軟件設計模式：SDP04-08狀態(tài)模式

1、狀態(tài)模式狀態(tài)模式n 模式動機與定義n 模式結構與分析n 模式實例與解析n 模式效果與應用n 模式擴展狀態(tài)模式模式動機n“人有悲歡離合，月有陰晴圓缺”，包括人在內，很多事物都具有多種狀態(tài)，而且在不同狀態(tài)下會具有不同的行為，這些狀態(tài)在特定條件下還將發(fā)生相互轉換。就像水，它可以凝固成冰，也可以受熱蒸發(fā)后變成水蒸汽，水可以流動，冰可以雕刻，蒸汽可以擴散。n在UML中可以使用狀態(tài)圖來描述對象狀態(tài)的變化。 狀態(tài)模式模式動機中獎失戀開心do / 唱歌do / 請客吃飯.傷心do / 撞墻do / 瘋狂購物.狀態(tài)模式模式動機狀態(tài)模式模式動機n在軟件系統(tǒng)中，有些對象也像水一樣具有多種狀態(tài)，這些狀態(tài)在某些情況下能

2、夠相互轉換，而且對象在不同的狀態(tài)下也將具有不同的行為。為了更好地對這些具有多種狀態(tài)的對象進行設計，我們將學習用于描述對象狀態(tài)及其轉換的狀態(tài)模式。狀態(tài)模式模式定義n狀態(tài)模式(State Pattern)：允許一個對象在其內部狀態(tài)改變時改變它的行為，對象看起來似乎修改了它的類。其別名為狀態(tài)對象(Objects for States)，狀態(tài)模式是一種對象行為型模式。n狀態(tài)模式用于解決系統(tǒng)中復雜對象的狀態(tài)轉換以及不同狀態(tài)下行為的封裝問題。狀態(tài)模式將一個對象的狀態(tài)從狀態(tài)模式將一個對象的狀態(tài)從該對象中分離出來，封裝到專門的狀態(tài)類中該對象中分離出來，封裝到專門的狀態(tài)類中，使得對象使得對象狀態(tài)可以靈活變化狀態(tài)

3、可以靈活變化，對于客戶端而言，無須關心對象狀態(tài)的轉換以及對象所處的當前狀態(tài)，無論對于何種狀態(tài)的對象，客戶端都可以一致處理。狀態(tài)模式模式結構stateContext- state : State+request ()setState (State state).State+ handle ().ConcreteStateA+ handle ().ConcreteStateB+ handle ().state.handle();.狀態(tài)模式狀態(tài)模式包含如下角色nContext：環(huán)境類，又稱為上下文類，它是擁有多種狀態(tài)的對象。由于環(huán)境類的狀態(tài)存在多樣性且在不同狀態(tài)下對象的行為有所不同，因此將狀態(tài)獨立出

4、去形成單獨的狀態(tài)類。在環(huán)境類中維護一個抽象狀態(tài)類State的實例，這個實例定義當前狀態(tài)，在具體實現(xiàn)時，它是一個State子類的對象。狀態(tài)模式狀態(tài)模式包含如下角色nState：抽象狀態(tài)類，它用于定義一個接口以封裝與環(huán)境類的一個特定狀態(tài)相關的行為，在抽象狀態(tài)類中聲明了各種不同狀態(tài)對應的方法，而在其子類中實現(xiàn)類這些方法，由于不同狀態(tài)下對象的行為可能不同，因此在不同子類中方法的實現(xiàn)可能存在不同，相同的方法可以寫在抽象狀態(tài)類中。nConcreteState：具體狀態(tài)類，它是抽象狀態(tài)類的子類，每一個子類實現(xiàn)一個與環(huán)境類的一個狀態(tài)相關的行為，每一個具體狀態(tài)類對應環(huán)境的一個具體狀態(tài)，不同的具體狀態(tài)類其行為有所

5、不同。模式分析n狀態(tài)模式的關鍵是引入了一個抽象類來專門表示對象的狀態(tài)，而對象的每一種具體狀態(tài)類都繼承了該類，并在不同具體狀態(tài)類中實現(xiàn)了不同狀態(tài)的行為，包括各種狀態(tài)之間的轉換。n典型的抽象狀態(tài)類代碼如下所示：狀態(tài)模式abstract class State /聲明抽象業(yè)務方法，不同的具體狀態(tài)類可以不同的實現(xiàn) public abstract void handle(); 模式分析n具體狀態(tài)類中實現(xiàn)了在抽象狀態(tài)類中聲明的業(yè)務方法，在實際使用時，可能包含多個業(yè)務方法，如果某些業(yè)務方法的實現(xiàn)完全相同，可以將這些方法移至抽象狀態(tài)類，實現(xiàn)代碼的復用。典型的具體狀態(tài)類代碼如下：class ConcreteSt

