2020年9月7日星期一

设计模式 状态模式

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。用电梯来举例,电梯可以认为具有开门、关门、运行、停止四种状态,这四种状态之间的切换具有多种限制,比如在开门状态下不电梯不能运行,只能转为关门状态;在运行状态下,电梯只能转为停止状态...
设想一下,如果要常规的if-else或者switch-case描述电梯的这几种状态间的切换,将生成非常复杂的、逻辑相互交织的代码,可读性差且不易维护。

而如果用状态模式来实现,会是怎样的呢?
首先创建LiftState,代表抽象的电梯状态,包含了电梯的四个动作(方法),通过这些方法可以切换到对应的状态。

public abstract class LiftState{ protected Context context; public void SetContext(Context context) {  this.context = context; } public abstract void Open(); public abstract void Close(); public abstract void Run(); public abstract void Stop();}

Context是上下文类,它的作用是串联各个状态的过渡,在LiftSate抽象类中把Context类角色聚合进来,并传递到子类,这样4个具体的实现类中自己根据环境来决定如何进行状态的过渡。

public class Context{ public readonly static OpenningState openningState = new OpenningState(); public readonly static ClosingState closingState = new ClosingState(); public readonly static RunningState runningState = new RunningState(); public readonly static StoppingState stoppingState = new StoppingState(); private LiftState liftState; public LiftState LiftState {  get  {   return liftState;  }  set  {   liftState = value;   liftState.SetContext(this);  } } public void Open() {  this.liftState.Open(); } public void Close() {  this.liftState.Close(); } public void Run() {  this.liftState.Run(); } public void Stop() {  this.liftState.Stop(); }}

接下来是四个具体的状态类,负责状态之间的切换和控制,以OpenningState为例,只能切换到Closing状态,其它切换状态的方法都是空实现。

public class OpenningState : LiftState{ public override void Close() {  base.context.LiftState = Context.closingState;  base.context.LiftState.Close(); } public override void Open() {  Console.WriteLine("Openning"); } public override void Run() {  // } public override void Stop() {  // }}public class ClosingState : LiftState{ public override void Close() {  Console.WriteLine("Closing"); } public override void Open() {  base.context.LiftState = Context.openningState;  base.context.LiftState.Open(); } public override void Run() {  base.context.LiftState = Context.runningState;  base.context.LiftState.Run(); } public override void Stop() {  base.context.LiftState = Context.stoppingState;  base.context.LiftState.Stop(); }}public class RunningState : LiftState{ public override void Close() {// } public override void Open() {// } public override void Run() {  Console.WriteLine("Running"); } public override void Stop() {  base.context.LiftState = Context.stoppingState;  base.context.LiftState.Stop(); }}public class StoppingState : LiftState{ public override void Close() {  // } public override void Open() {  base.context.LiftState = Context.openningState;  base.context.LiftState.Open(); } public override void Run() {  base.context.LiftState = Context.runningState;  base.context.LiftState.Run(); } public override void Stop() {  Console.WriteLine("Stopping"); }}

状态模式

通过上面的例子可以直观得看到状态模式的特点,它的核心是封装,状态的变更引起了行为的变更,从外部看起来就好像这个对象对应的类发生了改变一样。
GOF对状态模式的描述为:
Allow an object to alter its behavior when its internal state changes. The object will appear to change its class.
— Design Patterns : Elements of Reusable Object-Oriented Software

状态模式的UML类图为

状态模式中有3个角色:

  • State(抽象状态角色),接口或抽象类,负责对象状态定义,并且封装环境角色以实现状态切换。
  • ConcreteState(具体状态角色),每一个具体状态必须完成两个职责:就是本状态下要做的事情,以及本状态如何过渡到其他状态。
  • Context(环境角色),定义客户端需要的接口,并且负责具体状态的切换。

状态模式的通用的代码

public abstract class State{ protected Context context; public void SetState(Context context) {  this.context = context; } public abstract void Handle1(); public abstract void Handle2();}public class ConcreteState1 : State{ public override void Handle1() {  //本状态下必须处理的逻辑 } public override void Handle2() {  base.context.CurrentState = Context.STATE2;  base.context.Handle2(); }}public class ConcreteState2 : State{ public override void Handle1() {  base.context.CurrentState = Context.STATE1;  base.context.Handle1(); } public override void Handle2() {  //本状态下必须处理的逻辑 }}public class Context{ public readonly static State STATE1 = new ConcreteState1(); public readonly static State STATE2 = new ConcreteState2(); private State currentState; public State CurrentState {  get  {   return currentState;  }  set  {   this.currentState = value;   this.currentState.SetState(this);  } } public void Handle1() {  this.CurrentState.Handle1(); } public void Handle2() {  this.CurrentState.Handle2(); }}

关于Context类,通常的做法是把状态对象声明为静态常量,有几个状态对象就声明几个静态常量。而且环境角色具有状态抽象角色定义的所有行为,具体执行使用委托方式。

调用端代码:

public class Test{ public static void Entry() {  Context context = new Context();  context.CurrentState = Context.STATE1;  context.Handle1();  context.Handle2(); }}

状态模式的优缺点

优点

  • 结构清晰,避免了过多的switch...case或者if...else语句的使用,降低了程序的复杂性,提高系统的可维护性。
  • 遵循设计原则,很好地体现了开闭原则和单一职责原则,每个状态都是一个子类,增加状态就要增加子类,修改状态则只需要修改对应的子类。
  • 封装性非常好,这也是状态模式的基本要求,状态变换放置到类的内部来实现,外部的调用不用知道类内部如何实现状态和行为的变换。

缺点
状态模式主要的缺点在于,随着状态的增加,子类会变得太多。

状态模式的适用场景

  • 行为需要随状态的改变而改变时
  • 业务逻辑比较复杂,导致程序中大量使用了switch或者if语句,为了避免程序结构不清晰,逻辑混乱,可以使用状态模式来重构,通过扩展子类来实现了条件的判断处理。
  • 另外,使用整体模式也需要注意避免滥用,只有当某个对象在它的状态发生改变时,它的行为也随着发生比较大的变化时,才考虑用状态模式,而且对象的状态最好不要超过5个。

参考书籍:
王翔著 《设计模式——基于C#的工程化实现及扩展》

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