突破编程_C++_设计模式（状态模式）

1 状态模式的基本概念

C++ 中的状态模式是一种行为设计模式，它允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来好像修改了它的类。状态模式将特定状态相关的行为封装在独立的类中，并将请求委托给当前状态对象来处理。状态模式通过将行为封装在单独的状态对象中，并允许状态对象根据上下文环境来更改其行为，从而使代码更加清晰和易于维护。

状态模式通常包含以下几个关键组件：

（1）Context（上下文）： 它定义了客户端所感兴趣的接口。维护一个指向当前状态对象的引用，并将与状态相关的请求委托给当前状态对象处理。

（2）State（状态）： 定义一个接口以封装与 Context 的一个特定状态相关的行为。

（3）ConcreteState（具体状态）： 实现 State 接口，每一类具体状态对应一个 ConcreteState 子类。每一个状态类负责实现其对应的状态所对应的行为。

2 状态模式的实现步骤

状态模式的实现步骤如下：

（1）定义状态接口：
首先，定义一个状态接口，这个接口声明了状态对象应该提供的操作。这些操作通常与对象在特定状态下的行为有关。

（2）实现具体状态类：
接着，为每个可能的状态实现一个具体状态类。这些类将继承自状态接口，并实现其中的方法。每个具体状态类将定义对象在特定状态下的行为。

（3）定义上下文类：
上下文类通常包含一个指向当前状态对象的指针或引用。上下文类还包含一些与状态相关的请求方法，这些方法将调用当前状态对象上的相应操作。上下文类负责在状态之间切换，并在状态改变时更新其内部状态指针。

（4）实现状态切换逻辑：
在上下文类中，你需要实现状态切换的逻辑。这通常涉及根据某些条件或事件来改变当前状态对象的引用。

（5）使用上下文类：
最后，客户端代码将使用上下文类来与状态模式交互。客户端不会直接操作状态对象，而是通过调用上下文类的方法来触发状态相关的行为。上下文类将负责将请求委托给当前状态对象处理。

如下为样例代码：

#include <iostream>  
#include <memory>  class Context;// State 抽象类  
class State {
public:virtual void handle() = 0;virtual ~State() = default;void setContext(Context* ctx) {context = ctx;}protected:Context* context;
};// Context 类  
class Context {
public:Context() {}void request() {// 请求被委托给当前状态对象处理  state->handle();}void setState(std::unique_ptr<State> newState) {// 更新当前状态对象  state = std::move(newState);// 设置新状态的上下文  state->setContext(this);}private:std::unique_ptr<State> state;
};// 具体状态 A  
class StateA : public State {
public:void handle() override {std::cout << "State A is handling the request." << std::endl;}
};// 具体状态 B  
class StateB : public State {
public:void handle() override {std::cout << "State B is handling the request." << std::endl;// 在某些条件下切换到 StateA  context->setState(std::make_unique<StateA>());}
};int main() 
{Context context;context.setState(std::make_unique<StateB>());// 模拟请求处理context.request();// 再次模拟请求处理，状态会切换成 StateA context.request();return 0;
}

上面代码的输出为：

State B is handling the request.
State A is handling the request.

在这个示例中，State 是一个抽象类，它定义了一个 handle 方法。StateA 和 StateB 是 State 接口的具体实现，它们分别定义了在不同状态下的行为。Context 类持有一个指向 State 对象的 unique_ptr，这个 unique_ptr 负责管理 State 对象的生命周期。

Context 的 request 方法用于触发状态处理，它简单地调用了当前状态对象的 handle 方法。setState 方法用于在状态之间切换，它接受一个新的状态对象的 unique_ptr，并将当前状态更新为新的状态对象。

在 StateB 的handle方法中，模拟了状态切换的逻辑，并在某些条件下调用 context->setState 来切换到另一个状态。

3 状态模式的应用场景

C++ 的状态模式特别适用于当一个对象的行为取决于它的状态，并且状态之间转换复杂或者状态数量较多的情况。以下是一些状态模式的应用场景：

（1）用户界面交互： 在图形用户界面（GUI）中，按钮或控件的行为可能会根据用户交互或上下文状态的不同而变化。例如，一个按钮可能在禁用状态下显示灰色，在点击时改变颜色，并在执行某个动作后恢复默认状态。状态模式可以管理这些不同状态之间的转换和对应的行为。

