設計模式（二十一）行為型：狀態模式詳解

狀態模式（State Pattern）是 GoF 23 種設計模式中的行為型模式之一，其核心價值在于允許一個對象在其內部狀態改變時改變其行為，使得對象看起來像是修改了它的類。它通過將與特定狀態相關的行為封裝到獨立的狀態類中，將龐大的條件分支（如 if-else 或 switch-case）轉化為對象間的委托關系，從而實現行為的動態切換與高度可擴展性。狀態模式是構建復雜狀態機、工作流引擎、游戲角色行為、網絡連接管理、訂單生命周期、UI 狀態管理等系統的理想選擇，是將“狀態驅動行為”這一自然邏輯優雅映射到面向對象設計的關鍵范式。

一、詳細介紹

狀態模式解決的是“一個對象的行為取決于其內部狀態，且狀態數量較多、狀態轉換復雜、行為隨狀態頻繁變化”的問題。在傳統設計中，通常使用條件語句（如 switch）根據當前狀態決定執行何種行為。這導致：

• 代碼臃腫：所有狀態相關的行為集中在單一類中，方法龐大。
• 難以維護：新增狀態或修改狀態轉換邏輯需要修改大量 switch 語句。
• 違反單一職責原則：一個類承擔了所有狀態的行為。
• 違反開閉原則：對擴展開放，對修改關閉。

狀態模式的核心思想是：將每個狀態封裝成一個獨立的類，每個狀態類實現與該狀態相關的行為。原對象（上下文）持有當前狀態對象的引用，并將狀態相關的行為委托給當前狀態對象執行。

該模式包含以下核心角色：

• Context（上下文）：定義客戶端使用的接口，維護一個對 State 對象的引用，表示當前狀態。它將狀態相關的行為委托給當前狀態對象。
• State（狀態接口）：定義所有具體狀態類共有的接口，聲明與狀態相關的行為方法（如 handle()）。
• ConcreteStateA, ConcreteStateB, …（具體狀態類）：實現 State 接口，封裝與特定狀態相關的行為。每個具體狀態類知道在特定操作下應如何響應，并可能在響應后改變上下文的當前狀態（即狀態轉換）。

狀態模式的關鍵優勢：

• 消除復雜條件語句：將 switch 邏輯轉化為多態方法調用。
• 符合開閉原則：新增狀態只需添加新的具體狀態類，無需修改現有代碼。
• 符合單一職責原則：每個狀態類只負責一種狀態的行為。
• 提高可維護性：狀態行為集中，邏輯清晰。
• 支持動態狀態轉換：狀態轉換由狀態對象內部決定或由上下文協調。

與“策略模式”相比，策略模式關注算法的替換，狀態模式關注狀態驅動的行為變化；策略通常由客戶端選擇，狀態由內部邏輯自動轉換。與“觀察者模式”相比，觀察者是一對多通知，狀態是單對象行為切換。與“命令模式”相比，命令封裝請求，狀態封裝行為。

狀態模式適用于：

• 對象有明確的狀態概念（如訂單：新建、已支付、已發貨、已完成）。
• 行為隨狀態變化而變化。
• 狀態轉換邏輯復雜。
• 需要避免龐大的條件語句。

二、狀態模式的UML表示

以下是狀態模式的標準 UML 類圖：

圖解說明：

• Context 持有對 State 的引用，代表當前狀態。
• Context 的 request() 方法將調用委托給當前 State 的 handle()。
• ConcreteState 實現 handle()，執行特定于該狀態的行為，并可能調用 Context 的 setState() 來觸發狀態轉換。
• 狀態轉換可以由狀態對象自身決定，或由 Context 根據業務邏輯協調。

