设计模式使用场景实现示例及优缺点（行为型模式——状态模式）

在一个遥远的国度中，有一个被称为“变幻之城”的神奇城堡。这座城堡有一种特殊的魔法，能够随着王国的需求改变自己的形态和功能。这种神奇的变化是由一个古老的机制控制的，那就是传说中的“状态宝石”。

在变幻之城中，有四颗宝石，分别代表着不同的状态：和平、战争、丰收和灾难。每当国王决定需要改变城堡的功能时，他就会召集他的四位顾问，每位顾问负责一颗状态宝石。国王会与顾问们讨论当前的国家状况，然后选择一个最适合的状态。

比如，在和平时期，和平宝石会被激活，城堡变成一个庞大的图书馆和学术研究中心，鼓励人们学习和交流知识。而在战争来临时，战争宝石便会发光，城堡则转变为坚不可摧的堡垒，城墙厚重，箭塔林立，保护国民免受侵害。

每次状态的转换都是庄严而神圣的仪式，全城的人都会聚集在城堡广场，见证宝石的力量和城堡的变化。随着时间的推移，这座城堡不仅成为了国家的象征，也成为了人们心中希望和变革的源泉。

然而，真正的挑战来自于灾难宝石的管理。灾难宝石只在最危急的时刻被启用，城堡会转变为避难所和救援中心，为国民提供庇护和援助。但是，灾难宝石的力量非常强大，如果使用不当，可能会带来不可预测的后果。

有一次，当国王生病，无法决策时，一位野心勃勃的顾问擅自启动了灾难宝石，试图借此控制整个王国。城堡开始失控地变形，国民陷入恐慌。幸好，国王及时康复，与其他三位忠诚的顾问一起制止了这场灾难，恢复了城堡的秩序。

状态模式（State Pattern）

状态模式（State Pattern）是一种行为设计模式，它允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。这种模式通过将状态相关的行为封装在状态对象中，使得当对象的内部状态改变时，其行为也会随之改变，类似于它改变了其类。

核心组件

• Context（上下文）：维护一个指向当前状态对象的引用，并将与状态相关的工作委托给它。
• State（状态）：定义一个接口以封装与上下文的一个特定状态相关的行为。
• ConcreteState（具体状态）：实现状态接口的类，每个类对应一种状态和该状态下的行为。

适用场景

1. 对象的行为依赖于它的状态：
   • 对象行为随内部状态改变而改变时，可以使用状态模式而不是在对象操作中使用大量的条件分支。
2. 业务逻辑包含大量与对象状态有关的条件语句：
   • 当一个操作中包含巨大的多分支条件转移语句，且这些分支依赖于对象状态时，状态模式可以将分支处理移动到它们各自的状态类中。

实现实例

以音乐播放器的播放、暂停、停止等状态转换为例，通过状态模式管理状态改变带来的行为改变。

状态接口（State Interface）

定义了状态相关行为的方法。

public interface State {void doAction(Context context); // 执行与状态相关的行为，并更新上下文的状态
}

具体状态（Concrete State）

实现不同状态下的具体行为。

PlayingState

public class PlayingState implements State {public void doAction(Context context) {System.out.println("Music is playing"); // 执行播放音乐的行为context.setState(this); // 更新上下文的状态}public String toString(){return "Playing State"; // 返回状态信息}
}

PausedState

public class PausedState implements State {public void doAction(Context context) {System.out.println("Music is paused"); // 执行暂停音乐的行为context.setState(this); // 更新上下文的状态}public String toString(){return "Paused State"; // 返回状态信息}
}

StoppedState

public class StoppedState implements State {public void doAction(Context context) {System.out.println("Music is stopped"); // 执行停止音乐的行为context.setState(this); // 更新上下文的状态}public String toString(){return "Stopped State"; // 返回状态信息}
}

上下文（Context）

管理和委托给当前状态对象的类。

public class MusicPlayerContext {private State state; // 当前状态对象public MusicPlayerContext(){state = null; // 初始化状态为空}public void setState(State state){this.state = state; // 设置当前状态}public State getState(){return state; // 获取当前状态}
}

客户端代码（Client Code）

演示状态模式的使用。

public class Client {public static void main(String[] args) {MusicPlayerContext context = new MusicPlayerContext(); // 创建上下文对象State playing = new PlayingState(); // 创建播放状态对象playing.doAction(context); // 执行播放音乐的行为并更新状态System.out.println(context.getState().toString()); // 输出当前状态信息State paused = new PausedState(); // 创建暂停状态对象paused.doAction(context); // 执行暂停音乐的行为并更新状态System.out.println(context.getState().toString()); // 输出当前状态信息State stopped = new StoppedState(); // 创建停止状态对象stopped.doAction(context); // 执行停止音乐的行为并更新状态System.out.println(context.getState().toString()); // 输出当前状态信息}
}

解释

• 状态接口（State Interface）：定义了 doAction(Context context) 方法，所有具体状态类都必须实现这个方法。
• 具体状态（Concrete State）：实现 State 接口，定义了在特定状态下的具体行为。PlayingState、PausedState 和 StoppedState 分别定义了播放、暂停和停止音乐的行为。
• 上下文（Context）：MusicPlayerContext 类保存了当前状态对象，并提供了设置和获取当前状态的方法。
• 客户端代码（Client Code）：客户端代码创建具体的状态和上下文对象，并通过执行行为和更新状态来模拟音乐播放器的状态转换。

这种设计模式的优势在于将与状态相关的行为局部化，并且将特定状态的行为分配到代表该状态的类中。这样做可以避免代码中的大量条件语句，并使得系统更易于理解和维护。

优缺点

优点

1. 封装状态转换规则：
   • 状态模式将所有与某个状态相关的行为都封装在一个类中，也可以在类内部维护状态转换的逻辑。
2. 增加新的状态简单：
   • 添加新状态只需增加一个新的具体状态类，无需修改现有的代码，符合开闭原则。

缺点

1. 增加对象数量：
   • 每个状态都需要一个具体的类，随着状态数量增加，系统中类的个数也会增多。

类图

+----------------+         +---------------+         +-----------------+
|    Context     |<------->|     State     |<--------|  ConcreteState  |
+----------------+         +---------------+         +-----------------+
| - state        |         | + doAction()  |         | + doAction()    |
+----------------+         +---------------+         +-----------------+

总结

状态模式通过将每个状态的行为封装在对应的状态类中，使得状态转换逻辑分布于这些状态类，而非其他对象。这种模式适合于状态多变且相互依赖的系统，可以清晰地组织和管理状态转换的逻辑。