设计模式-状态模式

设计模式专栏

模式介绍

状态模式是一种行为型设计模式，它允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为，使其看起来就像改变了自身的类。
在状态模式中，对象的行为会随着其状态的不同而改变。这种模式的主要目标是将对象的状态独立出来，形成单独的状态类。通过设置不同的状态对象，可以让环境对象拥有不同的行为，而状态转换的行为对客户端是透明的。
状态模式主要包含以下几个角色：
环境（Context） ：拥有多种状态的对象，由于环境类的状态存在多样性且在不同状态下对象的行为有所不同，因此将状态独立出来形成单独的状态类。
抽象状态类（State） ：定义一个接口以封装与环境类的一个特定相关行为，在抽象状态类中声明了各种不同状态对应的方法，而且在子类中都进行了实现。
具体状态类（ConcreteState） ：抽象状态类的子类，每一个子类实现一个与环境类的一个状态相关的行为，每一个具体状态类对应环境的一个具体状态。
通过使用状态模式，可以将复杂的对象行为分解为一系列简单的状态行为，使得代码更加清晰、可维护和可扩展。同时，通过将状态封装在不同的状态类中，可以方便地添加新的状态和行为，而不需要修改原有的代码。

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模式特点

状态模式的主要特点包括：
结构清晰 ：状态模式将与特定状态相关的行为局部化到一个状态中，并且将不同状态的行为分割开来，满足“单一职责原则”。
状态转换明确 ：通过将不同的状态引入独立的对象中，使得状态转换变得更加明确，且减少对象间的相互依赖。
职责明确 ：状态类职责明确，有利于程序的扩展。通过定义新的子类很容易地增加新的状态和转换。
然而，状态模式也有一些缺点：
增加系统的类与对象的个数 ：使用状态模式必然会增加系统的类与对象的个数，这可能会增加系统的复杂性和开销。
结构与实现复杂：如果使用不当，会导致程序结构和代码的混乱。

状态模式的优点主要包括：

对状态转换规则进行了封装，可以使用枚举类枚举出所有可能的状态，但需要在枚举状态之前确定状态的种类。
扩展性好，将所有与某个或者某些状态有关的行为放到了一个类对象中，这样方便管理，并且可以方便的新增状态，只需要改变对象状态就可以实现改变对象行为。
代码简洁好维护，状态模式允许状态转换逻辑和状态对象合为一体，而不是一个巨大的条件语句块。
可以让多个不同的环境对象共享一个状态的对象，这样减少系统中对象的数量。

状态模式的缺点主要包括：

增加对象和系统类的个数。
结构与实现比较复杂，如果使用不当，可能会造成程序结构和代码给人感觉很混乱的。
对开闭原则支持不好。

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应用场景

状态模式的应用场景包括：

一个对象存在多个状态，并且这些状态可以相互转换。在运行时刻，对象的行为可能会根据其状态的变化而变化。
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，使得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。

例如，电梯的运行就属于状态模式，电梯的运行状态包括停止、上行和下行，在这些状态之间可以相互转换，并且不同状态下有不同的行为。

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状态模式和策略模式区别

状态模式和策略模式在以下方面存在区别：

重点不同 ：状态模式重点在各状态之间的切换，从而做不同的事情；而策略模式更侧重于根据具体情况选择策略，并不涉及切换。
行为不同 ：状态模式不同状态下做的事情不同，而策略模式做的都是同一件事。反观状态模式，各个状态的同一方法做的是不同的事，不能互相替换。
封装内容不同 ：状态模式封装了对象的状态，而策略模式封装算法或策略。因为状态是跟对象密切相关的，它不能被重用；而策略模式通过从Context中分离出策略或算法，我们可以重用它们。
持有Context的引用不同 ：在状态模式中，每个状态通过持有Context的引用，来实现状态转移；但是每个策略都不持有Context的引用，它们只是被Context使用。
切换状态的自动程度不同 ：状态模式将各个状态所对应的操作分离开来，即对于不同的状态，由不同的子类实现具体操作，不同状态的切换由子类实现，当发现传入参数不是自己这个状态所对应的参数，则自己给Context类切换状态；这种转换是“自动”，“无意识”的。
暴露性不同 ：策略模式的客户端必须对所有的策略类相当了解，明确当前场景下各种策略的利弊，权衡在当前场景下应该使用哪种策略，也就是是说策略类对客户端是暴露的。

