Паттерн состояние c#. Состояние на Java. Пример паттерна State из реальной жизни

Конечно, это не единственный способ реализации иерархии. Но, если вы не используете шаблон Состояние Банды Четырех, это не сработает. Вместо этого вы можете смоделировать четкую иерархию текущих состояний и суперсостояний с помощью стека состояний вместо единственного состояния в главном классе.

Текущее состояние будет находится вверху стека, под ним его суперсостояние, дальше суперсостояние для этого суперсостояния и т.д. И когда вам нужно будет реализовать специфичное для состояния поведение, вы начнете с верха стека спускаться по нему вниз, пока состояние его не обработает. (А если не обработает — значит вы его просто игнорируете).

Автомат с магазинной памятью

Есть еще одно обычное расширение конечных автоматов, также использующее стек состояния. Только здесь стек представляет совершенно другую концепцию и используется для решения других проблем.

Проблема в том, что у конечного автомата нет концепции истории . Вы знаете в каком состоянии вы находитесь , но у вас нет никакой информации о том, в каком состоянии вы были . И соответственно нет простой возможности вернуться в предыдущее состояние.

Вот простой пример: Ранее мы позволили нашей бесстрашной героине вооружиться до зубов. Когда она стреляет из своего оружия, нам нужно новое состояние для проигрывания анимации выстрела, порождения пули и сопутствующих визуальных эффектов. Для этого мы создаем новое FiringState и делаем в него переходы из всех состояний, в которых героиня может стрелять по нажатию кнопки стрельбы.

Так как это поведение дублируется между несколькими состояниями, здесь как раз можно применить иерархическую машину состояний для повторного использования кода.

Сложность здесь в том, что нужно каким либо образом понять в какое состояние нужно перейти после стрельбы. Героиня может выстрелить всю обойму, пока она стоит на месте, бежит, прыгает или приседает. Когда последовательность стрельбы закончена, ей нужно вернуться в состояние, в котором она была до стрельбы.

Если мы привязываемся к чистому FSM , мы сразу забываем в каком состоянии мы были. Чтобы за этим следить, нам нужно определить множество практически одинаковых состояний — стрельба стоя, стрельба в беге, стрельба в прыжке и т.д. Таким образом, у нас образуются жестко закодированные переходы, переходящие в правильное состояние по своему окончанию.

Что нам на самом деле нужно — так это возможность хранить состояние, в котором мы находились до стрельбы и после стрельбы вспоминать его снова. Здесь нам снова может помочь теория автоматов. Соответствующая структура данных называется Автомат с магазинной памятью (Pushdown Automaton) .

Там, где в конечном автомате у нас находится единственный указатель на состояние, в автомате с магазинной памятью находится их стек . В FSM переход к новому состоянию заменяет собой предыдущий. Автомат с магазинной памятью тоже позволяет это делать, но добавляет сюда еще две операции:

Вы можете поместить (push ) новое состояние в стек. Текущее состояние всегда будет находиться вверху стека, так что это и есть операция перехода в новое состояние. Но при этом старое состояние остается прямо под текущим в стеке, а не исчезает бесследно.

Вы можете извлечь (pop ) верхнее состояние из стека. Состояние пропадает и текущим становится то что находилось под ним.

Это все что нам нужно для стрельбы. Мы создаем единственное состояние стрельбы. Когда мы нажимаем кнопку стрельбы, находясь в другом состоянии, мы помещаем (push ) состояние стрельбы в стек. Когда анимация стрельбы заканчивается, мы извлекаем (pop ) состояние и автомат с магазинной памятью автоматически возвращает нас в предыдущее состояние.

Насколько они реально полезны?

Даже с этим расширением конечных автоматов, их возможности все равно довольно ограничены. В AI сегодня преобладает тренд использования вещей типа деревьев поведения (behavior trees) и систем планирования (planning systems). И если вам интересна именно область AI , вся эта глава должна просто раздразнить ваш аппетит. Чтобы его удовлетворить, вам придется обратиться к другим книгам.

Это совсем не значит, что конечные автоматы, автоматы с магазинной памятью и другие подобные системы полностью бесполезны. Для некоторых вещей это хорошие инструменты для моделирования. Конечные автоматы полезны когда:

• У вас есть сущность, поведение которой изменяется в зависимости от ее внутреннего состояния.
• Это состояние жестко делится на относительно небольшое количество конкретных вариантов.
• Сущность постоянно отвечает на серии команд ввода или событий.

