CS-Notes 狀態(tài)模式精講State Pattern 狀態(tài)轉(zhuǎn)移原理與糖果銷售機 Java 實現(xiàn)全解【免費下載鏈接】CS-Notes:books: 技術面試必備基礎知識、Leetcode、計算機操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡、系統(tǒng)設計項目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/cs/CS-Notes本文基于 CS-Notes 倉庫中 設計模式 - 狀態(tài) 一文展開系統(tǒng)講解行為型設計模式之一——狀態(tài)模式State Pattern的核心意圖、類圖結(jié)構與實現(xiàn)細節(jié)。文章以經(jīng)典的糖果銷售機Gumball Machine為實戰(zhàn)載體逐行拆解State接口、四個具體狀態(tài)類、上下文類GumballMachine及客戶端調(diào)用代碼并結(jié)合運行輸出還原完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。讀完后你不僅能照著倉庫代碼寫出可運行的狀態(tài)模式示例還能理解對象看起來像修改了它所屬的類這一描述的底層機制以及它與策略模式的分野。一、狀態(tài)模式要解決的問題Intent狀態(tài)模式的定義非常精煉允許對象在內(nèi)部狀態(tài)改變時改變它的行為對象看起來好像修改了它所屬的類。這句話包含兩層含義行為隨內(nèi)部狀態(tài)變化一個對象對外提供的操作結(jié)果取決于它當前所處的內(nèi)部狀態(tài)。例如同一臺糖果機投入 25 分錢在未投幣、已投幣、售罄三種狀態(tài)下行為完全不同。像修改了類由于所有行為都被委托給當前狀態(tài)對象去執(zhí)行當狀態(tài)對象被切換時從調(diào)用方視角看這個對象仿佛運行時換了一個類型行為整體發(fā)生了改變——但實際上類的身份從未變化只是內(nèi)部持有的狀態(tài)對象變了。如果不使用狀態(tài)模式這類邏輯通常表現(xiàn)為一個類內(nèi)部大量的if / else if或switch分支每個動作方法都要判斷當前狀態(tài)再決定行為狀態(tài)越多分支越膨脹且新增狀態(tài)需要改動所有方法極易出錯。狀態(tài)模式的解法是把每一種狀態(tài)封裝成一個獨立的類每個類只負責在該狀態(tài)下如何響應各個動作從而將條件分支轉(zhuǎn)化為多態(tài)分發(fā)。在 CS-Notes 的設計模式體系中狀態(tài)模式屬于行為型模式與策略模式同為第 8/9 個講解條目二者常被放在一起比較詳見后文第六節(jié)。二、模式結(jié)構類圖與參與者職責狀態(tài)模式的通用類圖如下從類圖可以看到三個核心角色角色類圖元素職責Context上下文持有state屬性與request()方法維護一個當前狀態(tài)引用request()把請求委托給當前狀態(tài)對象處理對外提供狀態(tài)切換入口通常是一個setState()方法State狀態(tài)接口/抽象類抽象handle()方法定義所有具體狀態(tài)共有的動作契約每一種動作對應一個方法ConcreteState具體狀態(tài)ConcreteStateA、ConcreteStateB各自實現(xiàn)接口封裝處于該狀態(tài)時對每個動作的響應并可觸發(fā)上下文的狀態(tài)切換關鍵設計點是Context 自己不實現(xiàn)任何狀態(tài)相關業(yè)務它只是一個狀態(tài)容器 委托轉(zhuǎn)發(fā)器。請求進來后被轉(zhuǎn)交給state.handle()真正的邏輯在具體狀態(tài)類里。狀態(tài)類在被處理動作的過程中往往需要驅(qū)動 Context 切換到下一個狀態(tài)因此具體狀態(tài)類通常會持有 Context 的引用。三、實戰(zhàn)建模糖果銷售機與它的四種狀態(tài)3.1 業(yè)務場景糖果銷售機是一個理解狀態(tài)模式最經(jīng)典的例子它內(nèi)部有多種狀態(tài)每種狀態(tài)下對外呈現(xiàn)不同的行為且狀態(tài)之間可以發(fā)生轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移的同時銷售機的行為也隨之改變。它的工作過程大致是投入 25 分錢 → 轉(zhuǎn)動曲柄 → 掉出一顆糖果 → 回到初始狀態(tài)若糖果耗盡則進入售罄狀態(tài)。圍繞這個過程銷售機一共有4 種狀態(tài)狀態(tài)含義處于該狀態(tài)時可接受的合法動作No Quarter未投幣默認等待投幣投幣 → 進入 Has QuarterHas Quarter已投幣已投入 25 分錢退幣 → 回到 No Quarter轉(zhuǎn)動曲柄 → 進入 SoldSold售出中正在發(fā)放糖果發(fā)放動作完成后回 No Quarter 或進 Sold OutSold Out售罄庫存為 0無法投幣、退幣、轉(zhuǎn)動所有動作事件一共有 4 個與狀態(tài)一一組合后就構成了銷售機的完整行為矩陣。