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设计模式之状态机模式

news 2025/8/30 5:30:10

一、状态机模式说明

状态机模式（State Machine Pattern）是一种用于描述对象行为的软件设计模式，属于行为型设计模式。在状态机模式中，对象的行为取决于其内部状态，并且在不同的状态下，对象可能会有不同的行为。这种模式通常涉及定义一组状态以及状态之间的转换规则，从而实现对对象行为的精确控制。

状态机类图：
在这里插入图片描述
1.1、状态机模式元素说明：

1、状态（Status）: 表示对象所处的特定状态。每个状态都定义了对象在该状态下的行为

2、上下文（Context）：上下文是包含状态机的对象。它维护了当前状态，并在状态之间的转换发生时更新状态。

3、转换（Transition）：描述了对象从一个状态转移到另一个状态的过程。它通常受到一些条件或触发事件的影响。

4、动作（Action）：动作是状态转换期间可能执行的操作或行为。这些动作可以是更新状态、执行计算、发送消息等。

1.2、状态机的特点：

1、清晰的状态管理：通过明确定义系统的所有可能状态以及在这些状态之间的转换，帮助开发者清晰地管理和跟踪系统的状态。

2、简化复杂逻辑：将复杂的条件分支逻辑转换为状态图，使得逻辑更加直观易懂。

3、易于维护和扩展：状态机的结构使得对系统的修改和扩展变得更加容易。通过添加新的状态和转换规则，可以轻松适应需求的变化。

4、提高可测试性：由于状态机的行为是预定义的，因此可以更系统地进行测试，有助于确保系统的正确性和可靠性。

二、状态机举例代码

模拟一个简单的交通信号灯系统，它有三种状态：红灯（Red）、绿灯（Green）、黄灯（Yellow）。每个状态都有一个特定的行为，即打印出当前灯的颜色，并且每个状态都可以转换到下一个状态。

定义一个TrafficLightState接口，它表示交通信号灯的所有可能状态：

public interface TrafficLightState {void change(TrafficLightContext context);
}

每种状态实现这个接口：

public class RedLightState implements TrafficLightState {  @Override  public void change(TrafficLightContext context) {  System.out.println("红灯亮");  context.setState(new GreenLightState());  }  
}  public class GreenLightState implements TrafficLightState {  @Override  public void change(TrafficLightContext context) {  System.out.println("绿灯亮");  context.setState(new YellowLightState());  }  
}  public class YellowLightState implements TrafficLightState {  @Override  public void change(TrafficLightContext context) {  System.out.println("黄灯亮");  context.setState(new RedLightState());  }  }

定义TrafficLightContext类，它包含了当前的状态，并且提供了一个方法来改变状态：


public class TrafficLightContext {  private TrafficLightState state;  public TrafficLightContext() {  this.state = new RedLightState();  }  public void setState(TrafficLightState state) {  this.state = state;  }  public void change() {  state.change(this);  }  
}

创建一个客户端来模拟交通信号灯的状态变化：

public class Client {public static void main(String[] args) {TrafficLightContext context = new TrafficLightContext();for (int i = 0; i < 10; i++) {context.change();}}
}

控制台输出结果：
在这里插入图片描述

TrafficLightContext类维护了当前的交通信号灯状态，并且提供了一个change方法来改变状态。每个状态类都实现了TrafficLightState接口，并且在其change方法中定义了下一个状态。客户端通过调用TrafficLightContext的change方法来模拟交通信号灯的状态变化。

现实中的状态转变，比这个复杂多了，一个状态节点可能有多个action操作，类似订单状态的流转，无法直接套用状态机模式，应该有记录状态变迁的全景图（核心要素：当前状态，当前状态可选动作，动作执行后状态迁移）

以下是一个简单的例子，记录当前状态，可选动作及执行动作后状态的一个例子，用于约束状态的变迁

public class StateMachine {private Map<String, Map<String, String>> stateMap;public StateMachine() {stateMap = new HashMap<String, Map<String, String>>();// 初始状态可以执行的Action及执行后的动作Map<String, String> initActionMap = new HashMap<String, String>();initActionMap.put("runAction", "run");stateMap.put("init", initActionMap);// run状态下可以执行的动作Map<String, String> runActionMap = new HashMap<String, String>();runActionMap.put("stopAction", "stop");runActionMap.put("sleepAction", "sleep");runActionMap.put("endAction", "end");stateMap.put("run", runActionMap);// sleep状态下可以执行的动作Map<String, String> sleepActionMap = new HashMap<String, String>();sleepActionMap.put("runAction", "run");stateMap.put("sleep", sleepActionMap);// stop状态下可以执行的动作Map<String, String> stopActionMap = new HashMap<String, String>();stopActionMap.put("runAction", "run");stateMap.put("stop", stopActionMap);}public String getNextState(String curState, String action) {Map<String, String> curStateMap = stateMap.get(curState);if (curStateMap == null) {System.out.println("curState error");return "";}String nextState = curStateMap.get(action);if (nextState == null) {System.out.println("acction error");return "";}return nextState;}public static void main(String[] args) {StateMachine sm = new StateMachine();String nextState = sm.getNextState("init", "runAction");System.out.println(nextState);nextState = sm.getNextState("run", "stopAction");System.out.println(nextState);nextState = sm.getNextState("stop", "runAction");System.out.println(nextState);nextState = sm.getNextState("run", "endAction");System.out.println(nextState);nextState = sm.getNextState("stop", "endAction");System.out.println(nextState);nextState = sm.getNextState("stops", "endAction");System.out.println(nextState);}
}