设计模式之状态模式（State Pattern）

一.什么是状态模式？

把所有动作都封装在状态对象中，状态持有者将行为委托给当前状态对象

也就是说，状态持有者（比如汽车，电视，ATM机都有多个状态）并不知道动作细节，状态持有者只关心自己当前所处的状态（持有的状态对象是哪个），再把一切事情都交给当前状态对象去打理就好了，甚至都不用去控制状态切换（当然，状态持有者有权利控制状态切换，也可以选择做甩手掌柜。。）

二.举个例子

假设我们要模拟一个ATM机，有以下需求：

  • 取款，验证卡密，吐出现钞，结束服务
  • 若卡密验证失败或者余额不足，则直接弹出卡片，结束本次服务
  • 机器内无存钞，显示No Cash，并向银行发送无钞信息
  • 机器故障，显示No Service，并向维修人员发送维修请求

那么用户取款的过程应该是这样的：

这是用户操作的流程，对于ATM机而言还需要注意下面几点：

  • 获得用户输入金额后，不仅要验证用户卡内余额，还要验证ATM机内余额
  • 每一次成功的取款服务结束后，都要检查ATM机内余额（若无钞则进行相应处理）
  • 任何环节出现无法处理的错误，都按照故障来处理

想想上面的取款过程，我们还必须考虑各种非法操作，比如：

  • 不插卡直接输入密码
  • 机器故障时仍然进行操作
  • 机内无钞时要求取款

细分之后，我们会发现细节问题变得很麻烦，机器就摆在那里，所有的用户接口都开放着，用户完全有可能在任何时候使用任何接口。为了防止这些非法操作，我们不得不添加一系列的判断，比如：

  • 验证密码之前应该检查是否已经插卡，以及机器是否发生了故障
  • 插卡之前应该检查机器是否发生了故障
  • 取款操作之前应该检查机器是否故障，是否无钞，是否。。。

我们的代码中需要设置大量的成员变量，用来标识机器的状态，更可怕的是我们的逻辑块里面存在大量的if-else，而且每一个操作里面的if-else块都只有细微的差别，看起来像冗余，但又不好处理（即使我们把每一个判断都提出来作为独立的方法，可以缩减代码规模，但在处理过程上仍然是冗余。。）

更好的处理方法就是使用状态模式，能够完全消除状态判断部分的冗余，并提供清晰整洁的代码结构。下面用状态模式来实现例子中的需求

（1）首先找出ATM提供的所有接口

  1. 插卡
  2. 提交密码
  3. 取款（假设取款按钮是物理键）
  4. 查询（假设同上）
  5. 取卡

（2）再找出ATM的所有状态以及各个状态对应的动作

  • 准备就绪（Ready），可用接口：全部
  • 无钞（NoCash），可用接口：1，2，4，5
  • 故障（NoService），可用接口：无

（3）编码实现

先定义State基类，类中封装了（1）列出的所有接口：

package StatePattern;

/**
 * 定义ATM机状态
 * @author ayqy
 */
public interface ATMState {
	/**
	 * 插卡
	 */
	public abstract void insertCard();

	/**
	 * 提交密码
	 */
	public abstract void submitPwd();

	/**
	 * 取款
	 */
	public abstract void getCash();

	/**
	 * 查询余额
	 */
	public abstract void queryBalance();

	/**
	 * 取卡
	 */
	public abstract void ejectCard();
}

再逐一实现三个状态

ReadyState：

package StatePattern;

/**
 * 实现ATM就绪状态
 * @author ayqy
 */
public class ReadyState implements ATMState{
	private ATM atm;//保留状态持有者的引用，以便对其进行操作
	
	public ReadyState(ATM atm){
		this.atm = atm;
	}

	@Override
	public void insertCard() {
		System.out.println("插卡完成");
	}

	@Override
	public void submitPwd() {
		System.out.println("密码提交完成");
		//验证密码并做相应处理
		if("123".equals(atm.getPwd())){
			System.out.println("密码验证通过");
		}
		else{
			System.out.println("密码验证失败");
			//弹出卡片
			ejectCard();
		}
	}

	@Override
	public void getCash() {
		if(atm.getTotalAmount() >= atm.getAmount() && atm.getBalance() >= atm.getAmount()){
			//更新账户余额
			atm.setBalance(atm.getBalance() - atm.getAmount());
			//更新机内现钞总数
			atm.setTotalAmount(atm.getTotalAmount() - atm.getAmount());
			System.out.println("吐出￥" + atm.getAmount());
			System.out.println("取款完成");
			//弹出卡片
			ejectCard();
			//检查机内余钞
			if(atm.getTotalAmount() == 0){//若无钞，切换到NoService状态
				atm.setCurrState(atm.getNoCashState());
				System.out.println("无钞信息已经发送至银行");
			}
		}
		else{
			System.out.println("取款失败，余额不足");
			//弹出卡片
			ejectCard();
		}
	}

	@Override
	public void queryBalance() {
		System.out.println("余额￥" + atm.getBalance());
		System.out.println("余额查询完成");
	}

	@Override
	public void ejectCard() {
		System.out.println("取卡完成");
	}
}

注意我们在状态类中进行状态切换的部分：

if(atm.getTotalAmount() == 0){//若无钞，切换到NoService状态
	atm.setCurrState(atm.getNoCashState());
}

我们并不是直接new具体状态对象，而是使用了ATM提供的set接口，这样做是为了尽量的解耦（兄弟对象彼此之间并不认识），获取更多的弹性

实现NoCashState：

package StatePattern;

