Java 状态机详解 - 三种状态机实现方式优雅消灭 if-else 嵌套

Ne0inhk

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Java 状态机详解 - 三种状态机实现方式优雅消灭 if-else 嵌套
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Java 状态机详解 —— 用状态模式优雅消灭 if-else 嵌套

1. 前言

在博主之前 【设计模式】的专栏中，介绍过一个状态模式（津津乐道设计模式 - 状态模式详解），并以交通信号灯的实现进行状态模式的演示讲解，实际上状态模式也特别适合处理那些包含大量条件语句（如if-else或switch）的复杂状态转换逻辑。

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为什么使用状态模式消除if-else？

在日常 Java 开发中，我们常常遇到这样的情况：

  • 不同的状态有不同的处理逻辑
  • 状态之间会相互切换
  • 不同状态下执行的动作可能完全不同

这时，如果我们用 if-else 或 switch-case 来写，代码很容易变得臃肿难维护：比如下面代码

if(status ==0){// 待支付逻辑}elseif(status ==1){// 已支付逻辑}elseif(status ==2){// 已发货逻辑}elseif(status ==3){// 已收货逻辑}
这种写法的问题：
逻辑分支多，扩展性差
新增状态时，需要修改原有代码（违反 开闭原则）
状态切换逻辑容易分散在各个 if-else 中，不够集中

那么使用状态机（State Machine）也可称状态模式，就可以解决上述这些问题，并具备以下优点：

  • 消除复杂的条件判断语句
  • 提高代码可读性和可维护性
  • 使状态转换逻辑更加清晰
  • 符合开闭原则，易于扩展新状态

2. 复现传统if-else实现的业务场景问题

假设有一个电商订单系统，订单状态有：

  • 待支付（PendingPay）
  • 已支付（Paid）
  • 已发货（Shipped）
  • 已完成（Completed）

订单可以：
从待支付 → 支付 → 发货 → 完成
取消订单（在待支付状态下）

那么可能你的代码就是像这样的：

publicclassOrderServiceIfElse{publicvoidhandle(int status,String action){if(status ==0){if("pay".equals(action)){System.out.println("订单已支付");}elseif("cancel".equals(action)){System.out.println("订单已取消");}}elseif(status ==1){if("ship".equals(action)){System.out.println("订单已发货");}}elseif(status ==2){if("confirm".equals(action)){System.out.println("订单已完成");}}}}

又或者是这样的：

publicclassOrder{privateString state;publicvoidprocess(){if("NEW".equals(state)){System.out.println("处理新订单"); state ="PROCESSING";}elseif("PROCESSING".equals(state)){System.out.println("订单处理中"); state ="SHIPPED";}elseif("SHIPPED".equals(state)){System.out.println("订单已发货"); state ="DELIVERED";}elseif("DELIVERED".equals(state)){System.out.println("订单已完成");}else{thrownewIllegalStateException("无效订单状态: "+ state);}}}
无论是哪一种写法，都会存在以下问题：
当状态增多时，代码变得臃肿难以维护
违反开闭原则，添加新状态需要修改现有代码
状态转换逻辑分散在多个地方
难以跟踪状态转换规则

3. 用状态机模式改造

下面我们使用状态模式重构上述订单处理流程：

3.1 定义状态接口

publicinterfaceOrderState{voidpay(OrderContext context);voidship(OrderContext context);voidconfirm(OrderContext context);voidcancel(OrderContext context);}

3.2 创建上下文类

publicclassOrderContext{privateOrderState state;publicOrderContext(OrderState state){this.state = state;}publicvoidsetState(OrderState state){this.state = state;}publicvoidpay(){ state.pay(this);}publicvoidship(){ state.ship(this);}publicvoidconfirm(){ state.confirm(this);}publicvoidcancel(){ state.cancel(this);}}

