设计模式内容分享(十八)：状态模式

目录

一、状态模式是什么

二、状态模式的适用场景

三、状态模式结构

四、状态模式实现方式

五、状态模式的实现

六、状态模式的优缺点

七、状态模式和其他模式的区别

八、总结

一、状态模式是什么

在软件开发过程中，应用程序中的某些对象会根据不同的情况做出不同的行为，这种对象称为有状态的对象，而把影响对象行为的不同的情况称为状态。当有状态的对象与外部事件产生互动时，其内部状态会发生改变，从而影响其行为。

• 【定义】

  对有状态的对象，把复杂的判断逻辑提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。属于行为型模式。

  “

  不同的类表示不同情况的状态，以此消除 if-else、switch-case 等冗余语句，代码更有层次性，并且具备良好的扩展性。

• 【主要作用】

  可以根据对象所依赖状态的改变而改变它的相关行为。

• 【核心思想】

  程序在任意时刻仅可处于几种有限的状态中。 在任何一个特定状态中， 程序的行为都不相同， 且可瞬间从一个状态切换到另一个状态。

二、状态模式的适用场景

• 【适用场景】

  • 一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。

  • 一个操作中含有很多的多分支结构，并且这些分支取决于对象的状态。

• 【生活实例】

  • 人的高兴、伤心的不同情绪有不同的行为。

  • 线程有新建、运行、阻塞，等待状态，超时等待状态和死亡 6 种状态。

  • 播放器的暂停、播放。

  • 手机的解锁，锁定状态。

三、状态模式结构

• 上下文（Context）角色：定义了客户端需要的接口，内部持有一个具体状态对象的引用，并负责具体状态的切换。

• 抽象状态（State）角色：声明特定于状态方法的接口，用以封装上下文角色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。

  “

  当多个状态有部分相似行为方法时， 可以提供一个封装有部分通用行为的中间抽象类。

• 客户端（Client）角色：定义上下文角色，执行状态行为。

四、状态模式实现方式

• 确定上下文类，定义状态转变的方法，并定义对抽象状态的引用。

• 定义抽象状态角色，声明状态变化之后的行为方法。

• 为每个实际状态创建一个继承于状态接口的类。在每个具体状态类中实现该状态对应的。

  当多个状态有部分相似行为方法时， 可以提供一个封装有部分通用行为的中间抽象类。

  • 将通用成员变量或方法设为公有。

  • 抽取的上下文行为更改为上下文中的公有方法， 然后在状态类中调用。

• 定义上下文角色，初始化状态，行为执行。

五、状态模式的实现

【案例】：线程的状态切换。

【案例说明】：在我们日常开发工作中，线程是经常会是用的一种技术手段，线程有新建、运行、阻塞，等待状态，超时等待状态和死亡 6 种状态，在不同的状态下有不同的行为。在此案例中：

1. 上下文（Context）角色持有一个线程的当前状态，并为其初始化状态，提供转换到其他状态的方法。

2. 抽象状态（State）角色只作为一个基类，指定状态名字，具体实现由具体的状态类实现。

3. 具体状态（Concrete State）角色实现每个状态的具体行为

• 上下文（Context）角色

  import lombok.Data;
  
  /**
   * 上下文（Context）角色  提供转换到其他状态的方法
   * @author Edwin
   * @date 2021/11/21 15:55  
   */
  @Data
  publicclass Context {
  
      /**
       * 持有一个线程的当前状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:08
       */
      private TheadState state;
  
      /**
       * 初始化线程的当前状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:09
       */
      Context() {
          state = new TheadNew();
      }
  
  
      /**
       * 开启一个新的线程
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:11
       */
      public void start() {
          ((TheadNew) state).start(this);
      }
  
  
      /**
       *  阻塞状态线程恢复到运行状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:03
       */
      public void resume() {
          ((TheadBlocked) state).resume(this);
      }
  
  
      /**
       * 阻塞当前线程
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:57
       */
      public void sync() {
          ((TheadRunnable) state).sync(this);
      }
  
      /**
       * 当前线程进入等待状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:00
       */
      public void await() {
          ((TheadRunnable) state).wait(this);
      }
  
      /**
       * 当前线程进入超时等待状态状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:00
       */
      public void sleep() {
          ((TheadRunnable) state).sleep(this);
      }
  
      /**
       * 停止线程
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:54
       */
      public void stop() {
          ((TheadRunnable) state).stop(this);
      }
  
  
      /**
       * 线程在睡眠指定时间后自动唤醒恢复到运行状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:00
       * @return null
       */
      public void wake() {
          ((TheadTimedwaiting) state).wake(this);
      }
  
  
      /**
       * 线程恢复到运行状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:00
       */
      public void notice() {
          ((TheadWaiting) state).notify(this);
      }
  
