设计模式-状态模式

2024-03-07 17:53:09

说到状态模式，顾名思义，应该就是跟状态相关的设计模式了，不过，我们还是跟前面一样，先不管状态模式是个什么东西，先从一个小小的例子出发，看看状态模式能为我们解决什么问题。

示例

现在需要实现一个交通灯调度程序，交通灯的颜色需要在红灯->绿灯->黄灯->红灯之间循环转换，但是不允许绿灯->红灯或黄灯->绿灯等情况。这属于交通规则的常识，现在我们用程序实现它，先看看我们最传统的思考和实现方式。

首先,我们会很容易想到需要定义一个交通灯颜色的枚举：

public enum LightColor
{
    Green,
    Red,
    Yellow
}

然后,定义一个交通灯的类，在交通灯类中处理颜色转换及相应的业务逻辑，代码如下：

public class TrafficLight
{
    private LightColor _lightColor;
    public TrafficLight()
    {
        _lightColor = LightColor.Red;
    }

    public void Turn()
    {
        if (_lightColor == LightColor.Red)
        {
            Console.WriteLine("红灯停");
            _lightColor = LightColor.Green;
        }
        else if (_lightColor == LightColor.Green)
        {
            Console.WriteLine("绿灯行");
            _lightColor = LightColor.Yellow;
        }
        else if (_lightColor == LightColor.Yellow)
        {
            Console.WriteLine("黄灯亮了等一等");
            _lightColor = LightColor.Red;
        }
    }
}

最后，再不妨调用运行一下：

static void Main(string[] args)
{
    TrafficLight light = new TrafficLight();
    light.Turn();
    light.Turn();
    light.Turn();
    light.Turn();
}

显而易见，这段代码是完全满足需求的，并且逻辑严谨，调用方式也极其简单，如果需求不变，这或许就是最好的实现方式了。但是经过前面设计原则的熏陶，我们知道，需求不变是不可能的。因此，我们很容易就会发现这段代码存在的问题，充斥着if-else的条件分支，这就意味着扩展困难。这里例子简单，可能并不明显，但是真实项目中必然会有更多的条件分支和更多类似Turn()的方法，这会导致整个项目扩展维护起来极其困难，因为，它严重违背了开闭原则。

其实，对于解决if-else或switch-case带来的问题，我们已经相当有经验了，在简单工厂模式中，我们采用工厂方法模式抽象出生产具体类的工厂类解决了switch-case的问题，在上一篇的策略模式中，我们通过将方法抽象成策略类的方式，同样解决了switch-case的问题。这里也不例外，我们也一定需要抽象点什么才行。但是具体抽象什么呢？灯的颜色？Turn()方法？还是别的什么？思路好像并不是那么清晰。不过呢，我们发现其实这段代码结构跟策略模式改造前的例子极其相似，我们不妨用策略模式改造一下，看看能否满足需求，如果不满足，看看还缺点什么，然后再进一步改造，因为我们知道，策略模式至少能解决if-else或switch-case的问题。

我们看看策略模式改造后的代码,先将Turn()方法抽象成策略类：

public interface ITurnStrategy
{
    void Turn();
}

public class GreenLightTurnStrategy : ITurnStrategy
{
    public void Turn()
    {
        Console.WriteLine("绿灯行");
    }
}

public class RedLightTurnStrategy : ITurnStrategy
{
    public void Turn()
    {
        Console.WriteLine("红灯停");
    }
}

public class YellowLightTurnStrategy : ITurnStrategy
{
    public void Turn()
    {
        Console.WriteLine("黄灯亮了等一等");
    }
}

再看看改造后的TrafficLight类：

public class TrafficLight
{
    private ITurnStrategy _turnStrategy;

    public TrafficLight(ITurnStrategy turnStrategy)
    {
        _turnStrategy = turnStrategy;
    }

    public void Turn()
    {
        if (_turnStrategy != null)
        {
            _turnStrategy.Turn();
        }
    }

    public void ChangeTurnStrategy(ITurnStrategy turnStrategy)
    {
        _turnStrategy = turnStrategy;
    }
}

一切看起来似乎都很完美，天衣无缝。再来看看如何使用:

static void Main(string[] args)
{ 
    TrafficLight light = new TrafficLight(new RedLightTurnStrategy());
    light.Turn();
    light.ChangeTurnStrategy(new GreenLightTurnStrategy());
    light.Turn();
    light.ChangeTurnStrategy(new YellowLightTurnStrategy());
    light.Turn();
    light.Turn();
}