В играх конечные автоматы обычно используются для моделирования AI , но их можно применять и для реализации пользовательского ввода, навигации в меню, парсинга текста, сетевых протоколов и другого асинхронного поведения.

using System; namespace State { ///

Для того, чтобы правильно использовать паттерны Состояние и Стратегия в ядре Java приложений, важно для Java-программистов четко понимать разницу между ними. Хотя оба шаблона, Состояние и Стратегия, имеют схожую структуру, и оба основаны на принципе открытости/закрытости, представляющие ”O” в SOLID принципах , они совершенно разные по намерениям . Паттерн Стратегия в Java используется для инкапсуляции связанных наборов алгоритмов для обеспечения гибкости исполнения для клиента. Клиент может выбрать любой алгоритм во время выполнения без изменения контекста класса, который использует объект Strategy . Некоторые популярные примеры паттерна Стратегия – это написание кода, который использует алгоритмы, например, шифрование, сжатие или сортировки. С другой стороны, паттерн Состояние позволяет объекту вести себя по-разному в разном состоянии. Поскольку в реальном мире объект часто имеет состояния, и он ведет себя по-разному в разных состояниях, например, торговый автомат продает товары только если он в состоянии hasCoin , он не продает до тех пор пока вы не положите в него монету. Сейчас вы можете ясно видеть разницу между паттернами Стратегия и Состояние, это различные намерения. Паттерн Состояние помогает объекту управлять состоянием, тогда как паттерн Стратегия позволяет выбрать клиенту другое поведение. Еще одно отличие, которое не так легко увидеть, это кто управляет изменением в поведении. В случае паттерна Стратегия, это клиент, который предоставляет различные стратегии к контексту, в паттерне Состояние переходом управляет контекст или состояние объекта самостоятельно. Кроме того, если вы управляете изменениями состояний в объекте Состояние самостоятельно, должна быть ссылка на контекст, например, в торговом автомате должна быть возможность вызвать метод setState() для изменения текущего состояния контекста. С другой стороны, объект Стратегия никогда не содержит ссылку на контекст, сам клиент передает Стратегию своего выбора в контекст. Разница между паттернами Состояние и Стратегия один из популярных вопросов о паттернах Java на интервью , в этой статье о паттернах Java мы подробней рассмотрим это. Мы будем исследовать некоторые сходства и различия между паттернами Стратегия и Состояние в Java, которые помогут вам улучшить ваше понимание этих паттернов.

Сходства между паттернами Состояние и Стратегия

1. Оба паттерна, Состояние и Стратегия, делают несложным добавление нового состояния и стратегии не затрагивая контекст объекта, который использует их.


2. Оба из них поддерживают ваш код в соответствии с принципом открытости/закрытости , то есть дизайн будет открыт для расширений, но закрыт для модификации. В случае паттернов Состояние и Стратегия, контекст объекта закрыт для модификаций, введений новых Состояний или новых Стратегий, либо вы не нуждаетесь в модификации контекста другого состояния, или минимальных изменениях.


3. Также как контекст объекта начинается с состояния инициализации объекта в паттерне Состояние, контекст объекта также имеет стратегию по умолчанию в случае паттерна Стратегия в Java.


4. Паттерн Состояние представляет различные поведения в форме различных состояний объекта, в то время как паттерн Стратегия представляет различное поведение в виде различных стратегий объекта.


5. Оба паттерна, Стратегия и Состояние, зависят от подклассов реализации поведения. Каждая конкретная стратегия расширяет Абстрактную Стратегию, каждое состояние есть подкласс интерфейса или абстрактного класса , который используется для преставления Состояния.

Различия между паттернами Стратегия и Состояние в Java

1. Паттерн Стратегия инкапсулирует набор связанных алгоритмов, и позволяет клиенту использовать взаимозаменяемые поведения несмотря на состав и делегирование во время выполнения, с другой стороны паттерн Состояние помогает классу демонстрировать различные поведения в различных состояниях.


