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本文的概念性内容来自深入浅出设计模式一书

项目需求

这是一个糖果机的需求图.

它有四种状态, 分别是图中的四个圆圈:

No Quarter: 无硬币
Has Quater 有硬币
Gumball Sold 糖果卖出
Out of Gumball 没有糖果了

这个图很像一个状态图. 每个圆圈就是一个状态, 每个带箭头的线就是状态的转换.

这个需求用文字描述就是: 糖果机在没投硬币的时候, 可以投硬币, 投完硬币, 搬动手柄, 糖果就会出来, 如果糖果机里没有糖果了, 那么就无法再卖糖果了.

初步设计

这个需求看起来还是蛮简单的, 我想可以这样来实现:

1. 整理好所有的状态, 一共有4个:

2. 创建一个实例变量来保存当前的状态, 并为每个状态定义一个值:

3. 整理好系统中可能发生的动作:

4. 创建一个类作为状态机, 针对每一个动作, 我们创建一个方法, 在方法里我们使用条件语句来决定在每个状态中该行为是否合理. 例如, 投入硬币后, 我们可能需要下面这个方法:

注意: 最后一个if中, 有改变状态的动作(如果之前的状态是没有硬币, 那么投入硬币后, 状态应改为有硬币).

下面来实现这个状态机:

代码量还是不小啊, 这里面主要做的就是在每个动作方法里, 判断各种状态, 如何合理就改变状态.

运行一下:

结果:

看起来一切都OK了, 直到:

需求变更

糖果机老板说, 我想买糖果变成一个游戏, 投硬币买糖果的人中的10%在搬动手柄后将会得到两个糖果而不是一个.

现在的状态开始有点乱了:

随着需求的变化, 我们设计会导致越来越多的bug...

回想一下设计原则: "把变化的部分封装起来" 和 "尽量使用组合". 我们可以把每个状态的行为放到它自己的类里面, 然后每个动作只需要实现自己状态下的动作即可. 而且也许糖果机可以使用状态对象来委托表示自己当前的状态.

重新设计

这次我们就把状态的行为封装到各个状态对象里面, 并在动作发生的时候委托到当前的状态.

1. 首先, 定义一个状态接口, 这个接口包含糖果机的每个动作

2. 针对每种状态, 实现一个具体的状态类. 这些类将负责糖果机在改状态下的行为.

3. 最后, 去掉那些条件判断代码, 把这些工作委托给状态类.

上面要实现的就是状态模式 (State Pattern).

把一个状态所有的行为放到一个类里面, 这样, 就实现了本地化并且便于修改和理解.

设计类图:

这里我们使用状态类来代替初版设计中的数值.

当然别忘了这个状态:

现在我直接使用C#实现这些状态:

状态接口:

namespace StatePattern.Abstractions
{
    public interface IState
    {
        void InjectQuarter();
        void EjectQuarter();
        void TurnCrank();
        void Dispense();
    }
}

五个状态, 有硬币:

using System;
using StatePattern.Abstractions;
using StatePattern.Machines;

namespace StatePattern.States
{
    public class HasQuarterState : IState
    {
        private readonly GumballMachine _gumballMachine;
        private readonly Random _random = new Random();

        public HasQuarterState(GumballMachine gumballMachine)
        {
            _gumballMachine = gumballMachine;
        }

        public void InjectQuarter()
        {
            Console.WriteLine("You can’t insert another quarter");
        }

        public void EjectQuarter()
        {
            Console.WriteLine("Quarter returned");
            _gumballMachine.State = _gumballMachine.NoQuarterState;
        }

        public void TurnCrank()
        {
            Console.WriteLine("You turned...");
            var winner = _random.Next(0, 10);
            if (winner == 0 && _gumballMachine.Count > 1)
            {
                _gumballMachine.State = _gumballMachine.WinnerState;
            }
            else
            {
                _gumballMachine.State = _gumballMachine.SoldState;
            }
        }

        public void Dispense()
        {
            Console.WriteLine("No gumball dispensed");
        }

        public override string ToString()
        {
            return "just being inserted with a quarter";
        }
    }
}

无硬币:

 View Code

卖光了:

 View Code

刚刚卖出糖果:

 View Code

中奖了:

 View Code

糖果机:

using System;
using StatePattern.Abstractions;
using StatePattern.States;

namespace StatePattern.Machines
{
    public class GumballMachine
    {
        public IState SoldOutState { get; set; }
        public IState NoQuarterState { get; set; }
        public IState HasQuarterState { get; set; }
        public IState SoldState { get; set; }
        public IState WinnerState { get; set; }
        public IState State { get; set; }
        public int Count { get; set; }

        public GumballMachine(int numberOfGumballs)
        {
            SoldState = new SoldState(this);
            NoQuarterState = new NoQuarterState(this);
            HasQuarterState = new HasQuarterState(this);
            SoldOutState = new SoldOutState(this);
            WinnerState = new WinnerState(this);

            Count = numberOfGumballs;
            if (Count > 0)
            {
                State = NoQuarterState;
            }
        }

        public void InjectQuarter()
        {
            State.InjectQuarter();
        }

        public void EjectQuarter()
        {
            State.EjectQuarter();
        }

        public void TurnCrank()
        {
            State.TurnCrank();
            State.Dispense();
        }

        public void ReleaseBall()
        {
            Console.WriteLine("A gumball comes rolling out the slot...");
            if (Count != 0)
            {
                Count--;
            }
        }

        public void Refill(int count)
        {
            Count += count;
            State = NoQuarterState;
        }

        public override string ToString()
        {
            return $"Mighty Gumball, Inc.\nC#-enabled Standing Gumball Model #2018\nInventory: {Count} gumballs\nThe machine {State} ";
        }
    }
}

注意糖果机里面的状态使用的是对象而不是原来的数值.

运行:

using System;
using StatePattern.Machines;

namespace StatePattern
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var originalColor = Console.ForegroundColor;

            var machine = new GumballMachine(5);
            Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Blue;
            Console.WriteLine(machine);

            Console.ForegroundColor = originalColor;
            Console.WriteLine();
            machine.InjectQuarter();
            machine.TurnCrank();
            Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Blue;
            Console.WriteLine(machine);

            Console.ForegroundColor = originalColor;
            Console.WriteLine();
            machine.InjectQuarter();
            machine.TurnCrank();
            machine.InjectQuarter();
            machine.TurnCrank();
            machine.InjectQuarter();
            machine.TurnCrank();
            machine.InjectQuarter();
            machine.TurnCrank();
            Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Blue;
            Console.WriteLine(machine);

            Console.ReadKey();
        }
    }
}