状态模式解析：如何让对象的行为随状态自动切换
在软件开发中，我们经常会遇到这样的场景：一个对象的行为取决于它的当前状态，并且需要在运行时根据状态改变它的行为。传统的解决方案是使用大量的if-else或switch-case语句来判断对象状态，但这种做法会导致代码臃肿、难以维护和扩展。状态模式正是为了解决这类问题而诞生的。
什么是状态模式？
状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，它允许对象在内部状态改变时改变它的行为，使得对象看起来好像修改了它的类。
核心思想：将不同状态下的行为封装到不同的状态类中，通过切换状态对象来改变主对象的行为，从而消除复杂的条件判断语句。
状态模式的结构
状态模式包含三个主要角色：
- Context（环境类）：维护一个ConcreteState子类的实例，这个实例定义当前状态
- State（抽象状态类）：定义一个接口，用于封装与Context的一个特定状态相关的行为
- ConcreteState（具体状态类）：实现与Context的一个状态相关的行为
实际应用场景
场景一：订单状态管理系统
在电商系统中，订单会经历多种状态：待支付、已支付、已发货、已完成、已取消等。每个状态下可执行的操作各不相同。
传统实现的问题
// 传统的if-else实现方式
public class Order {
private String state;
public void pay() {
if ("pending".equals(state)) {
state = "paid";
System.out.println("支付成功");
} else if ("paid".equals(state)) {
System.out.println("订单已支付，无需重复支付");
} else if ("shipped".equals(state)) {
System.out.println("订单已发货，无法支付");
}
// 更多else-if...
}
public void cancel() {
if ("pending".equals(state)) {
state = "cancelled";
System.out.println("取消订单成功");
} else if ("paid".equals(state)) {
System.out.println("订单已支付，请联系客服取消");
}
// 更多else-if...
}
}
这种实现方式存在明显问题：当增加新的状态时，需要修改所有相关方法，违反了开闭原则。
状态模式实现
首先定义状态接口：
// 状态接口
public interface OrderState {
void pay(OrderContext context);
void cancel(OrderContext context);
void ship(OrderContext context);
void complete(OrderContext context);
}
// 环境类
public class OrderContext {
private OrderState currentState;
private String orderId;
public OrderContext(String orderId) {
this.orderId = orderId;
this.currentState = new PendingState(); // 初始状态为待支付
}
public void setState(OrderState state) {
this.currentState = state;
}
public void pay() {
currentState.pay(this);
}
public void cancel() {
currentState.cancel(this);
}
public void ship() {
currentState.ship(this);
}
public void complete() {
currentState.complete(this);
}
}
实现具体状态类：
// 待支付状态
public class PendingState implements OrderState {
@Override
public void pay(OrderContext context) {
System.out.println("支付成功，订单状态变更为已支付");
context.setState(new PaidState());
}
@Override
public void cancel(OrderContext context) {
System.out.println("取消订单成功");
context.setState(new CancelledState());
}
@Override
public void ship(OrderContext context) {
System.out.println("待支付订单不能发货");
}
@Override
public void complete(OrderContext context) {
System.out.println("待支付订单不能完成");
}
}
// 已支付状态
public class PaidState implements OrderState {
@Override
public void pay(OrderContext context) {
System.out.println("订单已支付，无需重复支付");
}
@Override
public void cancel(OrderContext context) {
System.out.println("订单已支付，请联系客服取消");
}
@Override
public void ship(OrderContext context) {
System.out.println("发货成功，订单状态变更为已发货");
context.setState(new ShippedState());
}
@Override
public void complete(OrderContext context) {
System.out.println("已支付订单需要先发货才能完成");
}
}
// 已发货状态
public class ShippedState implements OrderState {
@Override
public void pay(OrderContext context) {
System.out.println("订单已发货，无法支付");
}
@Override
public void cancel(OrderContext context) {
System.out.println("订单已发货，无法取消");
}
@Override
public void ship(OrderContext context) {
System.out.println("订单已发货，无需重复发货");
}
@Override
public void complete(OrderContext context) {
System.out.println("订单完成");
context.setState(new CompletedState());
}
}
// 其他状态类：CompletedState, CancelledState...