2. Следующая разница между паттернами Состояние и Стратегия состоит в том, что Состояние инкапсулирует состояние объекта, тогда как паттерн Стратегия инкапсулирует алгоритм или стратегию. Поскольку состояние связано с объектом оно не может быть повторно использовано, но отделяя стратегию или алгоритм из контекста мы можем использовать его повторно.


3. В паттерне Состояние личное состояние может содержать ссылку на контекст для реализации переходов между состояниями, но Стратегия не содержит ссылку на контекст где она используется.


4. Реализация Стратегии может быть передана как параметр объекту, который будет использовать ее, например, Collection.sort() принимает Comparator , который является стратегией. С другой стороны, состояние является частью самого контекста объекта, и в течение долгого времени контекст объекта переходит из одного состояния в другое.


5. Хотя и Стратегия и Состояние следуют принципу открытости/закрытости, Стратегия также следует Принципу Единственной Обязанности так как каждая Стратегия содержит индивидуальный алгоритм, различные стратегии независимы друг от друга. Изменение одной стратегии не требует изменения другой стратегии.


6. Еще одно теоретическое отличие между паттернами Стратегия и Состояние заключается в том, что создатель определяет часть объекта “Как”, например, “Как” объект сортировки сортирует данные, с другой стороны паттерн Состояние определяет части “что” и “когда” в объекте, например, что может объект когда он находится в определенном состоянии.


7. Порядок перехода состояния хорошо определен в паттерне Состояние, такого требования нет к паттерну Стратегия. Клиент волен в выборе любой реализации Стратегии на его выбор.


8. Некоторые из общих примеров паттерна Стратегия – это инкапсуляция алгоритмов, например, алгоритмы сортировки, шифрования или алгоритм сжатия. Если вы видите, что ваш код должен использовать различные виды связанных алгоритмов, следует подумать об использовании паттерна Стратегия. С другой стороны, распознать возможность использования паттерна Состояние довольно легко, если вам нужно управлять состоянием и переходами между состояниями без большого количества вложенных условных операторов паттерн Состояние – нужный паттерн для использования.


9. Последнее, но одно из наиболее важных различий между паттернами Состояние и Стратегия заключается в том, что изменение Стратегии выполняется Клиентом, а изменение Состояния может быть выполнено контекстом или состоянием объекта самостоятельно.

15.02.2016
21:30

Паттерн Состояние (State) предназначен для проектирования классов, которые имеют несколько независимых логических состояний. Давайте сразу перейдем к рассмотрению примера.

Допустим, мы разрабатываем класс управления веб-камерой. Камера может находиться в трех Состояниях:

1. Не инициализирована. Назовем NotConnectedState ;
2. Инициализирована и готова к работе, но кадры еще не захватываются. Пусть это будет ReadyState ;
3. Активный режим захвата кадров. Обозначим ActiveState .

Поскольку мы работаем с паттером Состояние, то лучше всего начать с изображения Диаграммы состояний:

Теперь превратим эту диаграмму в код. Чтобы не усложнять реализацию, код работы с веб-камерами мы опускаем. При необходимости вы сами можете добавить соответствующие вызовы библиотечных функций.

Сразу привожу полный листинг с минимальными комментариями. Далее мы обсудим ключевые детали этой реализации подробнее.

