定义

状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，它允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。这种模式将每个状态的行为封装到对应的状态类中，使得上下文（Context）的行为随着其内部状态的改变而改变，看起来像是改变了其类。

结构

状态模式通常包含以下角色：

• 上下文（Context）：维护一个指向当前状态对象的引用，并将与状态相关的行为委托给当前状态对象。
• 状态（State）：定义一个接口，封装与上下文的一个特定状态相关的行为。
• 具体状态（Concrete States）：实现状态接口的类，每一个类封装了上下文对象的一个特定状态的行为。

解决的问题

• 行为随状态改变：
  • 当一个对象的行为依赖于其内部状态，并且需要在运行时根据状态的改变而改变行为时，状态模式提供了一种清晰的方式来实现这种依赖。
• 状态逻辑分散问题：
  • 在没有使用状态模式的情况下，对象的状态逻辑常常分散在整个对象中，尤其是在对象的行为受多个状态影响时。状态模式通过将每个状态的行为封装在单独的类中，使得状态相关的逻辑集中管理。
• 复杂的条件选择结构：
  • 状态模式帮助避免在对象的行为实现中使用复杂的条件选择结构（如if-else或switch-case语句）。通过将行为封装在状态对象中，可以使用多态替代条件语句。
• 状态转换的显式表示：
  • 状态模式使得状态的转换过程更加明确和显式。状态对象可以控制转换到下一个状态的逻辑，这样状态转换规则就不再隐含在对象的行为实现中。
• 状态增加的灵活性：
  • 使用状态模式时，新增状态只涉及添加一个新的状态类。这比在原有的条件逻辑中添加新的分支要清晰和简单得多，同时也更容易维护。

使用场景

• 对象的行为取决于其状态：
  • 当一个对象的行为随其内部状态的改变而改变时，状态模式是非常适用的。例如，一个文档可能有多种状态（如草稿、审阅、发布），每种状态下的行为（如编辑、审批、发布）都不同。
• 复杂的条件分支控制：
  • 当一个操作包含大量的条件分支，并且这些分支依赖于对象的状态时，使用状态模式可以避免复杂的条件分支逻辑，使得代码更易于理解和维护。
• 状态的转换逻辑显式化：
  • 如果状态转换的逻辑很复杂，或者有多个地方会触发状态转换，状态模式可以使这些逻辑集中管理，避免分散在系统的各个部分，从而降低出错的概率。
• 状态机的实现：
  • 对于那些可以用状态机来描述的系统，状态模式提供了一种清晰的实现方式。每个状态都是状态机的一个节点，状态转换则对应于状态机的边。
• 减少代码重复：
  • 如果在不同状态下的行为有重复代码，状态模式可以帮助组织和重用这些代码，尤其是当这些行为在状态间有细微差别时。

示例代码1-交通信号灯

// 状态接口
interface TrafficLightState {void change(TrafficLight trafficLight);
}// 具体状态：红灯
class RedLight implements TrafficLightState {public void change(TrafficLight trafficLight) {System.out.println("Red Light - Stop");trafficLight.setState(new GreenLight());}
}// 具体状态：绿灯
class GreenLight implements TrafficLightState {public void change(TrafficLight trafficLight) {System.out.println("Green Light - Go");trafficLight.setState(new YellowLight());}
}// 具体状态：黄灯
class YellowLight implements TrafficLightState {public void change(TrafficLight trafficLight) {System.out.println("Yellow Light - Caution");trafficLight.setState(new RedLight());}
}// 上下文
class TrafficLight {private TrafficLightState state;public TrafficLight(TrafficLightState state) {this.state = state;}public void setState(TrafficLightState state) {this.state = state;}public void change() {state.change(this);}
}// 客户端代码
public class TrafficLightDemo {public static void main(String[] args) {TrafficLight trafficLight = new TrafficLight(new RedLight());trafficLight.change(); // Red Light - StoptrafficLight.change(); // Green Light - GotrafficLight.change(); // Yellow Light - Caution}
}

