设计模式学习(23) 23-21 状态模式

文章目录

[0. 个人感悟](#0. 个人感悟)
[1. 概念](#1. 概念)
[2. 适配场景](#2. 适配场景)
- [2.1 适合的场景](#2.1 适合的场景)
- [2.2 常见场景举例](#2.2 常见场景举例)
[3. 实现方法](#3. 实现方法)
- [3.1 实现思路](#3.1 实现思路)
- [3.2 UML类图](#3.2 UML类图)
- [3.3 代码示例](#3.3 代码示例)
[4. 优缺点](#4. 优缺点)
- [4.1 优点](#4.1 优点)
- [4.2 缺点](#4.2 缺点)

0. 个人感悟

状态模式旨在将状态封装成独立的类，各个状态子类完成不同的行为，状态改变时切换到不同的子类
我理解是将状态x行为，按照状态维度展开。对比传统的按行为展开，会更符合面向对象，代码会更清晰，少许多if-else判断
实际工作中遇到的类似场景还比较多，比如常见的工作流程流转业务，对于不同的状态有不同的操作，业务也会复杂很多，比如权限控制等等
状态的切换可以由状态类来切换，也可以上下文管理，建议实际工作中抽取出专门的类进行管理，降低耦合

1. 概念

英文定义 (《设计模式：可复用面向对象软件的基础》)

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

中文翻译

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。

理解

状态模式是一种行为型设计模式，核心思想是将状态封装为独立的类
将对象在不同状态下的行为委托给当前状态对象执行，而非在对象内部使用大量条件判断
当对象状态改变时，实际上是通过切换到不同的状态类实例来改变行为
符合"开闭原则"------新增状态无需修改现有代码，只需添加新的状态类
状态转换逻辑可以分散在各个状态类中，也可以集中在上下文类中管理

2. 适配场景

2.1 适合的场景

对象行为随状态改变而改变：对象需要根据当前状态执行不同操作
复杂的条件分支逻辑：代码中包含大量与对象状态相关的条件语句（if-else或switch-case）
状态转换逻辑固定且明确：状态之间的转换有明确的规则和条件
状态数量相对稳定：状态数量不会频繁变化，避免因状态过多导致类爆炸

2.2 常见场景举例

订单系统：订单的待支付、已支付、已发货、已完成、已取消等状态
工作流引擎：审批流程中的草稿、待审批、已审批、已驳回等状态
游戏开发：游戏角色的站立、行走、奔跑、跳跃、攻击、受伤等状态
网络连接：TCP连接中的CLOSED、LISTEN、SYN_SENT、ESTABLISHED等状态
UI组件：按钮的启用、禁用、悬停、按下等交互状态
交通信号灯：红灯、黄灯、绿灯的状态切换

3. 实现方法

3.1 实现思路

定义状态接口：声明所有状态类必须实现的方法，这些方法对应上下文类中的各种操作
实现具体状态类：为每个状态创建独立的类，实现状态接口，封装该状态下的具体行为
创建上下文类 ：
- 维护当前状态对象的引用
- 将客户端请求委托给当前状态对象处理
- 提供设置状态的方法（状态转换）
管理状态转换 ：
- 可以在上下文类中集中管理（策略模式风格）
- 也可以在各个状态类中分散管理（状态模式典型风格）
客户端使用：客户端通过上下文类与状态机交互，无需关心当前具体状态

3.2 UML类图

角色说明：

Context（上下文）：定义客户端感兴趣的接口，维护一个ConcreteState子类的实例
State（状态接口）：定义一个接口以封装与Context的一个特定状态相关的行为
ConcreteState（具体状态）：每个子类实现一个与Context的一个状态相关的行为

3.3 代码示例

背景

以自动咖啡机为例

正常流程行为有投币、选咖啡、制作咖啡、取咖啡，异常行为有补充咖啡豆
正常状态有等待投币、等待选择咖啡、已选择咖啡、咖啡已制作完成，异常状态为咖啡豆不足

行为接口

java 复制代码

public interface ICoffeeMachineState {  
    /**  
     * @param machine 咖啡机上下文  
     * @description 投币  
     * @author bigHao  
     * @date 2026/1/28  
     **/    
     void insertCoin(CoffeeMachine machine);  
  