  }
  
  

• 抽象状态（State）角色

  /**
   * 抽象状态（State）角色：线程状态
   * @author Edwin
   * @date 2021/11/21 15:56
   */
  publicabstractclass ThreadState {
  
      /**
       *  线程的当前状态名字，没有什么具体实际意义
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:02
       */
      public String threadName;
  }
  

  • 线程状态枚举

    Java中Thread类中State枚举类定义与说明

    publicenum State {
        /**
         *  新建状态
         */
        NEW,
        /**
         * 运行状态
         * java线程中将操作系统中的就绪状态（ready）和运行中状态（running）统一归类为可运行状态（RUNNABLE）。
         */
        RUNNABLE,
        /**
         * 阻塞状态
         */
        BLOCKED,
        /**
         * 等待状态
         * 进入该状态的线程需要等待其它线程进行一些特殊操作，如notify、notifyAll、unpark
         *
         * 触发条件：调用下列任何一个方法
         * Object#wait()
         * join()
         * LockSupport#park()
         */
        WAITING,
        /**
         * 超时等待状态
         * 该状态与WAITING不同之处是在指定时间后可以自动唤醒到就绪状态；
         *
         * 触发条件：调用下列任何一个方法
         * sleep Thread.sleep
         * Object#wait(long)
         * join(long)
         * LockSupport#parkNanos
         * LockSupport#parkUntil
         */
        TIMED_WAITING,
        /**
         * 终止状态
         */
        TERMINATED;
    }
    

• 具体状态（Concrete State）角色

  /**
   * 具体状态（Concrete State）角色 : 新建状态
   * @author Edwin
   * @date 2021/11/21 16:04
   */
  publicclass ThreadNew extends ThreadState {
  
  
      /**
       *  初始化新建状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:05
       */
      public ThreadNew() {
          threadName = Thread.State.NEW.name();
          System.out.println("当前线程处于：新建状态.");
      }
  
      /**
       * 调用线程的start方法 开启一个新的线程
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:44
       */
      public void start(Context context) {
          System.out.print("调用start()方法,获取CPU的执行时间-->");
          if (Thread.State.NEW.name().equals(threadName)) {
              context.setState(new ThreadRunnable());
          } 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（Concrete State）角色 : 运行状态
   * @author Edwin
   * @date 2021/11/21 16:04
   */
  publicclass ThreadRunnable extends ThreadState {
  
      /**
       *  运行状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:05
       */
      public ThreadRunnable() {
          threadName = Thread.State.RUNNABLE.name();
          System.out.println("当前线程处于：运行状态.");
      }
  
      /**
       * 模拟 synchronized 进入阻塞状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:57
       */
      public void sync(Context context) {
          if (ThreadStateEnum.RUNNABLE.name().equals(threadName)) {
              System.out.print("调用sync()方法，线程进入阻塞状态-->");
              context.setState(new ThreadBlocked());
          } else {
              System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用sync()方法.");
          }
      }
  
      /**
       * 模拟当前线程对象调用wait()方法。进入等待状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:00
       */
      public void wait(Context context) {
          if (Thread.State.RUNNABLE.name().equals(threadName)) {
              System.out.print("调用wait()方法，线程进入等待状态-->");
              context.setState(new ThreadWaiting());
          } else {
              System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用wait()方法.");
          }
      }
  
      /**
       * 模拟当前线程对象调用Thread.sleep(long)方法。进入超时等待状态状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:00
       */
      public void sleep(Context context) {
          System.out.print("调用sleep()方法,线程进入超时等待状态-->");
          if (Thread.State.RUNNABLE.name().equals(threadName)) {
              context.setState(new ThreadTimedwaiting());
          } else {
              System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用sleep()方法.");
          }
      }
  
      /**
       * 调用stop() 停止线程
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:54
       */
      public void stop(Context context) {
          if (Thread.State.RUNNABLE.name().equals(threadName)) {
              System.out.print("调用stop()方法，停止当前线程-->");
              context.setState(new ThreadTerminated());
          } 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（Concrete State）角色 : 阻塞状态
   * @author Edwin
   * @date 2021/11/21 16:04
   */
  publicclass ThreadBlocked extends ThreadState {
  
      /**
       *  阻塞状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:05
       * @return null
       */
      public ThreadBlocked() {
          threadName = Thread.State.BLOCKED.name();
          System.out.println("当前线程处于：阻塞状态.");
      }
  
