设计模式（状态模式）

概述

在实际的软件开发中，状态模式并不是很常用，但是在能够用到的场景里，它可以发挥很大的作用。从这一点上来看，它有点像我们之前讲到的组合模式。
状态模式一般用来实现状态机，而状态机常用在游戏、工作流引擎等系统开发中。不过，状态机的实现方式有多种，除了状态模式，比较常用的还有分支逻辑法和查表法。今天，我们就详细讲讲这几种实现方式，并且对比一下它们的优劣和应用场景。

什么是有限状态机？

有限状态机，英文翻译是Finite State Machine，缩写为FSM，简称为状态机。状态机有3个组成部分：状态（State）、事件（Event）、动作（Action）。其中，事件也称为转移条件（Transition Condition）。事件触发状态的转移及动作的执行。不过，动作不是必须的，也可能只转移状态，不执行任何动作。

• 状态（State）：系统在某一时刻的条件或配置。在订单系统中，状态可能包括“新订单”、“已付款”、“已发货”等。
• 事件（Event）：触发状态变化的因素，例如用户行为、系统内部进程或时间触发器。在订单管理中，事件包括“付款完成”、“订单发货”等。
• 动作（Action）：发生状态转移时执行的操作，比如通知用户、记录日志等。

为了更好地理解这些概念，可以想象下订单之后，系统开始跟踪订单从“新订单”到“已完成”或者“已取消”的全过程。每个状态都有可能由某些事件触发向下一个状态转移。

实战

下面，我会用一个订单状态流转的例子，带大家深入了解有限状态机，让我们先画出来订单的状态流转图。

这是订单状态的流转图，我们如何来编程实现上面的状态机呢？下面有三种方法来实现这个状态机，每个方法各有优缺点。

1. 分支逻辑法

分支逻辑法是最直接的实现方法，通过条件判断语句来实现状态转移。
其优势在于简单直观，适用于状态较少且逻辑简单的订单处理场景。但随着状态数量增加，会导致代码繁琐、冗长，维护难度增加。
以下是订单状态机的分支逻辑法示例代码：

public enum State {NEW_ORDER, PAID, SHIPPED, COMPLETED, CANCELLED
}public class OrderStateMachine {private State currentState;public OrderStateMachine() {this.currentState = State.NEW_ORDER; // 设置初始状态为新订单}// 确认支付状态过渡public void confirmPayment() {if (currentState.equals(State.NEW_ORDER)) {this.currentState = State.PAID; // 转移到已付款状态System.out.println("Payment confirmed. New order state: PAID");} else {System.out.println("Invalid state transition from " + currentState + " to PAID.");}}// 发货状态过渡public void shipOrder() {if (currentState.equals(State.PAID)) {this.currentState = State.SHIPPED; // 转移到已发货状态System.out.println("Order shipped. New order state: SHIPPED");} else {System.out.println("Invalid state transition from " + currentState + " to SHIPPED.");}}// 确认交货状态过渡public void confirmDelivery() {if (currentState.equals(State.SHIPPED)) {this.currentState = State.COMPLETED; // 交货确认后订单完成System.out.println("Delivery confirmed. New order state: COMPLETED");} else {System.out.println("Invalid state transition from " + currentState + " to COMPLETED.");}}// 取消订单状态过渡public void cancelOrder() {if (currentState.equals(State.NEW_ORDER)) {this.currentState = State.CANCELLED; // 未支付订单可取消System.out.println("Order cancelled. New order state: CANCELLED");} else {System.out.println("Order cannot be cancelled in its current state " + currentState + ".");}}
}

对于简单的状态机来说，分支逻辑这种实现方式是可以接受的。但是，对于复杂的状态机来说，这种实现方式极易漏写或者错写某个状态转移。除此之外，代码中充斥着大量的if-else或者switch-case分支判断逻辑，可读性和可维护性都很差。如果哪天修改了状态机中的某个状态转移，我们要在冗长的分支逻辑中找到对应的代码进行修改，很容易改错，引入bug。

