狀態模式基礎概念

狀態模式（State Pattern）是一種行為型設計模式，其核心思想是允許對象在內部狀態發生改變時改變它的行為，對象看起來好像修改了它的類。狀態模式將狀態相關的行為封裝在獨立的狀態類中，并將狀態轉換邏輯集中管理，從而使對象的行為可以根據狀態動態變化，而不必使用大量的條件語句。

狀態模式的核心組件

1. 狀態接口（State）?- 定義特定狀態下的行為接口，所有具體狀態類需實現該接口。
2. 具體狀態類（ConcreteState）?- 實現狀態接口，封裝與特定狀態相關的行為。
3. 上下文（Context）?- 持有一個狀態對象的引用，負責狀態的切換和委托行為到當前狀態。

狀態模式的實現

下面通過一個簡單的自動販賣機示例展示狀態模式的實現：

// 1. 狀態接口
interface State {void insertCoin();  // 投幣void ejectCoin();   // 退幣void selectItem();  // 選擇商品void dispense();    // 發放商品
}// 2. 具體狀態類 - 沒有硬幣
class NoCoinState implements State {private VendingMachine machine;  // 持有上下文引用public NoCoinState(VendingMachine machine) {this.machine = machine;}@Overridepublic void insertCoin() {System.out.println("您投入了硬幣");machine.setState(machine.getHasCoinState());  // 狀態轉換}@Overridepublic void ejectCoin() {System.out.println("您還沒有投幣");}@Overridepublic void selectItem() {System.out.println("請先投幣");}@Overridepublic void dispense() {System.out.println("請先投幣并選擇商品");}
}// 3. 具體狀態類 - 有硬幣
class HasCoinState implements State {private VendingMachine machine;public HasCoinState(VendingMachine machine) {this.machine = machine;}@Overridepublic void insertCoin() {System.out.println("您已經投過硬幣了，無需再投");}@Overridepublic void ejectCoin() {System.out.println("硬幣已退回");machine.setState(machine.getNoCoinState());  // 狀態轉換}@Overridepublic void selectItem() {System.out.println("您選擇了商品");machine.setState(machine.getSoldState());  // 狀態轉換}@Overridepublic void dispense() {System.out.println("請先選擇商品");}
}// 4. 具體狀態類 - 已售出
class SoldState implements State {private VendingMachine machine;public SoldState(VendingMachine machine) {this.machine = machine;}@Overridepublic void insertCoin() {System.out.println("請稍等，正在出貨");}@Overridepublic void ejectCoin() {System.out.println("抱歉，您已經選擇了商品，無法退幣");}@Overridepublic void selectItem() {System.out.println("請稍等，正在出貨");}@Overridepublic void dispense() {if (machine.getCount() > 0) {machine.releaseItem();System.out.println("商品已發放");if (machine.getCount() > 0) {machine.setState(machine.getNoCoinState());  // 還有庫存，回到無硬幣狀態} else {System.out.println("商品已售罄");machine.setState(machine.getSoldOutState());  // 庫存不足，轉為售罄狀態}} else {System.out.println("商品已售罄");machine.setState(machine.getSoldOutState());}}
}// 5. 具體狀態類 - 售罄
class SoldOutState implements State {private VendingMachine machine;public SoldOutState(VendingMachine machine) {this.machine = machine;}@Overridepublic void insertCoin() {System.out.println("抱歉，商品已售罄");}@Overridepublic void ejectCoin() {System.out.println("您還沒有投幣");}@Overridepublic void selectItem() {System.out.println("抱歉，商品已售罄");}@Overridepublic void dispense() {System.out.println("抱歉，商品已售罄");}
}// 6. 上下文 - 自動販賣機
class VendingMachine {private State noCoinState;private State hasCoinState;private State soldState;private State soldOutState;private State state;  // 當前狀態private int count;    // 商品數量public VendingMachine(int count) {this.count = count;// 初始化狀態noCoinState = new NoCoinState(this);hasCoinState = new HasCoinState(this);soldState = new SoldState(this);soldOutState = new SoldOutState(this);// 設置初始狀態if (count > 0) {state = noCoinState;} else {state = soldOutState;}}// 狀態轉換方法public void setState(State state) {this.state = state;}// 委托行為到當前狀態public void insertCoin() {state.insertCoin();}public void ejectCoin() {state.ejectCoin();}public void selectItem() {state.selectItem();}public void dispense() {state.dispense();}// 其他方法public void releaseItem() {if (count > 0) {count--;}}public int getCount() {return count;}// 獲取各種狀態（供狀態類使用）public State getNoCoinState() {return noCoinState;}public State getHasCoinState() {return hasCoinState;}public State getSoldState() {return soldState;}public State getSoldOutState() {return soldOutState;}
}// 7. 客戶端代碼
public class StatePatternClient {public static void main(String[] args) {// 創建有2個商品的販賣機VendingMachine machine = new VendingMachine(2);// 測試流程1：投幣 -> 選擇商品 -> 出貨System.out.println("=== 測試流程1 ===");machine.insertCoin();machine.selectItem();machine.dispense();// 測試流程2：投幣 -> 退幣System.out.println("\n=== 測試流程2 ===");machine.insertCoin();machine.ejectCoin();// 測試流程3：連續購買2個商品，使販賣機售罄System.out.println("\n=== 測試流程3 ===");machine.insertCoin();machine.selectItem();machine.dispense();machine.insertCoin();machine.selectItem();machine.dispense();// 嘗試在售罄狀態下操作System.out.println("\n=== 測試售罄狀態 ===");machine.insertCoin();machine.selectItem();}
}