三、一個簡單的Java程序實例及其UML圖

以下是一個 TCP 連接狀態機的簡化示例，包含 CLOSED, LISTEN, ESTABLISHED, CLOSE_WAIT 狀態。

Java 程序實例

// 狀態接口
interface TCPState {void activeOpen(TCPConnection context);void passiveOpen(TCPConnection context);void close(TCPConnection context);void acknowledge(TCPConnection context);void send(TCPConnection context);String getStateName(); // 用于顯示
}// 上下文：TCP連接
class TCPConnection {private TCPState currentState;// 預定義狀態實例（可單例）private static final TCPState CLOSED = new ClosedState();private static final TCPState LISTEN = new ListenState();private static final TCPState ESTABLISHED = new EstablishedState();private static final TCPState CLOSE_WAIT = new CloseWaitState();public TCPConnection() {this.currentState = CLOSED;System.out.println("🔌 連接初始化為 CLOSED 狀態");}// 狀態相關操作，委托給當前狀態public void activeOpen() {System.out.println("👉 客戶端發起主動打開...");currentState.activeOpen(this);}public void passiveOpen() {System.out.println("👉 服務端發起被動打開...");currentState.passiveOpen(this);}public void close() {System.out.println("👉 發起關閉連接...");currentState.close(this);}public void acknowledge() {System.out.println("👉 收到確認...");currentState.acknowledge(this);}public void send() {System.out.println("👉 發送數據...");currentState.send(this);}// 狀態轉換方法public void changeState(TCPState newState) {if (this.currentState != null) {System.out.println("🔄 狀態轉換: " + this.currentState.getStateName() + " → " + newState.getStateName());}this.currentState = newState;}// 獲取當前狀態（用于狀態判斷，可選）public TCPState getCurrentState() {return currentState;}// 預定義狀態的獲取方法（簡化客戶端使用）public static TCPState getClosedState() { return CLOSED; }public static TCPState getListenState() { return LISTEN; }public static TCPState getEstablishedState() { return ESTABLISHED; }public static TCPState getCloseWaitState() { return CLOSE_WAIT; }
}// 具體狀態：CLOSED
class ClosedState implements TCPState {@Overridepublic void activeOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ? CLOSED: 執行主動打開 -> 發送 SYN, 進入 SYN_SENT (本例簡化為直接進入 ESTABLISHED)");context.changeState(TCPConnection.getEstablishedState());}@Overridepublic void passiveOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ? CLOSED: 執行被動打開 -> 進入 LISTEN");context.changeState(TCPConnection.getListenState());}@Overridepublic void close(TCPConnection context) {System.out.println("  ??  CLOSED: 連接已關閉，無需操作");}@Overridepublic void acknowledge(TCPConnection context) {System.out.println("  ? CLOSED: 無法處理確認");}@Overridepublic void send(TCPConnection context) {System.out.println("  ? CLOSED: 連接未建立，無法發送");}@Overridepublic String getStateName() {return "CLOSED";}
}// 具體狀態：LISTEN
class ListenState implements TCPState {@Overridepublic void activeOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ? LISTEN: 收到 SYN -> 發送 SYN-ACK, 進入 SYN_RECEIVED (本例簡化為進入 ESTABLISHED)");context.changeState(TCPConnection.getEstablishedState());}@Overridepublic void passiveOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ??  LISTEN: 已在監聽狀態");}@Overridepublic void close(TCPConnection context) {System.out.println("  ? LISTEN: 關閉監聽 -> 進入 CLOSED");context.changeState(TCPConnection.getClosedState());}@Overridepublic void acknowledge(TCPConnection context) {System.out.println("  ? LISTEN: 未建立連接，無法確認");}@Overridepublic void send(TCPConnection context) {System.out.println("  ? LISTEN: 連接未建立，無法發送");}@Overridepublic String getStateName() {return "LISTEN";}
}// 具體狀態：ESTABLISHED
class EstablishedState implements TCPState {@Overridepublic void activeOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ??  ESTABLISHED: 連接已建立，無需打開");}@Overridepublic void passiveOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ??  ESTABLISHED: 連接已建立，無需打開");}@Overridepublic void close(TCPConnection context) {System.out.println("  ? ESTABLISHED: 發送 FIN -> 進入 FIN_WAIT_1 (本例簡化為進入 CLOSE_WAIT)");context.changeState(TCPConnection.getCloseWaitState());}@Overridepublic void acknowledge(TCPConnection context) {System.out.println("  ? ESTABLISHED: 確認數據包");// 通常發送 ACK}@Overridepublic void send(TCPConnection context) {System.out.println("  ? ESTABLISHED: 數據發送成功");// 發送數據包}@Overridepublic String getStateName() {return "ESTABLISHED";}
}// 具體狀態：CLOSE_WAIT
class CloseWaitState implements TCPState {@Overridepublic void activeOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ? CLOSE_WAIT: 連接正在關閉，無法打開");}@Overridepublic void passiveOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ? CLOSE_WAIT: 連接正在關閉，無法打開");}@Overridepublic void close(TCPConnection context) {System.out.println("  ? CLOSE_WAIT: 發送 FIN -> 進入 LAST_ACK (本例簡化為進入 CLOSED)");context.changeState(TCPConnection.getClosedState());}@Overridepublic void acknowledge(TCPConnection context) {System.out.println("  ? CLOSE_WAIT: 確認對方的 FIN");}@Overridepublic void send(TCPConnection context) {System.out.println("  ??  CLOSE_WAIT: 可能允許發送最后數據，但本例禁止");}@Overridepublic String getStateName() {return "CLOSE_WAIT";}
}// 客戶端使用示例
public class StatePatternDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("🌐 TCP 連接狀態機 - 狀態模式示例\n");TCPConnection connection = new TCPConnection();System.out.println("\n--- 客戶端連接流程 ---");connection.activeOpen(); // CLOSED -> ESTABLISHEDconnection.send();       // 發送數據connection.acknowledge(); // 確認connection.close();      // ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> CLOSEDSystem.out.println("\n--- 服務端連接流程 ---");connection.passiveOpen(); // CLOSED -> LISTENconnection.activeOpen();  // LISTEN -> ESTABLISHED (收到客戶端 SYN)connection.send();        // 發送數據connection.close();       // ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> CLOSEDSystem.out.println("\n--- 在 CLOSED 狀態嘗試無效操作 ---");connection.send();        // 應提示無法發送}
}

