設計模式(21) 狀態模式

狀態模式允許一個對象在其內部狀態改變時改變它的行爲。用電梯來舉例，電梯可以認爲具有開門、關門、運行、停止四種狀態，這四種狀態之間的切換具有多種限制，比如在開門狀態下不電梯不能運行，只能轉爲關門狀態；在運行狀態下，電梯只能轉爲停止狀態...
設想一下，如果要常規的if-else或者switch-case描述電梯的這幾種狀態間的切換，將生成非常複雜的、邏輯相互交織的代碼，可讀性差且不易維護。

而如果用狀態模式來實現，會是怎樣的呢？
首先創建LiftState，代表抽象的電梯狀態，包含了電梯的四個動作（方法），通過這些方法可以切換到對應的狀態。

public abstract class LiftState
{
    protected Context context;
    public void SetContext(Context context)
    {
        this.context = context;
    }

    public abstract void Open();
    public abstract void Close();
    public abstract void Run();
    public abstract void Stop();
}

Context是上下文類，它的作用是串聯各個狀態的過渡，在LiftSate抽象類中把Context類角色聚合進來，並傳遞到子類，這樣4個具體的實現類中自己根據環境來決定如何進行狀態的過渡。

public class Context
{
    public readonly static OpenningState openningState = new OpenningState();
    public readonly static ClosingState closingState = new ClosingState();
    public readonly static RunningState runningState = new RunningState();
    public readonly static StoppingState stoppingState = new StoppingState();

    private LiftState liftState;
    public LiftState LiftState
    {
        get
        {
            return liftState;
        }
        set
        {
            liftState = value;
            liftState.SetContext(this);
        }
    }

    public void Open()
    {
        this.liftState.Open();
    }
    public void Close()
    {
        this.liftState.Close();
    }
    public void Run()
    {
        this.liftState.Run();
    }
    public void Stop()
    {
        this.liftState.Stop();
    }
}

接下來是四個具體的狀態類，負責狀態之間的切換和控制，以OpenningState爲例，只能切換到Closing狀態，其它切換狀態的方法都是空實現。

public class OpenningState : LiftState
{
    public override void Close()
    {
        base.context.LiftState = Context.closingState;
        base.context.LiftState.Close();
    }

    public override void Open()
    {
        Console.WriteLine("Openning");
    }

    public override void Run()
    {
        //
    }

    public override void Stop()
    {
        //
    }
}
public class ClosingState : LiftState
{
    public override void Close()
    {
        Console.WriteLine("Closing");
    }

    public override void Open()
    {
        base.context.LiftState = Context.openningState;
        base.context.LiftState.Open();
    }

    public override void Run()
    {
        base.context.LiftState = Context.runningState;
        base.context.LiftState.Run();
    }

    public override void Stop()
    {
        base.context.LiftState = Context.stoppingState;
        base.context.LiftState.Stop();
    }
}

public class RunningState : LiftState
{
    public override void Close()
    {
//
    }

    public override void Open()
    {
//
    }

    public override void Run()
    {
        Console.WriteLine("Running");
    }

    public override void Stop()
    {
        base.context.LiftState = Context.stoppingState;
        base.context.LiftState.Stop();
    }
}
public class StoppingState : LiftState
{
    public override void Close()
    {
        //
    }

    public override void Open()
    {
        base.context.LiftState = Context.openningState;
        base.context.LiftState.Open();
    }

    public override void Run()
    {
        base.context.LiftState = Context.runningState;
        base.context.LiftState.Run();
    }

    public override void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopping");
    }
}

狀態模式

通過上面的例子可以直觀得看到狀態模式的特點，它的核心是封裝，狀態的變更引起了行爲的變更，從外部看起來就好像這個對象對應的類發生了改變一樣。
GOF對狀態模式的描述爲：
Allow an object to alter its behavior when its internal state changes. The object will appear to change its class.
— Design Patterns : Elements of Reusable Object-Oriented Software

狀態模式的UML類圖爲

狀態模式中有3個角色：

• State（抽象狀態角色），接口或抽象類，負責對象狀態定義，並且封裝環境角色以實現狀態切換。
• ConcreteState（具體狀態角色），每一個具體狀態必須完成兩個職責：就是本狀態下要做的事情，以及本狀態如何過渡到其他狀態。
• Context（環境角色），定義客戶端需要的接口，並且負責具體狀態的切換。

狀態模式的通用的代碼

public abstract class State
{
    protected Context context;

    public void SetState(Context context)
    {
        this.context = context;
    }

    public abstract void Handle1();
    public abstract void Handle2();
}

public class ConcreteState1 : State
{
    public override void Handle1()
    {
        //本狀態下必須處理的邏輯
    }

    public override void Handle2()
    {
        base.context.CurrentState = Context.STATE2;
        base.context.Handle2();
    }
}

public class ConcreteState2 : State
{
    public override void Handle1()
    {
        base.context.CurrentState = Context.STATE1;
        base.context.Handle1();
    }

    public override void Handle2()
    {
        //本狀態下必須處理的邏輯
    }
}

public class Context
{
    public readonly static State STATE1 = new ConcreteState1();
    public readonly static State STATE2 = new ConcreteState2();

    private State currentState;
    public State CurrentState
    {
        get
        {
            return currentState;
        }
        set
        {
            this.currentState = value;
            this.currentState.SetState(this);
        }
    }

    public void Handle1()
    {
        this.CurrentState.Handle1();
    }

    public void Handle2()
    {
        this.CurrentState.Handle2();
    }
}

關於Context類，通常的做法是把狀態對象聲明爲靜態常量，有幾個狀態對象就聲明幾個靜態常量。而且環境角色具有狀態抽象角色定義的所有行爲，具體執行使用委託方式。

調用端代碼：

public class Test
{
    public static void Entry()
    {
        Context context = new Context();
        context.CurrentState = Context.STATE1;
        context.Handle1();
        context.Handle2();
    }
}

狀態模式的優缺點

優點

• 結構清晰，避免了過多的switch...case或者if...else語句的使用，降低了程序的複雜性,提高系統的可維護性。
• 遵循設計原則，很好地體現了開閉原則和單一職責原則，每個狀態都是一個子類，增加狀態就要增加子類，修改狀態則只需要修改對應的子類。
• 封裝性非常好，這也是狀態模式的基本要求，狀態變換放置到類的內部來實現，外部的調用不用知道類內部如何實現狀態和行爲的變換。

缺點
狀態模式主要的缺點在於，隨着狀態的增加，子類會變得太多。

狀態模式的適用場景

• 行爲需要隨狀態的改變而改變時
• 業務邏輯比較複雜，導致程序中大量使用了switch或者if語句，爲了避免程序結構不清晰，邏輯混亂，可以使用狀態模式來重構，通過擴展子類來實現了條件的判斷處理。
• 另外，使用整體模式也需要注意避免濫用，只有當某個對象在它的狀態發生改變時，它的行爲也隨着發生比較大的變化時，才考慮用狀態模式，而且對象的狀態最好不要超過5個。

參考書籍：
王翔著 《設計模式——基於C#的工程化實現及擴展》