设计模式（二十一）行为型：状态模式详解

设计模式（二十一）行为型：状态模式详解

状态模式（State Pattern）是 GoF 23 种设计模式中的行为型模式之一，其核心价值在于允许一个对象在其内部状态改变时改变其行为，使得对象看起来像是修改了它的类。它通过将与特定状态相关的行为封装到独立的状态类中，将庞大的条件分支（如 if-else 或 switch-case）转化为对象间的委托关系，从而实现行为的动态切换与高度可扩展性。状态模式是构建复杂状态机、工作流引擎、游戏角色行为、网络连接管理、订单生命周期、UI 状态管理等系统的理想选择，是将“状态驱动行为”这一自然逻辑优雅映射到面向对象设计的关键范式。

一、详细介绍

状态模式解决的是“一个对象的行为取决于其内部状态，且状态数量较多、状态转换复杂、行为随状态频繁变化”的问题。在传统设计中，通常使用条件语句（如 switch）根据当前状态决定执行何种行为。这导致：

• 代码臃肿：所有状态相关的行为集中在单一类中，方法庞大。
• 难以维护：新增状态或修改状态转换逻辑需要修改大量 switch 语句。
• 违反单一职责原则：一个类承担了所有状态的行为。
• 违反开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。

状态模式的核心思想是：将每个状态封装成一个独立的类，每个状态类实现与该状态相关的行为。原对象（上下文）持有当前状态对象的引用，并将状态相关的行为委托给当前状态对象执行。

该模式包含以下核心角色：

• Context（上下文）：定义客户端使用的接口，维护一个对 State 对象的引用，表示当前状态。它将状态相关的行为委托给当前状态对象。
• State（状态接口）：定义所有具体状态类共有的接口，声明与状态相关的行为方法（如 handle()）。
• ConcreteStateA, ConcreteStateB, …（具体状态类）：实现 State 接口，封装与特定状态相关的行为。每个具体状态类知道在特定操作下应如何响应，并可能在响应后改变上下文的当前状态（即状态转换）。

状态模式的关键优势：

• 消除复杂条件语句：将 switch 逻辑转化为多态方法调用。
• 符合开闭原则：新增状态只需添加新的具体状态类，无需修改现有代码。
• 符合单一职责原则：每个状态类只负责一种状态的行为。
• 提高可维护性：状态行为集中，逻辑清晰。
• 支持动态状态转换：状态转换由状态对象内部决定或由上下文协调。

与“策略模式”相比，策略模式关注算法的替换，状态模式关注状态驱动的行为变化；策略通常由客户端选择，状态由内部逻辑自动转换。与“观察者模式”相比，观察者是一对多通知，状态是单对象行为切换。与“命令模式”相比，命令封装请求，状态封装行为。

状态模式适用于：

• 对象有明确的状态概念（如订单：新建、已支付、已发货、已完成）。
• 行为随状态变化而变化。
• 状态转换逻辑复杂。
• 需要避免庞大的条件语句。

二、状态模式的UML表示

以下是状态模式的标准 UML 类图：

图解说明：

• Context 持有对 State 的引用，代表当前状态。
• Context 的 request() 方法将调用委托给当前 State 的 handle()。
• ConcreteState 实现 handle()，执行特定于该状态的行为，并可能调用 Context 的 setState() 来触发状态转换。
• 状态转换可以由状态对象自身决定，或由 Context 根据业务逻辑协调。

