状态设计模式

2023-05-16

状态模式的结构与实现

状态模式把受环境改变的对象行为包装在不同的状态对象里，其意图是让一个对象在其内部状态改变的时候，其行为也随之改变。现在我们来分析其基本结构和实现方法。

1. 模式的结构

状态模式包含以下主要角色。

环境类（Context）角色：也称为上下文，它定义了客户端需要的接口，内部维护一个当前状态，并负责具体状态的切换。
抽象状态（State）角色：定义一个接口，用以封装环境对象中的特定状态所对应的行为，可以有一个或多个行为。
具体状态（Concrete State）角色：实现抽象状态所对应的行为，并且在需要的情况下进行状态切换。

其结构图如图 1 所示。

图1 状态模式的结构图

2. 模式的实现

状态模式的实现代码如下：

public class StatePatternClient {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();    //创建环境      
        context.Handle();    //处理请求
        context.Handle();
        context.Handle();
        context.Handle();
    }
}

//环境类
class Context {
    private State state;

    //定义环境类的初始状态
    public Context() {
        this.state = new ConcreteStateA();
    }

    //设置新状态
    public void setState(State state) {
        this.state = state;
    }

    //读取状态
    public State getState() {
        return (state);
    }

    //对请求做处理
    public void Handle() {
        state.Handle(this);
    }
}

//抽象状态类
abstract class State {
    public abstract void Handle(Context context);
}

//具体状态A类
class ConcreteStateA extends State {
    public void Handle(Context context) {
        System.out.println("当前状态是 A.");
        context.setState(new ConcreteStateB());
    }
}

//具体状态B类
class ConcreteStateB extends State {
    public void Handle(Context context) {
        System.out.println("当前状态是 B.");
        context.setState(new ConcreteStateA());
    }
}

程序运行结果如下：


当前状态是 A.
当前状态是 B.
当前状态是 A.
当前状态是 B.

状态模式的应用实例

【例1】用“状态模式”设计一个学生成绩的状态转换程序。

分析：本实例包含了“不及格”“中等”和“优秀” 3 种状态，当学生的分数小于 60 分时为“不及格”状态，当分数大于等于 60 分且小于 90 分时为“中等”状态，当分数大于等于 90 分时为“优秀”状态，我们用状态模式来实现这个程序。

首先，定义一个抽象状态类（AbstractState），其中包含了环境属性、状态名属性和当前分数属性，以及加减分方法 addScore(intx) 和检查当前状态的抽象方法 checkState()。

然后，定义“不及格”状态类 LowState、“中等”状态类 MiddleState 和“优秀”状态类 HighState，它们是具体状态类，实现 checkState() 方法，负责检査自己的状态，并根据情况转换。

最后，定义环境类（ScoreContext），其中包含了当前状态对象和加减分的方法 add(int score)，客户类通过该方法来改变成绩状态。图 2 所示是其结构图。

图2 学生成绩的状态转换程序的结构图

程序代码如下：

public class ScoreStateTest {
    public static void main(String[] args) {
        ScoreContext account = new ScoreContext();
        System.out.println("学生成绩状态测试：");
        account.add(30);
        account.add(40);
        account.add(25);
        account.add(-15);
        account.add(-25);
    }
}

//环境类
class ScoreContext {
    private AbstractState state;

    ScoreContext() {
        state = new LowState(this);
    }

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

    public AbstractState getState() {
        return state;
    }

    public void add(int score) {
        state.addScore(score);
    }
}

//抽象状态类
abstract class AbstractState {
    protected ScoreContext hj;  //环境
    protected String stateName; //状态名
    protected int score; //分数

    public abstract void checkState(); //检查当前状态

    public void addScore(int x) {
        score += x;
        System.out.print("加上：" + x + "分，\t当前分数：" + score);
        checkState();
        System.out.println("分，\t当前状态：" + hj.getState().stateName);
    }
}

//具体状态类：不及格
class LowState extends AbstractState {
    public LowState(ScoreContext h) {
        hj = h;
        stateName = "不及格";
        score = 0;
    }

    public LowState(AbstractState state) {
        hj = state.hj;
        stateName = "不及格";
        score = state.score;
    }

    public void checkState() {
        if (score >= 90) {
            hj.setState(new HighState(this));
        } else if (score >= 60) {
            hj.setState(new MiddleState(this));
        }
    }
}

//具体状态类：中等
class MiddleState extends AbstractState {
    public MiddleState(AbstractState state) {
        hj = state.hj;
        stateName = "中等";
        score = state.score;
    }

    public void checkState() {
        if (score < 60) {
            hj.setState(new LowState(this));
        } else if (score >= 90) {
            hj.setState(new HighState(this));
        }
    }
}