3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖上圖直觀展示了狀態(tài)轉(zhuǎn)移的全貌投幣inserts quarterNo Quarter → Has Quarter退幣ejects quarterHas Quarter → No Quarter轉(zhuǎn)動曲柄turns crankHas Quarter → Sold發(fā)放糖果dispense gumballSold → No Quarter前提是庫存仍大于 0庫存歸零進入 Out of Gumballs。對照上圖和后面的代碼可以發(fā)現(xiàn)圖中箭頭對應的正是代碼里各狀態(tài)類調(diào)用gumballMachine.setState(...)完成的跳轉(zhuǎn)二者一一對應。四、Java 實現(xiàn)逐模塊拆解本倉庫的 狀態(tài)模式原文 給出了完整可運行的實現(xiàn)見原文第 17~301 行下面按模塊展開并補充機制分析。4.1 狀態(tài)接口 Statepublic interface State { /** * 投入 25 分錢 */ void insertQuarter(); /** * 退回 25 分錢 */ void ejectQuarter(); /** * 轉(zhuǎn)動曲柄 */ void turnCrank(); /** * 發(fā)放糖果 */ void dispense(); }接口把銷售機的 4 類事件抽象成 4 個方法。關鍵點在于每個具體狀態(tài)類都必須為全部 4 個事件提供響應——即使某個事件在當前狀態(tài)非法例如沒投幣就轉(zhuǎn)動曲柄也要給出明確的拒絕行為而不是方法不存在。這正是把狀態(tài)機中非法動作也納入建模的方式讓每個狀態(tài)的行為完全自洽。4.2 具體狀態(tài)一NoQuarterState未投幣public class NoQuarterState implements State { GumballMachine gumballMachine; public NoQuarterState(GumballMachine gumballMachine) { this.gumballMachine gumballMachine; } Override public void insertQuarter() { System.out.println(You insert a quarter); gumballMachine.setState(gumballMachine.getHasQuarterState()); } Override public void ejectQuarter() { System.out.println(You havent insert a quarter); } Override public void turnCrank() { System.out.println(You turned, but theres no quarter); } Override public void dispense() { System.out.println(You need to pay first); } }分析該狀態(tài)是銷售機的默認可交易狀態(tài)。只有insertQuarter()是合法動作打印提示后調(diào)用gumballMachine.setState(getHasQuarterState())完成轉(zhuǎn)移其余三個動作退幣、轉(zhuǎn)曲柄、發(fā)放都是非法的僅輸出提示不改變狀態(tài)注意字段gumballMachine由構造器注入——每個狀態(tài)類都持有了當前這臺機器的引用因此才能觸發(fā)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。這也是狀態(tài)模式中誰負責轉(zhuǎn)移的一種實現(xiàn)選擇由具體狀態(tài)對象來驅(qū)動 Context 切換狀態(tài)。4.3 具體狀態(tài)二HasQuarterState已投幣public class HasQuarterState implements State { private GumballMachine gumballMachine; public HasQuarterState(GumballMachine gumballMachine) { this.gumballMachine gumballMachine; } Override public void insertQuarter() { System.out.println(You cant insert another quarter); } Override public void ejectQuarter() { System.out.println(Quarter returned); gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState()); } Override public void turnCrank() { System.out.println(You turned...); gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldState()); } Override public void dispense() { System.out.println(No gumball dispensed); } }分析重復投幣被拒絕insertQuarter()輸出 You cant insert another quarter保證一枚硬幣只能觸發(fā)一次交易ejectQuarter()是反悔入口退幣后回到NoQuarterStateturnCrank()是正常交易路徑轉(zhuǎn)到SoldState真正的發(fā)糖邏輯交給 Sold 狀態(tài)完成dispense()非法已經(jīng)投了幣但還沒轉(zhuǎn)曲柄機器不會提前吐糖。