状态模式和策略模式在处理问题的侧重点、行为、封装内容、持有Context的引用、切换状态的自动程度以及暴露性方面都存在明显的区别。

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代码示例

Java实现状态模式

下面是一个Java实现状态模式的示例：

// State接口
interface State {
   
    void handle(Context context);
}

// ConcreteStateA类
class ConcreteStateA implements State {
   
    @Override
    public void handle(Context context) {
   
        System.out.println("State A is active. Handling request...");
        context.setState(new ConcreteStateB());
    }
}

// ConcreteStateB类
class ConcreteStateB implements State {
   
    @Override
    public void handle(Context context) {
   
        System.out.println("State B is active. Handling request...");
        context.setState(new ConcreteStateA());
    }
}

// Context类
class Context {
   
    private State state;

    public Context(State state) {
   
        this.state = state;
    }

    public void setState(State state) {
   
        this.state = state;
    }

    public void request() {
   
        state.handle(this);
    }
}

// Client代码
public class Client {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        Context context = new Context(new ConcreteStateA());
        context.request(); // 输出 "State A is active. Handling request..."
        context.request(); // 输出 "State B is active. Handling request..."
        context.request(); // 输出 "State A is active. Handling request..."，状态在A和B之间切换。
    }
}

在这个示例中，我们定义了一个State接口，它包含一个handle()方法。然后我们创建了两个实现State接口的类ConcreteStateA和ConcreteStateB，它们分别实现了handle()方法。在ConcreteStateA中，我们将状态设置为ConcreteStateB，在ConcreteStateB中，我们将状态设置为ConcreteStateA。这样，当客户端调用request()方法时，状态就会在A和B之间切换。在客户端代码中，我们首先创建一个Context对象，并设置初始状态为ConcreteStateA。然后我们连续调用request()方法，可以看到状态在A和B之间切换，并输出相应的信息。

python实现状态模式

以下是一个Python实现状态模式的示例：

class State:
    def handle(self, context):
        pass

class ConcreteStateA(State):
    def handle(self, context):
        print("State A is active. Handling request...")
        context.setState(ConcreteStateB())

class ConcreteStateB(State):
    def handle(self, context):
        print("State B is active. Handling request...")
        context.setState(ConcreteStateA())

class Context:
    def __init__(self, state):
        self.state = state

    def setState(self, state):
        self.state = state

    def request(self):
        self.state.handle(self)

# Client code
context = Context(ConcreteStateA())
context.request()  # 输出 "State A is active. Handling request..."
context.request()  # 输出 "State B is active. Handling request..."
context.request()  # 输出 "State A is active. Handling request..."，状态在A和B之间切换。

在这个示例中，我们定义了一个抽象状态类State，它包含一个handle()方法。然后我们创建了两个实现State的子类ConcreteStateA和ConcreteStateB，它们分别实现了handle()方法。在ConcreteStateA中，我们将状态设置为ConcreteStateB，在ConcreteStateB中，我们将状态设置为ConcreteStateA。这样，当客户端调用request()方法时，状态就会在A和B之间切换。在客户端代码中，我们首先创建一个Context对象，并设置初始状态为ConcreteStateA。然后我们连续调用request()方法，可以看到状态在A和B之间切换，并输出相应的信息。

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状态模式在spring中的应用

在Spring框架中，状态模式的应用主要体现在对状态的管理和转换上。Spring框架提供了丰富的状态管理机制，使得开发者能够更加灵活地控制和管理应用程序的状态。

以下是一些在Spring中应用状态模式的示例：

状态管理 ：Spring框架提供了状态管理的功能，例如通过@Stateful注解来声明一个状态类，并通过@State注解来指定当前状态。这样，开发者就可以在应用程序中定义不同的状态，并在需要时进行状态的转换。
状态转换 ：Spring框架支持状态之间的转换。开发者可以通过实现Stateful接口或使用@Stateful注解来定义状态转换的方法。这些方法可以根据当前状态和输入参数来决定下一个状态，从而实现状态的自动转换。
状态存储 ：Spring框架还提供了状态存储的功能。开发者可以通过实现StateStore接口或使用@StateStore注解来定义状态存储的逻辑。这样，应用程序的状态就可以被持久化到内存或数据库中，以便在需要时进行恢复。