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  • 设计模式(20)--State(状态模式)--行为型

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    1.模式定义:

      状态模式,又称状态对象模式(Pattern of Objects for States),状态模式是对象的行为模式。

      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。

    2.模式特点:

        状态模式的主要优点在于封装了转换规则,并枚举可能的状态,它将所有与某个状态有关的行为放到一个类中,并且可以方便地增加新的状态,只需要改变对象状态即可改变对象的行为,还可以让多个环境对象共享一个状态对象,从而减少系统中对象的个数;其缺点在于使用状态模式会增加系统类和对象的个数,且状态模式的结构与实现都较为复杂,如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱,对于可以切换状态的状态模式不满足“开闭原则”的要求。

    3.使用场景:

      (1) 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。

      (2) 代码中包含大量与对象状态有关的条件语句:一个操作中含有庞大的多分支的条件(if else(或switch case)语句,且这些分支依赖于该对象的状态。这个状态通常用一个或多个枚举常量表示。通常 , 有多个操作包含这一相同的条件结构。 State模式将每一个条件分支放入一个独立的类中。这使得你可以根据对象自身的情况将对象的状态作为一个对象,这一对象可以不依赖于其他对象而独立变化。

      (3)行为随状态改变而改变的场景。可以使用状态模式,来把状态和行为分离开,虽然分离开了,但状态和行为是有对应关系的,可以在运行期间,通过改变状态,就能够调用到该状态对应的状态处理对象上去,从而改变对象的行为。

      (4)代码含有庞大的switch语句或者if判断语句,而且这些分支依赖于该对象的状态。可以使用状态模式,把各个分支的处理分散包装到单独的对象处理类里面,这样,这些分支对应的对象就可以不依赖于其它对象而独立变化了。

    4.模式实现:

       用一句话来表述,状态模式把所研究的对象的行为包装在不同的状态对象里,每一个状态对象都属于一个抽象状态类的一个子类。状态模式的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。状态模式的示意性类图如下所示:

     

    状态模式所涉及到的角色有:

       (1)环境(Context)角色,也成上下文:

          定义客户端所感兴趣的接口,并且保留一个具体状态类的实例。这个具体状态类的实例给出此环境对象的现有状态。

    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;
        }
        /**
         * 用户感兴趣的接口方法
         */
        public void request(String sampleParameter) {
            //转调state来处理
            state.handle(sampleParameter);
        }
    }

         (2)抽象状态(State)角色:

        定义一个接口,用以封装环境(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
         */
        public void handle(String sampleParameter);
    }

       (3)具体状态(ConcreteState)角色:

        每一个具体状态类都实现了环境(Context)的一个状态所对应的行为。

    public class ConcreteStateA implements State {
        @Override
        public void handle(String sampleParameter) {
            
            System.out.println("ConcreteStateA handle :" + sampleParameter);
        }
    }
    public class ConcreteStateB implements State {
        @Override
        public void handle(String sampleParameter) {       
            System.out.println("ConcreteStateB handle :" + sampleParameter);
        }
    } 

         (4)客户端类

    public class Client {
        public static void main(String[] args){
            //创建状态
            State state = new ConcreteStateB();
            //创建环境
            Context context = new Context();
            //将状态设置到环境中
            context.setState(state);
            //请求
            context.request("test");
        }
    }

       从上面可以看出,环境类Context的行为request()是委派给某一个具体状态类的。通过使用多态性原则,可以动态改变环境类Context的属性State的内容,使其从指向一个具体状态类变换到指向另一个具体状态类,从而使环境类的行为request()由不同的具体状态类来执行。

    应用实例

      考虑一个在线投票系统的应用,要实现控制同一个用户只能投一票,如果一个用户反复投票,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。

      要使用状态模式实现,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、反复投票、恶意刷票、进入黑名单。然后创建一个投票管理对象(相当于Context)。

      系统的结构图如下所示:

      

    源代码

        [1]抽象状态类

    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);
    }

        [2]具体状态类——正常投票

    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("恭喜投票成功");
        }
    }

        [3]具体状态类——重复投票

    public class RepeatVoteState implements VoteState {
        @Override
        public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
            //重复投票,暂时不做处理
            System.out.println("请不要重复投票");
        }
    }

        [4]具体状态类——恶意刷票

    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");
        }
    }

        [5]具体状态类——黑名单

    public class BlackVoteState implements VoteState {
        @Override
        public void vote(String user, String voteItem, VoteManager voteManager) {
            //记录黑名单中,禁止登录系统
            System.out.println("进入黑名单,将禁止登录和使用本系统");
        }
    }

        [6]环境类

    public class VoteManager {
        //持有状体处理对象
        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();
            }
            //然后转调状态对象来进行相应的操作
            state.vote(user, voteItem, this);
        }
    }

        [7]客户端类

    public class Client {
        public static void main(String[] args) {
            
            VoteManager vm = new VoteManager();
            for(int i=0;i<9;i++){
                vm.vote("u1","A");
            }
        }
    }

    运行结果如下:

     

        从上面的示例可以看出,状态的转换基本上都是内部行为,主要在状态模式内部来维护。比如对于投票的人员,任何时候他的操作都是投票,但是投票管理对象的处理却不一定一样,会根据投票的次数来判断状态,然后根据状态去选择不同的处理。

    认识状态模式

      [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被改变的,因此行为也会在运行期根据状态的改变而改变。

      [2]行为的平行性

        注意平行线而不是平等性。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。

      

        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。

        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。

      [2]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(Context)自身并不处理跟状态相关的行为,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(Context)自身的数据,甚至在必要的时候会回调环境(Context)的方法,因此,通常将环境(Context)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(Context)交互。客户端可以用状态对象来配置一个环境(Context),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。

    5.优缺点:

      (1)状态模式的优点

      [1]结构清晰:避免了过多的switch...case或者if...else语句的使用,避免了程序的复杂性,提供系统的可维护性。

      [2]遵循设计原则:很好地体现了开闭原则和单一职责原则,每个状态都是一个子类,你要增加状态就要增加子类,你要修改状态,你只修改一个子类就可以了。

      [3]封装性非常好:这也是状态模式的基本要求,状态变换放置到类的内部来实现,外部的调用不用知道类内部如何实现状态和行为的变换。

         [4]状态模式将与特定状态相关的行为局部化,并且将不同状态的行为分割开来。

      [5] 所有状态相关的代码都存在于某个ConcereteState中,所以通过定义新的子类很容易地增加新的状态和转换。

      [6]状态模式通过把各种状态转移逻辑分不到State的子类之间,来减少相互间的依赖。

      (2)状态模式的缺点

        [1]如果完全使用状态模式就会有太多的子类,也就是类膨胀,不好管理。

        [2]导致较多的ConcreteState子类

      

        

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