      /**
       *  阻塞状态线程取得锁  恢复到运行状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:03
       */
      public void resume(Context context) {
          if (Thread.State.BLOCKED.name().equals(threadName)) {
              System.out.print("调用resume()方法，线程恢复到运行状态-->");
              context.setState(new ThreadRunnable());
          } 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（Concrete State）角色 : 等待状态
   * @author Edwin
   * @date 2021/11/21 16:04
   */
  publicclass ThreadWaiting extends ThreadState {
      /**
       *  等待状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:05
       */
      public ThreadWaiting() {
          threadName = Thread.State.WAITING.name();
          System.out.println("当前线程处于：等待状态.");
      }
      /**
       * 模拟其它线程调用notify、notifyAll、unpark  线程恢复到运行状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:00
       */
      public void notify(Context context) {
          if (Thread.State.WAITING.name().equals(threadName)) {
              System.out.print("调用notify()方法，线程恢复到运行状态-->");
              context.setState(new ThreadRunnable());
          } else {
              System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用notify()方法.");
          }
      }
  }
  

  /**
   * 具体状态（Concrete State）角色 : 超时等待状态
   * @author Edwin
   * @date 2021/11/21 16:04
   */
  publicclass ThreadTimedwaiting extends ThreadState {
  
      /**
       *  超时等待状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:05
       * @return null
       */
      public ThreadTimedwaiting() {
          threadName = Thread.State.TIMED_WAITING.name();
          System.out.println("当前线程处于：超时等待状态.");
      }
  
      /**
       * 模拟线程在睡眠指定时间后自动唤醒恢复到运行状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 17:00
       */
      public void wake(Context context) {
          if (ThreadStateEnum.TIMED_WAITING.name().equals(threadName)) {
              System.out.print("调用wake()方法，线程自动唤醒恢复到运行状态-->");
              context.setState(new ThreadRunnable());
          } else {
              System.out.println("当前线程不是运行状态，不能调用wake()方法.");
          }
      }
  
  }
  

  /**
   * 具体状态（Concrete State）角色 : 终止状态
   * @author Edwin
   * @date 2021/11/21 16:04
   */
  publicclass ThreadTerminated extends ThreadState {
      /**
       *  终止状态
       * @author Edwin
       * @date 2021/11/21 16:05
       */
      public ThreadTerminated() {
          threadName = Thread.State.TERMINATED.name();
          System.out.println("当前线程处于：终止状态.");
      }
  }
  

  • 运行状态

  • 终止状态

  • 超时等待状态

  • 等待状态

  • 阻塞状态

  • 运行状态

  • 新建状态

• 客户端代码实现

  public static void main(String[] args) {
      // 定义上下文角色
      System.out.print("定义上下文角色=========>>>>>>>>>");
      Context context = new Context();
      System.out.print("执行当前线程===========>>>>>>>>>");
      context.start();
      System.out.print("当前线程进入等待状态=======>>>>>>");
      context.await();
      System.out.print("唤醒当前线程进入运行状态====>>>>>>");
      context.notice();
      System.out.print("当前线程进入阻塞状态======>>>>>>>");
      context.sync();
      System.out.print("阻塞线程获得锁进入运行状态====>>>>");
      context.resume();
      System.out.print("当前线程进入等待状态状态=====>>>>>");
      context.sleep();
      System.out.print("当前睡眠线程进入运行状态=========>>>>>>>>>");
      context.wake();
      System.out.print("停止线程当前线程=========>>>>>>>>>");
      context.stop();
  }
  

• 案例输出结果

六、状态模式的优缺点

• 优点

• 满足单一职责原则，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，结构清晰。

  • 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。

  • 状态转换显示化，减少对象间的相互依赖。通过消除臃肿的状态机条件语句简化上下文代码。

• 缺点

  • 状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数。

  • 状态模式的结构与实现都较为复杂，增加系统的复杂度。

  • 状态模式对开闭原则的支持并不太好，增加新的状态类和行为都需要修改源码。

七、状态模式和其他模式的区别

• 【状态模式】和【责任链模式】都能消除 if-else 分支过多的问题。但在某些情况下，状态模式中的状态可以理解为责任，那么在这种情况下，两种模式都可以使用。

  • 【状态模式】强调的是一个对象内在状态的改变，各个状态对象知道自己要进入的下一个状态对象。

  • 【责任链模式】强调的是外部节点对象间的改变，并不清楚其下一个节点处理对象，链式组装由客户端负责。

• 【状态模式】和【策略模式】的 UML 类图架构几乎一样，但应用场景不一样

  • 【策略模式】多种算法行为是独立的，任何一种都能满足业务，客户端可自行更换策略算法。

  • 【状态模式】各个状态在一定条件下可以自动切换到其他状态，客户端只能设置初始状态，无法指定状态。

八、总结

状态模式的使用免去了过多的if–else判断，但是会造成更多的接口和类，所以对于非常简单的状态判断，不建议使用。当状态的个数有限并且相互独立的时候可以考虑使用状态模式。

 文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-798163.html

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