状态模式 State

State模式的定义: 不同的状态,不同的行为;或者说,每个状态有着相应的行为.

何时使用?
State模式在实际使用中比较多,适合"状态的切换".因为我们经常会使用If elseif else 进行状态切换, 如果针对状态的这样判断切换反复出现,我们就要联想到是否可以采取State模式了.

不只是根据状态,也有根据属性.如果某个对象的属性不同,对象的行为就不一样,这点在数据库系统中出现频率比较高,我们经常会在一个数据表的尾部,加上property属性含义的字段,用以标识记录中一些特殊性质的记录,这种属性的改变(切换)又是随时可能发生的,就有可能要使用State.

是否使用?
在实际使用,类似开关一样的状态切换是很多的,但有时并不是那么明显,取决于你的经验和对系统的理解深度.

这里要阐述的是"开关切换状态" 和" 一般的状态判断"是有一些区别的, " 一般的状态判断"也是有 if..elseif结构,例如:

　　　　if (which==1) state="hello";
　　　　else if (which==2) state="hi";
　　　　else if (which==3) state="bye";

这是一个 " 一般的状态判断",state值的不同是根据which变量来决定的,which和state没有关系.如果改成:

　　　　if (state.euqals("bye")) state="hello";
　　　　else if (state.euqals("hello")) state="hi";
　　　　else if (state.euqals("hi")) state="bye";

这就是 "开关切换状态",是将state的状态从"hello"切换到"hi",再切换到""bye";在切换到"hello",好象一个旋转开关,这种状态改变就可以使用State模式了.

如果单纯有上面一种将"hello"-->"hi"-->"bye"-->"hello"这一个方向切换,也不一定需要使用State模式,因为State模式会建立很多子类,复杂化,但是如果又发生另外一个行为:将上面的切换方向反过来切换,或者需要任意切换,就需要State了.

请看下例:

public class Context{

　　private Color state=null;

　　public void push(){

　　　　//如果当前red状态 就切换到blue
　　　　if (state==Color.red) state=Color.blue;

　　　　//如果当前blue状态 就切换到green
　　　　else if (state==Color.blue) state=Color.green;

　　　　//如果当前black状态 就切换到red
　　　　else if (state==Color.black) state=Color.red;

　　　　//如果当前green状态 就切换到black
　　　　else if (state==Color.green) state=Color.black;
　　　　
　　　　Sample sample=new Sample(state);
　　　　sample.operate();
　　}

　　public void pull(){

　　　　//与push状态切换正好相反

　　　　if (state==Color.green) state=Color.blue;
　　　　else if (state==Color.black) state=Color.green;
　　　　else if (state==Color.blue) state=Color.red;
　　　　else if (state==Color.red) state=Color.black;

　　　　Sample2 sample2=new Sample2(state);
　　　　sample2.operate();
　　}

}

在上例中,我们有两个动作push推和pull拉,这两个开关动作,改变了Context颜色,至此,我们就需要使用State模式优化它.

另外注意:但就上例,state的变化,只是简单的颜色赋值,这个具体行为是很简单的,State适合巨大的具体行为,因此在,就本例,实际使用中也不一定非要使用State模式,这会增加子类的数目,简单的变复杂.

例如: 银行帐户, 经常会在Open 状态和Close状态间转换.

例如: 经典的TcpConnection, Tcp的状态有创建 侦听 关闭三个,并且反复转换,其创建 侦听 关闭的具体行为不是简单一两句就能完成的,适合使用State

例如:信箱POP帐号, 会有四种状态, start HaveUsername Authorized quit,每个状态对应的行为应该是比较大的.适合使用State

例如:在工具箱挑选不同工具,可以看成在不同工具中切换,适合使用State.如 具体绘图程序,用户可以选择不同工具绘制方框 直线 曲线,这种状态切换可以使用State.

如何使用
State需要两种类型实体参与:

1.state manager 状态管理器 ,就是开关 ,如上面例子的Context实际就是一个state manager, 在state manager中有对状态的切换动作.
2.用抽象类或接口实现的父类,,不同状态就是继承这个父类的不同子类.

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以上面的Context为例.我们要修改它,建立两个类型的实体.
第一步: 首先建立一个父类:

public abstract class State{

　　public abstract void handlepush(Context c);
　　public abstract void handlepull(Context c);
　　public abstract void getcolor();

}

父类中的方法要对应state manager中的开关行为,在state manager中 本例就是Context中,有两个开关动作push推和pull拉.那么在状态父类中就要有具体处理这两个动作:handlepush() handlepull(); 同时还需要一个获取push或pull结果的方法getcolor()

下面是具体子类的实现:

public class BlueState extends State{

　　public void handlepush(Context c){
　　　　 //根据push方法"如果是blue状态的切换到green" ;
　　　　 c.setState(new GreenState());

　　}
　　public void handlepull(Context c){

　　　　 //根据pull方法"如果是blue状态的切换到red" ;
　　　　c.setState(new RedState());

　　}

　　public abstract void getcolor(){ return (Color.blue)}

}

 

同样 其他状态的子类实现如blue一样.

