什么是狀態模式？

狀態模式是一種行為型設計模式，它允許一個對象在其內部狀態發生改變時，動態改變其行為。通過將狀態相關的邏輯封裝到獨立的類中，狀態模式能夠將狀態管理與行為解耦，從而讓系統更加靈活和可維護。

通俗理解

想象一個自動售貨機，它有以下幾種狀態：

1. 無硬幣狀態：等待用戶投入硬幣。
2. 有硬幣狀態：用戶可以選擇商品。
3. 售貨狀態：用戶選擇商品后，售貨機正在出貨。
4. 缺貨狀態：商品已售罄。

售貨機的行為完全依賴于當前的狀態，比如：

• 在無硬幣狀態下，用戶無法選擇商品。
• 在有硬幣狀態下，用戶可以選擇商品。
• 在售貨狀態下，售貨機執行出貨操作。

狀態模式的核心就是：將狀態邏輯抽象為獨立的狀態類，并通過上下文類（如售貨機）動態切換狀態對象，進而改變對象的行為。

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狀態模式的特點

優點

1. 清晰封裝狀態邏輯：

   • 每種狀態的邏輯被集中到對應的狀態類中，邏輯清晰且易于管理。

2. 動態切換行為：

   • 對象的行為可以通過切換狀態動態改變，無需修改上下文類的代碼。

3. 擴展性強：

   • 新增狀態只需添加新的狀態類，不影響現有代碼，符合開閉原則。

缺點

1. 類的數量增加：

   • 每種狀態都需要一個單獨的類，可能導致類數量較多。

2. 狀態切換邏輯分散：

   • 狀態之間的切換邏輯分布在多個狀態類中，增加了維護的復雜性。

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狀態模式的結構

UML類圖

         +---------------------+|       Context       |   // 上下文類，管理當前狀態+---------------------+|  - state: State     ||  + setState(state)  ||  + request()        |+---------------------+^|+---------------------+|       State         |   // 抽象狀態類+---------------------+|  + handle()         |+---------------------+^|+----------------------+  +----------------------+|  ConcreteStateA      |  |  ConcreteStateB      |   // 具體狀態類+----------------------+  +----------------------+|  + handle()          |  |  + handle()          |+----------------------+  +----------------------+