實例對應的UML圖（簡化版）

運行說明：

• TCPConnection 是上下文，持有當前 TCPState。
• 每個操作（activeOpen, close 等）被委托給當前狀態對象的對應方法。
• 狀態方法執行特定行為，并可能調用 changeState() 觸發狀態轉換。
• 不同狀態對同一操作的響應不同（如 CLOSED 和 ESTABLISHED 對 send 的處理）。
• 狀態轉換邏輯內置于狀態類中，清晰且可擴展。

四、總結

特性	說明
核心目的	允許對象在狀態改變時改變行為，消除條件分支
實現機制	將狀態行為封裝到獨立類，上下文委托調用
優點	消除復雜條件語句、符合開閉/單一職責原則、提高可維護性、支持動態轉換
缺點	增加類數量、狀態轉換邏輯可能分散、簡單狀態機可能過度設計
適用場景	復雜狀態機、工作流、訂單生命周期、游戲AI、UI狀態管理
不適用場景	狀態極少、行為簡單、狀態轉換固定

狀態模式使用建議：

• 狀態類可設計為單例（無狀態或共享狀態）。
• 狀態轉換可由狀態對象自身決定，或由上下文根據業務規則協調。
• 可結合“工廠模式”創建狀態對象。
• 在 Java 中，enum 可實現簡單狀態模式（每個枚舉常量實現接口）。

架構師洞見：
狀態模式是“有限狀態機（FSM）”在面向對象中的優雅實現。在現代架構中，其思想已演變為工作流引擎（如 Camunda, Airflow）、事件驅動狀態管理（Redux, Vuex）、服務編排（Kubernetes Operators） 和 AI Agent 的決策狀態 的核心。例如，Redux 的 reducer 函數根據 action 和當前 state 計算新 state，本質是狀態模式的函數式變體；微服務的 Saga 模式管理分布式事務狀態；在自動駕駛中，車輛行為模式（巡航、變道、停車）是復雜的狀態機。

未來趨勢是：狀態模式將與形式化方法結合，實現狀態機的自動驗證；在量子計算中，量子態的演化可建模為狀態轉換；在元宇宙中，虛擬角色的行為狀態（行走、戰斗、交互）由狀態模式驅動；在AI中，LLM Agent 的“思考-行動-觀察”循環可視為一個高級狀態機。

掌握狀態模式，是設計復雜業務邏輯、高可靠性系統的關鍵。作為架構師，應在面對“多狀態、多行為、復雜轉換”的領域模型時，果斷采用狀態模式。它不僅是模式，更是系統確定性的保障——它將混沌的條件邏輯轉化為清晰、可驗證、可演進的狀態圖，讓系統的每一次行為變遷都變得可預測、可追溯、可管理，從而構建出真正健壯、可信賴的軟件系統。