在软件开发过程中,应用程序中的有些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,其内部状态会发生改变,从而使得其行为也随之发生改变。如人的情绪有高兴的时候和伤心的时候,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 语句来做状态判断,再进行不同情况的处理。但当对象的状态很多时,程序会变得很复杂。而且增加新的状态要添加新的 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,放到一系列的状态类当中,这样可以把原来复杂的逻辑判断简单化。
状态模式的定义与特点
状态(State)模式的定义: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。
状态模式是一种对象行为型模式,其主要优点如下。
- 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”。
- 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。
- 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。
状态模式的主要缺点如下。
- 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。
1. 模式的结构
状态模式包含以下主要角色。
- 环境(Context)角色:也称为上下文,它定义了客户感兴趣的接口,维护一个当前状态,并将与状态相关的操作委托给当前状态对象来处理。
- 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。
- 具体状态(Concrete State)角色:实现抽象状态所对应的行为。
其结构图如图 1 所示。
图1 状态模式的结构图
2. 模式的实现
状态模式的实现代码如下:
package state; 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(); } } //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()); } }
程序运行结果如下:
当前状态是 A. 当前状态是 B. 当前状态是 A. 当前状态是 B.
状态模式的应用实例
【例1】用“状态模式”设计一个学生成绩的状态转换程序。
分析:本实例包含了“不及格”“中等”和“优秀” 3 种状态,当学生的分数小于 60 分时为“不及格”状态,当分数大于等于 60 分且小于 90 分时为“中等”状态,当分数大于等于 90 分时为“优秀”状态,我们用状态模式来实现这个程序。
首先,定义一个抽象状态类(AbstractState),其中包含了环境属性、状态名属性和当前分数属性,以及加减分方法 addScore(intx) 和检查当前状态的抽象方法 checkState();然后,定义“不及格”状态类 LowState、“中等”状态类 MiddleState 和“优秀”状态类 HighState,它们是具体状态类,实现 checkState() 方法,负责检査自己的状态,并根据情况转换;最后,定义环境类(ScoreContext),其中包含了当前状态对象和加减分的方法 add(int score),客户类通过该方法来改变成绩状态。图 2 所示是其结构图。
图2 学生成绩的状态转换程序的结构图
程序代码如下:
package state; public class ScoreStateTest { public static void main(String[] args) { ScoreContext account=new ScoreContext(); System.out.println("学生成绩状态测试:"); account.add(30); account.add(40); account.add(25); account.add(-15); account.add(-25); } } //环境类 class ScoreContext { private AbstractState state; ScoreContext() { state=new LowState(this); } public void setState(AbstractState state) { this.state=state; } public AbstractState getState() { return state; } public void add(int score) { state.addScore(score); } } //抽象状态类 abstract class AbstractState { protected ScoreContext hj; //环境 protected String stateName; //状态名 protected int score; //分数 public abstract void checkState(); //检查当前状态 public void addScore(int x) { score+=x; System.out.print("加上:"+x+"分,\t当前分数:"+score ); checkState(); System.out.println("分,\t当前状态:"+hj.getState().stateName); } } //具体状态类:不及格 class LowState extends AbstractState { public LowState(ScoreContext h) { hj=h; stateName="不及格"; score=0; } public LowState(AbstractState state) { hj=state.hj; stateName="不及格"; score=state.score; } public void checkState() { if(score>=90) { hj.setState(new HighState(this)); } else if(score>=60) { hj.setState(new MiddleState(this)); } } } //具体状态类:中等 class MiddleState extends AbstractState { public MiddleState(AbstractState state) { hj=state.hj; stateName="中等"; score=state.score; } public void checkState() { if(score<60) { hj.setState(new LowState(this)); } else if(score>=90) { hj.setState(new HighState(this)); } } } //具体状态类:优秀 class HighState extends AbstractState { public HighState(AbstractState state) { hj=state.hj; stateName="优秀"; score=state.score; } public void checkState() { if(score<60) { hj.setState(new LowState(this)); } else if(score<90) { hj.setState(new MiddleState(this)); } } }
程序运行结果如下:
学生成绩状态测试: 加上:30分, 当前分数:30分, 当前状态:不及格 加上:40分, 当前分数:70分, 当前状态:中等 加上:25分, 当前分数:95分, 当前状态:优秀 加上:-15分, 当前分数:80分, 当前状态:中等 加上:-25分, 当前分数:55分, 当前状态:不及格
【例2】用“状态模式”设计一个多线程的状态转换程序。
分析:多线程存在 5 种状态,分别为新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和死亡状态,各个状态当遇到相关方法调用或事件触发时会转换到其他状态,其状态转换规律如图 3 所示。
图3 线程状态转换图
现在先定义一个抽象状态类(TheadState),然后为图 3 所示的每个状态设计一个具体状态类,它们是新建状态(New)、就绪状态(Runnable )、运行状态(Running)、阻塞状态(Blocked)和死亡状态(Dead),每个状态中有触发它们转变状态的方法,环境类(ThreadContext)中先生成一个初始状态(New),并提供相关触发方法,图 4 所示是线程状态转换程序的结构图。
图4 线程状态转换程序的结构图
程序代码如下:
