C++状态模式

简述

状态模式（State Pattern）是行为设计模式之一。当对象根据其内部状态改变其行为时，将使用状态设计模式。

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模式结构

UML 结构图：

• 上下文（Context）：定义一个与 Client 交互的接口。它维护对 ConcreteState 对象的引用，可以用该对象来定义当前状态。
• 抽象状态（State）：定义接口，来声明每个 ConcreteState 应该做什么。
• 具体状态（ConcreteState）：为 State 中定义的方法提供实现。

优缺点

优点：

• 实现多态行为的好处是显而易见的，并且很容易添加状态来支持额外的行为。
• 在状态模式中，对象的行为是其状态中函数的结果，并且在运行时根据状态改变行为，这就消除了对 if/else 或 switch/case 条件逻辑的依赖。
• 可以提高内聚性，因为状态特定的行为被聚合到具体的类中，这些类被放在代码中的一个位置。

缺点：

• 使用状态模式，必然会增加系统中类和对象的个数。
• 由于状态模式的结构与实现较为复杂，一旦使用不当，将会导致程序结构和代码的混乱。
• 若要添加新的状态，则需要修改负责转换的源代码，否则无法转换到新增的状态，而且修改某个状态的行为也要修改源代码。

使用场景

• 一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。
• 一个操作中含有庞大的多分支结构，并且这些分支决定于对象的状态。

案例分析

交通信号灯 - 文明出行，从我做起。

红灯停，绿灯行，黄灯亮了等一等。

交叉路口红绿灯，指挥交通显神通；
绿灯亮了放心走，红灯亮了别抢行；
黄灯亮了要注意，人人遵守红绿灯。

可以看到，交通信号灯的状态流：红灯 -> 绿灯 -> 黄灯。。。实际上，就是各个状态之间的相互切换，这完全符合状态模式。

代码实现

创建上下文

上下文由 TrafficLights 表示，该类有一个 IState 变量，在构造中被初始化为 RedLight（红灯）：

// context.h#ifndef CONTEXT_H#define CONTEXT_H#include "concrete_state.h"// 交通信号灯class TrafficLights{public:    TrafficLights() { m_pState = new RedLight(this); }    void SetState(IState* state) { m_pState = state; }    void Request() { m_pState->Handle(); }private:    IState* m_pState;};#endif // CONTEXT_H

注意： 在上下文提供的方法中，实际上使用的是 IState 的相应方法。

创建抽象状态

IState 有一个 Handle() 接口，用于改变状态：

// state.h#ifndef STATE_H#define STATE_H// 信号灯的状态class IState{public:    virtual void Handle() = 0;};#endif // STATE_H

创建具体状态

具体的状态有三个 - 红灯、绿灯、黄灯：

// concrete_state.h#ifndef CONCRETE_STATE_H#define CONCRETE_STATE_H#include "state.h"class TrafficLights;// 红灯class RedLight : public IState{public:    RedLight(TrafficLights* context);    virtual void Handle() override;private:    TrafficLights* m_pContext;};// 绿灯class GreenLight : public IState{public:    GreenLight(TrafficLights* context);    virtual void Handle() override;private:    TrafficLights* m_pContext;};// 黄灯class YellowLight : public IState{public:    YellowLight(TrafficLights* context);    virtual void Handle() override;private:    TrafficLights* m_pContext;};#endif // CONCRETE_STATE_H

它们所提供的方法有对上下文对象的引用，并且能够改变它的状态：

// concrete_state.cpp#include "concrete_state.h"#include "context.h"#include <iostream>// 红灯RedLight::RedLight(TrafficLights* context) : m_pContext(context) {}void RedLight::Handle(){    std::cout << "Red Light" << std::endl;    m_pContext->SetState(new GreenLight(m_pContext));    delete this;}// 绿灯GreenLight::GreenLight(TrafficLights* context) : m_pContext(context) {}void GreenLight::Handle(){    std::cout << "Green Light" << std::endl;    m_pContext->SetState(new YellowLight(m_pContext));    delete this;}// 黄灯YellowLight::YellowLight(TrafficLights* context) : m_pContext(context) {}void YellowLight::Handle(){    std::cout << "Yellow Light" << std::endl;    m_pContext->SetState(new RedLight(m_pContext));    delete this;}

创建客户端

Ready，go！“交通警察”开始工作啦：

// main.cpp#include "context.h"#include <iostream>#include <windows.h>int main(){    TrafficLights tl;    enum TLState {Red, Green, Yellow};    TLState state = Red;  // 初始状态为红灯    int i = 0;  // 总次数    int seconds;  // 秒数    while (true) {        // 表示一个完整的状态流（红灯->绿灯->黄灯）已经完成        if (i % 3 == 0)            std::cout << "**********" << "Session " << ((i+1)/3)+1 << "**********" << std::endl;        // 根据当前状态来设置持续时间，红灯（6秒）、绿灯（4秒）、黄灯（2秒）        if (state == Red) {            seconds = 6;            state = Green;        } else if (state == Green) {            seconds = 4;            state = Yellow;        } else if (state == Yellow) {            seconds = 2;            state = Red;        }        // 休眠        Sleep(seconds * 1000);        tl.Request();        i++;    }    return 0;}

输出如下：

*****Session 1*****
Red Light
Green Light
Yellow Light
*****Session 2*****
Red Light
Green Light
Yellow Light
*****Session 3*****
Red Light
Green Light
Yellow Light
*****Session n*****
…

交通信号灯的状态一般会持续一定时间，这里使用 Sleep() 休眠的方式来实现。当然，现实生活中信号灯的各个状态持续时间较长，为了更快地在各个状态之间进行切换，我们设置了短时间的间隔 - 红灯（6秒）、绿灯（4秒）、黄灯（2秒）。