4.4 具體狀態(tài)三SoldState售出中public class SoldState implements State { GumballMachine gumballMachine; public SoldState(GumballMachine gumballMachine) { this.gumballMachine gumballMachine; } Override public void insertQuarter() { System.out.println(Please wait, were already giving you a gumball); } Override public void ejectQuarter() { System.out.println(Sorry, you already turned the crank); } Override public void turnCrank() { System.out.println(Turning twice doesnt get you another gumball!); } Override public void dispense() { gumballMachine.releaseBall(); if (gumballMachine.getCount() 0) { gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState()); } else { System.out.println(Oops, out of gumballs); gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldOutState()); } } }分析——這一段是整個示例最核心的售貨結(jié)算邏輯dispense()真正執(zhí)行發(fā)糖先調(diào)用gumballMachine.releaseBall()讓庫存減一然后根據(jù)剩余庫存決定下一狀態(tài)getCount() 0說明還有貨回到NoQuarterState等待下一位顧客否則打印 Oops, out of gumballs 并轉(zhuǎn)入SoldOutState其余三個動作全部拒絕turnCrank()輸出 Turning twice doesnt get you another gumball!從狀態(tài)層面杜絕了轉(zhuǎn)動兩次曲柄騙取兩顆糖的漏洞。從這里可以看到狀態(tài)模式處理條件轉(zhuǎn)移的優(yōu)雅之處發(fā)完糖后去哪是由當前狀態(tài)對象 運行時庫存條件共同決定的Context 完全不需要感知這些分支。4.5 具體狀態(tài)四SoldOutState售罄public class SoldOutState implements State { GumballMachine gumballMachine; public SoldOutState(GumballMachine gumballMachine) { this.gumballMachine gumballMachine; } Override public void insertQuarter() { System.out.println(You cant insert a quarter, the machine is sold out); } Override public void ejectQuarter() { System.out.println(You cant eject, you havent inserted a quarter yet); } Override public void dispense() { System.out.println(No gumball dispensed); } Override public void turnCrank() { System.out.println(You turned, but there are no gumballs); } }當庫存歸零后機器進入這個終態(tài)4 個事件全部輸出拒絕信息任何操作都不會再改變狀態(tài)若需要補貨邏輯通?？稍诖藸顟B(tài)中增加相應方法把機器帶回NoQuarterState本示例未涉及。4.6 上下文類 GumballMachine狀態(tài)容器 委托轉(zhuǎn)發(fā)public class GumballMachine { private State soldOutState; private State noQuarterState; private State hasQuarterState; private State soldState; private State state; private int count 0; public GumballMachine(int numberGumballs) { count numberGumballs; soldOutState new SoldOutState(this); noQuarterState new NoQuarterState(this); hasQuarterState new HasQuarterState(this); soldState