6、ate extends State public void handle() /方法具體實現(xiàn)代碼 狀態(tài)模式模式分析n環(huán)境類維持一個對抽象狀態(tài)類的引用，典型代碼如下所示：class Context private State state; /維持一個對抽象狀態(tài)對象的引用 private int value; /其他屬性值，該屬性值的變化可能會導致對象狀態(tài)發(fā)生變化 public void setState(State state) /注入不同的具體狀態(tài)對象 this.state = state; public void request() /其他代碼 state.handle(); /調用狀態(tài)對象

7、的業(yè)務方法 /其他代碼 狀態(tài)模式模式分析n環(huán)境類實際上是真正擁有狀態(tài)的對象，我們只是將環(huán)境類中與狀態(tài)有關的代碼提取出來封裝到專門的狀態(tài)類中。在狀態(tài)模式結構圖中，環(huán)境類Context與抽象狀態(tài)類State之間存在單向關聯(lián)關系，在Context中定義了一個State對象。在實際使用時，它們之間可能存在更為復雜的關系，State與Context之間可能也存在依賴或者關聯(lián)關系。n在狀態(tài)模式的使用過程中，一個對象的狀態(tài)之間還可以進行相互轉換，通常有兩種實現(xiàn)狀態(tài)轉換的方式：狀態(tài)模式模式分析n(1) 統(tǒng)一由環(huán)境類來負責狀態(tài)之間的轉換，此時，它充當了狀態(tài)管理器(State Manager)角色，在它的業(yè)務方法

8、中通過對某些屬性值的判斷實現(xiàn)狀態(tài)轉換，還可以提供一個專門的方法用于實現(xiàn)屬性判斷和狀態(tài)轉換，如下代碼段所示：public void changeState() if (value = 0) /判斷屬性值，根據(jù)屬性值進行狀態(tài)轉換 this.setState(new ConcreteStateA(); else if (value = 1) this.setState(new ConcreteStateB(); 狀態(tài)模式模式分析n(2) 由具體狀態(tài)類來負責狀態(tài)之間的轉換，可以在其業(yè)務在其業(yè)務方法中判斷環(huán)境類的某些屬性值方法中判斷環(huán)境類的某些屬性值為它設置新的狀態(tài)對象，實現(xiàn)狀態(tài)轉換，也可以提供一個專門

9、的方法來負責屬性判斷和狀態(tài)轉換。此時，兩者之間就存在依賴或關聯(lián)關系兩者之間就存在依賴或關聯(lián)關系：public void changeState(Context ctx) if (ctx.getValue() = 1) /根據(jù)環(huán)境對象中的屬性值進行狀態(tài)轉換 ctx.setState(new ConcreteStateB(); else if (ctx.getValue() = 2) ctx.setState(new ConcreteStateC(); 狀態(tài)模式模式分析n狀態(tài)類的產生是由于環(huán)境類存在多個狀態(tài)，同時還滿足兩個條件：這些狀態(tài)經常需要切換，在不同的狀態(tài)下對象的行為不同。因此可以將不同對象

10、下的行為單獨提取出來封裝在具體的狀態(tài)類中，使得環(huán)境類對象在其內部狀態(tài)改變時可以改變它的行為，對象看起來似乎修改了它的類，而實際上是由于切換到不同的具體狀態(tài)類實現(xiàn)的。由于環(huán)境類可以設置為任一具體狀態(tài)類，因此它針對抽象狀態(tài)類進行編程，在程序運行時可以將任一具體狀態(tài)類的對象設置到環(huán)境類中，從而使得環(huán)境類可以改變內部狀態(tài)，并且改變行為。狀態(tài)模式狀態(tài)模式狀態(tài)模式實例與解析n實例一：論壇用戶等級。在某論壇系統(tǒng)中，用戶可以發(fā)表留言，發(fā)表留言將增加積分；用戶也可以回復留言，回復留言也將增加積分；用戶還可以下載文件，下載文件將扣除積分。該系統(tǒng)用戶分為三個等級，分別是新手、高手和專家，這三個等級對應三種不同的狀態(tài)