客户端使用：
public class Client {
public static void main(String[] args) {
OrderContext order = new OrderContext("ORDER_001");
order.pay(); // 输出：支付成功，订单状态变更为已支付
order.ship(); // 输出：发货成功，订单状态变更为已发货
order.complete(); // 输出：订单完成
// 尝试在完成状态下取消订单
order.cancel(); // 输出：订单已完成，无法取消
}
}
场景二：视频播放器状态控制
视频播放器通常有播放、暂停、停止等状态，不同状态下按钮的行为也不同。
// 播放器状态接口
public interface PlayerState {
void play(PlayerContext context);
void pause(PlayerContext context);
void stop(PlayerContext context);
}
// 播放器环境类
public class PlayerContext {
private PlayerState currentState;
public PlayerContext() {
this.currentState = new StoppedState();
}
public void setState(PlayerState state) {
this.currentState = state;
}
public void play() {
currentState.play(this);
}
public void pause() {
currentState.pause(this);
}
public void stop() {
currentState.stop(this);
}
}
// 停止状态
public class StoppedState implements PlayerState {
@Override
public void play(PlayerContext context) {
System.out.println("开始播放视频");
context.setState(new PlayingState());
}
@Override
public void pause(PlayerContext context) {
System.out.println("视频已停止，无法暂停");
}
@Override
public void stop(PlayerContext context) {
System.out.println("视频已经是停止状态");
}
}
// 播放状态
public class PlayingState implements PlayerState {
@Override
public void play(PlayerContext context) {
System.out.println("视频正在播放中");
}
@Override
public void pause(PlayerContext context) {
System.out.println("视频暂停");
context.setState(new PausedState());
}
@Override
public void stop(PlayerContext context) {
System.out.println("停止播放");
context.setState(new StoppedState());
}
}
// 暂停状态
public class PausedState implements PlayerState {
@Override
public void play(PlayerContext context) {
System.out.println("继续播放视频");
context.setState(new PlayingState());
}
@Override
public void pause(PlayerContext context) {
System.out.println("视频已经是暂停状态");
}
@Override
public void stop(PlayerContext context) {
System.out.println("停止播放");
context.setState(new StoppedState());
}
}
状态模式的优点
- 单一职责原则：将与特定状态相关的代码放在独立的类中
- 开闭原则：无需修改已有状态类和上下文就能引入新状态
- 消除条件语句：通过多态消除复杂的条件判断
- 状态转换显式化：状态转换更加明确和可控
状态模式的缺点
- 类数量增加：如果状态很多，会导致类的数量急剧增加
- 复杂度增加：对于简单的状态机，可能会显得过于复杂
- 状态共享：如果需要在不同上下文间共享状态，需要仔细设计
最佳实践
- 状态对象的创建：可以考虑使用享元模式来共享状态对象
- 状态转换逻辑：可以将状态转换逻辑放在环境类中，或者放在具体状态类中
- 初始状态设置：确保环境类在创建时有合适的初始状态
- 状态持久化：如果需要持久化状态，考虑如何序列化和反序列化状态
总结
状态模式通过将不同状态的行为封装到独立的类中，使得状态转换更加清晰，代码更加可维护。它特别适用于那些对象行为依赖于它的状态，并且需要在运行时根据状态改变行为的场景。
虽然状态模式会增加类的数量，但在复杂的状态管理中，这种代价是值得的。通过合理运用状态模式，我们可以构建出更加灵活、可扩展的系统架构。
在实际项目中，你可以根据具体需求选择是否使用状态模式。对于简单的状态转换，传统的条件语句可能更合适；但对于复杂的状态机，状态模式无疑是最佳选择。