Также известен как State

Состояние

Суть паттерна

Состояние — это поведенческий паттерн проектирования, который позволяет объектам менять поведение в зависимости от своего состояния. Извне создаётся впечатление, что изменился класс объекта.

Проблема

Паттерн Состояние невозможно рассматривать в отрыве от концепции машины состояний (также известной как стейт-машина или конечный автомат).

Конечный автомат

Конечный автомат.

Основная идея в том, что программа может находиться в одном из нескольких состояний, которые всё время сменяют друг друга. Набор этих состояний, а также переходов между ними предопределён и конечен. Находясь в разных состояниях, программа может по-разному реагировать на одни и те же события, которые происходят с ней.

Такой подход может быть применён и к отдельным объектам. Например, объект Документ может принимать три состояния: Черновик, Модерация или Опубликован. В каждом из них его метод опубликовать будет работать по-разному:

  • В первом случае, он отправит документ на модерацию.
  • Во втором — отправит документ в публикацию, но при условии, что это сделал администратор.
  • А в последнем — и вовсе ничего не будет делать.
Возможные состояния страницы и переходы между ними

Возможные состояния страницы и переходы между ними.

Машину состояний чаще всего реализуют с помощью множества условных операторов, if либо switch, которые проверяют текущее состояние объекта и выполняют соответствующее поведение. Наверняка вы уже реализовали хотя бы одну машину состояний в своей жизни, даже не зная об этом. Как на счёт вот такого кода, выглядит знакомо?

class Document
    string state;
    // ...
    method publish() {
        switch (state) {
            "draft":
                state = "moderation";
                break;
            "moderation":
                if (currentUser.role == 'admin')
                    state = "published"
                break;
            "published":
                // Do nothing.
        }
    }
    // ...

Основная проблема машины состояний построенной таким образом проявится, если в Документ добавить ещё десяток состояний. Каждый метод будет состоять из увесистого условного оператора, перебирающего доступные состояния.

Такой код крайне сложно поддерживать, так как любое изменение логики переходов влечёт за собой путешествие по всем методам и их условным операторам в поисках веток, которые изменились.

Путаница и нагромождение условий особенно сильно проявляется в старых проектах. Набор возможных состояний бывает трудно предопределить заранее, поэтому они всё время добавляются в процессе эволюции программы. Таким образом, то, что выглядело простым и эффективным в самом начале, может впоследствии стать проекцией большого макаронного монстра.

Решение

Паттерн Состояние предлагает создать отдельные классы для каждого состояния, в котором может пребывать контекстный объект, а затем вынести туда поведения, соответствующие этим состоянию.

Вместо того чтобы хранить код всех состояний, первоначальный объект (называемый «контекстом») будет содержать ссылку на один из объектов-состояний и делегировать ему работу, зависящую от состояния.

Страница делегирует выполнение своему активному состоянию

Страница делегирует выполнение своему активному состоянию.

Благодаря тому, что состояния будут иметь общий интерфейс, контекст сможет делегировать работу состоянию, не привязываясь к его классу. Состояние и поведение контекста можно будет изменить в любой момент, подключив к нему другой объект-состояние.

Очень важным нюансом, отличающим этот паттерн от Стратегии, является то, что и контекст, и сами конкретные состояния могут знать друг о друге и инициировать переходы от одного состояния к другому.

Аналогия из жизни

Смартфон

Ваш смартфон ведёт себя по-разному, в зависимости от текущего состояния:

  • Когда телефон разблокирован, нажатие кнопок телефона приводит к каким-то действиям.
  • Когда телефон заблокирован, нажатие кнопок приводит к экрану разблокировки.
  • Когда телефон разряжен, нажатие кнопок приводит к экрану зарядки.

Структура

Структура классов паттерна Состояние
  1. Контекст хранит ссылку на объект состояния и делегирует ему работу, зависящую от внутреннего состояния. Контекст работает с этим объектом через общий интерфейс состояний. Контекст должен иметь метод для присваивания ему ныового объекта-состояния.

  2. Состояние описывает общий интерфейс для всех конкретных состояний.

  3. Конкретные состояния реализуют поведения, связанные с определённым состоянием контекста. Иногда приходится создавать целые иерархии классов состояний, чтобы обобщить дублирующий код.

    Состояние может иметь обратную ссылку на объект контекста. Через неё не только удобно получать из контекста нужную информацию, но и осуществлять смену его состояния.

  4. И контекст, и объекты конкретных состояний могут решать, когда и какое следующее состояние будет выбрано. Чтобы переключить состояние, нужно подать другой объект-состояние в контекст.

Псевдокод

В этом примере Состояние изменяет функциональность одних и тех же элементов управления музыкальным проигрывателем, в зависимости от текущего состояния проигрывания.

Структура классов примера паттерна Состояние

Пример изменение поведения проигрывателя с помощью состояний.

Объект проигрывателя содержит объект-состояние, которому и делегирует основную работу. Изменяя состояния, можно менять то, как ведут себя элементы управления проигрывателя.