三、一个简单的Java程序实例及其UML图

以下是一个 TCP 连接状态机的简化示例，包含 CLOSED, LISTEN, ESTABLISHED, CLOSE_WAIT 状态。

Java 程序实例

// 状态接口
interface TCPState {void activeOpen(TCPConnection context);void passiveOpen(TCPConnection context);void close(TCPConnection context);void acknowledge(TCPConnection context);void send(TCPConnection context);String getStateName(); // 用于显示
}// 上下文：TCP连接
class TCPConnection {private TCPState currentState;// 预定义状态实例（可单例）private static final TCPState CLOSED = new ClosedState();private static final TCPState LISTEN = new ListenState();private static final TCPState ESTABLISHED = new EstablishedState();private static final TCPState CLOSE_WAIT = new CloseWaitState();public TCPConnection() {this.currentState = CLOSED;System.out.println("🔌 连接初始化为 CLOSED 状态");}// 状态相关操作，委托给当前状态public void activeOpen() {System.out.println("👉 客户端发起主动打开...");currentState.activeOpen(this);}public void passiveOpen() {System.out.println("👉 服务端发起被动打开...");currentState.passiveOpen(this);}public void close() {System.out.println("👉 发起关闭连接...");currentState.close(this);}public void acknowledge() {System.out.println("👉 收到确认...");currentState.acknowledge(this);}public void send() {System.out.println("👉 发送数据...");currentState.send(this);}// 状态转换方法public void changeState(TCPState newState) {if (this.currentState != null) {System.out.println("🔄 状态转换: " + this.currentState.getStateName() + " → " + newState.getStateName());}this.currentState = newState;}// 获取当前状态（用于状态判断，可选）public TCPState getCurrentState() {return currentState;}// 预定义状态的获取方法（简化客户端使用）public static TCPState getClosedState() { return CLOSED; }public static TCPState getListenState() { return LISTEN; }public static TCPState getEstablishedState() { return ESTABLISHED; }public static TCPState getCloseWaitState() { return CLOSE_WAIT; }
}// 具体状态：CLOSED
class ClosedState implements TCPState {@Overridepublic void activeOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ CLOSED: 执行主动打开 -> 发送 SYN, 进入 SYN_SENT (本例简化为直接进入 ESTABLISHED)");context.changeState(TCPConnection.getEstablishedState());}@Overridepublic void passiveOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ CLOSED: 执行被动打开 -> 进入 LISTEN");context.changeState(TCPConnection.getListenState());}@Overridepublic void close(TCPConnection context) {System.out.println("  ⚠️  CLOSED: 连接已关闭，无需操作");}@Overridepublic void acknowledge(TCPConnection context) {System.out.println("  ❌ CLOSED: 无法处理确认");}@Overridepublic void send(TCPConnection context) {System.out.println("  ❌ CLOSED: 连接未建立，无法发送");}@Overridepublic String getStateName() {return "CLOSED";}
}// 具体状态：LISTEN
class ListenState implements TCPState {@Overridepublic void activeOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ LISTEN: 收到 SYN -> 发送 SYN-ACK, 进入 SYN_RECEIVED (本例简化为进入 ESTABLISHED)");context.changeState(TCPConnection.getEstablishedState());}@Overridepublic void passiveOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ⚠️  LISTEN: 已在监听状态");}@Overridepublic void close(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ LISTEN: 关闭监听 -> 进入 CLOSED");context.changeState(TCPConnection.getClosedState());}@Overridepublic void acknowledge(TCPConnection context) {System.out.println("  ❌ LISTEN: 未建立连接，无法确认");}@Overridepublic void send(TCPConnection context) {System.out.println("  ❌ LISTEN: 连接未建立，无法发送");}@Overridepublic String getStateName() {return "LISTEN";}
}// 具体状态：ESTABLISHED
class EstablishedState implements TCPState {@Overridepublic void activeOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ⚠️  ESTABLISHED: 连接已建立，无需打开");}@Overridepublic void passiveOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ⚠️  ESTABLISHED: 连接已建立，无需打开");}@Overridepublic void close(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ ESTABLISHED: 发送 FIN -> 进入 FIN_WAIT_1 (本例简化为进入 CLOSE_WAIT)");context.changeState(TCPConnection.getCloseWaitState());}@Overridepublic void acknowledge(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ ESTABLISHED: 确认数据包");// 通常发送 ACK}@Overridepublic void send(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ ESTABLISHED: 数据发送成功");// 发送数据包}@Overridepublic String getStateName() {return "ESTABLISHED";}
}// 具体状态：CLOSE_WAIT
class CloseWaitState implements TCPState {@Overridepublic void activeOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ❌ CLOSE_WAIT: 连接正在关闭，无法打开");}@Overridepublic void passiveOpen(TCPConnection context) {System.out.println("  ❌ CLOSE_WAIT: 连接正在关闭，无法打开");}@Overridepublic void close(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ CLOSE_WAIT: 发送 FIN -> 进入 LAST_ACK (本例简化为进入 CLOSED)");context.changeState(TCPConnection.getClosedState());}@Overridepublic void acknowledge(TCPConnection context) {System.out.println("  ✅ CLOSE_WAIT: 确认对方的 FIN");}@Overridepublic void send(TCPConnection context) {System.out.println("  ⚠️  CLOSE_WAIT: 可能允许发送最后数据，但本例禁止");}@Overridepublic String getStateName() {return "CLOSE_WAIT";}
}// 客户端使用示例
public class StatePatternDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("🌐 TCP 连接状态机 - 状态模式示例\n");TCPConnection connection = new TCPConnection();System.out.println("\n--- 客户端连接流程 ---");connection.activeOpen(); // CLOSED -> ESTABLISHEDconnection.send();       // 发送数据connection.acknowledge(); // 确认connection.close();      // ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> CLOSEDSystem.out.println("\n--- 服务端连接流程 ---");connection.passiveOpen(); // CLOSED -> LISTENconnection.activeOpen();  // LISTEN -> ESTABLISHED (收到客户端 SYN)connection.send();        // 发送数据connection.close();       // ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> CLOSEDSystem.out.println("\n--- 在 CLOSED 状态尝试无效操作 ---");connection.send();        // 应提示无法发送}
}

