状态模式(学习笔记)
1. 意图
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
2. 动机
状态模式与有限状态机的概念紧密相关。其主要思想是程序在任意时刻仅可处于几种有限的状态中。在任何一个特定状态中,程序的行为都不相同,且可瞬间从一个状态切换到另一个状态。不过,根据当前状态,程序可能会切换到另外一种状态,也可能会保持当前状态不变。这些数量有限且预先定义的状态切换规则被称为转移
假如你有一个 文档
Document类。文档可能会处于草稿
Draft 、 审阅中
Moderation和 已发布
Published三种状态中的一种。文档的 publish
发布方法在不同状态下的行为略有不同:
- 处于
草稿
状态时,它会将文档转移到审阅中状态 - 处于
审阅中
状态时,如果当前用户是管理员,会公开发布文档 - 处于
已发布
状态时,它不会进行任何操作
状态机通常由众多条件运算符( if
或 switch
)实现,可根据对象的当前状态选择相应的行为。“状态” 通常只是对象中的一组成员变量值。如下伪码所示:
class Document is field state: string // ... method publish() is switch (state) "draft": state = "moderation" break "moderation": if (currentUser.role == 'admin') state = "published" break "published": // 什么也不做。 break // ...
当我们逐步在文档类中添加更多状态和依赖于状态的行为后,基于条件语句的状态机就会暴露其最大的弱点。为了能根据当前状态选择完成相应行为的方法,绝大部分方法中会包含复杂的条件语句。修改其转换逻辑可能会涉及到修改所有方法中的状态条件语句,导致代码的维护工作非常艰难。这个问题会随着项目进行变得越发严重。我们很难在设计阶段预测到所有可能的状态和转换。随着时间推移,最初仅包含有限条件语句的简洁状态机可能会变的臃肿而难以维护。
状态模式建议为对象的所有可能状态新建一个类,然后将所有状态的对应行为抽取到这些类中。原始对象被称为上下文(context),它并不会自行实现所有行为,而是会保存一个指向表示当前状态的状态对象的引用,且将所有与状态相关的工作委派给该对象
如需将上下文转换为另外一种状态,则需将当前活动的状态对象替换为另外一个代表新状态的对象。采用这种方式是有前提的:所有状态类都必须遵循同样的接口,而且上下文必须仅通过接口与这些对象进行交互。这个结构可能看上去与策略模式相似,但有一个关键性的不同——在状态模式中,特定状态知道其他所有状态的存在,且能触发从一个状态到另一个状态的转换;策略则几乎完全不知道其他策略的存在
3. 适用性
- 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
- 一个操作中含有庞大的多分支的条件语句,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。这样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
4. 结构
5. 效果
1. 通过消除臃肿的状态机条件语句简化上下文代码
2. 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(单一职责原则)
3. 无需修改已有状态类和上下文就能引入新状态(开闭原则)
4. State对象可被共享 各Context对象可以共享一个State对象。当状态以这种方式被共享时,他们必然是没有内部状态而只有行为的轻量级对象(Flyweight)
6. 代码实现
本例中,状态模式允许媒体播放器根据当前的回放状态进行不同的控制行为。播放器主类包含一个指向状态对象的引用,它将完成播放器的绝大部分工作。某些行为可能会用一个状态对象替换另一个状态对象,改变播放器对用户交互的回应方式。
states/State.java: 通用状态接口
package state.states; import state.ui.Player; /** * @author GaoMing * @date 2021/7/26 - 8:02 */ public abstract class State { Player player; /** * Context passes itself through the state constructor. This may help a * state to fetch some useful context data if needed. */ State(Player player) { this.player = player; } public abstract String onLock(); public abstract String onPlay(); public abstract String onNext(); public abstract String onPrevious(); }
states/LockedState.java
package state.states; import state.ui.Player; /** * @author GaoMing * @date 2021/7/26 - 8:04 * Concrete states provide the special implementation for all interface methods. */ public class LockedState extends State{ LockedState(Player player) { super(player); player.setPlaying(false); } @Override public String onLock() { if (player.isPlaying()) { player.changeState(new ReadyState(player)); return "Stop playing"; } else { return "Locked..."; } } @Override public String onPlay() { player.changeState(new ReadyState(player)); return "Ready"; } @Override public String onNext() { return "Locked..."; } @Override public String onPrevious() { return "Locked..."; } }
states/ReadyState.java
package state.states; import state.ui.Player; /** * @author GaoMing * @date 2021/7/26 - 8:06 * They can also trigger state transitions in the context. */ public class ReadyState extends State{ public ReadyState(Player player) { super(player); } @Override public String onLock() { player.changeState(new LockedState(player)); return "Locked..."; } @Override public String onPlay() { String action = player.startPlayback(); player.changeState(new PlayingState(player)); return action; } @Override public String onNext() { return "Locked..."; } @Override public String onPrevious() { return "Locked..."; } }
states/PlayingState.java
package state.states; import state.ui.Player; /** * @author GaoMing * @date 2021/7/26 - 8:06 */ public class PlayingState extends State{ PlayingState(Player player) { super(player); } @Override public String onLock() { player.changeState(new LockedState(player)); player.setCurrentTrackAfterStop(); return "Stop playing"; } @Override public String onPlay() { player.changeState(new ReadyState(player)); return "Paused..."; } @Override public String onNext() { return player.nextTrack(); } @Override public String onPrevious() { return player.previousTrack(); } }
