Java設計模式之狀態(tài)模式詳解

更新時間：2023年05月12日 10:38:12 作者：蜀山劍客李沐白

Java?中的狀態(tài)模式（State?Pattern）是一種行為型設計模式，它允許對象在內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變時改變其行為，本文將詳細介紹?Java?中的狀態(tài)模式，我們將從狀態(tài)模式的概述、結(jié)構與實現(xiàn)、優(yōu)缺點、適用場景等方面進行講解,需要的朋友可以參考下

1. 狀態(tài)模式的概述

狀態(tài)模式是一種通過將對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯分布到狀態(tài)對象中來實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的設計模式。它將對象的行為與對應的狀態(tài)分離，使得在修改對象狀態(tài)時，不需要修改對象的行為方法。同時，狀態(tài)模式可以通過將狀態(tài)的轉(zhuǎn)換邏輯包含在各個狀態(tài)類中來簡化代碼，避免出現(xiàn)大量的條件判斷語句，從而提高代碼的可讀性和可維護性。

根據(jù) GoF 的定義，狀態(tài)模式的三個核心角色分別是：

環(huán)境（Context）：它定義了客戶端所感興趣的接口，并維護一個當前狀態(tài)，在具體狀態(tài)類中實現(xiàn)該接口的各個具體操作。
抽象狀態(tài)（State）：它定義了一個接口，用于封裝環(huán)境對象中不同狀態(tài)對應的行為。
具體狀態(tài)（Concrete State）：它實現(xiàn)了抽象狀態(tài)接口，封裝了不同狀態(tài)下對環(huán)境對象的響應行為。

2. 狀態(tài)模式的結(jié)構與實現(xiàn)

在 Java 中，狀態(tài)模式的實現(xiàn)方法比較簡單，通常可以按照以下步驟進行：

定義抽象狀態(tài)接口（State），它包含了具體狀態(tài)所對應的操作方法；
定義具體狀態(tài)類（ConcreteState1、ConcreteState2等），它們實現(xiàn)了抽象狀態(tài)接口，封裝了具體的狀態(tài)行為；
定義環(huán)境類（Context），它包含了當前狀態(tài)以及對外提供的操作接口；
在環(huán)境類中，使用一個State類型的變量來表示當前狀態(tài)，并在具體操作中調(diào)用該狀態(tài)的方法；
當狀態(tài)發(fā)生改變時，修改環(huán)境對象的狀態(tài)即可。

下面是 Java 中狀態(tài)模式的一個簡單實現(xiàn)：

// 定義抽象狀態(tài)接口
interface State {
    void handle();
}

// 定義具體狀態(tài)類
class ConcreteState1 implements State {
    @Override
    public void handle() {
        System.out.println("當前狀態(tài)為 State1.");
    }
}

class ConcreteState2 implements State {
    @Override
    public void handle() {
        System.out.println("當前狀態(tài)為 State2.");
    }
}

// 定義環(huán)境類
class Context {
    private State state;

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

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

// 示例程序
public class StatePatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建狀態(tài)對象
        State state1 = new ConcreteState1();
        State state2 = new ConcreteState2();

        // 創(chuàng)建環(huán)境對象
        Context context = new Context();
        context.setState(state1);
        context.request();

        context.setState(state2);
        context.request();
    }
}

在上述代碼中，我們首先定義了抽象狀態(tài)接口State和兩個具體狀態(tài)類ConcreteState1、ConcreteState2，它們分別實現(xiàn)了State接口。然后，我們定義了一個包含狀態(tài)切換邏輯的環(huán)境類Context，其中，使用狀態(tài)對象來表示當前的狀態(tài)，并在request方法中調(diào)用當前狀態(tài)的handle方法。最后，我們創(chuàng)建一個示例程序，調(diào)用context的setState方法來改變狀態(tài)，并觀察其輸出。

3. 狀態(tài)模式的優(yōu)缺點

狀態(tài)模式具有如下優(yōu)點：

結(jié)構清晰、封裝性好：將狀態(tài)的轉(zhuǎn)換邏輯分布到獨立的狀態(tài)類中，使得狀態(tài)之間的耦合度降低，并且可以將狀態(tài)的行為封裝在狀態(tài)類中，提高了系統(tǒng)的可維護性和可讀性。
擴展性好：對于新的狀態(tài)，只需要創(chuàng)建一個具體狀態(tài)類即可，同時也可以很方便地增加新的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
易于維護和調(diào)試：狀態(tài)模式將各個狀態(tài)進行了封裝，每個狀態(tài)對象都只關注自身的行為，使得代碼易于維護和調(diào)試。