实例对应的UML图（简化版）

运行说明：

• TCPConnection 是上下文，持有当前 TCPState。
• 每个操作（activeOpen, close 等）被委托给当前状态对象的对应方法。
• 状态方法执行特定行为，并可能调用 changeState() 触发状态转换。
• 不同状态对同一操作的响应不同（如 CLOSED 和 ESTABLISHED 对 send 的处理）。
• 状态转换逻辑内置于状态类中，清晰且可扩展。

四、总结

状态模式使用建议：

• 状态类可设计为单例（无状态或共享状态）。
• 状态转换可由状态对象自身决定，或由上下文根据业务规则协调。
• 可结合“工厂模式”创建状态对象。
• 在 Java 中，enum 可实现简单状态模式（每个枚举常量实现接口）。

架构师洞见：
状态模式是“有限状态机（FSM）”在面向对象中的优雅实现。在现代架构中，其思想已演变为工作流引擎（如 Camunda, Airflow）、事件驱动状态管理（Redux, Vuex）、服务编排（Kubernetes Operators） 和 AI Agent 的决策状态 的核心。例如，Redux 的 reducer 函数根据 action 和当前 state 计算新 state，本质是状态模式的函数式变体；微服务的 Saga 模式管理分布式事务状态；在自动驾驶中，车辆行为模式（巡航、变道、停车）是复杂的状态机。

未来趋势是：状态模式将与形式化方法结合，实现状态机的自动验证；在量子计算中，量子态的演化可建模为状态转换；在元宇宙中，虚拟角色的行为状态（行走、战斗、交互）由状态模式驱动；在AI中，LLM Agent 的“思考-行动-观察”循环可视为一个高级状态机。

掌握状态模式，是设计复杂业务逻辑、高可靠性系统的关键。作为架构师，应在面对“多状态、多行为、复杂转换”的领域模型时，果断采用状态模式。它不仅是模式，更是系统确定性的保障——它将混沌的条件逻辑转化为清晰、可验证、可演进的状态图，让系统的每一次行为变迁都变得可预测、可追溯、可管理，从而构建出真正健壮、可信赖的软件系统。