设计模式-状态模式-C++

一、引言

状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，允许对象在内部状态改变时改变其行为，使得对象的行为看起来似乎改变了其类。状态模式主要用于处理对象在运行阶段状态的变化，避免复杂的条件语句。它将与特定状态相关的行为局部化，并将不同状态的行为分割开来，使得状态与行为之间的映射更加简单明了。

二、使用场景

1. 对象状态转换复杂：当一个对象的行为依赖于它的状态，而状态间的转移较为复杂时，可以考虑使用状态模式。

2. 状态经常变更：在对象的不同状态下有显著不同的行为时，比如 UI 控件的启用和禁用状态。

3. 避免复杂的状态分支：通过将不同状态的行为封装到状态对象中，消除了大量的分支结构和 switch-case 语句，简化了代码逻辑。

4. 需要同时管理多个状态：当对象的状态由多重维度组成，而目标是在多次状态转移之间进行管理时，状态模式尤为合适。

三、模式分类

• 上下文类：定义与客户程序面对的接口，并维护一个具体的状态对象。

• 状态接口：定义各状态的共同行为，允许状态的具体实现相互替换。

• 具体状态类：实现状态接口，针对特定的状态方案提供行为的实现，控制向其他状态的转换。

四、优缺点

优点

• 增强可维护性：通过将状态行为与状态信息封装到状态类中，改善了代码的结构，有助于后期维护。
• 清晰的状态转换：状态之间的转换逻辑被封装在状态对象中，易于管理和理解，避免大规模的条件判断代码。
• 利用多态性：状态模式利用面向对象的多态性优势，使得代码能够通过接口灵活地进行状态切换与行为切换。

缺点

• 类数量增加：每个状态都需要一个独立的类，可能导致类的数量增加，造成一定的代码管理压力。
• 状态集中问题：在设计复杂状态或复杂转换时，可能会带来状态集中管理的问题，造成后期的输出变得复杂。
• 外部复杂性：如果状态之间的转换逻辑过于复杂，甚至可以导致整个状态模型的复杂性提升，影响代码清晰及简洁性。

五、代码示例

以下是状态模式的C++实现示例。

#include <iostream>
#include <memory>

// 状态接口
class State {
public:
    virtual void handle(int context) = 0; // 处理方法
};

// 具体状态 A
class ConcreteStateA : public State {
public:
    void handle(int context) override {
        if (context < 10) {
            std::cout << "State A: Handling context " << context << std::endl;
        } else {
            std::cout << "State A: Transitioning to State B due to context " << context << std::endl;
        }
    }
};

// 具体状态 B
class ConcreteStateB : public State {
public:
    void handle(int context) override {
        if (context < 20) {
            std::cout << "State B: Handling context " << context << std::endl;
        } else {
            std::cout << "State B: Transitioning to State A due to context " << context << std::endl;
        }
    }
};

// 上下文类
class Context {
private:
    std::shared_ptr<State> state; // 维护当前状态的指针

public:
    Context(std::shared_ptr<State> initialState) : state(initialState) {}

    void setState(std::shared_ptr<State> newState) {
        state = newState; // 设置新状态
    }

    void request(int context) {
        state->handle(context); // 调用当前状态的处理方法
    }
};

int main() {
    // 创建初始状态为 A 的上下文
    Context context(std::make_shared<ConcreteStateA>());
    
    // 客户端请求，状态处理
    context.request(5);   // 在状态 A
    context.request(15);  // 转到状态 B
    context.setState(std::make_shared<ConcreteStateB>()); // 切换状态为 B
    context.request(25);  // 在状态 B

    return 0;
}

代码解析

1. State：状态接口，定义了状态转移的核心方法 handle()，所有具体状态类将实现此方法。

2. ConcreteStateA 和 ConcreteStateB：具体状态类，分别实现了状态 A 和状态 B 的处理逻辑，并根据传入的上下文参数决定是否需要转换状态。

3. Context：上下文类，维护一个当前状态的状态对象，通过 setState() 方法可以在运行时动态切换状态。request() 方法将请求转发给当前状态进行处理。

4. main()：创建一个上下文并初始化为状态 A，然后根据不同的上下文值调用 request() 方法。同时根据上下文决定是否切换状态和请求处理。

六、模式总结

状态模式通过将与特定状态相关的行为封装到不同的状态对象中，使得对象能够在运行时根据状态变化它的行为，从而简化程序的复杂性。它特别适合于存在明确状态，并且状态转移频繁的场景。然而，状态模式也有其劣势，包括类的数量增加及状态间的转换逻辑复杂性。因此，在合适的场合使用状态模式能够显著提高系统的可维护性、可扩展性，并能清晰地实现状态变化，使得程序逻辑更加明了与畅通。