第二步: 要重新改写State manager 也就是本例的Context:

public class Context{

　　private Sate state=null; //我们将原来的 Color state 改成了新建的State state;

　　//setState是用来改变state的状态 使用setState实现状态的切换
　　pulic void setState(State state){

　　　　this.state=state;

　　}

　　public void push(){

　　　　//状态的切换的细节部分,在本例中是颜色的变化,已经封装在子类的handlepush中实现,这里无需关心
　　　　state.handlepush(this);
　　　　
　　　　//因为sample要使用state中的一个切换结果,使用getColor()
　　　　Sample sample=new Sample(state.getColor());
　　　　sample.operate();

　　}

 

　　public void pull(){

　　　　state.handlepull(this);
　　　　
　　　　Sample2 sample2=new Sample2(state.getColor());
　　　　sample2.operate();

　　}

}

 

至此,我们也就实现了State的refactorying过程.

以上只是相当简单的一个实例,在实际应用中,handlepush或handelpull的处理是复杂的.

状态模式优点：
（1） 封装转换过程，也就是转换规则
（2） 枚举可能的状态，因此，需要事先确定状态种类。

状态模式可以允许客户端改变状态的转换行为，而状态机则是能够自动改变状态，状态机是一个比较独立的而且复杂的机制，具体可参考一个状态机开源项目：http://sourceforge.net/projects/smframework/

状态模式在工作流或游戏等各种系统中有大量使用，甚至是这些系统的核心功能设计，例如政府OA中，一个批文的状态有多种：未办；正在办理；正在批示；正在审核；已经完成等各种状态，使用状态机可以封装这个状态的变化规则，从而达到扩充状态时，不必涉及到状态的使用者。

在网络游戏中，一个游戏活动存在开始；开玩；正在玩；输赢等各种状态，使用状态模式就可以实现游戏状态的总控，而游戏状态决定了游戏的各个方面，使用状态模式可以对整个游戏架构功能实现起到决定的主导作用。

状态模式实质：
使用状态模式前，客户端外界需要介入改变状态，而状态改变的实现是琐碎或复杂的。

使用状态模式后，客户端外界可以直接使用事件Event实现，根本不必关心该事件导致如何状态变化，这些是由状态机等内部实现。

这是一种Event-condition-State，状态模式封装了condition-State部分。

每个状态形成一个子类，每个状态只关心它的下一个可能状态，从而无形中形成了状态转换的规则。如果新的状态加入，只涉及它的前一个状态修改和定义。

状态转换有几个方法实现：一个在每个状态实现next()，指定下一个状态；还有一种方法，设定一个StateOwner，在StateOwner设定stateEnter状态进入和stateExit状态退出行为。

状态从一个方面说明了流程，流程是随时间而改变，状态是截取流程某个时间片。

 

 

 

 

扩展阅读：

 

状态模式好像是很简单的模式，正因为状态好像是个简单的对象，想复杂化实现设计模式就不是容易，误用情况很多。

我个人曾经设计过一个大型游戏系统的游戏状态机，游戏状态可以说是游戏设计的主要架构，但是由于系统过分复杂
和时间仓促，并没有真正实现状态模式。

目前在实现一个电子政务项目中，需要进行流程状态变化，在电子政务设计中，我发现，如果一开始完全按照工作流
规范开发，难度很大，它和具体项目实践结合无法把握，而且工作流规范现在有wfmc，还有bpml，选择也比较难。因
此，我决定走自创的中间道路。

因为，我需要做一个状态机API，或者说状态机框架，供具体系统调用：类如公文流转应用或信息发报送应用等。

好的状态模式必须做到两点：
1. 状态变化必须从外界其它逻辑划分出来。
2. 状态必须可方便拓展，对其它代码影响非常小。

要做到这两点，必须先明确状态变化机制，状态变化实际是由Event事件驱动的，可以认为是Event-condition-State，
在MVC模式一般是Event-condition-Action实现。状态模式需要封装的是Event-condition-State中的condition-State
部分。

清晰理解状态和流程的关系也非常重要，因为状态不是孤立的，可以说和流程是点和线的关系，状态从一个方面说明
了流程，流程是随时间而改变，状态是截取流程某个时间片。因此，必须明白使用状态模式实现状态机实际是为了更
好地表达和说明流程。