// Общий интерфейс всех состояний.
abstract class State is
    protected field player: Player

    // Контекст передаёт себя в конструктор состояния, чтобы состояние могло
    // обращаться к его данным и методам в будущем, если потребуется.
    constructor State(player) is
        this.player = player

    abstract method onLock()
    abstract method onPlay()
    abstract method onNext()
    abstract method onPrevious()


// Конкретные состояния реализуют методы абстрактного состояния по-своему.
class LockedState is
    method onLock() is
        if (player.playing)
            player.changeState(new PlayingState(player))
        else
            player.changeState(new ReadyState(player))

    method onPlay() is
        Do nothing.

    method onNext() is
        Do nothing.

    method onPrevious() is
        Do nothing.


// Они также могут переводить контекст в другие состояния.
class ReadyState is
    method onLock() is
        player.changeState(new LockedState(player))

    method onPlay() is
        player.startPlayback()
        player.changeState(new PlayingState(player))

    method onNext() is
        player.nextSong()

    method onPrevious() is
        player.previousSong()


class PlayingState is
    method onLock() is
        player.changeState(new LockedState(player))

    method onPlay() is
        player.stopPlayback()
        player.changeState(new ReadyState(player))

    method onNext() is
        if (event.doubleclick)
            player.nextSong()
        else
            player.fastForward(5)

    method onPrevious() is
        if (event.doubleclick)
            player.previous()
        else
            player.previousSong(5)


// Проигрыватель играет роль контекста.
class Player is
    field state: State
    field UI, volume, playlist, currentSong

    constructor Player() is
        this.state = new ReadyState(this)

        // Контекст заставляет состояние реагировать на пользовательский ввод
        // вместо себя. Реакция может быть разной в зависимости от того, какое
        // состояние сейчас активно.
        UI = new UserInterface()
        UI.lockButton.onClick(this.onLock)
        UI.playButton.onClick(this.onPlay)
        UI.nextButton.onClick(this.onNext)
        UI.prevButton.onClick(this.onPrevious)

    // Другие объекты должны иметь возможность заменить состояние проигрывателя.
    method changeState(state: State) is
        this.state = state

    // Методы UI будут делегировать работу активному состоянию.
    method onLock() is
        state.onLock()
    method onPlay() is
        state.onPlay()
    method onNext() is
        state.onNext()
    method onPrevious() is
        state.onPrevious()

    // Сервисные методы контекста, вызываемые состояниями.
    method startPlayback() is
        // ...
    method stopPlayback() is
        // ...
    method nextSong() is
        // ...
    method previousSong() is
        // ...
    method fastForward(time) is
        // ...
    method rewind(time) is
        // ...

Применимость

Когда у вас есть объект, поведение которого кардинально меняется в зависимости от внутреннего состояния. Причём типов состояний много и их код часто изменяется.

Паттерн предлагает создать класс для каждого такого состояния, а затем переместить туда все поля и методы, связанные с состоянием. Первоначальный класс будет постоянно ссылаться на один из объектов-состояний, делегируя ему большую часть работы. Для изменения состояния, в контекст будет подставляться другой объект.

Когда код класса содержит множество больших, похожих друг на друга, условных операторов, которые выбирают поведения в зависимости от текущих значений полей класса.

Паттерн предлагает переместить каждую ветку такого условного оператора в собственный класс. Тут же можно поселить и все поля, связанные с данным состоянием.

Когда вы сознательно используете табличную машину состояний, построенную на условных операторах, но вынуждены мириться с дублированием кода для похожих состояний и переходов.

Паттерн Состояние позволяет реализовать иерархическую машину состояний, базирующуюся на наследовании. Вы можете отнаследовать похожие состояния от одного родительского класса, и вынести туда весь дублирующий код.

Шаги реализации

  1. Определитесь с классом, который будет отыгрывать роль контекста. Это может быть как существующий класс, в котором уже есть зависимость от состояния, так и новый класс, если код состояний размазан по нескольким классам.

  2. Создайте интерфейс состояния. Он должен описывать методы, общие для всех состояний, обнаруженных в контексте.

  3. Для каждого фактического состояния, создайте класс, реализующий интерфейс состояния. Переместите весь код, связанный с конкретным состоянием в нужный класс. В конце концов, все методы интерфейса состояния должны быть реализованы.

  4. Создайте в контексте поле для хранения объектов-состояний, а также публичный метод для изменения значения этого поля.

  5. Старые методы контекста, в которых находился зависимый от состояния код, замените на вызовы соответствующих методов объекта-состояния.

  6. В зависимости от бизнес-логики, разместите код, который переключает состояние контекста либо внутри контекста, либо внутри классов конкретных состояний.

Преимущества и недостатки

  • Избавляет от множества больших условных операторов машины состояний.
  • Концентрирует в одном месте код, связанный с определённым состоянием.
  • Упрощает код контекста.
  • Может неоправданно усложнить код, если состояний мало и они редко меняются.

Отношения с другими паттернами

  • Мост, Стратегия и Состояние (а также слегка и Адаптер) имеют схожие структуры классов — все они построены на принципе «композиции», то есть делегирования работы другим объектам. Тем не менее, они отличаются тем, что решают разные проблемы. Помните, что паттерны — это не только рецепт построения кода определённым образом, но и описание проблем, которые привели к данному решению.

  • Состояние можно рассматривать как надстройку над Стратегией. Оба паттерна используют композицию, чтобы менять поведение основного объекта, делегируя работу вложенным объектам-помощникам. Однако в Стратегии эти объекты не знают друг о друге и никак не связаны. В Состоянии сами конкретные состояния могут переключать контекст.

Реализация в различных языках программирования

Java