但是狀態(tài)模式也存在一些缺點：

狀態(tài)模式會導致系統(tǒng)類和對象的個數(shù)增加：狀態(tài)模式將每個狀態(tài)都封裝成了獨立的對象，因此會增加系統(tǒng)的復雜度和實現(xiàn)難度。
狀態(tài)模式的使用條件較為苛刻：由于狀態(tài)模式要求將狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯包含在具體狀態(tài)類中，因此只適合“狀態(tài)不多”且“狀態(tài)轉(zhuǎn)換比較少”的情況，否則會導致系統(tǒng)的維護和擴展變得困難。

4. 狀態(tài)模式的適用場景

狀態(tài)模式通常適用于以下情形：

行為隨狀態(tài)改變而改變的場景：在狀態(tài)模式中，行為是由狀態(tài)決定的，因此當一個對象狀態(tài)改變時，它所對應的行為也隨之改變。
條件、分支語句多的場景：如果使用傳統(tǒng)的if/else語句實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯，通常會出現(xiàn)大量的條件語句，從而導致代碼復雜度的提高，而狀態(tài)模式可以很好地解決這個問題。

具體來說，狀態(tài)模式通常適用于以下場景：

對象的行為取決于它的狀態(tài)，并且它必須在運行時刻根據(jù)狀態(tài)改變它的行為；
某個操作有多個狀態(tài)，且這些狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換；
在不同狀態(tài)下執(zhí)行的操作有大量重復代碼時，可以將該重復代碼封裝在具體狀態(tài)類中，從而提高代碼的重用性和可維護性。

5. 示例程序的設計與實現(xiàn)

下面我們將使用一個簡單示例來說明狀態(tài)模式的具體實現(xiàn)方法。假設我們正在開發(fā)一個多線程下載器程序，該程序可以同時下載多個文件，并且可以監(jiān)控每個文件的下載進度，當某個文件下載完成后，該程序需要自動關閉該文件的下載線程并向用戶發(fā)送下載完成的提示信息。

為了實現(xiàn)上述功能，我們可以使用狀態(tài)模式對下載器程序進行重構，具體設計如下：

定義抽象狀態(tài)類，并聲明抽象的 download 方法，用于封裝不同狀態(tài)下的共性操作。
定義具體狀態(tài)類，并實現(xiàn) download 方法，用于完成具體的狀態(tài)操作邏輯。
在 ConcreteState 類中，定義一個靜態(tài)變量來表示當前狀態(tài)，在 download 方法中根據(jù)下載狀態(tài)進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
在 Context 類中，維護一個當前狀態(tài)，并將 download 方法委托給當前狀態(tài)對象來執(zhí)行。

接下來我們來看一下示例程序的具體實現(xiàn)。在本示例程序中，我們使用了 Java 中的線程池和 FutureTask，實現(xiàn)了對多個文件的同時下載。需要注意的是，由于本文篇幅較長，為了讓代碼更加清晰，我們將代碼拆分成了多個類來實現(xiàn)相應的功能。

（1）抽象狀態(tài)類

public abstract class DownloadState {
    protected DownloadContext context;

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

    public abstract void download(String url, String filePath);
}

在上述代碼中，我們定義了一個抽象狀態(tài)類 DownloadState，它包含了一個 DownloadContext 對象，以及一個 download 方法，用于封裝不同狀態(tài)下的下載操作。需要注意的是，該抽象方法不包含具體的下載邏輯，具體的下載邏輯需要在具體狀態(tài)類中進行實現(xiàn)。

（2）具體狀態(tài)類

public class DownloadingState extends DownloadState {
    private FutureTask<Integer> futureTask;

    @Override
    public void download(String url, String filePath) {
        System.out.println("開始下載文件：" + filePath);

        // 開始下載
        DownloadTask task = new DownloadTask(url, filePath);
        futureTask = new FutureTask<>(task);
        ThreadPool.getInstance().execute(futureTask);