#include #define DECLARE_GET_INSTANCE(ClassName) \ static ClassName* getInstance() {\ static ClassName instance;\ return &instance;\ } class WebCamera { public: typedef std::string Frame; public: // ************************************************** // Exceptions // ************************************************** class NotSupported: public std::exception { }; public: // ************************************************** // States // ************************************************** class NotConnectedState; class ReadyState; class ActiveState; class State { public: virtual ~State() { } virtual void connect(WebCamera*) { throw NotSupported(); } virtual void disconnect(WebCamera* cam) { std::cout << "Деинициализируем камеру..." << std::endl; // ... cam->changeState(NotConnectedState::getInstance()); } virtual void start(WebCamera*) { throw NotSupported(); } virtual void stop(WebCamera*) { throw NotSupported(); } virtual Frame getFrame(WebCamera*) { throw NotSupported(); } protected: State() { } }; // ************************************************** class NotConnectedState: public State { public: DECLARE_GET_INSTANCE(NotConnectedState) void connect(WebCamera* cam) { std::cout << "Инициализируем камеру..." << std::endl; // ... cam->changeState(ReadyState::getInstance()); } void disconnect(WebCamera*) { throw NotSupported(); } private: NotConnectedState() { } }; // ************************************************** class ReadyState: public State { public: DECLARE_GET_INSTANCE(ReadyState) void start(WebCamera* cam) { std::cout << "Запускаем видео-поток..." << std::endl; // ... cam->changeState(ActiveState::getInstance()); } private: ReadyState() { } }; // ************************************************** class ActiveState: public State { public: DECLARE_GET_INSTANCE(ActiveState) void stop(WebCamera* cam) { std::cout << "Останавливаем видео-поток..." << std::endl; // ... cam-> << "Получаем текущий кадр..." << std::endl; // ... return "Current frame"; } private: ActiveState() { } }; public: explicit WebCamera(int camID) : m_camID(camID), m_state(NotConnectedState::getInstance()) { } ~WebCamera() { try { disconnect(); } catch(const NotSupported& e) { // Обрабатываем исключение } catch(...) { // Обрабатываем исключение } } void connect() { m_state->connect(this); } void disconnect() { m_state->disconnect(this); } void start() { m_state->start(this); } void stop() { m_state->stop(this); } Frame getFrame() { return m_state->getFrame(this); } private: void changeState(State* newState) { m_state = newState; } private: int m_camID; State* m_state; };

Обращаю внимание на макрос DECLARE_GET_INSTANCE . Конечно, использование макросов в C++ не поощряется. Однако это относится к случаям, когда макрос выступает в роли аналога шаблонной функции. В этом случае всегда отдавайте предпочтение последним.

В нашем случае макрос предназначен для определения статической функции, необходимой для реализации . Поэтому его использование можно считать оправданным. Ведь оно позволяет сократить дублирование кода и не представляет каких-либо серьезных угроз.

Классы-Состояния мы объявляем в главном классе - WebCamera . Для краткости я использовал inline -определения функций-членов всех классов. Однако в реальных приложениях лучше следовать рекомендациям о разделении объявления и реализации по h и cpp файлам.

Классы Состояний объявлены внутри WebCamera для того, чтобы они имели доступ к закрытым полям этого класса. Конечно, это создает крайне жесткую связь между всеми этими классами. Но Состояния оказываются настолько специфичными, что об их повторном использовании в других контекстах не может быть и речи.

Основу иерархии классов состояний образует абстрактный класс WebCamera::State:

Class State { public: virtual ~State() { } virtual void connect(WebCamera*) { throw NotSupported(); } virtual void disconnect(WebCamera* cam) { std::cout << "Деинициализируем камеру..." << std::endl; // ... cam->changeState(NotConnectedState::getInstance()); } virtual void start(WebCamera*) { throw NotSupported(); } virtual void stop(WebCamera*) { throw NotSupported(); } virtual Frame getFrame(WebCamera*) { throw NotSupported(); } protected: State() { } };

Все его функции-члены соответствуют функциям самого класса WebCamera . Происходит непосредственное делегирование:

Class WebCamera { // ... void connect() { m_state->connect(this); } void disconnect() { m_state->disconnect(this); } void start() { m_state->start(this); } void stop() { m_state->stop(this); } Frame getFrame() { return m_state->getFrame(this); } // ... State* m_state; }

Ключевой особенностью является то, что объект Состояния принимает указатель на вызывающий его экземпляр WebCamera . Это позволяет иметь всего три объекта Состояний для сколь угодно большого числа камер. Достигается такая возможность за счет использования паттерна Синглтон. Конечно, в рамках примера существенного выигрыша вы от этого не получите. Но знать такой прием все равно полезно.

Сам по себе класс WebCamera не делает практически ничего. Он полностью зависит от своих Состояний. А эти Состояния, в свою очередь, определяют условия выполнения операций и обеспечивают нужный контекст.

Большинство функций-членов WebCamera::State выбрасывают наше собственное WebCamera::NotSupported . Это вполне уместное поведение по умолчанию. Например, если кто-то попытается инициализировать камеру, когда она уже инициализирована, то вполне закономерно получит исключение.

При этом для WebCamera::State::disconnect() мы предусматриваем реализацию по умолчанию. Такое поведение подойдет для двух состояний из трех. В результате мы предотвращаем дублирование кода.

