狀態模式詳解

一、狀態模式概述

狀態模式(State Pattern)是一種行為型設計模式，它允許一個對象在其內部狀態改變時改變它的行為，使對象看起來似乎修改了它的類。

核心特點

• 狀態封裝：將每個狀態的行為封裝到獨立的類中
• 狀態轉換：對象在不同狀態間透明切換
• 消除條件判斷：用多態代替狀態條件判斷
• 開閉原則：新增狀態無需修改現有代碼

二、狀態模式的結構

主要角色

1. Context：上下文，維護當前狀態
2. State：抽象狀態，定義狀態接口
3. ConcreteState：具體狀態，實現特定狀態行為

三、狀態模式的實現

1. 基本實現

// 狀態接口
public interface State {void handle(Context context);
}// 具體狀態A
public class ConcreteStateA implements State {public void handle(Context context) {System.out.println("處理狀態A的行為");context.setState(new ConcreteStateB());}
}// 具體狀態B
public class ConcreteStateB implements State {public void handle(Context context) {System.out.println("處理狀態B的行為");context.setState(new ConcreteStateA());}
}// 上下文類
public class Context {private State state;public Context(State state) {this.state = state;}public void setState(State state) {this.state = state;}public void request() {state.handle(this);}
}// 使用示例
Context context = new Context(new ConcreteStateA());
context.request(); // 執行狀態A的行為，并切換到狀態B
context.request(); // 執行狀態B的行為，并切換回狀態A

2. 更復雜的實現（訂單狀態）

// 訂單狀態接口
public interface OrderState {void next(Order order);void prev(Order order);void printStatus();
}// 新建狀態
public class NewState implements OrderState {public void next(Order order) {order.setState(new PaidState());}public void prev(Order order) {System.out.println("訂單已在初始狀態");}public void printStatus() {System.out.println("訂單狀態：新建");}
}// 已支付狀態
public class PaidState implements OrderState {public void next(Order order) {order.setState(new ShippedState());}public void prev(Order order) {order.setState(new NewState());}public void printStatus() {System.out.println("訂單狀態：已支付");}
}// 訂單類（上下文）
public class Order {private OrderState state;public Order() {this.state = new NewState();}public void setState(OrderState state) {this.state = state;}public void nextState() {state.next(this);}public void previousState() {state.prev(this);}public void printStatus() {state.printStatus();}
}

四、狀態模式的應用場景

1. 電梯狀態控制

// 電梯狀態接口
public interface ElevatorState {void openDoor();void closeDoor();void run();void stop();
}// 運行狀態
public class RunningState implements ElevatorState {public void openDoor() {System.out.println("電梯運行中不能開門");}public void closeDoor() {System.out.println("電梯門已是關閉狀態");}public void run() {System.out.println("電梯已在運行");}public void stop() {System.out.println("電梯停止運行");}
}// 停止狀態
public class StoppedState implements ElevatorState {public void openDoor() {System.out.println("電梯門打開");}public void closeDoor() {System.out.println("電梯門關閉");}public void run() {System.out.println("電梯開始運行");}public void stop() {System.out.println("電梯已是停止狀態");}
}

2. 游戲角色狀態

// 游戲角色狀態
public interface CharacterState {void attack();void defend();void move();
}// 正常狀態
public class NormalState implements CharacterState {public void attack() {System.out.println("造成100%傷害");}public void defend() {System.out.println("受到100%傷害");}public void move() {System.out.println("移動速度100%");}
}// 中毒狀態
public class PoisonedState implements CharacterState {public void attack() {System.out.println("造成80%傷害");}public void defend() {System.out.println("受到120%傷害");}public void move() {System.out.println("移動速度60%");}
}

3. TCP連接狀態

// TCP狀態接口
public interface TCPState {void open();void close();void acknowledge();
}// 已建立連接狀態
public class EstablishedState implements TCPState {public void open() {System.out.println("連接已建立，無需再次打開");}public void close() {System.out.println("關閉TCP連接");}public void acknowledge() {System.out.println("發送ACK響應");}
}// 監聽狀態
public class ListenState implements TCPState {public void open() {System.out.println("建立TCP連接");}public void close() {System.out.println("未建立連接，無需關閉");}public void acknowledge() {System.out.println("未建立連接，不能發送ACK");}
}

五、狀態模式的變體

1. 狀態表驅動

public class StateMachine {private Map<State, Map<Event, State>> transitions = new HashMap<>();private State currentState;public void addTransition(State source, Event event, State target) {transitions.computeIfAbsent(source, k -> new HashMap<>()).put(event, target);}public void handleEvent(Event event) {currentState = transitions.get(currentState).get(event);}
}

2. 狀態模式與策略模式結合

public class Context {private StateStrategy state;public void setState(StateStrategy state) {this.state = state;}public void execute() {state.execute();state = state.nextState();}
}public interface StateStrategy {void execute();StateStrategy nextState();
}

六、狀態模式的優缺點

優點

1. 單一職責：每個狀態一個類
2. 開閉原則：易于新增狀態
3. 簡化上下文：消除大量條件判斷
4. 狀態轉換顯式：狀態轉換邏輯清晰

缺點

1. 類數量多：狀態多時代碼量大
2. 過度設計：簡單狀態機可能不適用
3. 狀態共享：狀態間共享數據較復雜

七、最佳實踐

1. 合理劃分狀態：避免狀態粒度過細
2. 共享狀態對象：無狀態的狀態對象可共享
3. 狀態轉換控制：集中或分散管理轉換邏輯
4. 結合其他模式：如與策略模式結合
5. 文檔化狀態圖：維護狀態轉換關系圖

八、總結

狀態模式是管理對象狀態的有效方案，特別適用于：

• 對象行為隨狀態改變而改變
• 需要消除大量狀態條件判斷
• 狀態轉換邏輯復雜
• 需要清晰的狀態管理

在實際開發中，狀態模式常見于：

• 工作流引擎
• 游戲角色狀態
• 設備控制（如電梯、自動售貨機）
• 網絡協議實現
• 訂單生命周期管理

正確使用狀態模式可以創建清晰、可維護的狀態管理代碼，但需要注意避免過度設計簡單場景。