new SoldState(this); if (numberGumballs 0) { state noQuarterState; } else { state soldOutState; } } public void insertQuarter() { state.insertQuarter(); } public void ejectQuarter() { state.ejectQuarter(); } public void turnCrank() { state.turnCrank(); state.dispense(); } public void setState(State state) { this.state state; } public void releaseBall() { System.out.println(A gumball comes rolling out the slot...); if (count ! 0) { count - 1; } } public State getSoldOutState() { return soldOutState; } public State getNoQuarterState() { return noQuarterState; } public State getHasQuarterState() { return hasQuarterState; } public State getSoldState() { return soldState; } public int getCount() { return count; } }GumballMachine是狀態(tài)模式的 Context需要重點理解它的四個設計1. 構造期一次性創(chuàng)建全部狀態(tài)并共享構造器里把四個狀態(tài)對象全部new出來并各保存一份同時把當前機器this注入進去。這樣做的好處是四個狀態(tài)對象在整個生命周期內(nèi)復用狀態(tài)切換只是更換state指針的指向不會反復創(chuàng)建對象。這種共享狀態(tài)對象 共享 Context的結(jié)構是狀態(tài)模式實現(xiàn)的常見形態(tài)。2. 初始狀態(tài)由庫存決定if (numberGumballs 0) { state noQuarterState; } else { state soldOutState; }剛出廠的機器如果一顆糖都沒有直接進入售罄狀態(tài)否則進入未投幣狀態(tài)等待交易。這種構造條件決定初始狀態(tài)的寫法非常實用。3. 對外動作方法全部是裸轉(zhuǎn)發(fā)insertQuarter()、ejectQuarter()等只是調(diào)用state對應的方法沒有任何業(yè)務邏輯。唯一的例外是turnCrank()public void turnCrank() { state.turnCrank(); state.dispense(); }它把轉(zhuǎn)曲柄和發(fā)糖串在一起連發(fā)兩次調(diào)用。這里的順序極其微妙第一次state.turnCrank()執(zhí)行時state還是HasQuarterState該方法內(nèi)部已經(jīng)把 Context 切到SoldState緊接著第二次調(diào)用state.dispense()時state字段已經(jīng)被更新為 SoldState于是真正執(zhí)行的是SoldState.dispense()這才觸發(fā)了releaseBall()發(fā)糖。若把兩行順序顛倒——先dispense()后turnCrank()——HasQuarterState.dispense()只會打印 No gumball dispensed糖就永遠吐不出來。理解Context 在兩次連續(xù)委托之間重新讀取了自己可變的 state 字段是讀懂這段代碼的關鍵。4. Context 為狀態(tài)對象提供轉(zhuǎn)移工具setState()與getSoldOutState() / getNoQuarterState() / getHasQuarterState() / getSoldState()這組方法本質(zhì)上是狀態(tài)對象用來完成跳轉(zhuǎn)的公共接口releaseBall()與getCount()則暴露了庫存的讀寫能力。整個狀態(tài)機的數(shù)據(jù)庫存集中在 Context而規(guī)則何時跳轉(zhuǎn)到哪分散在各狀態(tài)類中兩者通過方法調(diào)用互相配合。4.7 客戶端驅(qū)動與完整運行結(jié)果public class Client { public static void main(String[] args) { GumballMachine gumballMachine new GumballMachine(5); gumballMachine.insertQuarter(); gumballMachine.turnCrank(); gumballMachine.insertQuarter(); gumballMachine.ejectQuarter(); gumballMachine.turnCrank(); gumballMachine.insertQuarter(); gumballMachine.turnCrank(); gumballMachine.insertQuarter(); gumballMachine.turnCrank(); gumballMachine.ejectQuarter(); gumballMachine.insertQuarter(); gumballMachine.insertQuarter(); gumballMachine.turnCrank(); gumballMachine.insertQuarter(); gumballMachine.turnCrank(); gumballMachine.insertQuarter(); gumballMachine.turnCrank(); } }用 