Zustand (Entwurfsmuster)

Der Zustand (engl. State) ist ein Entwurfsmuster aus dem Bereich der Softwareentwicklung und gehört zu der Kategorie der Verhaltensmuster (Behavioral Patterns). Das Zustandsmuster wird zur Kapselung unterschiedlicher, zustandsabhängiger Verhaltensweisen eines Objektes eingesetzt.

Das Zustandsmuster ist eines der so genannten GoF-Muster. Es ist auch bekannt als Objekte für Zustände (Objects for States).

Verwendung

Grundsätzlich gilt, dass das Verhalten eines Objekts abhängig von seinem Zustand ist. Durch die übliche Implementierung soll vermieden werden, die Zustände eines Objekts und das davon abhängige Verhalten in einer großen Switch-Anweisung (basierend auf enumerierten Konstanten) zu kodieren. Jeder Fall der Switch-Anweisung soll in einer eigenen Klasse implementiert werden, so dass der Zustand des Objektes selbst wieder ein Objekt ist, das unabhängig von anderen Objekten ist.

Problem

Zustandsautomat

Für ein Objekt sind verschiedene Zustände, die möglichen Übergänge zwischen diesen Zuständen und das davon abhängige Verhalten zu definieren. Dies ist hier in Form eines endlichen Automaten dargestellt. Dabei zeigt der schwarze Kreis auf den Startzustand und der schwarze Kreis mit der weißen Umrandung auf den Endzustand. Die gerichteten Kanten (Pfeile) zwischen den Zuständen Closed, Open und Deleted definieren den Zustandswechsel.

Hierarchischer Zustandsautomat

Ein einzelner Zustand eines Objektes kann wiederum in eine Anzahl verschiedener Zustände aufgeteilt werden. Den Zustand Open kann man beispielsweise unterteilen in Read und Wrote. Sie bilden einen zusammengesetzten Zustand Open. Closed sowie Deleted betrachtet man unabhängig vom zusammengesetzten Zustand Open. Diese Zustände kann man in einer Hierarchie anordnen. Open, Closed und Deleted sind in der ersten Ebene. In der zweiten Ebene befinden sich Read und Wrote, die dem Zustand Open zugeordnet sind.

Lösung

Einfache Zustände

Das zustandsabhängige Verhalten des Objekts wird in separate Klassen ausgelagert, wobei für jeden möglichen Zustand eine eigene Klasse eingeführt wird, die das Verhalten des Objekts in diesem Zustand definiert. Damit der Kontext die separaten Zustandsklassen einheitlich behandeln kann, wird eine gemeinsame Abstrahierung dieser Klassen definiert.

Bei einem Zustandsübergang tauscht der Kontext das von ihm verwendete Zustandsobjekt aus.

Akteure

Im Entwurfsmuster des Zustandes spielen drei Akteure eine Rolle. Der Kontext definiert die clientseitige Schnittstelle und verwaltet die separaten Zustandsklassen. Außerdem tauscht er diese bei einem Zustandsübergang aus.

Der Zustand definiert eine einheitliche Schnittstelle aller Zustandsobjekte und implementiert gegebenenfalls ein Standardverhalten. Beispielsweise kann im abstrakten Zustand die Ausführung jeglichen Verhaltens gesperrt werden. Das Verhalten kann in diesem Falle nur dann ausgeführt werden, wenn es vom konkreten Zustand durch Überschreiben der entsprechenden Methode freigeschaltet wurde.

Der konkrete Zustand wiederum implementiert das Verhalten, das mit dem Zustand des Kontextobjektes verbunden ist.

Mögliche Abweichungen

• Für den Akteur Zustand kann eine Schnittstelle anstatt einer abstrakten Klasse definiert werden.
• Können mehrere Kontexte die gleichen Statusobjekte verwenden (sofern die Status durch ihre jeweiligen Klassen und nicht durch Instanzen definierbar sind bzw. Eigenschaftswerte in den Kontext ausgelagert werden können [z.B. der Dateiname]), kann Speicherplatz eingespart werden.

Vor- und Nachteile

Ein Vorteil des Systems ist, dass komplexe und schwer zu lesende Bedingungsanweisungen vermieden werden können. Außerdem können neue Zustände und neues Verhalten auf einfache Weise hinzugefügt werden. Die Wartbarkeit wird erhöht und Zustandsobjekte können wiederverwendet werden.

Auf der anderen Seite rechtfertigt der Nutzen bei sehr einfachem zustandsbehaftetem Verhalten unter Umständen nicht den teils beträchtlichen Implementierungsaufwand.

Beispiele

Prinzipiell kann jedes zustandsabhängige Verhalten durch dieses Entwurfsmuster abgebildet werden. Beispielsweise wird es für die Verwaltung von Sessions oder von Ein- und Ausgabeströmen, bei zustandbehafteten Bedienelementen einer grafischen Benutzeroberfläche oder bei Parkautomaten verwendet.

Weblinks

• Einsteigerfreundliche Einführung in das State Design Pattern
• Zustandsautomat in Java mithilfe des State Patterns - Beispielimplementierung des Zustandsmusters in Java

Entwurfsmuster der Viererbande

Erzeugungsmuster:  Abstrakte Fabrik | Singleton | Builder | Fabrikmethode | Prototyp

Strukturmuster:  Adapter | Brücke | Decorator | Fassade | Flyweight | Kompositum | Stellvertreter

Verhaltensmuster:  Observer | Visitor | Interpreter | Iterator | Kommando | Memento | Schablonenmethode | Strategie | Vermittler | Zustand | Zuständigkeitskette

(Klassenmuster sind kursiv dargestellt)