一用就发现了问题，调用变复杂了。其实，为了能让系统更容易扩展，调用时复杂一点也没什么，但是，另一个致命的问题却不能忽视，我们希望灯颜色切换是由内部一套固定机制控制，而不是调用方来决定，如果用户想换什么颜色就换什么颜色，交通规则岂不乱套了？显然，策略模式是不满足需求的，我们其实希望light.ChangeTurnStrategy()这个动作，由系统自己内部完成。

既然不满足需求，那么问题到底出在哪呢？回过头来再梳理一下，我们发现或许我们的思路一开始就出现了偏差，交通灯能换颜色吗？显然是不能的，因为每个灯的颜色是固定的，我们所谓的换颜色，实际上换的是灯，难道要用工厂方法模式来创造不同颜色的灯？显然也不合适，三个灯一开始就在那里，只是循环切换而已，不存在创建的过程。实际上，我们或许应该换一种思路，这里明显体现的是交通灯的三种状态，每一种状态下对应一种需要处理的行为动作，同时，也只有状态才有切换的过程。

换一种思路后，我们看问题的角度就不一样了，看看改变思路后的代码：

public abstract class TrafficLightState
{
    public abstract void Handle(TrafficLight light);
}

public class GreenState : TrafficLightState
{
    public override void Handle(TrafficLight light)
    {
        Console.WriteLine("绿灯行");
        light.SetState(new YellowState());
    }
}

public class RedState : TrafficLightState
{
    public override void Handle(TrafficLight light)
    {
        Console.WriteLine("红灯停");
        light.SetState(new GreenState());
    }
}

public class YellowState : TrafficLightState
{
    public override void Handle(TrafficLight light)
    {
        Console.WriteLine("黄灯亮了等一等");
        light.SetState(new RedState());
    }
}

public class TrafficLight
{
    private TrafficLightState _currentState;

    public TrafficLight()
    {
        _currentState = new RedState();
    }

    public void Turn()
    {
        if (_currentState != null)
        {
            _currentState.Handle(this);
        }
    }

    public void SetState(TrafficLightState state)
    {
        _currentState = state;
    }
}

其实，可以发现，除了类名和方法名变了，代码跟策略模式几乎一模一样（具体演化过程，文字难以表达清楚，可以看一下我在B站或者公众号上的视频），但含义却是天差地远，这里不是直接将方法抽象成策略对象，而是抽象不同的状态，因此用了抽象类，而非接口(也可以用接口，但是我们通常会将方法抽象成接口，而将对象或属性抽象成类)；并为每个状态提供处理该状态下对应行为的接口方法，而不是直接提供具体行为的接口方法。

另外，参数也有所不同，TrafficLightState中需要持有对TrafficLight的引用，因为需要在具体的状态类中处理TrafficLight的状态转移。改造后的代码再次完美满足需求，调用方又变得简单了，状态的转移再次回归了主权：

static void Main(string[] args)
{
    TrafficLight light = new TrafficLight();
    light.Turn();
    light.Turn();
    light.Turn();
    light.Turn();
}

这就状态模式了，下面是交通灯示例最终的类图：
设计模式-状态模式

有限状态机

从上面的例子中，我们可能会很容易联想到状态机，我们也经常听到或看到有限状态机或无限状态机这样的字眼，那么有限状态机跟状态模式有什么关系呢？我们先看看有限状态机的工作原理。有限状态机的工作原理是，发生 事件(event) 后，根据 当前状态(cur_state) ，决定执行的 动作(action) ，并设置 下一个状态(nxt_state)。从交通灯例子可以看到，事件(event) 就是TrafficLight中的Turn()方法，由客户端触发，触发后，系统会判断当前处于哪种灯的状态，然后执行相应的动作，完成之后再设置下一种灯状态，和有限状态机的工作原理完美对应上了。那么，二者是否等价呢？其实不然，状态模式只是实现有限状态机的一种手段而已，因为if-else版本的实现，也是有限状态机。

这里算是一个小插曲，下面我们回归到状态模式。

定义

状态模式允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为，从而使对象看起来似乎修改了它的类。

UML类图

我们将交通灯示例的类图抽象一下，就可以得到如下状态模式的类图：
设计模式-状态模式

  • Context：上下文环境，定义客户程序需要的接口，并维护一个具体状态角色的实例，将与状态相关的操作委托给当前的 ConcreteState对象来处理；
  • State：抽象状态,定义特定状态对应行为的接口；
  • ConcreteState：具体状态，实现抽象状态定义的接口。

