軟體設計模式學習（二十四）狀態模式

低吟不作語發表於2020-06-06
設計模式

狀態模式用於解決系統中複雜物件的狀態轉換以及不同狀態下行為的封裝問題


模式動機

很多情況下，一個物件的行為取決於一個或多個動態變化的屬性，這樣的屬性叫做狀態。一個物件可以擁有多個狀態，這些狀態可以相互轉換，當物件狀態不同時，其行為也有所差異。

假設一個人就是物件，人根據心情不同會有很多狀態，比如開心和傷心，這兩種狀態可以相互轉換。開心的人可能會突然接到女朋友的分手電話，然後哭得稀里嘩啦（醒醒！你哪來的女朋友？），過了一段時間後，又可能因為中了一百萬彩票而歡呼雀躍。而且不同狀態下人的行為也不同，有些人傷心時會通過運動、旅行、聽音樂來緩解心情，而開心時則可能會唱歌、跳舞、請客吃飯等等。

再來考慮軟體系統中的情況，如某酒店訂房系統，可以將房間設計為一個類，房間物件有已預訂、空閒、已入住等情況，這些狀態之間可以相互轉換，並且不同狀態的物件可能具有不同的行為，如已預訂或已入住的房間不能再接收其他顧客的預訂，而空閒的房間可以接受預訂。

在過去我們遇到這種情況，可以使用複雜的條件判斷來進行狀態判斷和轉換操作，這會導致程式碼的可維護性和靈活性下降，當出現新的狀態時必須修改原始碼，違反了開閉原則。在狀態模式中，可以將物件狀態從包含該狀態的類中分離出來，做成一個個單獨的狀態類，如人的兩種情緒可以設計成兩個狀態類：

將開心與傷心兩種情緒從“人”中分離出來，從而避免在“人”中進行狀態轉換和判斷，將擁有狀態的物件和狀態對應的行為分離，這就是狀態模式的動機。


模式定義

允許一個物件在其內部狀態改變時改變它的行為，物件看起來似乎修改了它的類。其別名為狀態物件（Objects for States），狀態模式是一種物件行為型模式。

Allow an object to alter its behavior when its internal state changes. The object will appear to change its class.


模式結構與分析

我們把擁有狀態的物件稱為環境類，也叫上下文類。再引入一個抽象狀態類來專門表示物件的狀態，物件的每一種具體狀態類都繼承該抽象類，不同具體狀態類實現不同狀態的行為，包括各種狀態之間的轉換。在環境類中維護一個抽象狀態類 State 的例項，用來定義當前狀態。

得到狀態模式結構類圖如下：

環境類中的 request() 方法處理業務邏輯，根據狀態去呼叫對應的 handle() 方法，如果需要切換狀態，還提供了 setState() 用於設定當前房間狀態。如果我們希望執行操作後狀態自動發生改變，那麼我們還需要在 State 中定義一個 Context 物件，實現一個雙向依賴關係。

考慮前面提到的訂房系統，如果不使用狀態模式，可能就會存在如下程式碼：

if (state == "空閒") {
	if (預訂房間) {
        預訂操作;
        state = "已預訂";
	} else if (住進房間) {
    	入住操作;
        state = "已入住";
    }
} else if(state == "已預訂") {
	if (住進房間) {
        入住操作;
        state = "已入住";
	} else if (取消預訂) {
    	取消操作;
        state = "空閒";
    }
}

上述程式碼需要做頻繁且複雜的判斷操作，可維護性很差。因此考慮使用狀態模式將房間類的狀態分離出來，將與每種狀態有關的操作封裝在獨立的狀態類中。

我們來寫一個完整的示例

環境類（Room）

public class Room {
	
    // 維護一個狀態物件
    private State state;

    public Room() {
        // 預設為空閒狀態
        this.state = new IdleState(this);
    }

    public State getState() {
        return state;
    }

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

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

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

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

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

抽象狀態類（State）

public abstract class State {
	
    // 用於狀態轉換
    protected Room room;

    public State(Room room) {
        this.room = room;
    }

    public abstract void reserve();

    public abstract void checkIn();

    public abstract void cancelReserve();

    public abstract void checkOut();
}

具體狀態類（IdleState）

public class IdleState extends State {

    public IdleState(Room room) {
        super(room);
    }

    @Override
    public void reserve() {
        System.out.println("房間預訂成功");
        // 	切換狀態
        room.setState(new ReservedState(room));
    }

    @Override
    public void checkIn() {
        System.out.println("房間入住成功");
        room.setState(new InhabitedState(room));
    }

    @Override
    public void cancelReserve() {
        System.out.println("無法取消預訂，房間處於空閒狀態");
    }

    @Override
    public void checkOut() {
        System.out.println("無法退房，房間處於空閒狀態");
    }

}

具體狀態類（ReservedState）

public class ReservedState extends State {

    public ReservedState(Room room) {
        super(room);
    }

    @Override
    public void reserve() {
        System.out.println("無法預訂，房間處於已預訂狀態");
    }

    @Override
    public void checkIn() {
        System.out.println("房間入住成功");
        room.setState(new InhabitedState(room));
    }

    @Override
    public void cancelReserve() {
        System.out.println("取消預訂成功");
        room.setState(new IdleState(room));
    }

    @Override
    public void checkOut() {
        System.out.println("無法退房，房間處於已預訂狀態");
    }
}

具體狀態類（InhabitedState）

public class InhabitedState extends State {

    public InhabitedState(Room room) {
        super(room);
    }

    @Override
    public void reserve() {
        System.out.println("無法預訂，房間處於入住狀態");
    }

    @Override
    public void checkIn() {
        System.out.println("無法入住，房間處於入住狀態");
    }

    @Override
    public void cancelReserve() {
        System.out.println("無法取消預訂，房間處於入住狀態");
    }

    @Override
    public void checkOut() {
        System.out.println("退房成功");
        room.setState(new IdleState(room));
    }
}

客戶端測試類（Client）

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Room room = new Room();
        room.cancelReserve();
        room.checkOut();
        room.reserve();
        System.out.println("--------------------------");
        room.reserve();
        room.checkOut();
        room.checkIn();
        System.out.println("--------------------------");
        room.reserve();
        room.checkIn();
        room.cancelReserve();
        room.checkOut();
    }
}

執行結果


模式優缺點

狀態模式的優點：

  • 封裝了轉換規則，將不同狀態之間的轉換狀態封裝在狀態類中，避免了冗長的條件判斷，提高了程式碼的可維護性
  • 將所有與某個規則有關的行為放到一個類，可以很方便地增加新的狀態
  • 可以讓多個環境物件共享一個狀態物件，從而減少系統中物件的個數

狀態模式的缺點：

  • 增加了系統類和物件的個數
  • 結構較為複雜，使用不當將導致程式碼混亂
  • 對於可以切換狀態的狀態模式，增加新的狀態類需要修改負責狀態轉換的程式碼

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