設計模式之狀態模式（State Pattern）

no_mkd

一。什麼是狀態模式？

把所有動作都封裝在狀態物件中，狀態持有者將行為委託給當前狀態物件

也就是說，狀態持有者（比如汽車、電視、ATM 機都有多個狀態）並不知道動作細節，狀態持有者只關心自己當前所處的狀態（持有的狀態物件是哪個），再把一切事情都交給當前狀態物件去打理就好了，甚至都不用去控制狀態切換（當然，狀態持有者有權利控制狀態切換，也可以選擇做甩手掌櫃。。）

二。舉個例子

假設我們要模擬一個 ATM 機，有以下需求：

取款，驗證卡密，吐出現鈔，結束服務
若卡密驗證失敗或者餘額不足，則直接彈出卡片，結束本次服務
機器內無存鈔，顯示 No Cash，並向銀行發送無鈔資訊
機器故障，顯示 No Service，並向維修人員發送維修請求

那麼用戶取款的過程應該是這樣的：

這是用戶操作的流程，對於 ATM 機而言還需要注意以下幾點：

獲得用戶輸入金額後，不僅要驗證用戶卡內餘額，還要驗證 ATM 機內餘額
每一次成功的取款服務結束後，都要檢查 ATM 機內餘額（若無鈔則進行相應處理）
任何環節出現無法處理的錯誤，都按照故障來處理

想想上面的取款過程，我們還必須考慮各種非法操作，比如：

不插卡直接輸入密碼
機器故障時仍然進行操作
機內無鈔時要求取款

細分之後，我們會發現細節問題變得很麻煩，機器就擺在那裡，所有的用戶接口都開放著，用戶完全有可能在任何時候使用任何接口。為了防止這些非法操作，我們不得不添加一系列的判斷，比如：

驗證密碼之前應該檢查是否已經插卡，以及機器是否發生了故障
插卡之前應該檢查機器是否發生了故障
取款操作之前應該檢查機器是否故障，是否無鈔，是否。。。

我們的代碼中需要設置大量成員變數，用來標識機器的狀態，更可怕的是我們的邏輯塊裡面存在大量的 if-else，而且每一個操作裡面的 if-else 塊都只有細微的差別，看起來像冗餘，但又不好處理（即使我們把每一個判斷都提出來作為獨立的方法，可以縮減代碼規模，但在處理過程上仍然是冗餘。。）

更好的處理方法就是使用狀態模式，能夠完全消除狀態判斷部分的冗餘，並提供清晰整潔的代碼結構。下面用狀態模式來實現例子中的需求

（1）首先找出 ATM 提供的所有接口

插卡
提交密碼
取款（假設取款按鈕是物理鍵）
查詢（假設同上）
取卡

（2）再找出 ATM 的所有狀態以及各個狀態對應的動作

準備就緒（Ready），可用接口：全部
無鈔（NoCash），可用接口：1，2，4，5
故障（NoService），可用接口：無

（3）編碼實現

先定義 State 基類，類中封裝了（1）列出的所有接口：

package StatePattern;
/**


定義 ATM 機狀態


@author ayqy
/
public interface ATMState {
/*

插卡
*/
public abstract void insertCard();

/**

提交密碼
*/
public abstract void submitPwd();

/**

取款
*/
public abstract void getCash();

/**

查詢餘額
*/
public abstract void queryBalance();

/**

取卡
*/
public abstract void ejectCard();
}

再逐一實現三個狀態

ReadyState：

package StatePattern;
/**


實現 ATM 就緒狀態


@author ayqy
*/
public class ReadyState implements ATMState{
private ATM atm;//保留狀態持有者的引用，以便對其進行操作
public ReadyState(ATM atm){
this.atm = atm;
}
@Override
public void insertCard() {
System.out.println("插卡完成");
}
@Override
public void submitPwd() {
System.out.println("密碼提交完成");
//驗證密碼並做相應處理
if("123".equals(atm.getPwd())){
System.out.println("密碼驗證通過");
}
else{
System.out.println("密碼驗證失敗");
//彈出卡片
ejectCard();
}
}
@Override
public void getCash() {
if(atm.getTotalAmount() >= atm.getAmount() && atm.getBalance() >= atm.getAmount()){
//更新賬戶餘額
atm.setBalance(atm.getBalance() - atm.getAmount());
//更新機內現鈔總數
atm.setTotalAmount(atm.getTotalAmount() - atm.getAmount());
System.out.println("吐出￥" + atm.getAmount());
System.out.println("取款完成");
//彈出卡片
ejectCard();
//檢查機內餘鈔
if(atm.getTotalAmount() == 0){//若無鈔，切換到 NoCash 狀態
atm.setCurrState(atm.getNoCashState());
System.out.println("無鈔資訊已經發送至銀行");
}
}
else{
System.out.println("取款失敗，餘額不足");
//彈出卡片
ejectCard();
}
}
@Override
public void queryBalance() {
System.out.println("餘額￥" + atm.getBalance());
System.out.println("餘額查詢完成");
}
@Override
public void ejectCard() {
System.out.println("取卡完成");
}
}

注意我們在狀態類中進行狀態切換的部分：

if(atm.getTotalAmount() == 0){//若無鈔，切換到 NoCash 狀態
	atm.setCurrState(atm.getNoCashState());
}