11、，這三種狀態(tài)分別定義如下：(1) 如果積分小于100分，則為新手狀態(tài)，用戶可以發(fā)表留言、回復留言，但是不能下載文件。 (2) 如果積分大于等于100分但小于1000分，則為高手狀態(tài)，用戶可以發(fā)表留言、回復留言，還可以下載文件，而且用戶在發(fā)表留言時可以獲取雙倍積分。如果下載文件后積分小于0，則不能下載該文件。(3) 如果積分大于等于1000分，則為專家狀態(tài)，用戶可以發(fā)表留言、回復留言和下載文件，用戶除了在發(fā)表留言時可以獲取雙倍積分外，下載文件只扣除所需積分的一半。如果下載文件后積分小于0，則不能下載該文件。狀態(tài)模式狀態(tài)模式實例與解析n實例一：論壇用戶等級 狀態(tài)模式狀態(tài)模式實例與解析n實例一：論壇

12、用戶等級參考代碼 (sample01)演示演示狀態(tài)模式狀態(tài)模式實例與解析n實例二：銀行賬戶，在某銀行系統(tǒng)定義的賬戶有三種狀態(tài)：(1) 如果賬戶中余額大于等于0，此時賬戶的狀態(tài)為正常狀態(tài)，既可以向賬戶存款也可以從中取款；(2) 如果賬戶中余額小于0，并且大于-2000，則賬戶的狀態(tài)為透支狀態(tài)(Overdraft State)，此時用戶既可以向該賬戶存款也可以從該賬戶取款，但需要按天計算利息；(3) 如果賬戶中余額等于-2000，那么賬戶的狀態(tài)為受限狀態(tài)(Restricted State)，此時用戶只能向該賬戶存款，不能再從中取款，同時也將按天計算利息；(4) 根據(jù)余額的不同，以上三種狀態(tài)可發(fā)生相

13、互轉換。狀態(tài)模式狀態(tài)模式實例與解析n實例二：銀行賬戶 狀態(tài)模式狀態(tài)模式實例與解析n實例二：銀行賬戶 狀態(tài)模式模式優(yōu)點n封裝了狀態(tài)的轉換規(guī)則，在狀態(tài)模式中可以將狀態(tài)的轉換代碼封裝在環(huán)境類或者具體狀態(tài)類中，可以對狀態(tài)轉換代碼進行集中管理，而不是分散在一個個業(yè)務方法中。n將所有與某個狀態(tài)有關的行為放到一個類中，只需要注入一個不同的狀態(tài)對象即可使環(huán)境對象擁有不同的行為。n允許狀態(tài)轉換邏輯與狀態(tài)對象合成一體，而不是提供一個巨大的條件語句塊，狀態(tài)模式可以讓我們避免使用龐大的條件語句來將業(yè)務方法和狀態(tài)轉換代碼交織在一起。n可以讓多個環(huán)境對象共享一個狀態(tài)對象，從而減少系統(tǒng)中對象的個數(shù)。狀態(tài)模式模式缺點n狀態(tài)模

14、式的使用必然會增加系統(tǒng)中類和對象的個數(shù)，導致系統(tǒng)運行開銷增大。n狀態(tài)模式的結構與實現(xiàn)都較為復雜，如果使用不當將導致程序結構和代碼的混亂，增加系統(tǒng)設計的難度。n狀態(tài)模式對“開閉原則”的支持并不太好，增加新的狀態(tài)類需要修改那些負責狀態(tài)轉換的源代碼，否則無法轉換到新增狀態(tài)；而且修改某個狀態(tài)類的行為也需修改對應類的源代碼。狀態(tài)模式模式適用環(huán)境n對象的行為依賴于它的狀態(tài)（如某些屬性值），狀態(tài)的改變將導致行為的變化。n在代碼中包含大量與對象狀態(tài)有關的條件語句，這些條件語句的出現(xiàn)，會導致代碼的可維護性和靈活性變差，不能方便地增加和刪除狀態(tài)，并且導致客戶類與類庫之間的耦合增強。模式應用n(1) 狀態(tài)模式在工作