2. 查表法

查表法通过用二维数组来映射状态和事件之间的转换关系，使代码结构更加清晰易维护。查表法适合处理复杂状态机，因为表格可以方便地更新状态和事件逻辑。以下是实现代码：

public enum Event {CONFIRM_PAYMENT, SHIP_ORDER, CONFIRM_DELIVERY, CANCEL_ORDER
}public class OrderStateMachineTable {private State currentState;// 状态转移表：行是当前状态，列是事件private static final State[][] stateTransitionTable = {{State.CANCELLED, State.PAID, State.NEW_ORDER}, // NEW_ORDER{State.PAID, State.SHIPPED, State.PAID}, // PAID{State.CANCELLED, State.COMPLETED, State.RETURNED} // SHIPPED};// 动作表：对应状态变化时执行的动作描述private static final String[][] actionTable = {{"Notify cancel", "Update payment status", ""}, // NEW_ORDER{"", "Notify shipment", ""}, // PAID{"", "Update delivery status", "Initiate return"} // SHIPPED};public OrderStateMachineTable() {this.currentState = State.NEW_ORDER; // 初始化状态为新订单}// 执行事件并根据表更新状态public void executeEvent(Event event) {int stateIndex = currentState.ordinal(); // 当前状态索引int eventIndex = event.ordinal(); // 事件索引this.currentState = stateTransitionTable[stateIndex][eventIndex]; // 获取新状态String action = actionTable[stateIndex][eventIndex]; // 获取动作描述System.out.println("Executing action: " + action + ", New State: " + currentState);}
}

在这个代码示例中，状态和事件通过表格映射，实现逻辑分离和清晰的状态管理。表格能够方便地更新和维护，适于项目中状态复杂的场景。

3. 状态模式

状态模式通过面向对象的方式，将每种状态的行为封装在独立的类中。这种方法使得每个状态的处理逻辑更为独立和清晰，特别适用于具有复杂业务逻辑的订单系统。下面是完整的代码实现：

interface OrderState {void confirmPayment(OrderStateMachineContext context);void shipOrder(OrderStateMachineContext context);void confirmDelivery(OrderStateMachineContext context);void cancelOrder(OrderStateMachineContext context);
}class NewOrderState implements OrderState {private static final NewOrderState instance = new NewOrderState();private NewOrderState() {}public static NewOrderState getInstance() {return instance;}@Overridepublic void confirmPayment(OrderStateMachineContext context) {context.setCurrentState(PaidState.getInstance()); // 切换到已付款状态System.out.println("Payment confirmed. State: PAID");}@Overridepublic void shipOrder(OrderStateMachineContext context) {System.out.println("Order must be paid before shipping.");}@Overridepublic void confirmDelivery(OrderStateMachineContext context) {System.out.println("Cannot confirm delivery for a new order.");}@Overridepublic void cancelOrder(OrderStateMachineContext context) {context.setCurrentState(CancelledState.getInstance()); // 切换到已取消状态System.out.println("Order cancelled. State: CANCELLED");}
}// 类似地，实现 PaidState, ShippedState, CompletedState, CancelledStateclass OrderStateMachineContext {private OrderState currentState;public OrderStateMachineContext() {this.currentState = NewOrderState.getInstance(); // 初始状态为新订单}public void setCurrentState(OrderState state) {this.currentState = state; // 更新当前状态}public void confirmPayment() {currentState.confirmPayment(this); // 调用当前状态的支付确认处理}public void shipOrder() {currentState.shipOrder(this); // 调用当前状态的订单发货处理}public void confirmDelivery() {currentState.confirmDelivery(this); // 调用当前状态的交货确认处理}public void cancelOrder() {currentState.cancelOrder(this); // 调用当前状态的订单取消处理}
}

在状态模式中，每个状态的行为都被封装在独立的类中，令业务处理更为清晰和可扩展。通过面向对象设计原则，状态模式确保了系统的灵活性和可维护性。

总结

今天我们讲解了状态模式。虽然网上有各种状态模式的定义，但是你只要记住状态模式是状态机的一种实现方式即可。状态机又叫有限状态机，它有3个部分组成：状态、事件、动作。其中，事件也称为转移条件。事件触发状态的转移及动作的执行。不过，动作不是必须的，也可能只转移状态，不执行任何动作。
针对状态机，今天我们总结了三种实现方式。
第一种实现方式叫分支逻辑法。利用if-else或者switch-case分支逻辑，参照状态转移图，将每一个状态转移原模原样地直译成代码。对于简单的状态机来说，这种实现方式最简单、最直接，是首选。
第二种实现方式叫查表法。对于状态很多、状态转移比较复杂的状态机来说，查表法比较合适。通过二维数组来表示状态转移图，能极大地提高代码的可读性和可维护性。
第三种实现方式叫状态模式。对于状态并不多、状态转移也比较简单，但事件触发执行的动作包含的业务逻辑可能比较复杂的状态机来说，我们首选这种实现方式