的是可替换性,大家是同一行为的不同描述或实现,因此在同一个行为发生的时候,可以根据条件挑选任意一个实现来进行相应的处理,如下图所示。

大家可能会发现状态模式的结构和策略模式的结构完全一样,但是,它们的目的、实现、本质却是完全不一样的。还有行为之间的特性也是状态模式和策略模式一个很重要的区别,状态模式的行为是平行性的,不可相互替换的;而策略模式的行为是平等性的,是可以相互替换的。

(3)环境和状态处理对象

在状态模式中,环境(Context)是持有状态的对象,但是环境自身并不处理跟特定的状态相关的行为,而是把处理状态的功能委托给了状态对应的状态处理类来处理。

在具体的状态处理类中经常需要获取环境自身的数据,甚至在必要的时候会回调环境的方法,因此,通常将环境自身当作一个参数传递给具体的状态处理类。

客户端一般只和环境交互。客户端可以用状态对象来配置一个环境,一旦配置完毕,就不再需要和状态对象打交道了。客户端通常不负责运行期间状态的维护,也不负责决定后续到底使用哪一个具体的状态处理对象。 

五、状态模式的适用性

在以下条件下可以考虑使用状态模式:
           • 一个对象的行为取决于它的状态,并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。
           • 一个操作中含有庞大的多分支的条件语句,且这些分支依赖于该对象的状态。 

六、状态模式的优缺点

使用状态模式的优点:

(1)简化应用逻辑控制
           状态模式使用单独的类来封装一个状态的处理,可以把负责逻辑控制的代码分散到单独的状态类中去,这样就把着眼点从执行状态提高到整个对象的状态,使得代码结构化和意图更清晰,从而简化应用的逻辑控制。
           (2)更好地分离状态和行为
           状态模式通过设置所有状态类的公共接口,把状态和状态对应的行为分离开,把所有与一个特定的状态相关的行为都放入一个对象中,使得应用程序在控制的时候,只需要关心状态的切换,而不用关心这个状态对应的真正处理。
           (3)更好的扩展性
           引入了状态处理的公共接口后,使得扩展新的状态变得非常容易,只需要新增加一个实现状态处理的公共接口的实现类,然后在进行状态维护的地方,设置状态变化到这个新的状态即可。
           (4)显式化进行状态转换
           状态模式为不同的状态引入独立的对象,使得状态的转换变得更加明确。而且状态对象可以保证上下文不会发生内部状态不一致的情况,因为上下文中只有一个变量来记录状态对象,只要为这一个变量赋值就可以了。

使用状态模式的缺点:

一个状态对应一个状态处理类,会使得程序引入太多的状态类,这样程序变得杂乱。