示例代码2-文档状态管理

// 状态接口
interface DocumentState {void next(Document doc);void prev(Document doc);void printStatus();
}// 具体状态：草稿
class Draft implements DocumentState {public void next(Document doc) {doc.setState(new Review());}public void prev(Document doc) {System.out.println("The document is in its initial state.");}public void printStatus() {System.out.println("Document in Draft state.");}
}// 具体状态：审阅
class Review implements DocumentState {public void next(Document doc) {doc.setState(new Published());}public void prev(Document doc) {doc.setState(new Draft());}public void printStatus() {System.out.println("Document in Review state.");}
}// 具体状态：发布
class Published implements DocumentState {public void next(Document doc) {System.out.println("The document is already published.");}public void prev(Document doc) {doc.setState(new Review());}public void printStatus() {System.out.println("Document in Published state.");}
}// 上下文
class Document {private DocumentState state;public Document() {state = new Draft();}public void setState(DocumentState state) {this.state = state;}public void next() {state.next(this);}public void prev() {state.prev(this);}public void printStatus() {state.printStatus();}
}// 客户端代码
public class DocumentDemo {public static void main(String[] args) {Document document = new Document();document.printStatus(); // Document in Draft state.document.next();document.printStatus(); // Document in Review state.document.next();document.printStatus(); // Document in Published state.}
}

主要符合的设计原则

• 开闭原则（Open-Closed Principle）：
  • 状态模式允许在不修改现有代码的情况下添加新状态。这是因为你可以添加新的状态类来扩展系统的行为，而无需更改现有的上下文或其他状态类。因此，系统对于扩展是开放的，但对于修改是封闭的。
• 单一职责原则（Single Responsibility Principle）：
  • 在状态模式中，每个状态类仅负责管理与其状态相关的行为，而上下文类则负责维护状态和委托状态相关的任务。这样，每个类只有一个改变的原因，即它所代表的状态的行为，从而符合单一职责原则。
• 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle）：
  • 状态模式中的每个具体状态都是通过状态接口或抽象状态类实现的，这意味着它们都可以互换使用。因此，任何时候都可以使用这些具体状态来替代状态接口，这符合里氏替换原则。

在JDK中的应用

• java.util.Iterator：
  • Iterator 接口的实现类通常会根据内部的集合状态（如集合的当前位置）来改变其行为。例如，在遍历过程中，hasNext() 和 next() 方法的行为取决于迭代器的当前位置。
• java.net.URLConnection：
  • URLConnection 类及其子类有不同的状态，如连接前和连接后。在连接打开之后，尝试修改连接属性（如调用 setDoOutput() 方法）将抛出异常，表明其行为随状态变化。
• java.nio.channels.Selector：
  • 在Java NIO中，Selector 类的行为依赖于它当前的状态（如打开或关闭状态）。选择器的某些操作只在打开状态下有效，而在关闭状态下会有不同的行为或抛出异常。

在Spring中的应用

• Spring Web Flow：
  • Spring Web Flow是Spring框架的一个扩展，它管理着基于状态的流程。在这种情况下，根据当前流程的状态（如步骤或页面），应用程序的行为会有所不同。Spring Web Flow通过定义状态和转换来管理复杂的流程逻辑。
• Spring状态机（Spring State Machine）：
  • Spring State Machine提供了一种系统化的方式来实现状态模式，允许定义状态、事件和在不同状态下触发的行为。虽然这是一个独立的项目，但它与Spring框架集成，为实现基于状态的逻辑提供了更结构化的方法。
• Spring Security的认证流程：
  • 在Spring Security中，认证和授权流程可能根据不同的状态（如已认证、未认证、授权失败）执行不同的逻辑。例如，不同的认证提供者可以根据上下文或安全令牌的状态来决定认证逻辑。
• Spring Session：
  • 在Spring Session中，会话的状态（如新建、已存在、过期）可以决定某些行为（如会话创建、会话获取、会话失效）。

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