优缺点

优点

  • 解决switch-case、if-else带来的难以维护的问题，这个很明显，没什么好说的；
  • 结构清晰，提高了扩展性，不难发现，Context类简洁清晰了，扩展时，几乎不用改变，而且每个状态子类也简洁清晰了，扩展时也只需要极少的改变。
  • 通过单例或享元可使状态在多个上下文间共享。

这个问题需要单独说，我们不难发现，状态模式虽然解决了很多问题，但是每次状态的切换都需要创建一个新的状态类，而原本它仅仅是一个小小的枚举值而已，这样一对比，对象重复的创建资源开销是否过于巨大？其实，要解决对象重复创建的问题，我们知道，单例模式和享元模式都是不错的选择，具体选用哪一个，就要看状态类的数量和个人的喜好了。

下面是采用享元模式改进的代码，首先是熟悉的享元工厂，代码很简单：

public class LightStateFactory
{
    private static readonly IDictionary<Type, TrafficLightState> _lightStates
           = new Dictionary<Type, TrafficLightState>();

    private static readonly object _locker = new object();
    public static TrafficLightState GetLightState<TLightState>() where TLightState : TrafficLightState
    {
        Type type = typeof(TLightState);
        if (!_lightStates.ContainsKey(type))
        {
            lock (_locker)
            {
                if (!_lightStates.ContainsKey(type))
                {
                    TrafficLightState typeface = Activator.CreateInstance(typeof(TLightState)) as TrafficLightState;
                    _lightStates.Add(type, typeface);
                }
            }
        }

        return _lightStates[type];
    }
}

使用就更简单了，将创建状态对象的地方换成享元工厂创建就可以了，代码片段如下：

public override void Handle(TrafficLight light)
{
    Console.WriteLine("红灯停");
    light.SetState(LightStateFactory.GetLightState<GreenState>());
}

这里需要特别提一下，由于状态是单例的，可以在多个上下文间共享，而任何时候，涉及到全局共享就不得不考虑并发的问题。因此，除非明确需要共享，否则状态类中不应持有其它的资源，不然可能产生并发问题。同样的原因，状态类也不要通过属性或字段的方式持有对Context的引用，这也是我采用局部变量对TrafficLight进行传参的原因。

缺点

  • 随着状态的扩展，状态类数量会增多，这个老生常谈了，几乎所有解决类似问题的设计模式都存在这个缺点；
  • 增加了系统复杂度，使用不当将会导致逻辑的混乱，因为，状态类毕竟增多了嘛，而且还涉及到状态的转移，思维可能就更乱了；
  • 不完全满足开闭原则，因为扩展时，除了新增或删除对应的状态子类外，还需要修改涉及到的相应状态转移的其它状态类，不过相对于原来的实现，这里已经改善很多了。

与策略模式区别

策略模式

  • 强调可以互换的算法；
  • 用户直接与具体算法交互，决定算法的替换，需要了解算法本身；
  • 策略类不需要持有Context的引用。

状态模式

  • 强调改变对象内部的状态来帮助控制自己的行为；
  • 状态是对象内部流转，用户不会直接跟状态交互，不需要了解状态本身；
  • 状态类需要持有Context的引用，用来实现状态转移。

总结

其实，从类图和实现方式上可以看出，状态模式和策略模式真的很像，但是由于策略模式更具有一般性，因此更容易想到。而且，我们也知道状态模式和策略模式都能解决if-else带来的问题，关键就在于策略和状态的识别，就如上述交通灯例子，刚开始识别成策略也很难发现有什么不对。再举一个更通俗的例子，老师会根据同学的考试成绩对同学给出不同的奖惩方案，如成绩低于60分的同学罚款，成绩高于90分的同学奖钱，但是怎么奖怎么罚，都是老师决定的（不然全考90分以上，老师得哭）。这里是普通的条件分支，没有枚举，但是我们依然可以看出，这里体现的是根据不同的分数段采取不同的策略，可以采用策略模式。再例如，同样是考试成绩，父母对你设置一个指标，考了60以下，罚钱，考了90分以上，奖钱。这时是策略还是状态呢？感觉好像都可以，但实际上，仔细思考会发现，或许视为状态会更好，即在不同的状态会有一个对应的动作，但状态的有哪些呢？分数段？奖罚？状态又是怎么转移的呢？还得仔细斟酌，这里例子简单，或许能想清楚（其实不一定），但实际项目中，估计就没这么容易了。

不过呢，一旦我们识别出了状态，然后识别出了会根据一定的触发条件发生状态转移，那么十有八九就可以使用状态模式了。

源码链接

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