深入浅出设计模式——状态模式(State Pattern)

模式动机

在很多情况下,一个对象的行为取决于一个或多个动态变化的属性,这样的属性叫做状态,这样的对象叫做有状态的 (stateful)对象,这样的对象状态是从事先定义好的一系列值中取出的。当一个这样的对象与外部事件产生互动时,其内部状态就会改变,从而使得系统的行为也随之发生变化。
在UML中可以使用状态图来描述对象状态的变化。

模式定义
状态模式(State Pattern) :允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为,对象看起来似乎修改了它的类。其别名为状态对象(Objects for States),状态模式是一种对象行为型模式。
State Pattern: Allow an object to alter its behavior when its internal state changes. The object will appear to change its class.
Frequency of use: medium
UML图

模式结构
状态模式包含如下角色:
Context: 环境类
State: 抽象状态类
ConcreteState: 具体状态类

模式分析
状态模式描述了对象状态的变化以及对象如何在每一种状态下表现出不同的行为。
状态模式的关键是引入了一个抽象类来专门表示对象的状态,这个类我们叫做抽象状态类,而对象的每一种具体状态类都继承了该类,并在不同具体状态类中实现了不同状态的行为,包括各种状态之间的转换

在状态模式结构中需要理解环境类与抽象状态类的作用:
 环境类实际上就是拥有状态的对象,环境类有时候可以充当状态管理器(State Manager)的角色,可以在环境类中对状态进行切换操作。
 抽象状态类可以是抽象类,也可以是接口,不同状态类就是继承这个父类的不同子类,状态类的产生是由于环境类存在多个状态,同时还满足两个条件:这些状态经常需要切换,在不同的状态下对象的行为不同。因此可以将不同对象下的行为单独提取出来封装在具体的状态类中,使得环境类对象在其内部状态改变时可以改变它的行为,对象看起来似乎修改了它的类,而实际上是由于切换到不同的具体状态类实现的。由于环境类可以设置为任一具体状态类,因此它针对抽象状态类进行编程,在程序运行时可以将任一具体状态类的对象设置到环境类中,从而使得环境类可以改变内部状态,并且改变行为。

模式实例与解析
无尽加班何时休—状态模式示例代码
体系结构

Context: 环境类  Work.cs

namespace StatePattern
{
    public class Work
    {
        private State current;
        public Work()
        {
            //工作状态初始化为上午工作状态
            current = new ForenoonState();
        }
        private double hour;
        public double Hour
        {
            get { return hour; }
            set { hour = value; }
        }
        private bool finish;
        public bool TaskFinished
        {
            get { return finish; }
            set { finish = value; }            
        }
        public void SetState(State s)
        {
            current = s;
        }
        public void WriteProgram()
        {
            current.WriteProgram(this);
        }
    }
}

State: 抽象状态类 State.cs

namespace StatePattern
{
    //抽象状态
    public abstract class State
    {
        public abstract void WriteProgram(Work w);
    }
}

ConcreteState: 具体状态类 上午工作状态 ForenoonState.cs

using System;

namespace StatePattern
{
    //上午工作状态
    public class ForenoonState : State
    {
        public override void WriteProgram(Work w)
        {
            if (w.Hour < 12)
            {
                Console.WriteLine("当前时间:{0} 点上午工作,精神百倍", w.Hour);
            }
            else
            {
                //超过12点,则转入中午工作状态
                w.SetState(new NoonState());
                w.WriteProgram();
            }
        }
    }
}

中午工作状态 NoonState.cs

using System;

namespace StatePattern
{
    //中午工作状态
    public class NoonState : State
    {
        public override void WriteProgram(Work w)
        {
            if (w.Hour < 13)
            {
                Console.WriteLine("当前时间:{0} 点饿了,午饭:犯困,午休。", w.Hour);
            }
            else
            {
                //超过13点,则转入下午工作状态
                w.SetState(new AfternoonState());
                w.WriteProgram();
            }
        }
    }
}

下午工作状态 AfternoonState.cs

using System;

namespace StatePattern
{
    //下午工作状态
    public class AfternoonState : State
    {
        public override void WriteProgram(Work w)
        {
            if (w.Hour < 17)
            {
                Console.WriteLine("当前时间:{0}点 下午状态还不错,继续努力", w.Hour);
            }
            else
            {
                //超过17点,则转入傍晚工作状态
                w.SetState(new EveningState());
                w.WriteProgram();
            }
        }
    }
}

