状态模式

引言

在软件开发中，当对象需要根据内部状态变化改变行为时（如订单状态流转、游戏角色动作切换），传统的if-else或switch-case会导致代码臃肿和维护困难。状态模式通过封装状态行为与解耦状态转换，实现了对象行为的动态切换，成为复杂状态管理的优雅解决方案。

诞生背景

GoF在《设计模式》中提出状态模式，解决三大核心痛点：

• 行为耦合：对象行为与状态强绑定，修改状态需改动所有相关方法
• 条件爆炸：状态判断逻辑随状态数量指数级增长
• 扩展困难：新增状态需修改所有状态转换代码

演进过程

• GoF基础（1994）：确立状态接口与上下文协作关系
• 工作流引擎演进：BPMN等系统将状态模式扩展为可视化状态机
• 现代应用：前端框架的状态管理库（如Redux、XState）实现状态模式的工程化

核心概念

• 上下文（Context）：持有当前状态对象，定义客户端接口
• 抽象状态（State）：声明状态特定行为的接口
• 具体状态（ConcreteState）：实现当前状态对应的行为逻辑

通用实现

Java 实现

// 抽象状态
interface OrderState {
    void next(OrderContext context);
    void prev(OrderContext context);
}

// 具体状态：已下单
class PlacedState implements OrderState {
    public void next(OrderContext context) {
        context.setState(new ShippedState());
    }
    public void prev(OrderContext context) {
        System.out.println("已是最初状态");
    }
}

// 具体状态：已发货
class ShippedState implements OrderState {
    public void next(OrderContext context) {
        context.setState(new DeliveredState());
    }
    public void prev(OrderContext context) {
        context.setState(new PlacedState());
    }
}

// 上下文
class OrderContext {
    private OrderState state;
  
    public OrderContext() {
        this.state = new PlacedState(); // 初始状态
    }
  
    public void setState(OrderState state) {
        this.state = state;
    }
  
    public void nextState() {
        state.next(this);
    }
  
    public void prevState() {
        state.prev(this);
    }
}

// 客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        OrderContext order = new OrderContext();
        order.nextState(); // 状态切换：已下单 → 已发货
    }
}

PHP 实现

// 抽象状态
interface ElevatorState {
    public function openDoors(): void;
    public function closeDoors(): void;
}

// 具体状态：停止状态
class StoppedState implements ElevatorState {
    public function openDoors(): void {
        echo "开门中...\n";
    }
    public function closeDoors(): void {
        echo "门已关闭\n";
    }
}

// 具体状态：运行状态
class RunningState implements ElevatorState {
    public function openDoors(): void {
        throw new Exception("运行中不能开门！");
    }
    public function closeDoors(): void {
        echo "门已关闭\n";
    }
}

// 上下文
class ElevatorContext {
    private ElevatorState $state;
  
    public function __construct() {
        $this->state = new StoppedState(); // 初始状态
    }
  
    public function setState(ElevatorState $state): void {
        $this->state = $state;
    }
  
    public function requestOpen(): void {
        $this->state->openDoors();
    }
  
    public function startMoving(): void {
        $this->state = new RunningState();
        echo "电梯开始运行\n";
    }
}

// 客户端
$elevator = new ElevatorContext();
$elevator->requestOpen(); // 开门成功
$elevator->startMoving();
$elevator->requestOpen(); // 抛出异常：运行中不能开门

应用场景

• 工作流引擎：订单状态流转（待付款→已发货→已完成）
• 游戏开发：角色状态切换（站立→奔跑→跳跃）
• 硬件控制：设备状态管理（待机→运行→故障）
• UI交互：组件状态变更（禁用→激活→加载中）

案例：音乐播放器状态控制

Java 实现

// 抽象状态
interface PlayerState {
    void play(PlayerContext context);
    void pause(PlayerContext context);
}

// 具体状态：播放状态
class PlayingState implements PlayerState {
    public void play(PlayerContext context) {
        System.out.println("已在播放中");
    }
    public void pause(PlayerContext context) {
        context.setState(new PausedState());
        System.out.println("暂停播放");
    }
}

// 具体状态：暂停状态
class PausedState implements PlayerState {
    public void play(PlayerContext context) {
        context.setState(new PlayingState());
        System.out.println("继续播放");
    }
    public void pause(PlayerContext context) {
        System.out.println("已是暂停状态");
    }
}

// 上下文
class PlayerContext {
    private PlayerState state = new PausedState();
  
    public void setState(PlayerState state) {
        this.state = state;
    }
  
    public void pressPlay() {
        state.play(this);
    }
  
    public void pressPause() {
        state.pause(this);
    }
}

// 客户端
PlayerContext player = new PlayerContext();
player.pressPlay(); // 继续播放
player.pressPause(); // 暂停播放

PHP 实现

// 抽象状态
interface TrafficLightState {
    public function change(TrafficLightContext $context): void;
}

// 具体状态：红灯
class RedLight implements TrafficLightState {
    public function change(TrafficLightContext $context): void {
        echo "红灯 → 绿灯\n";
        $context->setState(new GreenLight());
    }
}

// 具体状态：绿灯
class GreenLight implements TrafficLightState {
    public function change(TrafficLightContext $context): void {
        echo "绿灯 → 黄灯\n";
        $context->setState(new YellowLight());
    }
}

// 具体状态：黄灯
class YellowLight implements TrafficLightState {
    public function change(TrafficLightContext $context): void {
        echo "黄灯 → 红灯\n";
        $context->setState(new RedLight());
    }
}

// 上下文
class TrafficLightContext {
    private TrafficLightState $state;
  
    public function __construct() {
        $this->state = new RedLight();
    }
  
    public function setState(TrafficLightState $state): void {
        $this->state = $state;
    }
  
    public function changeLight(): void {
        $this->state->change($this);
    }
}

// 客户端
$trafficLight = new TrafficLightContext();
$trafficLight->changeLight(); // 红灯 → 绿灯
$trafficLight->changeLight(); // 绿灯 → 黄灯
$trafficLight->changeLight(); // 黄灯 → 红灯

优点

• 开闭原则：新增状态无需修改现有代码
• 消除条件语句：用多态替代复杂的条件判断
• 职责清晰：每个状态类封装特定行为逻辑
• 状态转换显式化：转换逻辑集中在状态类中

缺点

• 类数量膨胀：状态过多导致类数量增加
• 上下文依赖：状态类需了解上下文信息
• 转换逻辑分散：状态转换逻辑分布在多个状态类中

扩展

• 状态共享：无内部状态的状态对象可设计为享元（Flyweight）
• 状态表驱动：使用Map存储状态转换规则（状态→事件→新状态）
• 层次化状态：通过继承实现状态行为的复用（如基类处理通用逻辑）

模式协作

• 与策略模式：状态模式根据状态改变行为，策略模式主动选择算法
• 与观察者模式：状态变更时可通知观察者（如订单状态更新通知）
• 与单例模式：无状态的状态对象可设计为单例

延伸思考

• 分布式状态机：Saga模式实现跨服务的分布式状态管理
• 前端状态管理：XState库将状态模式引入前端工作流
• AI行为树：游戏AI使用分层状态机实现复杂行为逻辑

总结

状态模式是行为动态切换的架构师，通过封装状态行为与解耦状态转换，实现了对象行为的优雅变化。其核心价值在于：消除条件分支的简洁之道与开闭原则的完美实践。在订单系统、游戏引擎、硬件控制等场景中，状态模式能显著提升代码可维护性和扩展性，成为状态驱动型系统的核心架构模式。