    /**  
     * @param machine 咖啡机上下文  
     * @description 选择咖啡  
     * @author bigHao  
     * @date 2026/1/28  
     **/    
     void selectCoffee(CoffeeMachine machine);  
  
    /**  
     * @param machine 咖啡机上下文  
     * @description 制作咖啡  
     * @author bigHao  
     * @date 2026/1/28  
     **/    
     void dispenseCoffee(CoffeeMachine machine);  
  
    /**  
     * @param machine 咖啡机上下文  
     * @description 取走coffee  
     * @author bigHao  
     * @date 2026/1/28  
     **/    
     void takeCoffee(CoffeeMachine machine);  
  
    /**  
     * @param machine 咖啡机上下文  
     * @param amount  豆子数量  
     * @description 补充豆子  
     * @author bigHao  
     * @date 2026/1/28  
     **/    
     void refill(CoffeeMachine machine, int amount);  
}

行为实现类族

java 复制代码

\\ 等待投币
public class WaitingForCoinState implements ICoffeeMachineState {  
    @Override  
    public void insertCoin(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("硬币已投入，请选择咖啡");  
        machine.setState(new WaitingForSelectState());  
    }  
  
    @Override  
    public void selectCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("请先投币");  
    }  
  
    @Override  
    public void dispenseCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("请先投币并选择咖啡");  
    }  
  
    @Override  
    public void takeCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("请先投币并选择咖啡");  
    }  
  
    @Override  
    public void refill(CoffeeMachine machine, int amount) {  
        machine.addCoffeeBeans(amount);  
        System.out.println("添加了 " + amount + " 克咖啡豆");  
    }  
}
\\ 等待选择coffee
public class WaitingForSelectState implements ICoffeeMachineState {  
    @Override  
    public void insertCoin(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("硬币已投入，请选择咖啡");  
        machine.setState(new WaitingForSelectState());  
    }  
  
    @Override  
    public void selectCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("咖啡已选择，请按制作按钮");  
        machine.setState(new CoffeeSelectedState());  
    }  
  
    @Override  
    public void dispenseCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("硬币已投入，请选择咖啡");  
    }  
  
    @Override  
    public void takeCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("硬币已投入，请选择咖啡");  
    }  
  
    @Override  
    public void refill(CoffeeMachine machine, int amount) {  
        machine.addCoffeeBeans(amount);  
        System.out.println("添加了 " + amount + " 克咖啡豆");  
    }  
}
\\ coffee已选择
public class CoffeeSelectedState implements ICoffeeMachineState {  
    @Override  
    public void insertCoin(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("已投币，请按制作按钮");  
    }  
  
    @Override  
    public void selectCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("咖啡已选择，请按制作按钮");  
    }  
  
    @Override  
    public void dispenseCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        if (machine.getCoffeeBeans() >= 10) {  
            System.out.println("正在制作咖啡...");  
            machine.reduceCoffeeBeans(10);  
            machine.setState(new CoffeeReadyState());  
        } else {  
            System.out.println("咖啡豆不足，请联系工作人员");  
            machine.setState(new OutOfBeanState());  
        }  
    }  
  
    @Override  
    public void takeCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("咖啡已选择，请按制作按钮");  
    }  
  
    @Override  
    public void refill(CoffeeMachine machine, int amount) {  
        machine.addCoffeeBeans(amount);  
        System.out.println("添加了 " + amount + " 克咖啡豆");  
    }  
}
\\ coffee已制作
public class CoffeeReadyState implements ICoffeeMachineState {  
    @Override  
    public void insertCoin(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("请取走您的咖啡后再投币");  
    }  
  
    @Override  
    public void selectCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("请取走您的咖啡后再选择");  
    }  
  
    @Override  
    public void dispenseCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("咖啡已准备好，请取走");  
    }  
  
    @Override  
    public void takeCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("取走coffee，谢谢惠顾");  
        machine.setState(new WaitingForCoinState());  
    }  
  
    @Override  
    public void refill(CoffeeMachine machine, int amount) {  
        machine.addCoffeeBeans(amount);  
        System.out.println("添加了 " + amount + " 克咖啡豆");  
    }  
}
\\ 咖啡豆不足
public class OutOfBeanState implements ICoffeeMachineState {  
    @Override  
    public void insertCoin(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("咖啡豆不足，无法制作咖啡");  
    }  
  