状态和流程以及事件的关系如下：

                 |Event
___currentState__|______newState___

图中表示了是事件改变了流程的状态，在业务逻辑中，经常发生的是事件，如果不使用状态模式，需要在很多业务逻
辑处实现事件到状态判定和转换，这有很多危险性。

最大的危险是系统没有一个一抓就灵的主体结构，以那个游戏系统为例，在没有状态模式对状态提炼的情况下，状态
改变由每个程序员想当然实现，导致每个程序员开发的功能在整合时就无法调试，因为这个程序员可能不知道那个程
序员的代码在什么运行条件下改变了游戏状态，结果导致自己的代码无法运行。

这种现象实际上拒绝了项目管理的协作性，大大地拖延项目进度（程序员之间要反复商量讨论对方代码设计）。从这
一点也说明，一个好的架构设计是一个项目快速成功完成的基础技术保证，没有这个技术基础，再先进的项目管理手
段也是没有效率的，或者是笨拙的。

状态模式对于很多系统来说，确实是架构组成一个重要部分。

下面继续讨论如何实现一个好的状态模式，为了实现好的状态模式，必须在状态模式中封装下面两个部分：
1. 状态转换规则（行为）
2. 状态属性（属性）

状态转换行为有两种划分标准：
1. run和next两个行为，run是当前状态运行行为，next是指在Event参与下，几种可能转向的下一个状态。
2. stateEnter和stateExit， 状态进入和状态退出。

如果用进入一个个房间来表示状态流程的话， 第一种分析是只重视着“在房间里”和“如何转入下一个房间”，这两种行
为一旦确定，可以被反复使用，进而一个流程的状态切换可以全部表达出来。

第二中分析方法有所区别，只重视进入房间和离开房间这个两个行为，同样，这种模型也可以被反复利用在其它房间，
一个流程的状态切换也可以全部表达出来。

具体选择取决于你的需求，比如，如果你在进入一个状态开始，要做很多初始化工作，那么第二种模型就很适合。

状态变化都离不开一个主体对象，主体对象可以说包含状态变化（行为）和状态属性（属性），假设为StateOwner，
StateOwner有两个部分组成：Task/事情和状态。任何一个Task/事情都会对应一个状态。

这样，我们已经抽象出两个主要对象：状态State和StateOwner。

为了封装状态变化细节，我们可以抽象出一个状态机StateMachine来专门实现状态根据事情实现转换。

这样，客户端外界通过状态机可访问状态模式这个匣子。在实践中，外界客户端需要和状态机实现数据交换，我们把
它也分为两种：属性和行为。

其中属性可能需要外界告诉状态状态变化的主体对象Task，解决状态的主人问题，是谁的问题；行为可能是需要持久
化当前这个主体对象的状态到数据库。

这两种数据交换可以分别通过StateOwner和StateMachine与整个状态机实现数据交换，这样，具体状态和状态切换也
和外界实现了解耦隔离。

因此好的状态模式实现必须有下列步骤：
（1）将每个状态变成State的子类，实现每个状态对象化。
（2）在每个状态中，封装着进入下一个状态可能规则，这些规则是状态变化的核心，换句话说，统一了状态转换的规则。
具体可采取run和next这样的转换行为。

下面是一个子状态代码：

 

public class Running extends StateT{

  //
  public void run(StateOwner stateOwner){
     stateOwner.setCurrentState(this);
  }

  //转换到下一个状态的规则
  //当前是Running状态，下一个状态可能是暂停、结束或者强制退出等
  //状态，但是绝对不会是Not_Started这样的状态
  //转换规则在这里得到了体现。
  public State next(Event e) {
    if(transitions == null){
       addEventState(new EventImp("PAUSE"), new Suspended());
       addEventState(new EventImp("END"), new Completed());
       addEventState(new EventImp("STOP"), new Aborted());
    }
    return super.next(e);
  }

}     



外界直接调用 StateMachine的关键方法transition；实行状态的自动转变。  


public class StateMachine {

 /**
   * 状态切换
   * 根据Event参数，运行相应的状态。
   * 1. 获得当前状态
   * 2. 使用当前状态的next()转换
   *                  |Event
   * ___currentState__|______newState___
   *
   * @param inputs
   */
  public final void transition(String taskid, Event e) throws Exception {
    State currentState = readCurrentState(taskid); //从数据库获得当前状态
    StateOwner stateOwner = new StateOwner(taskid, currentState);
    //转换状态
    currentState = currentState.next(e);
    if (currentState != null) {
      currentState.run(stateOwner);
      saveCurrentState(stateOwner); //保存当前状态
    }
  }

} 

 

StateT的next方法如下：

 

 public State next(Event e) throws InvalidStateException{
    logger.debug(" transitions size = " + transitions.size());
    String name = e.getName();
    if (transitions.containsKey(name))
      return (State) transitions.get(name);
    else
      throw new RuntimeException("Input not supported for current state "
                                 + " state is " + this.getClass().getName()
                                 + " Event is " + e.getName() );
  }