ui/Player.java: 播放器的主要代码
package state.ui; import state.states.ReadyState; import state.states.State; import java.util.ArrayList; import java.util.List; /** * @author GaoMing * @date 2021/7/26 - 8:03 */ public class Player { private State state; private boolean playing = false; private List<String> playlist = new ArrayList<>(); private int currentTrack = 0; public Player() { this.state = new ReadyState(this); setPlaying(true); for (int i = 1; i <= 12; i++) { playlist.add("Track " + i); } } public void changeState(State state) { this.state = state; } public State getState() { return state; } public void setPlaying(boolean playing) { this.playing = playing; } public boolean isPlaying() { return playing; } public String startPlayback() { return "Playing " + playlist.get(currentTrack); } public String nextTrack() { currentTrack++; if (currentTrack > playlist.size() - 1) { currentTrack = 0; } return "Playing " + playlist.get(currentTrack); } public String previousTrack() { currentTrack--; if (currentTrack < 0) { currentTrack = playlist.size() - 1; } return "Playing " + playlist.get(currentTrack); } public void setCurrentTrackAfterStop() { this.currentTrack = 0; } }
ui/UI.java: 播放器的 GUI
package state.ui; import javax.swing.*; import java.awt.*; /** * @author GaoMing * @date 2021/7/26 - 8:07 */ public class UI { private Player player; private static JTextField textField = new JTextField(); public UI(Player player) { this.player = player; } public void init() { JFrame frame = new JFrame("Test player"); frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE); JPanel context = new JPanel(); context.setLayout(new BoxLayout(context, BoxLayout.Y_AXIS)); frame.getContentPane().add(context); JPanel buttons = new JPanel(new FlowLayout(FlowLayout.CENTER)); context.add(textField); context.add(buttons); // Context delegates handling user's input to a state object. Naturally, // the outcome will depend on what state is currently active, since all // states can handle the input differently. JButton play = new JButton("Play"); play.addActionListener(e -> textField.setText(player.getState().onPlay())); JButton stop = new JButton("Stop"); stop.addActionListener(e -> textField.setText(player.getState().onLock())); JButton next = new JButton("Next"); next.addActionListener(e -> textField.setText(player.getState().onNext())); JButton prev = new JButton("Prev"); prev.addActionListener(e -> textField.setText(player.getState().onPrevious())); frame.setVisible(true); frame.setSize(300, 100); buttons.add(play); buttons.add(stop); buttons.add(next); buttons.add(prev); } }
Demo.java: 客户端代码
package state; import state.ui.Player; import state.ui.UI; /** * @author GaoMing * @date 2021/7/26 - 8:08 */ public class Demo { public static void main(String[] args) { Player player = new Player(); UI ui = new UI(player); ui.init(); } }
运行结果
7. 实现
实现State模式时的考虑:
1) 谁定义状态转换? State模式不指定哪个参与者定义状态转换准则。如果该准则是固定的,那么它们可在Context中完全实现。然后若让State子类自身指定它们的后继者状态以及何时进行转换,通常更加灵活。更合适。这需要Context增加一个接口,让State对象显式的设定Context的当前状态。用这种方法分散转换逻辑可以很容易地定义新的State子类来修改和扩展该逻辑。这样做有一个缺点,一个State子类至少拥有一个其他子类的信息,这就在各子类之间产生了依赖
2) 创建和销毁State对象 何时创建State对象?以及何时销毁他们? 是需要时再创建State对象,并随后销毁他们还是,提前创建它们并且始终不销毁它们。当要进入的状态是运行时不可知的,并且上下文不经常改变时,用第一种较为合适。如果State对象存储了大量信息,当状态改变很频繁时,第二种方法较好
8. 与其他模式的关系
- 状态可被视为策略的扩展。两者都基于组合机制:它们都通过将部分工作委派给 “帮手” 对象来改变其在不同情景下的行为。策略使得这些对象相互之间完全独立,它们不知道其他对象的存在。但状态模式没有限制具体状态之间的依赖,且允许它们自行改变在不同情景下的状态
9. 已知应用
使用示例:在Java语言中,状态模式通常被用于将基于switch语句的大型状态机转换为对象
核心Java程序库中一些状态模式的示例:
javax.faces.lifecycle.LifeCycle#execute() (由 FacesServlet控制:行为依赖于当前 JSF 生命周期的阶段 (状态))
识别方法: 方法受外部控制且能根据对象状态改变行为