Для смены состояния предназначена закрытая функция-член WebCamera::changeState() :

Void changeState(State* newState) { m_state = newState; }

Теперь к реализации конкретных Состояний. Для WebCamera::NotConnectedState достаточно переопределить операции connect() и disconnect() :

Class NotConnectedState: public State { public: DECLARE_GET_INSTANCE(NotConnectedState) void connect(WebCamera* cam) { std::cout << "Инициализируем камеру..." << std::endl; // ... cam->changeState(ReadyState::getInstance()); } void disconnect(WebCamera*) { throw NotSupported(); } private: NotConnectedState() { } };

Для каждого Состояния можно создать единственный экземпляр. Это нам гарантирует объявление закрытого конструктора.

Другим важным элементом представленной реализации является то, что в новое Состояние мы переходим лишь в случае успеха. Например, если во время инициализации камеры произойдет сбой, то в Состояние ReadyState переходить рано. Главная мысль - полное соответствие фактического состояния камеры (в нашем случае) и объекта-Состояния.

Итак, камера готова к работе. Заведем соответствующий класс Состояния WebCamera::ReadyState:

Class ReadyState: public State { public: DECLARE_GET_INSTANCE(ReadyState) void start(WebCamera* cam) { std::cout << "Запускаем видео-поток..." << std::endl; // ... cam->changeState(ActiveState::getInstance()); } private: ReadyState() { } };

Из Состояния готовности мы можем попасть в активное Состояние захвата кадров. Для этого предусмотрена операция start() , которую мы и реализовали.

Наконец мы дошли до последнего логического Состояния работы камеры WebCamera::ActiveState:

Class ActiveState: public State { public: DECLARE_GET_INSTANCE(ActiveState) void stop(WebCamera* cam) { std::cout << "Останавливаем видео-поток..." << std::endl; // ... cam->changeState(ReadyState::getInstance()); } Frame getFrame(WebCamera*) { std::cout << "Получаем текущий кадр..." << std::endl; // ... return "Current frame"; } private: ActiveState() { } };

В этом Состоянии можно прервать захват кадров с помощью stop() . В результате мы попадем обратно в Состояние WebCamera::ReadyState . Кроме того, мы можем получать кадры, которые накапливаются в буфере камеры. Для простоты под "кадром" мы понимаем обычную строку. В реальности это будет некоторый байтовый массив.

А теперь мы можем записать типичный пример работы с нашим классом WebCamera:

Int main() { WebCamera cam(0); try { // cam в Состоянии NotConnectedState cam.connect(); // cam в Состоянии ReadyState cam.start(); // cam в Состоянии ActiveState std::cout << cam.getFrame() << std::endl; cam.stop(); // Можно было сразу вызвать disconnect() // cam в Состоянии ReadyState cam.disconnect(); // cam в Состоянии NotConnectedState } catch(const WebCamera::NotSupported& e) { // Обрабатываем исключение } catch(...) { // Обрабатываем исключение } return 0; }

Вот что в результате будет выведено на консоль:

Инициализируем камеру... Запускаем видео-поток... Получаем текущий кадр... Current frame Останавливаем видео-поток... Деинициализируем камеру...

А теперь попробуем спровоцировать ошибку. Вызовем connect() два раза подряд:

Int main() { WebCamera cam(0); try { // cam в Состоянии NotConnectedState cam.connect(); // cam в Состоянии ReadyState // Но для этого Состояния операция connect() не предусмотрена! cam.connect(); // Выбрасывает исключение NotSupported } catch(const WebCamera::NotSupported& e) { std::cout << "Произошло исключение!!!" << std::endl; // ... } catch(...) { // Обрабатываем исключение } return 0; }

Вот что из этого получится:

Инициализируем камеру... Произошло исключение!!! Деинициализируем камеру...

Обратите внимание, что камера все же была деинициализирована. Вызов disconnect() произошел в деструкторе WebCamera . Т.е. внутреннее Состояние объекта осталось абсолютно корректным.

Выводы

С помощью паттерна Состояние вы можете однозначно преобразовать Диаграмму состояний в код. На первый взгляд реализация получилась многословной. Однако мы пришли к четкому делению по возможным контекстам работы с основным классом WebCamera . В результате при написании каждого отдельного Состояния мы смогли сконцентрироваться на узкой задаче. А это лучший способ написать ясный, понятный и надежный код.