狀態模式的應用場景

1. 工作流系統?- 如訂單狀態（待支付、已支付、已發貨、已完成）
2. 游戲開發?- 角色狀態（站立、行走、跑步、跳躍、攻擊）
3. 狀態機實現?- 如協議解析、編譯原理中的詞法分析器
4. GUI 組件?- 如按鈕狀態（正常、懸停、點擊、禁用）
5. 線程狀態管理?- 線程的不同狀態（新建、就緒、運行、阻塞、終止）
6. 文檔編輯系統?- 文檔狀態（草稿、審核中、已發布、已歸檔）

狀態模式的優缺點

優點：

• 封裝狀態行為?- 將特定狀態的行為封裝在獨立的類中，提高代碼內聚性
• 簡化條件語句?- 避免使用大量的 if-else 或 switch 語句，使代碼更清晰
• 符合開閉原則?- 可以輕松添加新的狀態類，無需修改現有代碼
• 狀態轉換集中管理?- 狀態轉換邏輯集中在上下文或狀態類中，便于維護
• 狀態變化透明?- 狀態變化對客戶端透明，客戶端無需關心狀態轉換細節

缺點：

• 類數量增加?- 每個狀態都需要一個類，可能導致類爆炸
• 狀態間依賴?- 狀態類之間可能存在依賴關系，增加系統復雜度
• 初始化復雜?- 上下文需要初始化所有可能的狀態，增加初始化復雜度
• 不適用于簡單狀態?- 對于狀態較少或狀態轉換簡單的場景，使用狀態模式可能過于繁瑣

使用狀態模式的注意事項

1. 合理設計狀態接口?- 確保狀態接口包含所有可能的行為，避免狀態類中出現空實現
2. 控制狀態數量?- 避免定義過多的狀態，狀態過多會增加系統復雜度
3. 狀態轉換邏輯?- 決定狀態轉換邏輯放在上下文還是狀態類中：
   • 上下文控制：集中管理狀態轉換，狀態類更簡單
   • 狀態類控制：狀態類可以自主決定何時轉換，更靈活
4. 狀態對象的生命周期?- 決定狀態對象是單例還是每次創建新實例
5. 與策略模式的區別?- 狀態模式的狀態之間通常有關聯和轉換，而策略模式的策略之間相互獨立
6. 調試和監控?- 狀態模式可能使調試變得復雜，建議添加狀態日志或監控機制

總結

狀態模式通過將對象的狀態相關行為封裝在獨立的狀態類中，并將狀態轉換邏輯集中管理，實現了對象行為的動態變化。它在不修改對象類的前提下，允許對象在內部狀態改變時改變其行為，是處理復雜狀態轉換場景的理想選擇。在實際開發中，狀態模式常用于工作流系統、游戲開發、狀態機實現等領域。合理使用狀態模式可以提高系統的可維護性和可擴展性，但需要注意控制類的數量和狀態轉換邏輯的復雜度。