策略模式的雙胞胎：狀態模式

来源:https://www.cnblogs.com/hongdouni/archive/2018/01/19/state_parttern.html
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Simple Demo 假設我有一部iPhoneX，又非常喜歡玩游戲，那麼我這部破手機主要存在兩種狀態：待機和游戲中。 此時手機的狀態圖非常簡單： 將這個狀態圖轉換為代碼： 每一個狀態用不同的整數代表，將每一個動作整合成方法，每一個動作都可能造成狀態的轉換。 測試代碼： 更改需求 但存在一種特殊情況 ...


Simple Demo

假設我有一部iPhoneX，又非常喜歡玩游戲，那麼我這部破手機主要存在兩種狀態：待機和游戲中。

此時手機的狀態圖非常簡單：

 

　　

 

將這個狀態圖轉換為代碼：

每一個狀態用不同的整數代表，將每一個動作整合成方法，每一個動作都可能造成狀態的轉換。

public class MyiPhoneX {
    public final static int    STANDBY    = 0;        // 待機狀態
    public final static int    PLAYING    = 1;        // 游戲進行中狀態
    private int                state    = STANDBY;    // 持有當前狀態的實例變數

    public MyiPhoneX() {
    }

    public void startGame() { // 打開游戲
        if (state == STANDBY) {
            System.out.println("Game is loading...");
            state = PLAYING;
        } else if (state == PLAYING) {
            System.out.println("Game is already in progress!");// 已存在該游戲進程
        }
    }

    public void exitGame() { // 結束游戲
        if (state == STANDBY) {
            System.out.println("There is no game process!");// 不存在游戲進程，這是此狀態的一個不恰當動作
        } else if (state == PLAYING) {
            System.out.println("Game is exiting...");
            state = STANDBY;
        }
    }
}

 測試代碼：

public class MyiPhoneXTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyiPhoneX iPhoneX = new MyiPhoneX();
        iPhoneX.startGame();
        iPhoneX.exitGame();
        iPhoneX.exitGame();
        iPhoneX.startGame();
        iPhoneX.exitGame();
    }
}
Game is loading...
Game is exiting...
There is no game process!
Game is loading...
Game is exiting...

 

更改需求

但存在一種特殊情況：遇上了某款“渣渣游戲”，其在響應網路方面的功能沒有很完善，我的iPhoneX在載入這款游戲的過程中某個瞬間網路狀況不太好，進入了“游戲無限載入”狀態，最後只能選擇退出游戲後再重新嘗試打開游戲。

下麵是加入“無限載入狀態”的手機狀態圖：

 

　　

 

如果在第原版本的代碼進行維護， 需要作如下修改：

 

　　

 

可這樣的代碼不易於擴展，我的iPhoneX每新增一個狀態，需要MyiPhoneX類做出的改變地方可能會更多，這樣的設計不符合“對修改關閉，對擴展開放”的原則、也不夠面向對象。

而且這還只是一個只有兩三個狀態的簡單例子，如果是狀態及操作方法較多的程式，按照以上的設計，代碼臃腫混亂，每新增一個狀態，需要在每個操作方法里都新增一個 else if 判斷，所有的代碼維護都堆積在一個類中。

 

新的設計

為了更容易的維護和修改程式，我們需要對原代碼重新設計：

我們將每個狀態的行為都放在各自的類中（將會改變的那部分封裝起來），那麼每個狀態類只要實現它自己的動作就可以了，對iPhoneX執行的動作只需要委托給當前狀態的狀態對象來具體執行就好了。我們可以這麼做：

①   先定義一個State介面，iPhoneX可以執行的每一個動作都有對應的方法在這個介面內。（面向介面編程）

②   iPhoneX的每個狀態都有一個對應的實現了State介面的具體狀態類。

③   對iPhoneX執行動作委托給具體狀態類來執行。

狀態介面和其具體實現類的類圖如下：

 

　　

 

實際代碼：

public interface State {
    void startGame();

    void exitGame();
}

 

具體狀態實現類主要做的是實現適合所在的這個狀態的具體動作。

 

public class Standby implements State {  //“待機”狀態
    private MyiPhoneX    iPhoneX;

    public Standby(MyiPhoneX iPhoneX) {
        this.iPhoneX = iPhoneX;
    }

    @Override
    public void startGame() {
        System.out.println("Game is loading..."); // 游戲正在載入
        iPhoneX.setState(iPhoneX.getPlaying()); // iPhone修改為“游戲中狀態”
    }

    @Override
    public void exitGame() {
        System.out.println("There is no game process!");// 不存在該游戲進程，這是此狀態的一個不恰當動作
    }
}

 

 

public class Playing implements State {  //“游戲中”狀態
    private MyiPhoneX iPhoneX;

    public Playing(MyiPhoneX iPhoneX) {
        this.iPhoneX = iPhoneX;
    }

    @Override
    public void startGame() {
        System.out.println("Game is already in progress!");// 已存在該游戲進程
    }

    @Override
    public void exitGame() {
        System.out.println("Game is exiting..."); // 退出游戲中
        iPhoneX.setState(iPhoneX.getStandby()); // iPhone修改為“待機狀態”
    }
}

 

 

我的iPhoneX實體類：

public class MyiPhoneX {
    private State    standby;
    private State    playing;
    private State    state    ;    // 持有當前狀態的實例變數

    public MyiPhoneX() {
        standby = new Standby(this);
        playing = new Playing(this);
        state = standby;
    }

    public void startGame() { // 打開游戲
        state.startGame();
    }

    public void exitGame() { // 結束游戲
        state.exitGame();
    }

    public void setState(State state) { // 用於修改手機當前狀態
        this.state = state;
    }

    public State getStandby() {
        return standby;
    }

    public State getPlaying() {
        return playing;
    }
}

 

實現需求

將新的“游戲無限載入”狀態加上，代碼修改如下：

增加遇到渣渣游戲的“游戲無限載入”狀態類：

public class RubbishGame implements State { //“游戲無限載入”狀態
    private MyiPhoneX iPhoneX;

    public RubbishGame(MyiPhoneX iPhoneX) {
        this.iPhoneX = iPhoneX;
    }

    @Override
    public void startGame() {
        System.out.println("Game is already in progress!");// 已存在該游戲進程
    }

    @Override
    public void exitGame() {
        System.out.println("Game is exiting..."); // 退出游戲中
        iPhoneX.setState(iPhoneX.getStandby()); // iPhone修改為“待機狀態”
    }
}

 

在MyiPhoneX類中添加引用“游戲無限載入”狀態的實例變數：

public class MyiPhoneX {
    private State    standby;
    private State    playing;
    private State    rubbishGame; //添加遇到渣渣游戲的“游戲無限載入”狀態
    private State    state;        // 持有當前狀態的實例變數

    public MyiPhoneX() {
        standby = new Standby(this);
        playing = new Playing(this);
        rubbishGame = new RubbishGame(this); //初始化“游戲無限載入”狀態
        state = standby;
    }

    public void startGame() { // 打開游戲
        state.startGame();
    }

    public void exitGame() { // 結束游戲
        state.exitGame();
    }

    public void setState(State state) { // 用於修改手機當前狀態
        this.state = state;
    }

    public State getStandby() {
        return standby;
    }

    public State getPlaying() {
        return playing;
    }

    public State getRubbishGame() { //提供獲取“游戲無限載入”狀態的方法
        return rubbishGame;
    }
}

 

修改“待機”狀態類，我們用隨機數代表遇到“渣渣游戲”的機會，增加從“待機”到“游戲無限載入”狀態的轉換的代碼：

public class Standby implements State {
    private MyiPhoneX    iPhoneX;
    private Random        randomRubbish    = new Random(); //用於產生隨機數

    public Standby(MyiPhoneX iPhoneX) {
        this.iPhoneX = iPhoneX;
    }

    @Override
    public void startGame() {
        int rubbish = randomRubbish.nextInt(10);
        if (rubbish <= 1) {
            System.out.println("Rubbish Game!"); // 游戲正在載入
            iPhoneX.setState(iPhoneX.getRubbishGame()); // iPhone修改為“游戲中狀態”
        } else {
            System.out.println("Game is loading..."); // 游戲正在載入
            iPhoneX.setState(iPhoneX.getPlaying()); // iPhone修改為“游戲中狀態”
        }

    }

    @Override
    public void exitGame() {
        System.out.println("There is no game process!");// 不存在該游戲進程，這是此狀態的一個不恰當動作
    }

}

測試代碼：

 

public class MyiPhoneXTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyiPhoneX iPhoneX = new MyiPhoneX();
        iPhoneX.startGame();
        iPhoneX.exitGame();
        iPhoneX.startGame();
        iPhoneX.exitGame();
        iPhoneX.startGame();
        iPhoneX.exitGame();
        iPhoneX.startGame();
        iPhoneX.exitGame();
    }
}
Rubbish Game!
Game is exiting...
Game is loading...
Game is exiting...
Rubbish Game!
Game is exiting...
Game is loading...
Game is exiting...

 

這樣就為我的iPhoneX增加了一個新的狀態，並實現了這個新的狀態。要做的只是新增這個狀態類及增加能夠轉換到這個狀態的代碼。

相對最早的代碼版本，刪除了容易產生問題的if語句，日後更好維護，讓大多數狀態類“對修改關閉”，讓MyiPhoneX“對擴展開放”，而且這樣的代碼結構，對應起相關的狀態圖也更容易閱讀和理解。

這樣設計的好處在這個比較簡單的例子里看起來可能不是很明顯；假如是在多個狀態的程式，我們新增一個狀態，只需新增這個狀態的實體類、在主體類中加入這個新狀態類的實例引用、在能夠轉換到這個狀態的其他狀態類加入轉換的邏輯代碼就可以了。

 

狀態模式：

以上的新設計採用了狀態模式，狀態模式允許對象在內部狀態改變時改變它的行為，對象看起來好像修改了它的類。

這個模式將狀態封裝成獨立的類，並將動作委托到代表當前狀態的對象，我的iPhoneX在“待機”和“游戲中”兩種不同狀態時，如果執行“開始游戲”的動作，就會得到不同的具體行為（提示已開啟游戲和啟動游戲）。

我們使用組合通過簡單引用不同的狀態對象來造成類改變的假象（執行一個動作時，當前的狀態對象的具體動作里可能會轉換內部的狀態，而客戶的視角是主體對象自己發生了改變，沒有意識到是狀態對象起的作用）。

狀態模式的類圖：

 

　　

 

我們可以發現，它和策略模式的類圖是一樣的。

兩個模式的差別在於它們的“意圖”不同。

①對狀態模式而言

將具體行為封裝在狀態類中，Context的行為委托給當前具體狀態對象來執行，執行具體行為後可能會改變當前狀態，這樣Context執行的具體行為也在改變（每個狀態類對每種行為都有各自的具體實現）。而使用Context的客戶對於狀態對象卻是陌生的、甚至是未知的。這個方案可以去掉原本存在Context內的許多的條件判斷，通過Context對象內簡單的改變狀態對象來改變行為。

②對策略模式而言

客戶對於策略對象是很熟悉的，通常由客戶主動選擇Context需要組合的策略對象，而且雖然策略模式可以在運行時改變策略，但對於某個Context對象來說，通常只有一個最適當的策略對象。一般用來作為除了繼承之外的一種彈性替代方案，通過組合不同對象來改變行為。

 

參考書籍：《Head First 設計模式》


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