//具体状态类：优秀
class HighState extends AbstractState {
    public HighState(AbstractState state) {
        hj = state.hj;
        stateName = "优秀";
        score = state.score;
    }

    public void checkState() {
        if (score < 60) {
            hj.setState(new LowState(this));
        } else if (score < 90) {
            hj.setState(new MiddleState(this));
        }
    }
}

程序运行结果如下：


学生成绩状态测试：
加上：30分，    当前分数：30分，    当前状态：不及格
加上：40分，    当前分数：70分，    当前状态：中等
加上：25分，    当前分数：95分，    当前状态：优秀
加上：-15分，    当前分数：80分，    当前状态：中等
加上：-25分，    当前分数：55分，    当前状态：不及格

【例2】用“状态模式”设计一个多线程的状态转换程序。

分析：多线程存在 5 种状态，分别为新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和死亡状态，各个状态当遇到相关方法调用或事件触发时会转换到其他状态，其状态转换规律如图 3 所示。

图3 线程状态转换图

现在先定义一个抽象状态类（TheadState），然后为图 3 所示的每个状态设计一个具体状态类，它们是新建状态（New）、就绪状态（Runnable ）、运行状态（Running）、阻塞状态（Blocked）和死亡状态（Dead），每个状态中有触发它们转变状态的方法，环境类（ThreadContext）中先生成一个初始状态（New），并提供相关触发方法，图 4 所示是线程状态转换程序的结构图。

图4 线程状态转换程序的结构图

程序代码如下：

public class ScoreStateTest {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadContext context = new ThreadContext();
        context.start();
        context.getCPU();
        context.suspend();
        context.resume();
        context.getCPU();
        context.stop();
    }
}

//环境类
class ThreadContext {
    private ThreadState state;

    ThreadContext() {
        state = new New();
    }

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

    public ThreadState getState() {
        return state;
    }

    public void start() {
        ((New) state).start(this);
    }

    public void getCPU() {
        ((Runnable) state).getCPU(this);
    }

    public void suspend() {
        ((Running) state).suspend(this);
    }

    public void stop() {
        ((Running) state).stop(this);
    }

    public void resume() {
        ((Blocked) state).resume(this);
    }
}

//抽象状态类：线程状态
abstract class ThreadState {
    protected String stateName; //状态名
}

//具体状态类：新建状态
class New extends ThreadState {
    public New() {
        stateName = "新建状态";
        System.out.println("当前线程处于：新建状态.");
    }

    public void start(ThreadContext hj) {
        System.out.print("调用start()方法-->");
        if (stateName.equals("新建状态")) {
            hj.setState(new Runnable());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是新建状态，不能调用start()方法.");
        }
    }
}

//具体状态类：就绪状态
class Runnable extends ThreadState {
    public Runnable() {
        stateName = "就绪状态";
        System.out.println("当前线程处于：就绪状态.");
    }

    public void getCPU(ThreadContext hj) {
        System.out.print("获得CPU时间-->");
        if (stateName.equals("就绪状态")) {
            hj.setState(new Running());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是就绪状态，不能获取CPU.");
        }
    }
}

//具体状态类：运行状态
class Running extends ThreadState {
    public Running() {
        stateName = "运行状态";
        System.out.println("当前线程处于：运行状态.");
    }

    public void suspend(ThreadContext hj) {
        System.out.print("调用suspend()方法-->");
        if (stateName.equals("运行状态")) {
            hj.setState(new Blocked());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用suspend()方法.");
        }
    }

    public void stop(ThreadContext hj) {
        System.out.print("调用stop()方法-->");
        if (stateName.equals("运行状态")) {
            hj.setState(new Dead());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用stop()方法.");
        }
    }
}

//具体状态类：阻塞状态
class Blocked extends ThreadState {
    public Blocked() {
        stateName = "阻塞状态";
        System.out.println("当前线程处于：阻塞状态.");
    }

    public void resume(ThreadContext hj) {
        System.out.print("调用resume()方法-->");
        if (stateName.equals("阻塞状态")) {
            hj.setState(new Runnable());
        } else {
            System.out.println("当前线程不是阻塞状态，不能调用resume()方法.");
        }
    }
}

//具体状态类：死亡状态
class Dead extends ThreadState {
    public Dead() {
        stateName = "死亡状态";
        System.out.println("当前线程处于：死亡状态.");
    }
}

程序运行结果如下：


当前线程处于：新建状态.
调用start()方法-->当前线程处于：就绪状态.
获得CPU时间-->当前线程处于：运行状态.
调用suspend()方法-->当前线程处于：阻塞状态.
调用resume()方法-->当前线程处于：就绪状态.
获得CPU时间-->当前线程处于：运行状态.
调用stop()方法-->当前线程处于：死亡状态.

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