    @Override  
    public void selectCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("咖啡豆不足，无法制作咖啡");  
    }  
  
    @Override  
    public void dispenseCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("咖啡豆不足，无法制作咖啡");  
    }  
  
    @Override  
    public void takeCoffee(CoffeeMachine machine) {  
        System.out.println("咖啡豆不足，无法制作咖啡");  
    }  
  
    @Override  
    public void refill(CoffeeMachine machine, int amount) {  
        machine.addCoffeeBeans(amount);  
        System.out.println("添加了 " + amount + " 克咖啡豆");  
        if (machine.getCoffeeBeans() >= 10) {  
            machine.setState(new CoffeeSelectedState());  
        }  
    }  
}

测试

java 复制代码

public class Client {  
    static void main() {  
        // 正常流程  
        System.out.println("=======正常流程示例=======");  
        CoffeeMachine coffeeMachine = new CoffeeMachine(11);  
        printState(coffeeMachine);  
  
        System.out.println("===投币===");  
        coffeeMachine.insertCoin();  
        printState(coffeeMachine);  
  
        System.out.println("===选择coffee===");  
        coffeeMachine.selectCoffee();  
        printState(coffeeMachine);  
  
        System.out.println("===制作coffee===");  
        coffeeMachine.dispenseCoffee();  
        printState(coffeeMachine);  
  
        System.out.println("===取走coffee===");  
        coffeeMachine.takeCoffee();  
        printState(coffeeMachine);  
  
        System.out.println("=======豆子不足流程示例=======");  
        // 异常情况 咖啡豆不足  
        coffeeMachine.insertCoin();  
        printState(coffeeMachine);  
  
        coffeeMachine.selectCoffee();  
        printState(coffeeMachine);  
  
        System.out.println("===咖啡豆不足===");  
        coffeeMachine.dispenseCoffee();  
        printState(coffeeMachine);  
  
        // 补充咖啡豆  
        System.out.println("===补充coffee===");  
        coffeeMachine.refill(100);  
        printState(coffeeMachine);  
  
        System.out.println("===制作coffee===");  
        coffeeMachine.dispenseCoffee();  
  
        printState(coffeeMachine);  
        System.out.println("===取走coffee===");  
        coffeeMachine.takeCoffee();  
        printState(coffeeMachine);  
  
    }  
  
    public static void printState(CoffeeMachine coffeeMachine) {  
        System.out.println(STR."当前状态: \{coffeeMachine.getCurrentState()}");  
    }  
  
}

输出

复制代码

=======正常流程示例=======
当前状态: WaitingForCoinState
===投币===
硬币已投入，请选择咖啡
当前状态: WaitingForSelectState
===选择coffee===
咖啡已选择，请按制作按钮
当前状态: CoffeeSelectedState
===制作coffee===
正在制作咖啡...
当前状态: CoffeeReadyState
===取走coffee===
取走coffee，谢谢惠顾
当前状态: WaitingForCoinState
=======豆子不足流程示例=======
硬币已投入，请选择咖啡
当前状态: WaitingForSelectState
咖啡已选择，请按制作按钮
当前状态: CoffeeSelectedState
===咖啡豆不足===
咖啡豆不足，请联系工作人员
当前状态: OutOfBeanState
===补充coffee===
添加了 100 克咖啡豆
当前状态: CoffeeSelectedState
===制作coffee===
正在制作咖啡...
当前状态: CoffeeReadyState
===取走coffee===
取走coffee，谢谢惠顾
当前状态: WaitingForCoinState

4. 优缺点

4.1 优点

单一职责原则：将与特定状态相关的代码放在独立的类中
开闭原则：新增状态无需修改现有状态类或上下文类
消除复杂条件判断：避免使用大量的if-else或switch-case语句
提高可读性：状态转换逻辑清晰，代码结构更易理解
状态管理集中：所有状态相关的代码集中在状态类中，便于维护

4.2 缺点

类数量增加：每个状态都需要一个类，状态过多会导致类爆炸
状态转换逻辑分散：如果转换逻辑在各状态类中，可能导致逻辑分散难以跟踪
上下文与状态耦合：状态类需要了解上下文类的接口，增加了耦合度
性能开销：状态切换涉及对象创建和销毁，可能带来额外开销

参考: