在Java中應用State設計模式

2019-11-18 12:17:30

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　　對象的狀態由各個屬性的當前值構成。當我們調用某個對象的setXXX()方法時，通常表示修改它的XXX屬性。另外，對象在執行方法時，也可能修改自己的狀態。在某些情形下，例如建立事務或機器模型時，對象的狀態可能是決定其行為的要害因素，依靠于狀態的代碼邏輯可能遍布于類的大量方法。State模式的目標就是簡化這類代碼，把依靠于狀態的邏輯集中到一組類，每一個類代表一種不同的狀態，避免if語句嵌套過深或過于復雜，轉而依靠于多態性來調用不同的方法。
　　狀態模型
　　假如對象的狀態信息很要害，對象會擁有一些變量來指示如何根據狀態做出相應的動作。這些變量大量地散布于復雜的多層嵌套if語句中，來描述對象如何響應可能出現的事件。用這種方式建立對象模型的最大缺點在于if語句可能變得相當復雜一旦要修改對象的狀態模型，往往有多個方法的許多if語句需要調整。
　　
　　以傳送帶的門為例，考慮其狀態變化過程為：傳送帶的門由單個按鈕控制，并且假設初始時處于關閉狀態。按一下按鈕門開始打開，假如在門完全打開之前再次按下按鈕，門開始關閉。一旦門完全打開，它將在2秒延時之后自動開始關閉過程。要禁止門自動關閉，可以在門打開之后按一下按鈕。圖1描述了傳送門的狀態變化情況。它是一個UML狀態機（State Machine），其中click表示按下按鈕的動作。顯然，與純文字描述相比UML狀態機圖示更加直觀易懂。
　　
　　按照常規的設計思路（不使用State設計模式），在模擬傳送帶工作過程的軟件中，可以使用一個Door1對象代表傳送門（如圖2所示），狀態改變事件由傳送帶軟件發送給Door1對象。
　　　在Java中應用State設計模式（圖一）

　　圖1 UML狀態機
　　　

　　圖2 狀態改變事件發送給Door1對象
　　Door1類從Observable派生，這樣客戶程序（例如一個GUI程序）就能夠方便地了解傳送門狀態。Door1類首先定義傳送門可能處于的狀態，代碼如下：
　　
　　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()方法返回傳送門狀態的文字描述，如下所示：
　　
　　public String status() {
　　switch (state) {
　　　　case OPENING :
　　　　　　return "正在打開";
　　　　case OPEN :
　　　　　　//...
　　　　default :
　　　　　　return "已關閉";
　　}
　　}
　　當用戶點擊傳送帶的按鈕時，傳送帶程序調用Door1對象的click()方法。click()方法模擬圖1所示的狀態裝換過程：
　　
　　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類的setState()方法向觀察者通知傳送門狀態改變事件，代碼如下：
　　
　　private void setState(int state) {
　　this.state = state;
　　setChanged();
　　notifyObservers();
　　}
　　用State模式改造
　　Door1類的代碼比較復雜，整個類到處都用到了狀態變量。假如要比較圖1的狀態機和Door1類的各個狀態變換方法，將是非常困難的，click()方法尤其如此。那么，怎樣在這個例子中應用State模式呢？首先要把傳送門的各種狀態分別定義成類，如圖3所示。圖3能夠更好地與圖1的狀態機對應。更改后的類設計中，Door2包含了狀態機的上下文信息。所謂上下文信息，就是描述環境和一系列其它對象相關的信息。就本例而言，State利用一個上下文對象記錄了傳送門的當前狀態是DoorState類的哪一個實例。
　　在Java中應用State設計模式（圖三）

　　圖3 傳送門各個狀態
　　DoorState類的構造函數要求提供一個Door2對象，DoorState的子類利用該對象傳達狀態變更信息。在這種設計方案中，DoorState的子類通過一個Door2類型的屬性綁定到特定的傳送門（Door2）對象，因而要求一個DoorState對象只被一個Door2對象引用。同時Door類要把它的狀態信息定義成局部變量，代碼如下：
　　
　　public class Door2 extends Observable {
　　public final DoorState CLOSED　 = new DoorClosed(this);
　　// 按照類似方式定義DoorState類型的
　　// OPENING、OPEN、CLOSING、STAYOPEN對象(略)
　　private DoorState state = CLOSED;
　　// ...
　　}
　　DoorState類是一個抽象類，由子類實現其click()方法。在狀態機中，每一個狀態均有相應的“按下按鈕”操作。修改后的設計中每一個描述狀態的類也有一個click()方法，兩者是一致的。DoorState類處理了其它可能的變換，所以DoorState的子類可以忽略無關的事件，代碼如下：
　　
　　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，現在的status()方法要比修改設計方案之前的status()方法簡單多了。新status()方法返回的結果與修改前版本的結果略有不同，它的狀態信息從類的名稱獲得。假如要返回修改設計方案之前的信息，只需把這些狀態信息分別記錄到DoorState的各個子類中，然后在這個status()方法中直接提取即可。
　　
　　新的設計方案中，傳送門對象（Door2）從傳送帶接收狀態改變信息的這一角色仍未改變。但現在Door2對象只需把這些狀態改變信息直接傳遞給當前的狀態對象就可以了，代碼如下：
　　
　　public class Door2 extends Observable {
　　// ... 聲明變量
　　protected void setState(DoorState state) {
　　　　this.state = state;
　　　　setChanged();
　　　　notifyObservers();
　　}
　　public void click() {
　　　　state.click();
　　}
　　// complete()、status()、timeout()都直接
　　// 調用state的相應方法即可(略)
　　}
　　這里的click()、complete()、status()和timeout()方法體現了java類多態性的應用。所有這些方法都起著判定和選擇動作的作用，即是雖然每一個方法的代碼是不含if判定邏輯的，但實際運行時被調用的狀態對象卻不斷變化。在調用click()時會發生哪些事情呢？按照多態性規則，答案依靠于當時傳送門的狀態。修改后的代碼有效地擔負起了根據狀態執行不同動作的任務，但由于利用了多態性，它變得更加簡單了。
　　
　　Door2類中的setState()方法現在由DoorState的子類調用。這些DoorState的子類與圖1狀態機中的相應實體很相似，例如，狀態機中Open狀態包含Timeout和Click，DoorOpen類則包含兩個對應的方法timeout()和click()。DoorOpen類的代碼如下：
　　
　　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);
　　}
　　}
　　從上面可以看到，利用State設計模式之后，代碼變得更簡單了。不過，細心的讀者或許已經注重到，Door2類用到的“常量”實際上是變量，這給人一種不規范的感覺。假設現在要把這些狀態常量移到_DoorConstant接口，這就需要從DoorState類消除Door2實例變量。修改辦法是：重新定義DoorState類中的click()、complete()和timeout()變換方法，把一個Door2對象以參數的形式傳遞給它們。按照這種設計方法，Door2對象調用狀態變換方法，例如click()時，將采用state.click(this)的形式。

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