状态模式 (State)

场景问题

问题案例

考虑一个电梯系统，电梯有开门、关门、运行、停止等多种状态，不同状态下对外的操作行为不同。

不用模式的解决方案

实现简化版本

最直接的做法是用if-else语句判断当前状态：

public class Elevator {
    private String state = "stopped";
    public void open() {
        if ("stopped".equals(state)) {
            System.out.println("电梯门打开");
            state = "opened";
        }
    }
    public void close() {
        if ("opened".equals(state)) {
            System.out.println("电梯门关闭");
            state = "closed";
        }
    }
    public void run() {
        if ("closed".equals(state)) {
            System.out.println("电梯运行");
            state = "running";
        }
    }
    public void stop() {
        if ("running".equals(state)) {
            System.out.println("电梯停止");
            state = "stopped";
        }
    }
}

使用示例

Elevator elevator = new Elevator();
elevator.open();
elevator.close();
elevator.run();
elevator.stop();

有何问题

1. 状态判断分散在各方法中，难以维护。
2. 新增状态或行为需修改大量代码。
3. 违反开闭原则，扩展性差。

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解决方案

状态模式的定义

允许对象在其内部状态发生改变时改变它的行为，对象看起来好像修改了它的类。

应用状态模式的思路

• 定义状态接口，每种状态实现具体行为。
• 上下文持有当前状态对象，行为委托给状态对象。
• 切换状态只需更换状态对象，无需修改上下文代码。

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状态模式的结构

• State：抽象状态，定义所有行为接口。
• OpenedState/ClosedState/RunningState/StoppedState：具体状态，实现具体行为。
• ElevatorContext：上下文，持有当前状态，行为委托给状态对象。

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状态模式的实现

// 状态接口
public interface State {
    void open(ElevatorContext ctx);
    void close(ElevatorContext ctx);
    void run(ElevatorContext ctx);
    void stop(ElevatorContext ctx);
}

// 上下文
public class ElevatorContext {
    private State state;
    public void setState(State state) { this.state = state; }
    public void open() { state.open(this); }
    public void close() { state.close(this); }
    public void run() { state.run(this); }
    public void stop() { state.stop(this); }
}

// 具体状态
public class OpenedState implements State {
    public void open(ElevatorContext ctx) { System.out.println("电梯门已打开"); }
    public void close(ElevatorContext ctx) {
        System.out.println("电梯门关闭");
        ctx.setState(new ClosedState());
    }
    public void run(ElevatorContext ctx) { System.out.println("门开着不能运行"); }
    public void stop(ElevatorContext ctx) { System.out.println("门开着已停止"); }
}
public class ClosedState implements State {
    public void open(ElevatorContext ctx) {
        System.out.println("电梯门打开");
        ctx.setState(new OpenedState());
    }
    public void close(ElevatorContext ctx) { System.out.println("电梯门已关闭"); }
    public void run(ElevatorContext ctx) {
        System.out.println("电梯运行");
        ctx.setState(new RunningState());
    }
    public void stop(ElevatorContext ctx) { System.out.println("电梯已停止"); }
}
public class RunningState implements State {
    public void open(ElevatorContext ctx) { System.out.println("运行中不能开门"); }
    public void close(ElevatorContext ctx) { System.out.println("运行中门已关闭"); }
    public void run(ElevatorContext ctx) { System.out.println("电梯正在运行"); }
    public void stop(ElevatorContext ctx) {
        System.out.println("电梯停止");
        ctx.setState(new StoppedState());
    }
}
public class StoppedState implements State {
    public void open(ElevatorContext ctx) {
        System.out.println("电梯门打开");
        ctx.setState(new OpenedState());
    }
    public void close(ElevatorContext ctx) { System.out.println("电梯门已关闭"); }
    public void run(ElevatorContext ctx) {
        System.out.println("电梯运行");
        ctx.setState(new RunningState());
    }
    public void stop(ElevatorContext ctx) { System.out.println("电梯已停止"); }
}

使用示例

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        ElevatorContext ctx = new ElevatorContext();
        ctx.setState(new StoppedState());
        ctx.open();
        ctx.close();
        ctx.run();
        ctx.stop();
    }
}

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状态重写示例

示例结构

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示例代码

见上文"状态模式的实现"部分。

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模式讲解

状态模式的功能

• 封装状态切换逻辑，简化上下文代码。
• 新增状态无需修改上下文，扩展性强。
• 满足开闭原则。

实现成接口

• 状态通常定义为接口或抽象类。

使用工厂方法

• 可结合工厂方法模式，统一创建状态对象。

切换产品簇

• 可用于切换不同的状态实现，如不同设备、流程状态。

执行时序图