3.3 定义具体状态类

// 待支付publicclassPendingPayStateimplementsOrderState{@Overridepublicvoidpay(OrderContext context){System.out.println("订单支付成功"); context.setState(newPaidState());}@Overridepublicvoidship(OrderContext context){System.out.println("请先支付订单");}@Overridepublicvoidconfirm(OrderContext context){System.out.println("请先支付订单");}@Overridepublicvoidcancel(OrderContext context){System.out.println("订单已取消");}}// 已支付publicclassPaidStateimplementsOrderState{@Overridepublicvoidpay(OrderContext context){System.out.println("订单已支付，请勿重复支付");}@Overridepublicvoidship(OrderContext context){System.out.println("订单已发货"); context.setState(newShippedState());}@Overridepublicvoidconfirm(OrderContext context){System.out.println("订单还未发货");}@Overridepublicvoidcancel(OrderContext context){System.out.println("已支付订单不能取消");}}// 已发货publicclassShippedStateimplementsOrderState{@Overridepublicvoidpay(OrderContext context){System.out.println("订单已支付");}@Overridepublicvoidship(OrderContext context){System.out.println("订单已经发货");}@Overridepublicvoidconfirm(OrderContext context){System.out.println("订单已完成"); context.setState(newCompletedState());}@Overridepublicvoidcancel(OrderContext context){System.out.println("发货后不能取消订单");}}// 已完成publicclassCompletedStateimplementsOrderState{@Overridepublicvoidpay(OrderContext context){System.out.println("订单已完成，无法支付");}@Overridepublicvoidship(OrderContext context){System.out.println("订单已完成，无法发货");}@Overridepublicvoidconfirm(OrderContext context){System.out.println("订单已完成");}@Overridepublicvoidcancel(OrderContext context){System.out.println("订单已完成，无法取消");}}

3.4 测试使用

publicclassStateMachineTest{publicstaticvoidmain(String[] args){// 初始状态：待支付OrderContext order =newOrderContext(newPendingPayState()); order.pay();// 支付 order.ship();// 发货 order.confirm();// 确认收货//分别输出//订单支付成功//订单已发货//订单已完成}}

4. 枚举 + Map的轻量状态机实现

这里博主再升级一下使用枚举 + Map 的轻量状态机实现，这种写法相比经典状态模式，代码量更少，适合状态数不多、且状态逻辑相对简单的场景

这种写法的核心思想是：

用枚举类定义所有状态
每个状态实现自己的行为逻辑
通过 Map 注册状态与处理逻辑的映射关系
直接通过当前状态对象来执行对应方法，避免 if-else

4.1 定义状态枚举

publicenumOrderStateEnum{PENDING_PAY{@OverridepublicOrderStateEnumpay(){System.out.println("订单支付成功");returnPAID;}@OverridepublicOrderStateEnumship(){System.out.println("请先支付订单");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumconfirm(){System.out.println("请先支付订单");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumcancel(){System.out.println("订单已取消");returnthis;}},PAID{@OverridepublicOrderStateEnumpay(){System.out.println("订单已支付，请勿重复支付");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumship(){System.out.println("订单已发货");returnSHIPPED;}@OverridepublicOrderStateEnumconfirm(){System.out.println("订单还未发货");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumcancel(){System.out.println("已支付订单不能取消");returnthis;}},SHIPPED{@OverridepublicOrderStateEnumpay(){System.out.println("订单已支付");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumship(){System.out.println("订单已经发货");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumconfirm(){System.out.println("订单已完成");returnCOMPLETED;}@OverridepublicOrderStateEnumcancel(){System.out.println("发货后不能取消订单");returnthis;}},COMPLETED{@OverridepublicOrderStateEnumpay(){System.out.println("订单已完成，无法支付");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumship(){System.out.println("订单已完成，无法发货");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumconfirm(){System.out.println("订单已完成");returnthis;}@OverridepublicOrderStateEnumcancel(){System.out.println("订单已完成，无法取消");returnthis;}};publicabstractOrderStateEnumpay();publicabstractOrderStateEnumship();publicabstractOrderStateEnumconfirm();publicabstractOrderStateEnumcancel();}

这里的设计是：

每个状态用一个枚举常量表示
每个枚举常量实现自己的状态切换逻辑
方法返回新的状态枚举，实现状态流转

4.2 配置上下文类

publicclassOrderContextEnum{privateOrderStateEnum state;publicOrderContextEnum(OrderStateEnum state){this.state = state;}publicvoidpay(){ state = state.pay();}publicvoidship(){ state = state.ship();}publicvoidconfirm(){ state = state.confirm();}publicvoidcancel(){ state = state.cancel();}}

4.3 测试使用

publicclassEnumStateMachineTest{publicstaticvoidmain(String[] args){OrderContextEnum order =newOrderContextEnum(OrderStateEnum.PENDING_PAY); order.pay();// 支付 order.ship();// 发货 order.confirm();// 确认收货}}

5. 使用 Spring StateMachine 实现订单状态机

Spring StateMachine 是 Spring 官方提供的状态机框架，支持可配置状态流转、事件驱动、监听器回调等功能，特别适合业务流程复杂、状态多变的场景。