我們並不是直接 new 具體狀態物件，而是使用了 ATM 提供的 set 接口，這樣做是為了盡量的解耦（兄弟物件彼此之間並不認識），獲取更多的彈性

實現 NoCashState：

package StatePattern;
/**


實現 ATM 無鈔狀態


@author ayqy
*/
public class NoCashState implements ATMState{
private ATM atm;//保留狀態持有者的引用，以便對其進行操作
public NoCashState(ATM atm){
this.atm = atm;
}
@Override
public void insertCard() {
System.out.println("插卡完成");
}
@Override
public void submitPwd() {
System.out.println("密碼提交完成");
//驗證密碼並做相應處理
if("123".equals(atm.getPwd())){
System.out.println("密碼驗證通過");
}
else{
System.out.println("密碼驗證失敗");
//彈出卡片
ejectCard();
}
}
@Override
public void getCash() {
System.out.println("取款失敗，機內無鈔");
}
@Override
public void queryBalance() {
System.out.println("餘額￥" + atm.getBalance());
System.out.println("餘額查詢完成");
}
@Override
public void ejectCard() {
System.out.println("取卡完成");
}
}

實現 NoServiceState：

package StatePattern;
/**


實現 ATM 故障狀態


@author ayqy
*/
public class NoServiceState implements ATMState{
private ATM atm;//保留狀態持有者的引用，以便對其進行操作
public NoServiceState(ATM atm){
this.atm = atm;
}
@Override
public void insertCard() {
System.out.println("插卡失敗，機器發生了故障");
}
@Override
public void submitPwd() {
System.out.println("密碼提交失敗，機器發生了故障");
}
@Override
public void getCash() {
System.out.println("取款失敗，機器發生了故障");
}
@Override
public void queryBalance() {
System.out.println("餘額查詢失敗，機器發生了故障");
}
@Override
public void ejectCard() {
System.out.println("取卡失敗，機器發生了故障");
}
}

實現了具體的狀態，就可以構造 ATM 類了，就像這樣：

package StatePattern;
/**


實現 ATM 機


@author ayqy
*/
public class ATM {
/所有狀態/
private ATMState readyState;
private ATMState noCashState;
private ATMState noServiceState;
private ATMState currState;//當前狀態
private int totalAmount;//機內現鈔總數
/測試用的臨時變數/
private String pwd;//密碼
private int balance;//餘額
private int amount;//取款金額
public ATM(int totalAmount, int balance, int amount, String pwd) throws Exception{
//初始化所有狀態
readyState = new ReadyState(this);
noCashState = new NoCashState(this);
noServiceState = new NoServiceState(this);
 if(totalAmount &gt; 0){
 	currState = readyState;
 }
 else if(totalAmount == 0){
 	currState = noCashState;
 }
 else{
 	throw new Exception();
 }
 
 //初始化測試數據
 this.totalAmount = totalAmount;
 this.balance = balance;
 this.amount = amount;
 this.pwd = pwd;

}
/把具體行為委託給狀態物件/
/**

插卡
*/
public void insertCard(){
currState.insertCard();
}

/**

提交密碼
*/
public void submitPwd(){
currState.submitPwd();
}

/**

取款
*/
public void getCash(){
currState.getCash();
}

/**

查詢餘額
*/
public void queryBalance(){
currState.queryBalance();
}

/**

取卡
*/
public void ejectCard(){
currState.ejectCard();
}

public String toString(){
return "現鈔總數￥" + totalAmount;
}
/此處略去大量 getter and setter/
}

一切都做好了，迫不及待的測試一下吧

三。運行示例

首先實現一個 Test 類：

package StatePattern;
import java.util.Scanner;
/**


實現測試類


@author ayqy
/
public class Test {
public static void main(String[] args) {
/測試數據/
/ 機內總數	 賬戶餘額	 取款金額	密碼
* 1000	500     200		123
* 1000	300     500		123
* 0	500		200		123
* */
try {
test(1000, 500, 200, "123");
System.out.println("-------");
test(1000, 300, 500, "123");
System.out.println("-------");
test(0, 500, 200, "123");
} catch (Exception e) {
System.out.println("機器故障，維修請求已經發送至維修方");
}
}
private static void test(int totalAmount, int balance, int amount, String pwd)throws Exception{
//創建 ATM
ATM atm;
atm = new ATM(totalAmount, balance, amount, pwd);
//輸出初始狀態
System.out.println(atm.toString());
atm.insertCard();
atm.submitPwd();
atm.getCash();
//輸出結束狀態
System.out.println(atm.toString());
}
}

我們設計的三個用例（正常取款，取大於餘額的款，機內無現鈔）運行結果如下：

四。狀態模式與策略模式

還記得策略模式嗎？難道不覺得這兩者很相像嗎？

沒錯，這兩種模式的類圖是完全相同的，解釋一下：

狀態主體（擁有者）持有狀態物件，運行時可以通過動態指定狀態物件來改變類的行為
策略主體持有算法族物件，運行時可以通過動態選擇算法族中的算法（策略）來改變類的行為

也就是說，狀態模式與策略模式都支持運行時的多態，並且其實現方式都是組合 + 委託。但是這並不代表這兩種模式是相同的，因為它們的目標不同：

狀態模式實現了算法流程可變（即狀態切換，不同的狀態有不同的流程）
策略模式實現了算法細節可選（即選擇算法族內的算法，一個算法族包含多個可選算法）

一。什麼是狀態模式？

二。舉個例子

三。運行示例

四。狀態模式與策略模式

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