5 顆糖初始化機器后連續(xù)進行了一組買糖—退幣—非法操作—直到售罄的完整流程運行輸出如下You insert a quarter You turned... A gumball comes rolling out the slot... You insert a quarter Quarter returned You turned, but theres no quarter You need to pay first You insert a quarter You turned... A gumball comes rolling out the slot... You insert a quarter You turned... A gumball comes rolling out the slot... You havent insert a quarter You insert a quarter You cant insert another quarter You turned... A gumball comes rolling out the slot... You insert a quarter You turned... A gumball comes rolling out the slot... Oops, out of gumballs You cant insert a quarter, the machine is sold out You turned, but there are no gumballs No gumball dispensed對照輸出可以完整還原一遍狀態(tài)軌跡初始 count 5狀態(tài) No Quarter步驟調(diào)用狀態(tài)軌跡與輸出要點1投幣 轉(zhuǎn)曲柄No Quarter → Has Quarter → Sold → 發(fā)糖count 4 → No Quarter2投幣 → 退幣Has Quarter → No QuarterQuarter returned3直接轉(zhuǎn)曲柄停留在 No QuarterYou turned, but theres no quarter You need to pay first4投幣 轉(zhuǎn)曲柄正常售出一顆count 3 → No Quarter5投幣 轉(zhuǎn)曲柄正常售出一顆count 2 → No Quarter6退幣當前為 No QuarterYou havent insert a quarter7連續(xù)投幣第一次進入 Has Quarter第二次被拒You cant insert another quarter8轉(zhuǎn)曲柄售出一顆count 1 → No Quarter9投幣 轉(zhuǎn)曲柄售出最后一顆count 0Oops, out of gumballs → Sold Out10投幣 / 轉(zhuǎn)曲柄全部被拒機器停留在 Sold Out整段輸出恰好印證了狀態(tài)模式的兩個承諾同一動作在不同狀態(tài)下的行為不同如第 3 步與第 4 步同為turnCrank()結(jié)果卻一個是拒絕、一個是出貨狀態(tài)轉(zhuǎn)移由內(nèi)部條件自動推進如發(fā)糖后根據(jù)count決定回 No Quarter 還是進 Sold Out。五、從實現(xiàn)反推機制為什么像修改了類結(jié)合上面的代碼可以提煉出狀態(tài)模式的四條底層機制行為 對當前 State 的多態(tài)調(diào)用。Context 對外的方法體只有一行委托真正決定做什么、給什么反饋的是運行時state指針指向的具體狀態(tài)類。切換狀態(tài)指針就等于整體更換了行為集合調(diào)用方無感知——這便是看起來像修改了類的本質(zhì)。狀態(tài)對象持有 Context 引用以驅(qū)動轉(zhuǎn)移。四個狀態(tài)類都在構造時注入gumballMachine并通過setState(...)切換指針。這種狀態(tài)自己決定后繼狀態(tài)的風格讓每個狀態(tài)類既是行為載體又是轉(zhuǎn)移規(guī)則表不需要 Context 維護復雜的轉(zhuǎn)移矩陣。狀態(tài)對象可共享、可復用。狀態(tài)對象自身基本不保存可變業(yè)務數(shù)據(jù)唯一的庫存count存放在 Context因此機器在構造期一次性創(chuàng)建四個狀態(tài)對象并反復切換使用即可內(nèi)存開銷恒定。狀態(tài)機對非法動作是顯式建模而非運行時防御。每個非法組合都對應一行拒絕輸出任何動作在任何狀態(tài)下都有確定的行為結(jié)果程序不會出現(xiàn)未定義狀態(tài)。六、狀態(tài)模式與策略模式的異同倉庫姊妹篇狀態(tài)模式的類圖與策略模式高度相似二者都通過組合Context 持有接口引用實現(xiàn)運行時動態(tài)改變對象行為。