15、流軟件中得以廣泛使用，甚至可以用于這些系統(tǒng)的核心功能設計，如在政府OA辦公系統(tǒng)中，一個批文的狀態(tài)有多種：尚未辦理；正在辦理；正在批示；正在審核；已經完成等各種狀態(tài)，而且批文狀態(tài)不同時對批文的操作也有所差異。使用狀態(tài)模式可以描述工作流對象（如批文）的狀態(tài)轉換以及不同狀態(tài)下它所具有的行為。 狀態(tài)模式模式應用n(2) 在目前主流的RPG（Role Play Game，角色扮演游戲）中，使用狀態(tài)模式可以對游戲角色進行控制，游戲角色的升級伴隨著其狀態(tài)的變化和行為的變化。對于游戲程序本身也可以通過狀態(tài)模式進行總控，一個游戲活動包括開始、運行、結束等狀態(tài)，通過對狀態(tài)的控制可以控制系統(tǒng)的行為，決定游戲的各個方

16、面，因此可以使用狀態(tài)模式對整個游戲的架構進行設計與實現(xiàn)。狀態(tài)模式狀態(tài)模式模式擴展n共享狀態(tài)在有些情況下多個環(huán)境對象需要共享同一個狀態(tài)，如果希望在系統(tǒng)中實現(xiàn)多個環(huán)境對象實例共享一個或多個狀態(tài)對象，那么需要將這些狀態(tài)對象定義為環(huán)境的靜態(tài)成員對象。參考代碼 (ShareState)演示演示狀態(tài)模式模式擴展n簡單狀態(tài)模式：簡單狀態(tài)模式是指狀態(tài)都相互獨立，狀態(tài)之間無須進行轉換的狀態(tài)模式，這是最簡單的一種狀態(tài)模式。對于這種狀態(tài)模式，每個狀態(tài)類都封裝與狀態(tài)相關的操作，而無須關心狀態(tài)的切換，可以在客戶端直接實例化狀態(tài)類，然后將狀態(tài)對象設置到環(huán)境類中。如果是這種簡單的狀態(tài)模式，它遵循“開閉原則”，在客戶端可以針

17、對抽象狀態(tài)類進行編程，而將具體狀態(tài)類寫到配置文件中，同時增加新的狀態(tài)類對原有系統(tǒng)也不造成任何影響。狀態(tài)模式模式擴展n可切換狀態(tài)的狀態(tài)模式：大多數(shù)的狀態(tài)模式都是可以切換狀態(tài)的狀態(tài)模式，在實現(xiàn)狀態(tài)切換時，在具體狀態(tài)類內部需要調用環(huán)境類Context的setState()方法進行狀態(tài)的轉換操作，在具體狀態(tài)類中可以調用到環(huán)境類的方法，因此狀態(tài)類與環(huán)境類之間通常還存在關聯(lián)關系或者依賴關系。通過在狀態(tài)類中引用環(huán)境類的對象來回調環(huán)境類的setState()方法實現(xiàn)狀態(tài)的切換。在這種可以切換狀態(tài)的狀態(tài)模式中，增加新的狀態(tài)類可能需要修改其他某些狀態(tài)類甚至環(huán)境類源代碼，否則系統(tǒng)無法切換到新增狀態(tài)。 狀態(tài)模式模式擴

18、展n狀態(tài)模式和觀察者模式的區(qū)別n這兩個模式都是在狀態(tài)發(fā)生改變的時候觸發(fā)行為，只不過觀察者模式的行為是固定的，那就是通知所有的觀察者，而狀態(tài)模式是根據(jù)狀態(tài)來選擇不同的處理，當狀態(tài)發(fā)生改變的時候，動態(tài)改變行為。小結狀態(tài)模式允許一個對象在其內部狀態(tài)改變時改變它的行為，對象看起來似乎修改了它的類。其別名為狀態(tài)對象，狀態(tài)模式是一種對象行為型模式。狀態(tài)模式包含三個角色：環(huán)境類又稱為上下文類，它是擁有狀態(tài)的對象，在環(huán)境類中維護一個抽象狀態(tài)類State的實例，這個實例定義當前狀態(tài)，在具體實現(xiàn)時，它是一個State子類的對象，可以定義初始狀態(tài)；抽象狀態(tài)類用于定義一個接口以封裝與環(huán)境類的一個特定狀態(tài)相關的行為；具體狀態(tài)類是抽象狀態(tài)類的子類，每一個子類實現(xiàn)一個與環(huán)境類的一個狀態(tài)相關的行為，每一個具體狀態(tài)類對應環(huán)境的一個具體狀態(tài)，不同的具體狀態(tài)類其行為有所不同。狀態(tài)模式描述了對象狀態(tài)的變化以及對象如何在每一種狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的行為。小結狀態(tài)模式的主要優(yōu)點在于封裝了轉換規(guī)則，并枚舉可能的狀態(tài)，它將所有與某