二十二、状态模式

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1 基本介绍

状态模式（State Pattern）是一种 活动型 设计模式，它 允许一个对象在其内部状态改变时改变它的活动，使得这个对象 看起来像是修改了它的类。
2 案例

本案例显示了 人 在 不同的季节 中 享受不同的假期 和 穿不同的上衣 的情况，季节的变化通过月份的变化而实现。
2.1 Season 接口

1. public interface Season { // 季节
2.     String getName(); // 季节名称
3.     void festivals(); // 节日情况
4.     void dress(); // 上衣的穿着情况
5. }

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2.2 Spring 类

1. public class Spring implements Season { // 春季
2.         // 单例模式
3.     private static final Spring SPRING = new Spring();
4.     private Spring() {}
5.     public static Spring getInstance() {
6.         return SPRING;
7.     }
9.     @Override
10.     public String getName() {
11.         return "春季";
12.     }
14.     @Override
15.     public void festivals() {
16.         System.out.println("春节、元宵节、清明节。");
17.     }
19.     @Override
20.     public void dress() {
21.         System.out.println("从 棉袄 向 短袖 过渡。");
22.     }
23. }

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2.3 Summer 类

1. public class Summer implements Season { // 夏季
2.         // 单例模式
3.     private static final Summer SUMMER = new Summer();
4.     private Summer() {}
5.     public static Summer getInstance() {
6.         return SUMMER;
7.     }
9.     @Override
10.     public String getName() {
11.         return "夏季";
12.     }
14.     @Override
15.     public void festivals() {
16.         System.out.println("端午节、劳动节。");
17.     }
19.     @Override
20.     public void dress() {
21.         System.out.println("穿短袖。");
22.     }
23. }

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2.4 Autumn 类

1. public class Autumn implements Season { // 秋季
2.         // 单例模式
3.     private static final Autumn autumn = new Autumn();
4.     private Autumn() {}
5.     public static Autumn getInstance() {
6.         return autumn;
7.     }
9.     @Override
10.     public String getName() {
11.         return "秋季";
12.     }
14.     @Override
15.     public void festivals() {
16.         System.out.println("中秋节、重阳节。");
17.     }
19.     @Override
20.     public void dress() {
21.         System.out.println("从 短袖 向 棉袄 过渡。");
22.     }
23. }

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2.5 Winter 类

1. public class Winter implements Season { // 冬季
2.         // 单例模式
3.     private static final Winter INSTANCE = new Winter();
4.     private Winter() {}
5.     public static Winter getInstance() {
6.         return INSTANCE;
7.     }
9.     @Override
10.     public String getName() {
11.         return "冬季";
12.     }
14.     @Override
15.     public void festivals() {
16.         System.out.println("冬至、腊八节、除夕。");
17.     }
19.     @Override
20.     public void dress() {
21.         System.out.println("穿棉袄。");
22.     }
23. }

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2.6 Person 类

1. public class Person { // 人
2.     private int month; // 月份
3.     private Season season; // 月份对应的季节
5.     public void setMonth(int month) { // 设置月份和对应的季节
6.         if (month < 1 || month > 12) {
7.             throw new IllegalArgumentException("请输入正确的月份");
8.         }
10.         this.month = month;
11.         if (month >= 2 && month < 5) {
12.             season = Spring.getInstance();
13.         } else if (month >= 5 && month < 8) {
14.             season = Summer.getInstance();
15.         } else if (month >= 8 && month < 11) {
16.             season = Autumn.getInstance();
17.         } else {
18.             season = Winter.getInstance();
19.         }
20.     }
22.     public void showMonth() { // 显示月份和季节的情况
23.         System.out.println("=================="
24.                 + month + "月是" + season.getName()
25.                 + "==================");
26.     }
28.     public void showNotAttendClass() { // 显示不上课的情况，除了周末和寒暑假之外
29.         System.out.print("不上课的日子有：");
30.         season.festivals();
31.     }
33.     public void showDress() { // 显示上衣的穿着情况
34.         System.out.print("上衣的穿着情况：");
35.         season.dress();
36.     }
37. }

