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在Java中应用State设计模式
作者：俞良松    本文选自：开放系统世界——赛迪网  2002年11月19日
 

对象的状态由各个属性的当前值构成。当我们调用某个对象的setXXX()方法时，通常表示修改它的XXX属性。另外，对象在执行方法时，也可能修改自己的状态。在某些情形下，例如建立事务或机器模型时，对象的状态可能是决定其行为的关键因素，依赖于状态的代码逻辑可能遍布于类的大量方法。State模式的目标就是简化这类代码，把依赖于状态的逻辑集中到一组类，每一个类代表一种不同的状态，避免if语句嵌套过深或过于复杂，转而依赖于多态性来调用不同的方法。

状态模型


如果对象的状态信息很关键，对象会拥有一些变量来指示如何根据状态做出相应的动作。这些变量大量地散布于复杂的多层嵌套if语句中，来描述对象如何响应可能出现的事件。用这种方式建立对象模型的最大缺点在于if语句可能变得相当复杂一旦要修改对象的状态模型，往往有多个方法的许多if语句需要调整。

以传送带的门为例，考虑其状态变化过程为：传送带的门由单个按钮控制，并且假设初始时处于关闭状态。按一下按钮门开始打开，如果在门完全打开之前再次按下按钮，门开始关闭。一旦门完全打开，它将在2秒延时之后自动开始关闭过程。要禁止门自动关闭，可以在门打开之后按一下按钮。图1描述了传送门的状态变化情况。它是一个UML状态机（State Machine），其中click表示按下按钮的动作。显然，与纯文字描述相比UML状态机图示更加直观易懂。

按照常规的设计思路（不使用State设计模式），在模拟传送带工作过程的软件中，可以使用一个Door1对象代表传送门（如图2所示），状态改变事件由传送带软件发送给Door1对象。



图1 UML状态机




图2 状态改变事件发送给Door1对象


Door1类从Observable派生，这样客户程序（例如一个GUI程序）就能够方便地了解传送门状态。Door1类首先定义传送门可能处于的状态，代码如下：


public class Door1 extends Observable {
    public static final int CLOSED   = 1;
    public static final int OPENING  = 2;
    public static final int OPEN     = 3; 
    public static final int CLOSING  = 4;
    public static final int STAYOPEN = 5; 
    private int state = CLOSED;
    //...
}


status()方法返回传送门状态的文字描述，如下所示：


public String status() {
    switch (state) {
        case OPENING :
            return "正在打开";
        case OPEN :
            //...
        default :
            return "已关闭";
    }
}


当用户点击传送带的按钮时，传送带程序调用Door1对象的click()方法。click()方法模拟图1所示的状态装换过程：


public void click() {
    if (state == CLOSED) {
        setState(OPENING);
    } 
    else if (state == OPENING || state == STAYOPEN) {
        setState(CLOSING);
    } 
    else if (state == OPEN) {
        setState(STAYOPEN);
    } 
    else if (state == CLOSING) {
        setState(OPENING);
    }
}


Door1类的setState()方法向观察者通知传送门状态改变事件，代码如下：


private void setState(int state) {
    this.state = state;
    setChanged();
    notifyObservers();
}


用State模式改造


Door1类的代码比较复杂，整个类到处都用到了状态变量。如果要比较图1的状态机和Door1类的各个状态变换方法，将是非常困难的，click()方法尤其如此。那么，怎样在这个例子中应用State模式呢？首先要把传送门的各种状态分别定义成类，如图3所示。图3能够更好地与图1的状态机对应。更改后的类设计中，Door2包含了状态机的上下文信息。所谓上下文信息，就是描述环境和一系列其它对象相关的信息。就本例而言，State利用一个上下文对象记录了传送门的当前状态是DoorState类的哪一个实例。



图3 传送门各个状态


DoorState类的构造函数要求提供一个Door2对象，DoorState的子类利用该对象传达状态变更信息。在这种设计方案中，DoorState的子类通过一个Door2类型的属性绑定到特定的传送门（Door2）对象，因而要求一个DoorState对象只被一个Door2对象引用。同时Door类要把它的状态信息定义成局部变量，代码如下：


public class Door2 extends Observable {
    public final DoorState CLOSED   = new DoorClosed(this);
    // 按照类似方式定义DoorState类型的
    // OPENING、OPEN、CLOSING、STAYOPEN对象(略)
    private DoorState state = CLOSED;
    // ...
}


DoorState类是一个抽象类，由子类实现其click()方法。在状态机中，每一个状态均有相应的“按下按钮”操作。修改后的设计中每一个描述状态的类也有一个click()方法，两者是一致的。DoorState类处理了其它可能的变换，所以DoorState的子类可以忽略无关的事件，代码如下：


public abstract class DoorState {
    protected Door2 door;
    public DoorState(Door2 door) {
        this.door = door;
    }
    public abstract void click();
    public String status() {
        String s = getClass().getName();
        return s.substring(s.lastIndexOf('.') + 1);
    }
  public void complete() { }
  public void timeout() { }
}


由上可以看到，现在的status()方法要比修改设计方案之前的status()方法简单多了。新status()方法返回的结果与修改前版本的结果略有不同，它的状态信息从类的名称获得。如果要返回修改设计方案之前的信息，只需把这些状态信息分别记录到DoorState的各个子类中，然后在这个status()方法中直接提取即可。

新的设计方案中，传送门对象（Door2）从传送带接收状态改变信息的这一角色仍未改变。但现在Door2对象只需把这些状态改变信息直接传递给当前的状态对象就可以了，代码如下：


public class Door2 extends Observable {
    // ... 声明变量
    protected void setState(DoorState state) {
        this.state = state;
        setChanged();
        notifyObservers();
    }
    public void click() {
        state.click();
    }
    // complete()、status()、timeout()都直接
    // 调用state的相应方法即可(略)
}


这里的click()、complete()、status()和timeout()方法体现了Java类多态性的应用。所有这些方法都起着判断和选择动作的作用，即是虽然每一个方法的代码是不含if判断逻辑的，但实际运行时被调用的状态对象却不断变化。在调用click()时会发生哪些事情呢？按照多态性规则，答案依赖于当时传送门的状态。修改后的代码有效地担负起了根据状态执行不同动作的任务，但由于利用了多态性，它变得更加简单了。

Door2类中的setState()方法现在由DoorState的子类调用。这些DoorState的子类与图1状态机中的相应实体很相似，例如，状态机中Open状态包含Timeout和Click，DoorOpen类则包含两个对应的方法timeout()和click()。DoorOpen类的代码如下：


public class DoorOpen extends DoorState {
    public DoorOpen(Door2 door) {
        super(door);
    }
    public void click() {
        door.setState(door.STAYOPEN);
    }
    public void timeout() {
        door.setState(door.CLOSING);
    }
}


从上面可以看到，利用State设计模式之后，代码变得更简单了。不过，细心的读者或许已经注意到，Door2类用到的“常量”实际上是变量，这给人一种不规范的感觉。假设现在要把这些状态常量移到_DoorConstant接口，这就需要从DoorState类消除Door2实例变量。修改办法是：重新定义DoorState类中的click()、complete()和timeout()变换方法，把一个Door2对象以参数的形式传递给它们。按照这种设计方法，Door2对象调用状态变换方法，例如click()时，将采用state.click(this)的形式。

 
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