晚间工作状态 EveningState.cs

using System;

namespace StatePattern
{
    //晚间工作状态
    public class EveningState : State
    {
        public override void WriteProgram(Work w)
        {
            if (w.TaskFinished)
            {
                //如果完成任务,则转入下班状态
                w.SetState(new ResetState());
                w.WriteProgram();
            }
            else
            {
                if (w.Hour < 21)
                {
                    Console.WriteLine("当前时间:{0} 加班哦,疲累之极", w.Hour);
                }
                else
                {
                    //超过21点,则转入睡眠工作状态
                    w.SetState(new SleepingState());
                    w.WriteProgram();
                }
            }
        }
    }
}

睡眠状态 SleepingState.cs

using System;

namespace StatePattern
{
    //睡眠状态
    public class SleepingState : State
    {
        public override void WriteProgram(Work w)
        {
            Console.WriteLine("当前时间:{0}点不行了,睡着了", w.Hour);
        }
    }
}

下午休息状态 ResetState.cs

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace StatePattern
{
    //下午休息状态
    public class ResetState : State
    {
        public override void WriteProgram(Work w)
        {
            Console.WriteLine("当前时间:{0}点下班回家了", w.Hour);
        }
    }
}

Client:客户类

using System;

namespace StatePattern
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //紧急项目
            Work emergencyProjects = new Work();
            emergencyProjects.Hour = 9;
            emergencyProjects.WriteProgram();
            emergencyProjects.Hour = 10;
            emergencyProjects.WriteProgram();
            emergencyProjects.Hour = 12;
            emergencyProjects.WriteProgram();
            emergencyProjects.Hour = 13;
            emergencyProjects.WriteProgram();
            emergencyProjects.Hour = 14;
            emergencyProjects.WriteProgram();
            emergencyProjects.Hour = 17;
            emergencyProjects.TaskFinished = false;
            emergencyProjects.WriteProgram();

            emergencyProjects.Hour = 19;
            emergencyProjects.WriteProgram();
            emergencyProjects.Hour = 22;
            emergencyProjects.WriteProgram();
            Console.Read();
        }
    }
}

模式优缺点
状态模式的优点
 封装了转换规则。
 枚举可能的状态,在枚举状态之前需要确定状态种类。
 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。
 允许状态转换逻辑与状态对象合成一体,而不是某一个巨大的条件语句块。
 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。

状态模式的缺点
 状态模式的使用必然会增加系统类和对象的个数。
 状态模式的结构与实现都较为复杂,如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱。
 状态模式对“开闭原则”的支持并不太好,对于可以切换状态的状态模式,增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源代码,否则无法切换到新增状态;而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。

模式适用环境
在以下情况下可以使用状态模式:
 对象的行为依赖于它的状态(属性)并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为。
 代码中包含大量与对象状态有关的条件语句,这些条件语句的出现,会导致代码的可维护性和灵活性变差,不能方便地增加和删除状态,使客户类与类库之间的耦合增强。在这些条件语句中包含了对象的行为,而且这些条件对应于对象的各种状态。

【声明与感谢】
本文,站在许多巨人的肩膀上,借鉴和引用了许多他人拥有版权的作品或著述,在此,对前人们的贡献致谢。并同时公布引用的内容、原作者或来源(一些来源于互联网的内容本人无法追述本源,深表遗憾)。

【参考文献】
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《重构—改善既有代码的设计》作者: Martin Fowler译者:候捷 中国电力出版社
《敏捷软件开发—原则、模式与实践》作者: Robert C. Martin 清华大学出版社
《程序员修炼之道—从小工到专家》作者: Andrew Hunt / David Thomas 电子工业出版社
《Head First 设计模式》作者: 弗里曼 译者: O'Reilly Taiwan公司 中国电力出版社
《设计模式之禅》 作者: 秦小波 机械工业出版社
MSDN WebCast 《C#面向对象设计模式纵横谈》 讲师:李建忠
刘伟. 设计模式. 北京:清华大学出版社, 2011.
刘伟. 设计模式实训教程. 北京:清华大学出版社, 2012.
《大话设计模式》 作者: 程杰 清华大学出版社
《C#图解教程》作者: 索利斯 译者: 苏林 / 朱晔 人民邮电出版社
《你必须知道的.NET》作者: 王涛
《项目中的.NET》作者: 李天平 电子工业出版社
《Microsoft .NET企业级应用架构设计》作者: (美)埃斯波西托等编著 译者: 陈黎夫
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posted @ 2015-01-04 11:16  Bobby0322  阅读(...)  评论(... 编辑 收藏