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2.7 Client 类

1. public class Client { // 客户端，测试了 人在每个月 不上课的情况 和 上衣的穿着情况
2.     public static void main(String[] args) {
3.         Person person = new Person();
4.         // 每隔 1 秒增加 1 个月
5.         for (int month = 1; month <= 12; month++) {
6.             person.setMonth(month);
7.             person.showMonth();
8.             person.showNotAttendClass();
9.             person.showDress();
10.             try {
11.                 Thread.sleep(1000);
12.             } catch (InterruptedException e) {
13.                 throw new RuntimeException(e);
14.             }
15.         }
16.     }
17. }

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2.8 Client 类的运行结果

1. ==================1月是冬季==================
2. 不上课的日子有：冬至、腊八节、除夕。
3. 上衣的穿着情况：穿棉袄。
4. ==================2月是春季==================
5. 不上课的日子有：春节、元宵节、清明节。
6. 上衣的穿着情况：从 棉袄 向 短袖 过渡。
7. ==================3月是春季==================
8. 不上课的日子有：春节、元宵节、清明节。
9. 上衣的穿着情况：从 棉袄 向 短袖 过渡。
10. ==================4月是春季==================
11. 不上课的日子有：春节、元宵节、清明节。
12. 上衣的穿着情况：从 棉袄 向 短袖 过渡。
13. ==================5月是夏季==================
14. 不上课的日子有：端午节、劳动节。
15. 上衣的穿着情况：穿短袖。
16. ==================6月是夏季==================
17. 不上课的日子有：端午节、劳动节。
18. 上衣的穿着情况：穿短袖。
19. ==================7月是夏季==================
20. 不上课的日子有：端午节、劳动节。
21. 上衣的穿着情况：穿短袖。
22. ==================8月是秋季==================
23. 不上课的日子有：中秋节、重阳节。
24. 上衣的穿着情况：从 短袖 向 棉袄 过渡。
25. ==================9月是秋季==================
26. 不上课的日子有：中秋节、重阳节。
27. 上衣的穿着情况：从 短袖 向 棉袄 过渡。
28. ==================10月是秋季==================
29. 不上课的日子有：中秋节、重阳节。
30. 上衣的穿着情况：从 短袖 向 棉袄 过渡。
31. ==================11月是冬季==================
32. 不上课的日子有：冬至、腊八节、除夕。
33. 上衣的穿着情况：穿棉袄。
34. ==================12月是冬季==================
35. 不上课的日子有：冬至、腊八节、除夕。
36. 上衣的穿着情况：穿棉袄。

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2.9 总结

本案例让四个季节对应四个类，并且都实现了 Season 接口，从而能够通过调用 Season 的接口来动态地调用具体季节的方法，很好地利用了面向对象的 多态性，制止了很多判断分支语句，使得编写代码时更简单。
此外，由于四个具体的季节类中没有成员字段，以是利用 单例模式 来创建它们的对象实例。
3 各角色之间的关系

3.1 角色

3.1.1 State ( 状态 )

该角色负责 定义 根据不同状态进行不同处理的 接口。本案例中，Season 接口扮演了该角色。
3.1.2 ConcreteState ( 具体的状态 )

该角色负责 实现 State 角色定义的 接口。本案例中，Spring, Summer, Autumn, Winter 类都在扮演该角色。
3.1.3 Context ( 上下文 )

该角色负责 持有表示当前状态的 ConcreteState 角色的实例对象，并 定义供外部利用的接口。本案例中，Person 类扮演了该角色。
3.1.4 Client ( 客户端 )

该角色负责 利用 Context 角色完成具体的业务逻辑。本案例中，Client 类扮演了该角色。
3.2 类图

说明：

• 偶然候 State 可以利用抽象类实现，只必要留意 单继承 即可。
  
• Context 表面上聚合了 State，实际上根据具体情况会聚合不同的 ConcreteState。
  
• Client 可能不会直接利用 State 和 ConcreteState，而是给 Context 传递一个变量，Context 根据这个变量修改自身的状态，就像本案例一样，Client 类给 Person 类的 setMonth() 方法传递 月份 这个参数，从而修改 Person 类内部聚合的 season 对象。
  

