22、设计模式之状态模式（State）

一、什么是状态模式
状态模式是一种行为型设计模式。它允许对象在内部状态发生改变时改变它的行为，简单地讲就是，一个拥有状态的context对象，在不同状态下，其行为会发生改变。

二、角色组成

上下文（Context）：定义客户端需要的接口，并且负责具体状态的切换。
抽象状态（Abstract State）：抽象状态类是所有具体状态类的基类或接口。负责定义该状态下的行为，可以一个或多个。
具体状态（Concrete State）：具体状态类实现了抽象状态类定义的接口，并根据当前状态决定上下文对象的行为。

三、 优缺点
优点：

客户端只需要与上下文对象进行交互，而不需要了解具体状态对象的切换和行为实现细节。
状态模式遵循开闭原则，使系统更加可扩展。当需要增加新的状态时，只需添加新的具体状态类，而无需修改上下文对象或其他状态类。
避免了使用大量的条件语句来控制对象在不同状态下的行为。它将状态相关的代码分散到各个具体状态类中，使代码更加清晰、可读性更高，易于维护和扩展。
状态转换被封装在具体状态类中，可根据需求定义不同的状态切换规则，使得状态转换过程可控、灵活。
缺点：

状态模式增加了系统中类的数量，引入了更多的类，可能会增加代码的复杂性。
对于简单、直接的状态机，使用状态模式可能会显得过于繁琐，增加了代码的冗余。在这种情况下，可以采用简化的条件语句来处理状态转换。
四、应用场景
4.1 生活场景
自动售货机：自动售货机中的商品状态会随着库存量的变化而改变。当库存为0时，商品状态为"售罄"；当库存充足时，商品状态为"可购买"；
购物车状态：在线购物网站中，购物车可以有不同的状态，比如空、有商品、结算中等。每个状态下，购物车的显示内容和可用操作不同。

4.2 java场景

Thread类：线程有new、Runnable、Blocked、Waiting、Time_Waiting和Terminated状态。这些状态代表了线程在不同的执行阶段或操作中的不同状态。Thread类内部使用了状态模式来管理和切换线程的状态。
Connection接口：Connection接口表示与数据库的连接，它可能处于不同的状态，比如打开、关闭、空闲、繁忙等。Connection接口在不同的状态下提供了不同的操作方法，以便与数据库进行交互。

五、代码实现
下面以自动售卖机为例，解释一下状态模式。我们可以将售卖机分为三个部分：自动售卖机（Machine）类作为上下文（Context），状态（State）作为状态的抽象状态（Abstract State），售卖机的三个状态——未投币（NoCoinState）、已投币（HasCoinState）、出售中（SlodState）作为具体状态（Concrete State）

5.0 UML类图

5.1 State——抽象状态

/**
 *
 * 1.抽象状态（Abstract State）：状态接口
 * 定义：定义该状态下的行为，可以一个或多个。
 */
public interface State {
    //投币
    void insertCoin();
    //选择商品
    void selectProduct();
    //发放商品
    void dispense();
}

5.2 具体状态

/**
 * 
 * 2.具体状态（Concrete State）:未投币状态
 * 定义：实现了抽象状态类定义的接口，并根据当前状态决定上下文对象的行为。
 */
public class NoCoinState implements State{
    private Machine machine;
 
    public NoCoinState(Machine machine) {
        this.machine = machine;
    }
 
    @Override
    public void insertCoin() {
        System.out.println("已投币");
        // 切换到已投币状态
        machine.setState(machine.getHasCoinState());
    }
 
    @Override
    public void selectProduct() {
        System.out.println("请先投币");
    }
 
    @Override
    public void dispense() {
        System.out.println("请先投币选择商品");
    }
}
/**
 * 
 * 2.具体状态（Concrete State）:已投币状态
 * 定义：实现了抽象状态类定义的接口，并根据当前状态决定上下文对象的行为。
 */
public class HasCoinState implements State{
 
    private Machine machine;
 
    public HasCoinState(Machine machine) {
        this.machine = machine;
    }
 
    @Override
    public void insertCoin() {
        System.out.println("已投币，请勿重复投币");
    }
 
    @Override
    public void selectProduct() {
        System.out.println("商品已选择");
        // 切换到出售状态
        machine.setState(machine.getSoldState());
    }
 
    @Override
    public void dispense() {
        System.out.println("请先选择商品");
    }
}
/**
 *
 * 2.具体状态（Concrete State）:出售状态
 * 定义：实现了抽象状态类定义的接口，并根据当前状态决定上下文对象的行为。
 */
public class SoldState implements State{
    private Machine machine;
 
    public SoldState(Machine machine) {
        this.machine = machine;
    }
 
    @Override
    public void insertCoin() {
        System.out.println("正在出售商品，请稍等");
    }
 
    @Override
    public void selectProduct() {
        System.out.println("正在出售商品，请稍等");
    }
 
    @Override
    public void dispense() {
        System.out.println("商品已发放");
        //切换到未投币状态
        machine.setState(machine.getNoCoinState());
    }
}

5.3 Machine——上下文

/** 
 * 3.上下文（Context）：自动售卖机
 * 定义：定义客户端需要的接口，并且负责具体状态的切换。
 */
public class Machine {
    //未投币状态
    private State noCoinState;
    //已投币状态
    private State hasCoinState;
    //出售状态
    private State soldState;
    //当前状态
    private State currentState;
 
    public Machine() {
        noCoinState = new NoCoinState(this);
        hasCoinState = new HasCoinState(this);
        soldState = new SoldState(this);
        currentState = noCoinState; // 初始状态为未投币状态
    }
 
    public void setState(State state) {
        currentState = state;
    }
 
    public State getNoCoinState() {
        return noCoinState;
    }
 
    public State getHasCoinState() {
        return hasCoinState;
    }
 
    public State getSoldState() {
        return soldState;
    }
 
    public void insertCoin() {
        currentState.insertCoin();
    }
 
    public void selectProduct() {
        currentState.selectProduct();
    }
 
    public void dispense() {
        currentState.dispense();
    }
}

5.4 testState

/**
 *
 * 状态模式测试类
 */
@SpringBootTest
public class TestState {
 
    @Test
    void testState(){
        //创建上下文对象（自动售卖机）
        Machine machine = new Machine();
 
        System.out.println("=======直接选择商品=======");
        machine.selectProduct();
 
        System.out.println("======投币--->选择商品--->发放商品=======");
        machine.insertCoin();
        machine.selectProduct();
        machine.dispense();
 
        System.out.println("=======投币--->发放商品=======");
        machine.insertCoin();
        machine.dispense();
    }
}

六、总结
熟悉策略模式的小伙伴可能会发现，状态模式和策略模式的UML类图几乎一摸一样，但这两中模式的应用场景是不一样的。策略模式的多种算法行为选择一种就能满足，彼此之间是独立的；而状态模式中各个状态间存在相互关系，彼此之间在一定条件下存在自动切换状态的效果，并且用户不能指定状态，只能设置初始状态。

以下情况出现，可以考虑状态模式：

当一个对象的行为取决于其内部状态，并且在不同状态下具有不同的行为时
当对象的行为在运行时需要根据其状态动态改变，并且需要避免大量的条件语句和分支判断时。
当代码中存在大量的条件语句和分支逻辑，并且这些逻辑与对象的状态变化相关时。
当对象的状态之间存在复杂的转换关系，并且需要维护状态转换的一致性时。