倉庫的策略模式文檔中專門設有與狀態(tài)模式的比較一節(jié)見原文第 16~20 行觀點如下狀態(tài)模式的類圖和策略模式類似并且都是能夠動態(tài)改變對象的行為。但是狀態(tài)模式是通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移來改變 Context 所組合的 State 對象而策略模式是通過 Context 本身的決策來改變組合的 Strategy 對象?！瓲顟B(tài)模式主要是用來解決狀態(tài)轉(zhuǎn)移的問題……策略模式主要是用來封裝一組可以互相替代的算法族。二者的差異可以總結(jié)為下表維度狀態(tài)模式State策略模式Strategy關注點解決狀態(tài)轉(zhuǎn)移問題狀態(tài)改變驅(qū)動行為改變封裝可互換的算法族客戶端按需替換算法誰來決定切換內(nèi)部狀態(tài)類根據(jù)運行條件自行觸發(fā)轉(zhuǎn)移通常無需客戶端干預Context / 客戶端主動調(diào)用setStrategy()指定算法切換時機必須在運行過程中由內(nèi)部條件觸發(fā)任意時刻可替換屬客戶端決策行為集合每個狀態(tài)必須完整實現(xiàn)接口的全部動作含拒絕動作每個策略通常只關心自己那一個算法的實現(xiàn)典型例子糖果銷售機、TCP 連接狀態(tài)機鴨子叫Quack/Squeak、排序算法替換判定一個場景該用誰可以這樣問這些對象是客觀存在的不同狀態(tài)、且會自然遷移用 State還是同一件事的多種等價做法、由使用者挑選用 Strategy前者關心狀態(tài)機正確流轉(zhuǎn)后者關心算法解耦替換。七、適用場景與工程權衡7.1 適合使用狀態(tài)模式的特征對象的行為強烈依賴其內(nèi)部狀態(tài)且同一事件在不同狀態(tài)下行為差異很大代碼里存在大量針對狀態(tài)的條件判斷if (state XX)并且新增狀態(tài)需要改動多處狀態(tài)數(shù)量有限、可枚舉且狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關系相對明確、需要集中管理?，F(xiàn)實中的典型場景包括訂單狀態(tài)機、TCP 連接狀態(tài)、審批流、游戲角色狀態(tài)待機/移動/攻擊、工作流引擎等。7.2 狀態(tài)模式帶來的收益消除巨型條件分支狀態(tài)判斷被多態(tài)分發(fā)替代每個方法只剩一行委托符合開閉原則新增狀態(tài)只需新增一個狀態(tài)類并在轉(zhuǎn)移處接入不必修改已有狀態(tài)類單一職責每種狀態(tài)的行為內(nèi)聚在獨立類中便于單獨閱讀與測試轉(zhuǎn)移規(guī)則顯式化所有可能的狀態(tài)組合與動作響應都被顯式建模運行時不會出現(xiàn)懸空分支。7.3 需要警惕的代價類數(shù)量膨脹狀態(tài)較多時類文件激增需配合包結(jié)構與命名規(guī)范管理轉(zhuǎn)移邏輯分散每個狀態(tài)內(nèi)部各自調(diào)用setState()全局轉(zhuǎn)移路徑不再集中復雜狀態(tài)機中較難一眼看清全貌上下文狀態(tài)暴露Context 通常要暴露setState()與各狀態(tài)對象的 getter本示例的GumballMachine即如此封裝性有所削弱。在實踐中若狀態(tài)與轉(zhuǎn)移比較簡單也可考慮用枚舉 單一類的簡化狀態(tài)機替代完整的狀態(tài)模式只有狀態(tài)行為足夠復雜、相互差異足夠大時把它拆成獨立類才劃算。這是工程上需要權衡的部分原文檔與倉庫設計模式目錄中并未對此展開這里僅作實現(xiàn)層面的補充討論。八、倉庫閱讀路徑與參考資料如需在 CS-Notes 倉庫中繼續(xù)深入推薦按以下順序閱讀狀態(tài)模式原文本主題的完整代碼與輸出本文所有代碼的直接出處含第 17~301 行完整實現(xiàn)策略模式文檔與狀態(tài)模式配套學習其中的與狀態(tài)模式的比較一節(jié)是理解二者差異的關鍵設計模式目錄狀態(tài)模式位于行為型分類下便于查看其在 23 種經(jīng)典模式中的位置設計模式.md倉庫內(nèi)全部設計模式條目的匯總文件適合整體通讀。據(jù)設計模式目錄列出的參考資料本主題內(nèi)容主要參考自弗里曼《Head First 設計模式》中國電力出版社2007與 Gamma 等《設計模式可復用面向?qū)ο筌浖幕A》機械工業(yè)出版社2007等經(jīng)典著作糖果銷售機示例是貫穿這些教材講解狀態(tài)模式的標準案例倉庫代碼對其做了完整、可直接運行的中文注釋版復現(xiàn)。綜上狀態(tài)模式通過把狀態(tài)封裝成類、把行為變成對當前狀態(tài)對象的多態(tài)委托用組合與多態(tài)化解了狀態(tài)機中最棘手的條件分支問題。掌握糖果銷售機這個最小可運行示例就等于拿到了狀態(tài)模式從類圖到狀態(tài)轉(zhuǎn)移、再到工程取舍的完整知識閉環(huán)?！久赓M下載鏈接】CS-Notes:books: 技術面試必備基礎知識、Leetcode、計算機操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡、系統(tǒng)設計項目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/cs/CS-Notes創(chuàng)作聲明：本文部分內(nèi)容由AI輔助生成（AIGC），僅供參考