状态机设计模式

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

State模式的定义

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.

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。

　　关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前” 节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态， 状态机停止。 

　　包含一组状态集（states）、一个起始状态（start state）、一组输入符号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型。当输入符号串，模型随即进入起始状态。它要改变到新的状态，依赖于转换函数。在有限状态机中，会有有许多变量，例如，状态 机有很多与动作（actions）转换(Mealy机)或状态（摩尔机）关联的动作，多重起始状态，基于没有输入符号的转换，或者指定符号和状态（非定有 限状态机）的多个转换，指派给接收状态（识别者）的一个或多个状态，等等。

　　有限状态机是一种概念性机器，它能采取某种操作来响应一个外部事件。具体采取的操作不仅能取决于接收到的事件，还能取决于各个事件的相对发生顺序。之所以能做到这一点，是因为机器能跟踪一个内部状态，它会在收到事件后进行更新。为一个事件而响应的行动不仅取决于事件本身，还取决于机器的内部状态。另外，采取的行动还会决定并更新机器的状态。这样一来，任何逻辑都可建模成一系列事件/状态组合。

设计模式学习笔记-状态模式 – Wang Juqiang – 博客园 

设计模式之状态机模式 – mfc11的专栏 – 博客频道 

用状态模式实现状态机工作流 – spring yang – 博客园