（2）网络协议处理： 在处理网络通信时，连接的状态（如建立连接、数据传输、断开连接等）可能会影响如何处理接收到的数据。状态模式可以清晰地表示和转换这些状态，以确保正确处理网络协议。

（3）游戏开发： 在游戏中，角色的行为可能会根据其当前状态（如行走、奔跑、攻击、防御等）而变化。状态模式可以帮助管理这些状态，确保角色在每种状态下都有正确的行为。

（4）订单处理系统： 在电子商务或订单处理系统中，订单的状态（如待支付、已支付、已发货、已完成等）会影响系统如何处理订单。状态模式可以方便地管理这些状态转换和对应的行为。

（5）工作流引擎： 在工作流或业务流程管理系统中，任务或活动的状态（如待处理、处理中、已完成等）决定了下一步应该执行什么操作。状态模式可以帮助管理系统中的状态转换和流程逻辑。

（6）硬件控制： 在嵌入式系统或硬件控制软件中，设备或组件的状态（如开启、关闭、待机等）可能会影响如何发送控制命令。状态模式可以确保在每种状态下都发送正确的命令。

3.1 状态模式应用于用户界面交互

下面的示例展示了一个简单的文本编辑器界面，其中的状态包括“正常”编辑状态和“只读”状态。

首先，定义 State 接口和它的两个实现类 NormalState 和 ReadOnlyState：

#include <iostream>  
#include <memory>  
#include <string>  // State 接口  
class State {
public:virtual void write(const std::string& text) = 0;virtual bool canWrite() const = 0;virtual ~State() = default;
};// 正常编辑状态  
class NormalState : public State {
public:void write(const std::string& text) override {std::cout << "Writing text: " << text << std::endl;}bool canWrite() const override {return true;}
};// 只读状态  
class ReadOnlyState : public State {
public:void write(const std::string& text) override {std::cout << "Cannot write in read-only mode." << std::endl;}bool canWrite() const override {return false;}
};

接下来，定义 TextEditor 类，它持有一个指向 State 对象的 std::unique_ptr：

class TextEditor 
{
public:TextEditor() : currentState(std::make_unique<NormalState>()) {}void setState(std::unique_ptr<State> newState) {currentState = std::move(newState);}void write(const std::string& text) {if (currentState->canWrite()) {currentState->write(text);}}void toggleReadOnly() {if (dynamic_cast<NormalState*>(currentState.get())) {setState(std::make_unique<ReadOnlyState>());}else {setState(std::make_unique<NormalState>());}}private:std::unique_ptr<State> currentState;
};

在 TextEditor 类中，有一个 setState 方法，它接受一个 std::unique_ptr<State>来更新当前状态。write 方法会检查当前状态是否允许写入，如果允许，则调用当前状态的 write 方法。toggleReadOnly 方法用于切换编辑器的读写状态。

最后，在 main 函数中，创建一个 TextEditor 对象，并模拟用户交互：

int main() 
{TextEditor editor;editor.write("This is normal writing."); // 正常写入  editor.toggleReadOnly(); // 切换到只读状态  editor.write("Trying to write in read-only mode."); // 尝试在只读状态下写入  editor.toggleReadOnly(); // 切换回正常状态  editor.write("Back to normal writing."); // 返回正常写入  return 0;
}

上面代码的输出为：

Writing text: This is normal writing.
Writing text: Back to normal writing.