5.1 依赖引入

<dependency><groupId>org.springframework.statemachine</groupId><artifactId>spring-statemachine-core</artifactId><version>3.2.1</version></dependency>

5.2 定义状态与事件枚举

// 订单状态publicenumOrderState{PENDING_PAY,// 待支付PAID,// 已支付SHIPPED,// 已发货COMPLETED// 已完成}// 触发事件publicenumOrderEvent{PAY,// 支付SHIP,// 发货CONFIRM,// 确认收货CANCEL// 取消订单}

5.3 配置状态机

importorg.springframework.context.annotation.Configuration;importorg.springframework.statemachine.config.EnableStateMachine;importorg.springframework.statemachine.config.EnumStateMachineConfigurerAdapter;importorg.springframework.statemachine.config.builders.StateMachineStateConfigurer;importorg.springframework.statemachine.config.builders.StateMachineTransitionConfigurer;importorg.springframework.statemachine.config.builders.StateMachineConfigurationConfigurer;importorg.springframework.statemachine.listener.StateMachineListenerAdapter;importorg.springframework.statemachine.state.State;importjava.util.EnumSet;@Configuration@EnableStateMachinepublicclassOrderStateMachineConfigextendsEnumStateMachineConfigurerAdapter<OrderState,OrderEvent>{@Overridepublicvoidconfigure(StateMachineStateConfigurer<OrderState,OrderEvent> states)throwsException{ states .withStates().initial(OrderState.PENDING_PAY)// 初始状态.states(EnumSet.allOf(OrderState.class));// 所有状态}@Overridepublicvoidconfigure(StateMachineTransitionConfigurer<OrderState,OrderEvent> transitions)throwsException{ transitions .withExternal().source(OrderState.PENDING_PAY).target(OrderState.PAID).event(OrderEvent.PAY).and().withExternal().source(OrderState.PAID).target(OrderState.SHIPPED).event(OrderEvent.SHIP).and().withExternal().source(OrderState.SHIPPED).target(OrderState.COMPLETED).event(OrderEvent.CONFIRM).and().withExternal().source(OrderState.PENDING_PAY).target(OrderState.PENDING_PAY).event(OrderEvent.CANCEL);}@Overridepublicvoidconfigure(StateMachineConfigurationConfigurer<OrderState,OrderEvent> config)throwsException{ config .withConfiguration().listener(newStateMachineListenerAdapter<>(){@OverridepublicvoidstateChanged(State<OrderState,OrderEvent> from,State<OrderState,OrderEvent>to){System.out.println("状态切换: "+(from ==null?"无": from.getId())+" -> "+to.getId());}});}}

5.4 测试代码

importorg.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;importorg.springframework.boot.CommandLineRunner;importorg.springframework.statemachine.StateMachine;importorg.springframework.stereotype.Component;@ComponentpublicclassOrderStateMachineTestimplementsCommandLineRunner{@AutowiredprivateStateMachine<OrderState,OrderEvent> stateMachine;@Overridepublicvoidrun(String... args)throwsException{ stateMachine.start(); stateMachine.sendEvent(OrderEvent.PAY); stateMachine.sendEvent(OrderEvent.SHIP); stateMachine.sendEvent(OrderEvent.CONFIRM); stateMachine.stop();}}

观察控制台会输出如下：

状态切换: 无 -> PENDING_PAY
状态切换: PENDING_PAY -> PAID
状态切换: PAID -> SHIPPED
状态切换: SHIPPED -> COMPLETED

6. 对比三种方案

实现方式优点缺点适用场景
经典状态模式结构清晰，面向对象类文件多，状态多时管理复杂状态多、逻辑复杂的 OO 场景
枚举状态机简洁，集中管理状态多时枚举类太长状态少、逻辑简单
Spring StateMachine功能强大，可配置化需要额外依赖，学习成本高大型系统、状态规则经常变动
经典状态模式适合复杂业务流程，易于模块化管理
枚举 + Map 注册或枚举直接实现行为，适合小型项目或简单状态流转
在 Java 中，枚举天生是单例的，用它实现状态机既简洁又线程安全

7. 总结

本文博主详细介绍了使用状态模式消除if-else, 通过经典状态模式、枚举状态机、Spring StateMachine 三种方式 ，从纯手写模式 → 枚举模式 → 框架模式的完整对比，进行了相关代码演示。当小伙伴们发现自己在编写大量条件语句来处理对象状态时，考虑使用状态模式重构您的代码。

如果你在实践过程中有任何疑问或更好的扩展思路，欢迎在评论区留言，最后希望大家一键三连给博主一点点鼓励！

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