4 留意事项

• 制止过多状态：虽然状态模式可以处理多个状态，但过多的状态会使体系变得复杂，增加维护难度。因此，在设计时应只管控制状态的数量，制止状态爆炸。
  
• 服从单一职责原则：每个 ConcreteState 应该只负责一种状态的活动，制止将多个状态的活动放在同一个类中。
  
• 制止复杂逻辑：ConcreteState 中的逻辑应该只管简单，制止在 ConcreteState 中实现复杂的业务逻辑。复杂的逻辑应该由 Context 或其他类来处理。
  
• 性能考虑：虽然状态模式可以提高代码的可读性和可维护性，但在某些情况下，由于 必要频繁地创建和销毁状态对象，可能会降低体系的性能。因此，应该制止不必要的对象创建和销毁，可以考虑利用 单例模式、享元模式 来制止创建过多的对象。
  
• 状态转换的管理：状态转换有两种管理方式，在利用本模式时必要选择具体的管理方式。
  
  
  
  • 在 Context 中管理：
    
    
    
    • 优点：提高 ConcreteState 的独立性，步伐的团体布局会更加清晰。
      
    • 缺点：Context 必须相识全部 ConcreteState。
      
    
    
  • 在各个 ConcreteState 中管理：
    
    
    
    • 优点：每个 ConcreteState 都知道在什么情况下进行状态转换。
      
    • 缺点：每个 ConcreteState 都必须相识全部 ConcreteState。
      
    
    
  
  

5 优缺点

优点：

• 提高代码的可读性和可重用性：状态模式通过明白的 ConcreteState 来表示不同的状态，使得代码更加易于理解和重用。其他对象或体系也可以通过 State 与 ConcreteState 进行交互，而不必要关心具体的状态实现，从而提高了代码的 可读性 和 可重用性。
  
• 加强体系的可维护性：由于每个 ConcreteState 都封装了与特定状态相关的活动，因此当必要修改某个状态的活动时，只必要修改该 ConcreteState 的代码即可，而不会影响到其他 ConcreteState 或 Context 的代码，从而加强了体系的 可维护性。
  
• 加强体系的扩展性：当必要添加新的状态时，只必要新增一个 ConcreteState，并在 Context 中修改状态转换的逻辑即可，而不必要修改其他 ConcreteState 的代码，这符合开闭原则（对扩展开放，对修改关闭），从而加强了体系的 扩展性。
  

缺点：

• 增加类的数量：状态模式会引入大量的 ConcreteState，这可能会增加体系的复杂性和类的数量。当状态数量较多时，体系的维护本钱也会相应增加。
  
• 状态转换的逻辑可能变得复杂：在某些情况下，状态之间的转换逻辑可能非常复杂，这可能会导致 ConcreteState 的代码变得难以理解和维护。此外，假如状态转换的逻辑不适当，还可能导致体系出现错误或不一致的活动。
  
• 对开闭原则的支持有限：虽然状态模式在肯定程度上支持开闭原则，但在某些情况下，添加 新的状态 或 修改状态转换的逻辑 仍旧必要修改 ConcreteState 的代码，这可能会违反开闭原则，使得体系的扩展性受到肯定的限制。
  

6 适用场景

• 多状态活动：当 一个对象具有多种状态，并且这些状态会影响其活动 时，可以利用状态模式。每个状态对应一个 ConcreteState，封装了在该状态下对象的活动。
  
• 状态转换复杂：假如 对象的状态转换逻辑非常复杂，并且这些转换逻辑分散在多个地方（如多个条件语句或方法中），那么利用状态模式可以将这些逻辑会合管理，使代码更加清晰和易于维护。
  
• 实现状态机：状态模式是实现 状态机 的一种有效方式。状态机是 一种用于形貌体系在不同状态下如何响应不同事件的模子。状态模式允许将状态机的各个状态作为独立的类来实现，并通过状态转换来模仿状态机的活动。
  

7 总结

状态模式 是一种 活动型 设计模式，它利用 多态性 来区分对象在不同状态下的不偕活动，制止了在多处誊写多重分支语句的复杂性。在本模式中，对象的 状态转换 是一个重点，利用本模式之前必要明白对象的状态应该在合适变化。本模式在生产中比较常用，因为现实生存中有很多实体必要有状态的概念，例如用户的标签。

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