/**
 * 实现ATM无钞状态
 * @author ayqy
 */
public class NoCashState implements ATMState{
	private ATM atm;//保留状态持有者的引用，以便对其进行操作
	
	public NoCashState(ATM atm){
		this.atm = atm;
	}

	@Override
	public void insertCard() {
		System.out.println("插卡完成");
	}

	@Override
	public void submitPwd() {
		System.out.println("密码提交完成");
		//验证密码并做相应处理
		if("123".equals(atm.getPwd())){
			System.out.println("密码验证通过");
		}
		else{
			System.out.println("密码验证失败");
			//弹出卡片
			ejectCard();
		}
	}

	@Override
	public void getCash() {
		System.out.println("取款失败，机内无钞");
	}

	@Override
	public void queryBalance() {
		System.out.println("余额￥" + atm.getBalance());
		System.out.println("余额查询完成");
	}

	@Override
	public void ejectCard() {
		System.out.println("取卡完成");
	}
}

实现NoServiceState：

package StatePattern;

/**
 * 实现ATM故障状态
 * @author ayqy
 */
public class NoServiceState implements ATMState{
	private ATM atm;//保留状态持有者的引用，以便对其进行操作
	
	public NoServiceState(ATM atm){
		this.atm = atm;
	}

	@Override
	public void insertCard() {
		System.out.println("插卡失败，机器发生了故障");
	}

	@Override
	public void submitPwd() {
		System.out.println("密码提交失败，机器发生了故障");
	}

	@Override
	public void getCash() {
		System.out.println("取款失败，机器发生了故障");
	}

	@Override
	public void queryBalance() {
		System.out.println("余额查询失败，机器发生了故障");
	}

	@Override
	public void ejectCard() {
		System.out.println("取卡失败，机器发生了故障");
	}
}

实现了具体的状态，就可以构造ATM类了，就像这样：

package StatePattern;

/**
 * 实现ATM机
 * @author ayqy
 */
public class ATM {
	/*所有状态*/
	private ATMState readyState;
	private ATMState noCashState;
	private ATMState noServiceState;
	
	private ATMState currState;//当前状态
	private int totalAmount;//机内现钞总数
	
	/*测试用的临时变量*/
	private String pwd;//密码
	private int balance;//余额
	private int amount;//取款金额
	
	public ATM(int totalAmount, int balance, int amount, String pwd) throws Exception{
		//初始化所有状态
		readyState = new ReadyState(this);
		noCashState = new NoCashState(this);
		noServiceState = new NoServiceState(this);
		
		if(totalAmount > 0){
			currState = readyState;
		}
		else if(totalAmount == 0){
			currState = noCashState;
		}
		else{
			throw new Exception();
		}
		
		//初始化测试数据
		this.totalAmount = totalAmount;
		this.balance = balance;
		this.amount = amount;
		this.pwd = pwd;
	}
	
	/*把具体行为委托给状态对象*/
	/**
	 * 插卡
	 */
	public void insertCard(){
		currState.insertCard();
	}
	
	/**
	 * 提交密码
	 */
	public void submitPwd(){
		currState.submitPwd();
	}
	
	/**
	 * 取款
	 */
	public void getCash(){
		currState.getCash();
	}
	
	/**
	 * 查询余额
	 */
	public void queryBalance(){
		currState.queryBalance();
	}
	
	/**
	 * 取卡
	 */
	public void ejectCard(){
		currState.ejectCard();
	}
	
	public String toString(){
		return "现钞总数￥" + totalAmount;
	}

	/*此处略去大量getter and setter*/
}

一切都做好了，迫不及待的测试一下吧

三.运行示例

首先实现一个Test类：

package StatePattern;

import java.util.Scanner;

/**
 * 实现测试类
 * @author ayqy
 */
public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		/*测试数据*/
		/* 机内总数	 账户余额	 取款金额	密码
		 * 1000	500     200		123
		 * 1000	300     500		123
		 * 0	500		200		123
		 * */
		try {
			test(1000, 500, 200, "123");
			System.out.println("-------");
			test(1000, 300, 500, "123");
			System.out.println("-------");
			test(0, 500, 200, "123");
		} catch (Exception e) {
			System.out.println("机器故障，维修请求已经发送至维修方");
		}
	}
	
	private static void test(int totalAmount, int balance, int amount, String pwd)throws Exception{
		//创建ATM
		ATM atm;
		atm = new ATM(totalAmount, balance, amount, pwd);
		//输出初始状态
		System.out.println(atm.toString());
		atm.insertCard();
		atm.submitPwd();
		atm.getCash();
		//输出结束状态
		System.out.println(atm.toString());
	} 
}

我们设计的三个用例（正常取款，取大于余额的款，机内无现钞）运行结果如下：

四.状态模式与策略模式

还记得策略模式吗？难道不觉得这两者很相像吗？

没错，这两种模式的类图是完全相同的，解释一下：

  • 状态主体（拥有者）持有状态对象，运行时可以通过动态指定状态对象来改变类的行为
  • 策略主体持有算法族对象，运行时可以通过动态选择算法族中的算法（策略）来改变类的行为

也就是说，状态模式与策略模式都支持运行时的多态，并且其实现方式都是组合 + 委托。但是这并不代表这两种模式是相同的，因为它们的目标不同：

  • 状态模式实现了算法流程可变（即状态切换，不同的状态有不同的流程）
  • 策略模式实现了算法细节可选（即选择算法族内的算法，一个算法族包含多个可选算法）