package state; public class ThreadStateTest { public static void main(String[] args) { ThreadContext context=new ThreadContext(); context.start(); context.getCPU(); context.suspend(); context.resume(); context.getCPU(); context.stop(); } } //环境类 class ThreadContext { private ThreadState state; ThreadContext() { state=new New(); } public void setState(ThreadState state) { this.state=state; } public ThreadState getState() { return state; } public void start() { ((New) state).start(this); } public void getCPU() { ((Runnable) state).getCPU(this); } public void suspend() { ((Running) state).suspend(this); } public void stop() { ((Running) state).stop(this); } public void resume() { ((Blocked) state).resume(this); } } //抽象状态类:线程状态 abstract class ThreadState { protected String stateName; //状态名 } //具体状态类:新建状态 class New extends ThreadState { public New() { stateName="新建状态"; System.out.println("当前线程处于:新建状态."); } public void start(ThreadContext hj) { System.out.print("调用start()方法-->"); if(stateName.equals("新建状态")) { hj.setState(new Runnable()); } else { System.out.println("当前线程不是新建状态,不能调用start()方法."); } } } //具体状态类:就绪状态 class Runnable extends ThreadState { public Runnable() { stateName="就绪状态"; System.out.println("当前线程处于:就绪状态."); } public void getCPU(ThreadContext hj) { System.out.print("获得CPU时间-->"); if(stateName.equals("就绪状态")) { hj.setState(new Running()); } else { System.out.println("当前线程不是就绪状态,不能获取CPU."); } } } //具体状态类:运行状态 class Running extends ThreadState { public Running() { stateName="运行状态"; System.out.println("当前线程处于:运行状态."); } public void suspend(ThreadContext hj) { System.out.print("调用suspend()方法-->"); if(stateName.equals("运行状态")) { hj.setState(new Blocked()); } else { System.out.println("当前线程不是运行状态,不能调用suspend()方法."); } } public void stop(ThreadContext hj) { System.out.print("调用stop()方法-->"); if(stateName.equals("运行状态")) { hj.setState(new Dead()); } else { System.out.println("当前线程不是运行状态,不能调用stop()方法."); } } } //具体状态类:阻塞状态 class Blocked extends ThreadState { public Blocked() { stateName="阻塞状态"; System.out.println("当前线程处于:阻塞状态."); } public void resume(ThreadContext hj) { System.out.print("调用resume()方法-->"); if(stateName.equals("阻塞状态")) { hj.setState(new Runnable()); } else { System.out.println("当前线程不是阻塞状态,不能调用resume()方法."); } } } //具体状态类:死亡状态 class Dead extends ThreadState { public Dead() { stateName="死亡状态"; System.out.println("当前线程处于:死亡状态."); } }
程序运行结果如下:
当前线程处于:新建状态. 调用start()方法-->当前线程处于:就绪状态. 获得CPU时间-->当前线程处于:运行状态. 调用suspend()方法-->当前线程处于:阻塞状态. 调用resume()方法-->当前线程处于:就绪状态. 获得CPU时间-->当前线程处于:运行状态. 调用stop()方法-->当前线程处于:死亡状态.
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。
状态模式的扩展
在有些情况下,可能有多个环境对象需要共享一组状态,这时需要引入享元模式,将这些具体状态对象放在集合中供程序共享,其结构图如图 5 所示。
图5 共享状态模式的结构图
分析:共享状态模式的不同之处是在环境类中增加了一个 HashMap 来保存相关状态,当需要某种状态时可以从中获取,其程序代码如下:
package state; import java.util.HashMap; public class FlyweightStatePattern { public static void main(String[] args) { ShareContext context=new ShareContext(); //创建环境 context.Handle(); //处理请求 context.Handle(); context.Handle(); context.Handle(); } } //环境类 class ShareContext { private ShareState state; private HashMap<String, ShareState> stateSet=new HashMap<String, ShareState>(); public ShareContext() { state=new ConcreteState1(); stateSet.put("1", state); state=new ConcreteState2(); stateSet.put("2", state); state=getState("1"); } //设置新状态 public void setState(ShareState state) { this.state=state; } //读取状态 public ShareState getState(String key) { ShareState s=(ShareState)stateSet.get(key); return s; } //对请求做处理 public void Handle() { state.Handle(this); } } //抽象状态类 abstract class ShareState { public abstract void Handle(ShareContext context); } //具体状态1类 class ConcreteState1 extends ShareState { public void Handle(ShareContext context) { System.out.println("当前状态是: 状态1"); context.setState(context.getState("2")); } } //具体状态2类 class ConcreteState2 extends ShareState { public void Handle(ShareContext context) { System.out.println("当前状态是: 状态2"); context.setState(context.getState("1")); } }
程序运行结果如下:
当前状态是: 状态1 当前状态是: 状态2 当前状态是: 状态1 当前状态是: 状态2
来源:CSDN
作者:默_隐
链接:https://blog.csdn.net/BearSilencer/article/details/103709534