状态模式详解与示例

意图与它要解决的问题

意图：允许对象在其内部状态改变时改变它的行为，对象看起来像是修改了它的类。状态是《设计模式》（Gang of Four，GoF）一书中的行为型模式之一；其经典例子是 TCP 连接，它在监听、已建立和已关闭时表现各不相同。

以网上订单为例。它可以是待付款、已付款、已发货或已取消。只有待付款时才能付款，只有已付款时才能发货，待付款或已付款时可以取消，发货之后则不行。第一个版本保存一个 status 字符串，每个方法都以对它的 switch 开头。四个动作、四种状态，就是分散在四个方法里的十六个分支。新增“已退款”这样的状态，意味着要修改每一个方法，而且很容易漏掉一个。

使用状态模式后，每种状态成为一个类，它知道每个动作在该状态下意味着什么。订单持有对当前状态对象的引用，并把每个动作转发给它。

结构与参与者

状态转换可以由各个状态自己决定（每个状态在上下文上设置下一个状态，如下面所示），也可以由上下文借助转换表决定。让状态自己决定能把相关逻辑放在一起；集中的转换表则能让所有转换在一处一目了然。

TypeScript 实现

基类提供默认行为：拒绝该动作。每个具体状态只重写对它有效的动作。

abstract class OrderState {
  abstract readonly name: string;
  pay(order: Order): void { this.reject("pay"); }
  ship(order: Order): void { this.reject("ship"); }
  cancel(order: Order): void { this.reject("cancel"); }
  protected reject(action: string): never {
    throw new Error("Cannot " + action + " an order that is " + this.name);
  }
}

class Pending extends OrderState {
  readonly name = "pending";
  pay(order: Order) { order.setState(new Paid()); }
  cancel(order: Order) { order.setState(new Cancelled()); }
}

class Paid extends OrderState {
  readonly name = "paid";
  ship(order: Order) { order.setState(new Shipped()); }
  cancel(order: Order) { order.setState(new Cancelled()); } // refund here
}

class Shipped extends OrderState { readonly name = "shipped"; }
class Cancelled extends OrderState { readonly name = "cancelled"; }

class Order {
  private state: OrderState = new Pending();
  setState(next: OrderState) { this.state = next; }
  get status() { return this.state.name; }
  pay() { this.state.pay(this); }
  ship() { this.state.ship(this); }
  cancel() { this.state.cancel(this); }
}

const order = new Order();
order.pay();
order.ship();
console.log(order.status); // shipped
try { order.cancel(); } catch (e) { console.log((e as Error).message); }
// Cannot cancel an order that is shipped

要添加“已退款”状态，只需写一个新类，并只修改可以通向它的那些状态。Order 本身不用改。

改造前后对比

用状态字段和 switch 语句写出的同样规则。状态不多时这样可行，但每个方法都要重复完整的列表：

type Status = "pending" | "paid" | "shipped" | "cancelled";

class OrderBefore {
  status: Status = "pending";
  ship() {
    switch (this.status) {
      case "paid": this.status = "shipped"; break;
      default: throw new Error("Cannot ship an order that is " + this.status);
    }
  }
  // pay() and cancel() repeat the same switch
}

const o = new OrderBefore();
try { o.ship(); } catch (e) { console.log((e as Error).message); }
// Cannot ship an order that is pending

对于小规模的情况，这个版本完全没问题，可以说还更易读。在 TypeScript 中，为 Status 使用联合类型，可以让编译器检查每个分支是否都处理了。当每个状态的行为增长到超过一两行时，再改用状态类。

何时使用，何时不用

• 当对象在不同状态下行为差异很大，并且许多方法里反复出现同样的状态检查时使用。
• 当状态和转换会随时间变化，而你想把每个状态的规则放在一处时使用。
• 用于工作流（订单、文档、工单）、协议连接、游戏角色，以及媒体播放器之类的界面组件。
• 只有两三个状态且行为简单时不要使用；枚举或联合类型加 switch 更简单。
• 对于带有嵌套或并行状态的复杂状态机，请考虑状态机库或状态图（statecharts）记法，而不是手写类。

实际应用

• 网络协议的实现会为连接状态建模，如监听、已建立和已关闭，这也是 GoF 书中使用的例子。
• XState 是用于状态机和状态图的 JavaScript 与 TypeScript 库，用于界面逻辑和工作流。
• W3C 的 SCXML 规范定义了一种描述状态图的 XML 格式。
• 游戏开发用状态对象表示角色（待机、奔跑、跳跃），每种状态对输入的处理方式不同。

状态与策略及其他模式的比较