设计模式(17)——状态模式

本文介绍状态模式的概念和应用。

基本思想和原则

当一个对象内在状态改变时允许改变其行为，这个对象看起来像改变了其类。

动机

当某个对象的状态改变时，其行为也会发生改变，就可以考虑使用状态模式来处理。

实现

我们用一个水三态转换的例子来说明状态模式，正常情况水有三种形态：液态、固态和气态，分别对应水、冰和水蒸气。水的三态转换过程如下图：

三种状态之间可以任意转换，我们下面就模拟这个过程。

public abstract class WaterState {
    protected Context context;

    public void setContext(Context context) {
        this.context = context;
    }

    // 液化
    public abstract void liquefy();

    // 汽化
    public abstract void evaporate();

    // 凝固
    public abstract void freeze();

    // 熔化
    public abstract void melt();

    // 凝华
    public abstract void desublimate();

    // 升华
    public abstract void sublimate();
}

public class LiquidState extends WaterState {
    @Override
    public void liquefy() {
        System.out.println("水蒸气->水：液化过程");
    }

    @Override
    public void evaporate() {
        this.context.setCurrentState(Context.gasState);
        this.context.getCurrentState().evaporate();
    }

    @Override
    public void freeze() {
        this.context.setCurrentState(Context.solidState);
        this.context.getCurrentState().freeze();
    }

    @Override
    public void melt() {
        System.out.println("冰->水：熔化过程");
    }

    @Override
    public void desublimate() {
        // do nothing
    }

    @Override
    public void sublimate() {
        // do nothing
    }
}

public class SolidState extends WaterState {
    @Override
    public void liquefy() {
        // do nothing
    }

    @Override
    public void evaporate() {
        // do nothing
    }

    @Override
    public void freeze() {
        System.out.println("水->冰：凝固过程");
    }

    @Override
    public void melt() {
        this.context.setCurrentState(Context.liquidState);
        this.context.getCurrentState().melt();
    }

    @Override
    public void desublimate() {
        System.out.println("水蒸气->冰：凝华过程");
    }

    @Override
    public void sublimate() {
        this.context.setCurrentState(Context.gasState);
        this.context.getCurrentState().sublimate();
    }
}

public class GasState extends WaterState {
    @Override
    public void liquefy() {
        this.context.setCurrentState(Context.liquidState);
        this.context.getCurrentState().liquefy();
    }

    @Override
    public void evaporate() {
        System.out.println("水->水蒸气：气化过程");
    }

    @Override
    public void freeze() {
        // do nothing
    }

    @Override
    public void melt() {
        // do nothind
    }

    @Override
    public void desublimate() {
        this.context.setCurrentState(Context.solidState);
        this.context.getCurrentState().desublimate();
    }

    @Override
    public void sublimate() {
        System.out.println("冰->水蒸气：升华过程");
    }
}

public class Context {
    private WaterState currentState;
    public final static WaterState liquidState = new LiquidState();
    public final static WaterState solidState = new SolidState();
    public final static WaterState gasState = new GasState();

    public void setCurrentState(WaterState currentState) {
        this.currentState = currentState;
        this.currentState.setContext(this);
    }

    public WaterState getCurrentState() {
        return this.currentState;
    }

    public void liquefy() {
        this.currentState.liquefy();
    }

    public void evaporate() {
        this.currentState.evaporate();
    }

    public void freeze() {
        this.currentState.freeze();
    }

    public void melt() {
        this.currentState.melt();
    }

    public void desublimate() {
        this.currentState.desublimate();
    }

    public void sublimate() {
        this.currentState.sublimate();
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();
        context.setCurrentState(new LiquidState());

        context.evaporate();    // 水->水蒸气：汽化过程
        context.desublimate();  // 水蒸气->冰：凝华过程
        context.melt();         // 冰->水：熔化过程
        context.freeze();       // 水->冰：凝固过程
        context.sublimate();    // 冰->水蒸气：升华过程
        context.liquefy();      // 水蒸气->水：液化过程
    }
}

输出如下：

水->水蒸气：气化过程
水蒸气->冰：凝华过程
冰->水：熔化过程
水->冰：凝固过程
冰->水蒸气：升华过程
水蒸气->水：液化过程

简单分析一下这个例子，我们有一个State的继承体系，WaterState是一个抽象类，定义了所有状态间转换的方法，并且在内部持有一个Context类实例，这个实例在状态转换过程中会使用到。LiquidState、SolidState和GasState是具体的状态类，需要实现WaterState定义的所有抽象方法。Context类持有一个状态实例currentState，表示水当前的状态，很重要的一点是Context类中也定义了所有状态转换的方法，调用时会委托给currentState来处理。

优点

状态模式避免了过多的switch-case和if-else语句，代码清晰。符合开闭原则、单一职责原则，当需要增加状态时，只需要增加子类，不需要修改原有的代码。封装性很好，外部不需要了解状态之间具体是如何转换的，所有的状态间过渡方式都由各个状态子类负责。

缺点

状态模式的缺点是有可能会导致过多的状态子类。