在这个示例中，TextEditor 对象根据当前状态（正常或只读）来允许或拒绝写入操作。通过调用 toggleReadOnly 方法，可以模拟用户切换编辑器的读写状态。由于使用了智能指针 std::unique_ptr，所以不需要手动管理 State 对象的生命周期，它们会在适当的时候被自动删除。这提高了代码的安全性和可维护性。

3.2 状态模式应用网络协议处理

在 C++ 中，状态模式可以很好地应用于网络协议处理，特别是当协议的不同状态需要不同的处理逻辑时。下面是一个简单的示例，展示了如何使用状态模式处理一个简单的网络协议的状态转换。

首先，定义协议的状态接口和几个状态类：

#include <iostream>  
#include <memory>  
#include <string>  // 协议状态接口  
class ProtocolState {
public:virtual void handleData(const std::string& data) = 0;virtual ~ProtocolState() = default;
};// 协议状态A（例如：等待连接）  
class StateA : public ProtocolState {
public:void handleData(const std::string& data) override {std::cout << "StateA: Handling data in state A: " << data << std::endl;// 假设某些条件下转移到状态B  // context->setState(std::make_unique<StateB>());  }
};// 协议状态B（例如：已连接，等待数据）  
class StateB : public ProtocolState {
public:void handleData(const std::string& data) override {std::cout << "StateB: Handling data in state B: " << data << std::endl;// 根据数据内容或其他条件，可能转移到其他状态  }
};

然后，定义一个 ProtocolContext 类，它持有一个指向当前状态对象的智能指针，并暴露处理数据的方法：

class ProtocolContext {
public:ProtocolContext() : currentState(std::make_unique<StateA>()) {}void setData(const std::string& data) {currentState->handleData(data);}void setState(std::unique_ptr<ProtocolState> newState) {currentState = std::move(newState);}private:std::unique_ptr<ProtocolState> currentState;
};

在这个示例中，ProtocolContext 类负责管理当前的状态，并根据接收到的数据调用相应状态的处理方法。状态的转换逻辑可以嵌入到各个状态类的 handleData 方法中，或者根据需要从外部触发。

最后，在 main 函数中，模拟网络协议处理的过程：

int main() 
{ProtocolContext context;// 假设接收到一些数据  context.setData("Some data received");// 根据数据内容或其他条件，可能转移到其他状态  // 例如，如果数据表示连接已建立，可以转移到状态B  // context.setState(std::make_unique<StateB>());  // 再次接收数据，这次会根据当前状态来处理  context.setData("More data received");return 0;
}

上面代码的输出为：

StateA: Handling data in state A: Some data received
StateA: Handling data in state A: More data received

注意：在实际的网络协议处理中，状态的转换可能更加复杂，并且可能涉及网络事件的监听、定时器的使用、错误处理等多种情况。每个状态类可能需要维护自己的内部状态，并根据接收到的数据和网络事件来更新这些状态，以及决定是否需要转移到其他状态。

4 状态模式的优点与缺点

C++ 状态模式的优点主要包括：

（1）封装性： 状态模式通过将特定状态的行为封装在单独的类中，使得代码更加清晰和易于理解。每个状态都有自己专门的处理逻辑，这有助于减少if-else或者switch-case语句的使用，使得代码更加模块化。

（2）扩展性： 如果需要添加新的状态或者修改某个状态的行为，只需要增加新的状态类或者修改现有状态类的实现，而不需要修改使用这些状态的上下文类。这降低了代码之间的耦合度，提高了系统的可维护性和可扩展性。

（3）可维护性： 由于每个状态的行为被封装在单独的类中，所以这些行为可以被独立地测试和验证。此外，状态的改变不会影响到使用这些状态的上下文类，这有助于保持代码的稳定性和可维护性。

（4）状态转换的明确性： 状态模式清晰地表示了状态之间的转换逻辑，使得状态转换的过程更加明确和易于控制。

然而，C++ 状态模式也存在一些缺点：

（1）增加系统复杂性： 对于简单的状态转换，使用状态模式可能会增加系统的复杂性。每个状态都需要一个单独的类，这可能会增加类的数量，使系统变得更加复杂。

（2）性能开销： 由于每次状态转换时都需要创建新的状态对象（除非使用对象池等技术来优化），这可能会带来一定的性能开销。此外，如果状态转换非常频繁，这种开销可能会变得显著。

（3）设计过度： 在某些情况下，过度使用状态模式可能会导致设计过度复杂。如果状态之间的转换逻辑相对简单，或者状态数量很少，那么使用状态模式可能并不是最佳选择。

（4）客户端代码可能变得复杂： 当状态数量较多且转换逻辑复杂时，客户端代码可能需要处理多种状态转换，这可能会使客户端代码变得复杂和难以维护。