        // 狀態(tài)轉(zhuǎn)換
        try {
            int result = futureTask.get();
            if (result == 0) {
                context.setState(new FinishedState());
            } else {
                context.setState(new ErrorState());
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            context.setState(new ErrorState());
        }
    }
}

public class FinishedState extends DownloadState {
    @Override
    public void download(String url, String filePath) {
        System.out.println("文件已下載完成，無需重復下載！");
        context.closeDownloadThread(filePath);
    }
}

public class ErrorState extends DownloadState {
    @Override
    public void download(String url, String filePath) {
        System.out.println("下載文件出錯，無法繼續(xù)下載！");
        context.closeDownloadThread(filePath);
    }
}

在上述代碼中，我們定義了三個具體狀態(tài)類：DownloadingState、FinishedState 和 ErrorState，它們分別代表下載中、下載完成和下載出錯三種狀態(tài)。其中，我們使用了線程池和 FutureTask 來實現(xiàn)下載操作，并根據(jù)下載結(jié)果進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換（對于下載成功的情況，我們轉(zhuǎn)換到FinishedState；對于下載出錯的情況，我們轉(zhuǎn)換到ErrorState）。

需要注意的是，由于下載完成或下載出錯后都需要關閉下載線程，因此我們在FinishedState和ErrorState中都調(diào)用了context對象的closeDownloadThread方法來實現(xiàn)該功能。

（3）環(huán)境類

public class DownloadContext {
    private DownloadState currentState;
    private Map<String, FutureTask<Integer>> taskMap;

    public DownloadContext() {
        this.currentState = new FinishedState();
        this.taskMap = new HashMap<>();
      }

      public void setState(DownloadState state) {
        this.currentState = state;
        this.currentState.setContext(this);
      }

      public void download(String url, String filePath) {
        FutureTask<Integer> task = this.taskMap.get(filePath);

        if (task == null || task.isDone() || task.isCancelled()) {
          this.taskMap.remove(filePath);
          this.currentState.download(url, filePath);
        } else {
          System.out.println("文件 " + filePath + " 正在下載中，無需重復下載！");
        }
      }

      public void closeDownloadThread(String filePath) {
        FutureTask<Integer> task = this.taskMap.get(filePath);

        if (task != null) {
          task.cancel(true);
          this.taskMap.remove(filePath);
          System.out.println("已關閉文件 " + filePath + " 的下載線程。");
        }
      }
}

在上述代碼中，我們定義了一個 DownloadContext 類，它包含了當前狀態(tài)以及 download 和 closeDownloadThread 方法。

在 download 方法中，我們首先檢查是否存在正在下載的任務（即 task 對象是否存在且未完成），如果不存在，則將當前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下載中狀態(tài)，并啟動下載任務；否則輸出提示信息，防止重復下載。

在 closeDownloadThread 方法中，我們將傳入的 filePath 對應的下載任務取消，并從 taskMap 中移除該任務，同時輸出提示信息。

（4）線程池類

public class ThreadPool {
    private ExecutorService executor;

    private ThreadPool() {
        this.executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
    }

    private static class Singleton {
        private static final ThreadPool INSTANCE = new ThreadPool();
    }

    public static ThreadPool getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE;
    }

    public void execute(Runnable task) {
        this.executor.execute(task);
    }
}

在上述代碼中，我們定義了一個 ThreadPool 類，它包含了一個靜態(tài)的 ExecutorService 對象 executor，并封裝了一個 execute 方法用于提交任務到線程池中。

需要注意的是，由于我們要將ThreadPool類設計為單例模式，因此我們在該類中定義了一個私有的靜態(tài)內(nèi)部類Singleton，用于實現(xiàn)懶漢式單例模式。這樣可以保證線程池中只有一個實例對象，并且線程安全。

（5）示例程序

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        DownloadContext context = new DownloadContext();

        String url1 = "https://cdn.pixabay.com/photo/2018/10/30/16/06/water-lily-3784022__340.jpg";
        String filePath1 = "water-lily.jpg";

        String url2 = "https://cdn.pixabay.com/photo/2020/07/14/13/10/excursion-5407227__340.jpg";
        String filePath2 = "excursion.jpg";

        context.download(url1, filePath1);
        context.download(url2, filePath2);

        System.out.println("------------------------------------");

        context.download(url1, filePath1);
        context.download(url2, filePath2);
    }
}

在上述代碼中，我們創(chuàng)建了一個 DownloadContext 對象，并分別下載了兩個文件。需要注意的是，在第二次下載同一個文件時，系統(tǒng)會輸出提示信息“文件正在下載中，無需重復下載！”。

運行該程序，我們可以看到如下輸出結(jié)果：