一、概念
状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，它允许对象在内部状态改变时改变其行为，对象看起来似乎修改了它的类。状态模式将状态封装成独立的类，并将对状态的行为委托给当前状态对象。其核心思想是将对象的状态和行为分离，通过状态类的切换来改变对象的行为。
二、功能
状态模式主要解决的是当控制一个对象状态转换的条件表达式过于复杂时的情况。通过将状态判断逻辑转移到表示不同状态的一系列类中，可以把复杂的判断逻辑简单化。状态模式的主要功能包括：
1、封装状态转换逻辑
将状态转换逻辑封装到具体的状态类中，减少对象间的相互依赖。
2、简化代码
通过状态类的切换来改变对象的行为，避免了大量条件语句的使用，使得代码更加简洁、易于维护。
3、提高可扩展性
添加新的状态只需创建新的状态类，并修改状态转换逻辑，而无需修改其他代码，提高了系统的可扩展性。
三、使用场景
状态模式适用于以下场景：
1、对象的行为取决于它的状态，且必须在运行时根据状态来改变它的行为。
例如，电梯在不同状态下（停止、运行、故障）的行为是不同的。
2、一个操作中有庞大的多分支语句，且这些分支依赖于该对象的状态。
例如，订单在不同状态下（待审核、审核中、已审核、已发货）的处理逻辑是不同的。
3、需要避免使用大量的条件语句来控制对象的行为。
状态模式提供了一种更加优雅的解决方案，通过状态类的切换来改变对象的行为。
四、代码示例
以下是一个使用Java语言实现状态模式的示例代码，该示例模拟了一个电梯系统，其中电梯有三种状态：停止状态、运行状态和故障状态。
csharp
// 状态接口
interface State {
void openDoor();
void closeDoor();
void goUp();
void goDown();
}
// 停止状态
class StopState implements State {
private Elevator context;
public StopState(Elevator elevator) {
this.context = elevator;
}
@Override
public void openDoor() {
System.out.println("电梯门已打开");
}
@Override
public void closeDoor() {
System.out.println("电梯门已关闭");
}
@Override
public void goUp() {
System.out.println("电梯开始上升");
// 切换到运行状态
context.setState(new RunState(context));
}
@Override
public void goDown() {
System.out.println("电梯开始下降");
// 切换到运行状态
context.setState(new RunState(context));
}
}
// 运行状态
class RunState implements State {
private Elevator context;
public RunState(Elevator elevator) {
this.context = elevator;
}
@Override
public void openDoor() {
System.out.println("电梯正在运行,无法打开门");
}
@Override
public void closeDoor() {
System.out.println("电梯正在运行,无需关闭门");
}
@Override
public void goUp() {
System.out.println("电梯继续上升");
}
@Override
public void goDown() {
System.out.println("电梯继续下降");
}
}
// 故障状态
class FaultState implements State {
private Elevator context;
public FaultState(Elevator elevator) {
this.context = elevator;
}
@Override
public void openDoor() {
System.out.println("电梯故障,无法打开门");
}
@Override
public void closeDoor() {
System.out.println("电梯故障,无需关闭门");
}
@Override
public void goUp() {
System.out.println("电梯故障,无法上升");
}
@Override
public void goDown() {
System.out.println("电梯故障,无法下降");
}
}
// 电梯类
class Elevator {
private State state;
public Elevator() {
this.state = new StopState(this);
}
public void setState(State state) {
this.state = state;
}
public void openDoor() {
state.openDoor();
}
public void closeDoor() {
state.closeDoor();
}
public void goUp() {
state.goUp();
}
public void goDown() {
state.goDown();
}
}
// 应用程序
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Elevator elevator = new Elevator();
elevator.openDoor(); // 输出: 电梯门已打开
elevator.closeDoor(); // 输出: 电梯门已关闭
elevator.goUp(); // 输出: 电梯开始上升
elevator.closeDoor(); // 输出: 电梯正在运行,无需关闭门
elevator.goDown(); // 输出: 电梯继续下降
}
}五、结构类图
状态模式的结构类图如下所示：
csharp
+----------------+ +----------------+ +----------------+
| Context |------| State |------| ConcreteState1 |
| (上下文类) | ^ | (抽象状态类) | ^ | (具体状态类) |
| +setState(S) | | | +handle(C) | | | +handle(C) |
| +getState() | | +----------------+ | +----------------+
| +request() | | |
+----------------+ | |
+----------------+ | +----------------+ | +----------------+
| ConcreteState2 | | | ConcreteState3 | | | ... |
| (具体状态类) | | | (具体状态类) | | | (具体状态类) |
| +handle(C) | | | +handle(C) | | | +handle(C) |
+----------------+ | +----------------+ | +----------------+ 六、优缺点
1、优点
1）封装性：
将状态和行为封装到单独的类中，使得代码更加清晰、易于维护。
2）扩展性：
添加新的状态只需创建新的状态类，并修改状态转换逻辑，而无需修改其他代码，提高了系统的可扩展性。
3）减少相互依赖：
将状态转换逻辑封装到具体的状态类中，减少对象间的相互依赖。
2、缺点
1）类和对象的增加
状态模式的使用必然会增加系统中类和对象的个数，导致系统运行开销增大。
2）复杂性
状态模式的结构和实现都较为复杂，如果使用不当会导致程序结构和代码的混乱。
3）对开闭原则的支持
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，且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。
七、总结
状态模式是一种强大的设计模式，它通过将状态和行为封装到单独的类中，使得对象在不同状态下的行为可以灵活切换。状态模式适用于对象行为随状态改变而改变的场景，通过状态类的切换来避免大量条件语句的使用，使得代码更加简洁、易于维护。然而，状态模式的使用也会增加系统中类和对象的个数，且结构和实现较为复杂，需要谨慎使用。
在实际开发中，可以根据具体需求选择合适的设计模式，以提高代码的可维护性、可扩展性和可读性。状态模式作为一种行为型设计模式，在处理对象状态转换和行为切换方面表现出色，是软件开发中不可或缺的工具之一。