设计模式之状态模式

状态模式概述

在软件开发过程中，应用程序中的部分对象可能会根据不同的情况做出不同的行为，我们把这种对象称为有状态的对象，而把影响对象行为的一个或多个动态变化的属性称为状态

当有状态的对象与外部事件产生互动时，其内部状态就会发生改变，从而使其行为也发生改变

对这种有状态的对象编程，传统的解决方案是：将这些所有可能发生的情况全都考虑到，然后使用 if-else 或 switch-case 语句来做状态判断，再进行不同情况的处理

但是显然这种做法对复杂的状态判断存在天然弊端，条件判断语句会过于臃肿，可读性差，且不具备扩展性，维护难度也大。且增加新的状态时要添加新的 if-else 语句，这违背了“开闭原则”，不利于程序的扩展

以上问题如果采用“状态模式”就能很好地得到解决。

状态模式的解决思想是：当控制一个对象状态转换的条件表达式过于复杂时，把相关“判断逻辑”提取出来，用各个不同的类进行表示，系统处于哪种情况，直接使用相应的状态类对象进行处理，这样能把原来复杂的逻辑判断简单化，消除了 if-else、switch-case 等冗余语句，代码更有层次性，并且具备良好的扩展力。

状态模式定义与特点

状态（State）模式的定义：对有状态的对象，把复杂的“判断逻辑”提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。

优点

• 结构清晰，状态模式将与特定状态相关的行为局部化到一个状态中，并且将不同状态的行为分割开来，满足“单一职责原则”。
• 将状态转换显示化，减少对象间的相互依赖。将不同的状态引入独立的对象中会使得状态转换变得更加明确，且减少对象间的相互依赖。
• 状态类职责明确，有利于程序的扩展。通过定义新的子类很容易地增加新的状态和转换。

缺点

• 状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数。
• 状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当会导致程序结构和代码的混乱。
• 状态模式对开闭原则的支持并不太好，对于可以切换状态的状态模式，增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源码，否则无法切换到新增状态，而且修改某个状态类的行为也需要修改对应类的源码。

状态模式的结构

状态模式涉及的角色如下

• 环境类（Context）角色：也称为上下文，它定义了客户端需要的接口，内部维护一个当前状态，并负责具体状态的切换。
• 抽象状态（State）角色：定义一个接口，用以封装环境对象中的特定状态所对应的行为，可以有一个或多个行为。
• 具体状态（Concrete State）角色：实现抽象状态所对应的行为，并且在需要的情况下进行状态切换。

状态模式结构图

状态模式的实现

本例子实现了一个投票的简单例子

• 同一个用户可以投一次票，初始状态为正常状态(NormalVoteState)
• 成功投票之后，状态转换为重复投票状态(RepeatVoteState)，不能再进行投票

例子十分简单，具体工程上，可以实现很复杂的状态转换

核心代码如下，具体可参见代码state.cc和state.h

void NormalVoteState::vote(VoteManager* manager, const std::string& username) {
  manager->inc_vote(username);
  manager->set_state(&VoteManager::repeat_vote_state);
  printf("%s, 投票成功!\n", username.c_str());
}

int main(int argc, char* argv[]) {
  VoteManager manager;
  manager.vote("gwq5210");
  manager.vote("gwq5210");
  return 0;
}

环境和状态处理对象

在状态模式中，环境(Context)是持有状态的对象，但是环境(Context)自身并不处理跟状态相关的行为，而是把处理状态的功能委托给了状态对应的状态处理类来处理。

在具体的状态处理类中经常需要获取环境(Context)自身的数据，甚至在必要的时候会回调环境(Context)的方法，因此，通常将环境(Context)自身当作一个参数传递给具体的状态处理类。

客户端一般只和环境(Context)交互。客户端可以用状态对象来配置一个环境(Context)，一旦配置完毕，就不再需要和状态对象打交道了。客户端通常不负责运行期间状态的维护，也不负责决定后续到底使用哪一个具体的状态处理对象。

参考

• 状态模式（详解版）
• 《JAVA与模式》之状态模式