【设计模式】状态模式

文章目录

引例
状态模式理论
状态模式代码优化
- 结合享元模式
- 并发问题解决
策略模式 VS 状态模式

引例

交通信号灯系统的设计与实现

方案一
传统设计方案
定义交通灯颜色的枚举```

public enum LightColor {
Green,Red,Yellow
}

交通灯类TrafficLight，处理颜色转换等业务逻辑

public class TrafficLight{private LightColor lightColor;// 将信号灯初始化为红灯public TrafficLight(){lightColor = LightColor.Red;}// 信号转换处理public void changeSignal(){if (lightColor == LightColor.Red){System.out.println("红灯停");lightColor = LightColor.Green;}else if (lightColor == LightColor.Green){System.out.println("绿灯行");lightColor = LightColor.Yellow;}else if (lightColor == LightColor.Yellow){System.out.println("黄灯亮了等一等");lightColor = LightColor.Red;}}
}

客户端类

public class Client{public static void main(String[] args){TrafficLight light = new TrafficLight();light.changeSignal();light.changeSignal();light.changeSignal();}
}

运行结果为：

红灯停
绿灯行
黄灯亮了等一等

说明：

TrafficLight类种的if-else条件分支违背开闭原则

方案二
参考策略模式进行修改

说明：

将交通灯的展示即display()做成了策略，因而策略类形成了层次类，满足OCP
具体类满足单一职责
环境类引用策略完成展示和交通灯颜色切换

代码说明
交通灯层次类

public interface ITrafficLightStrategy {void display();
}public class RedLightStrategy implements ITrafficLightStrategy {@Overridepublic void display() {System.out.println("红灯停");}
}public class GreenLightStrategy implements ITrafficLightStrategy {@Overridepublic void display() {System.out.println("绿灯行");}
}public class YellowLightStrategy implements ITrafficLightStrategy {@Overridepublic void display() {System.out.println("黄灯请等一等");}
}

环境类Context：
在Context类中有一个ITrafficLightStrategy对象，用于控制当前的交通灯颜色，showSignal()方法显示，changeSignalStrategy()方法改变交通灯

public class Context {private ITrafficLightStrategy trafficLightStrategy;public TrafficLight(ITrafficLightStrategy trafficLightStrategy) {this.signalStrategy = signalStrategy;}public void showSignal() {if (signalStrategy != null) {            signalStrategy.displaySignal();}}public void changeSignalStrategy (ITrafficLightStrategy trafficLightStrategy) {this.signalStrategy = signalStrategy;}
}

Client类实现：

public class Client {public static void main(String[] args) {Context context = new Context(new RedLightStrategy());    context.showSignal();context.changeSignalStrategy(new GreenLightStrategy());context.showSignal();context.changeSignalStrategy(new YellowLightStrategy());context.showSignal();}
}

说明：在方案二的设计中交通灯的颜色切换实现是完全暴露给Client的，不符合面向对象的封装特性

方案三
将每种颜色的灯做成一个类，但又不能是像工厂方法模式那样的创建型模式，因为三个灯从始至终都是没有改变的。
这里我们考虑把每种颜色的灯表达为一种状态

仔细看方案三和方案二的类图差别
在方案三的State.display(Context)方法中有一个Context对象作为参数传递，这表示的是在display()方法中利用Context改变当前交通灯的状态。另外，这也带来了Context类和ITrafficLightState层次类的双向依赖
交通灯的状态切换具体而言是在display()方法中加入以下语句：

//在具体的状态子类中告诉环境对象Context，下一个状态是谁。
context.changeCurrentSignal(new RedLightState());

交通灯接口设计：

public interface ITrafficLightState {
void display(Context context); // 反向关联到Context，取得系统的上下文环境
}

Context类的设计：相比于方案二，changeSignal()方法中具体切换代码从Client类移动到了State类的display()方法中

public class Context {private ITrafficLightState currentState;public Context() {this.currentState = new RedLightState();}public void showSignal() {if (currentState != null) {currentState.display(this); // this表示当前context对象}}public void changeCurrentSignal(ITrafficLightState currentState) {this.currentState = currentState;}
}

Client类的设计：

public class Client {public static void main(String[] args) {Context context = new Context();context.showSignal();context.showSignal();context.showSignal();}
}

状态模式理论

定义：允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为，通过将抽象有状态的对象，将复杂的状态改变“判断逻辑”提取到不同状态对象中实现

优点

解决switch-case、if-else带来的难以维护的问题
代码结构清晰，提高了扩展性

缺点

状态扩展导致状态类数量增多
增加了系统复杂度，使用不当将会导致逻辑的混乱
不完全满足开闭原则，增加或者删除状态类时，需要修改涉及到的状态转移逻辑和对应的类

应用场景
一个操作的判断逻辑/行为取决于对象的内部状态时

状态模式代码优化

结合享元模式

对象重复创建问题
每次状态切换都需要创建一个新的状态对象，而事实上一个状态对象完全可以只用一个枚举值标识，这带来巨大的额外资源开销。
解决方法
单例模式
享元模式

享元模式代码示例：新增一个Factory创建状态对象的工厂类，在这个Factory类中维护着一个现有的ITrafficLightState状态层次类Map，State类在需要new状态对象时，调用Factory的getTrafficLight方法，如果维护的map中有该类对象，则直接返回；如果没有，则创建一个新的状态对象返回。由此来减少状态模式中的对象重复创建

public class TrafficLightStateFactory {  //享元模式// 共享Mapprivate static Map<Class, ITrafficLightState> lights = new HashMap();public static ITrafficLightState getTrafficLight(Class key) {if(!(lights.containsKey(key))) {try {lights.put(key, (ITrafficLightState) key.getDeclaredConstructor().newInstance());} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}}return lights.get(key);}
}

ConcreteState类的对应修改

public class GreenLightState implements ITrafficLightState {@Overridepublic void display(Context context) throws Exception {System.out.println("绿灯行");context.changeCurrentSignal(TrafficLightStateFactory.getTrafficLight(YellowLightState.class));}
}