組成部分

1. State（抽象狀態類）

   • 定義了所有狀態的通用接口，例如insertCoin()、selectProduct()等。

2. ConcreteState（具體狀態類）

   • 實現State接口，定義與特定狀態相關的行為。

3. Context（上下文類）

   • 持有一個狀態對象，調用當前狀態的行為。
   • 負責在運行時切換狀態對象。

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案例：自動售貨機

需求描述

設計一個簡單的自動售貨機，支持以下功能：

1. 無硬幣狀態：用戶不能選擇商品。
2. 有硬幣狀態：用戶可以選擇商品。
3. 售貨狀態：用戶選擇商品后，售貨機出貨。

目標

• 實現售貨機的狀態管理，使得行為隨著狀態變化而動態改變。
• 狀態切換應簡單且易于擴展。

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完整代碼實現

以下是狀態模式在自動售貨機中的應用，輸出為中文，附帶詳細注釋。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>// 抽象狀態類
class State {
public:virtual void insertCoin() = 0;      // 投入硬幣virtual void selectProduct() = 0;  // 選擇商品virtual void dispenseProduct() = 0; // 出貨virtual ~State() = default;
};// 前向聲明：解決狀態類互相引用的問題
class VendingMachine;
class HasCoinState;// 上下文類：自動售貨機
class VendingMachine {
private:std::shared_ptr<State> currentState; // 當前狀態public:void setState(std::shared_ptr<State> state) {currentState = state; // 切換狀態}// 調用當前狀態的方法void insertCoin() {currentState->insertCoin();}void selectProduct() {currentState->selectProduct();}void dispenseProduct() {currentState->dispenseProduct();}
};// 具體狀態類：無硬幣狀態
class NoCoinState : public State {
private:VendingMachine* machine; // 上下文public:explicit NoCoinState(VendingMachine* machine) : machine(machine) {}void insertCoin() override {std::cout << "硬幣已投入，進入有硬幣狀態。" << std::endl;machine->setState(std::static_pointer_cast<State>(std::make_shared<HasCoinState>(machine))); // 切換到有硬幣狀態}void selectProduct() override {std::cout << "請先投入硬幣。" << std::endl;}void dispenseProduct() override {std::cout << "請先投入硬幣并選擇商品。" << std::endl;}
};// 具體狀態類：有硬幣狀態
class HasCoinState : public State {
private:VendingMachine* machine;public:explicit HasCoinState(VendingMachine* machine) : machine(machine) {}void insertCoin() override {std::cout << "硬幣已存在，請選擇商品。" << std::endl;}void selectProduct() override {std::cout << "商品已選擇，正在出貨。" << std::endl;machine->setState(std::static_pointer_cast<State>(std::make_shared<NoCoinState>(machine))); // 模擬出貨后切換到無硬幣狀態}void dispenseProduct() override {std::cout << "請先選擇商品。" << std::endl;}
};// 客戶端代碼
int main() {// 創建自動售貨機并設置初始狀態VendingMachine machine;machine.setState(std::make_shared<NoCoinState>(&machine));// 測試售貨機的功能std::cout << "=== 測試場景 1：無硬幣狀態 ===" << std::endl;machine.selectProduct(); // 未投硬幣時選擇商品machine.insertCoin();    // 投入硬幣std::cout << "\n=== 測試場景 2：有硬幣狀態 ===" << std::endl;machine.selectProduct(); // 投幣后選擇商品return 0;
}

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運行結果

=== 測試場景 1：無硬幣狀態 ===
請先投入硬幣。
硬幣已投入，進入有硬幣狀態。=== 測試場景 2：有硬幣狀態 ===
商品已選擇，正在出貨。

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代碼解讀

1. 抽象狀態類（State）

class State {
public:virtual void insertCoin() = 0;virtual void selectProduct() = 0;virtual void dispenseProduct() = 0;virtual ~State() = default;
};

• 定義了所有狀態的接口。
• 子類實現這些方法來處理具體的狀態邏輯。

2. 上下文類（VendingMachine）

class VendingMachine {
private:std::shared_ptr<State> currentState;public:void setState(std::shared_ptr<State> state) {currentState = state;}void insertCoin() {currentState->insertCoin();}void selectProduct() {currentState->selectProduct();}void dispenseProduct() {currentState->dispenseProduct();}
};

• 持有當前狀態對象，并將行為委托給當前狀態。
• 通過setState方法切換狀態。

3. 具體狀態類

• 無硬幣狀態：

void insertCoin() override {std::cout << "硬幣已投入，進入有硬幣狀態。" << std::endl;machine->setState(std::static_pointer_cast<State>(std::make_shared<HasCoinState>(machine)));
}

• 有硬幣狀態：

void selectProduct() override {std::cout << "商品已選擇，正在出貨。" << std::endl;machine->setState(std::static_pointer_cast<State>(std::make_shared<NoCoinState>(machine)));
}

每個具體狀態實現了當前狀態的行為邏輯，同時可以切換到其他狀態。

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狀態模式的應用場景

1. 對象行為取決于狀態：

   • 自動售貨機、訂單狀態管理、游戲角色狀態（如站立、跑動、跳躍等）。

2. 需要消除復雜條件判斷：

   • 替代if-else或switch語句，將狀態邏輯分散到獨立的狀態類中。

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總結

狀態模式是一種非常實用的設計模式，它通過將狀態邏輯封裝到獨立的類中，動態改變對象的行為，從而提高代碼的擴展性和可維護性。

核心優勢

1. 行為動態改變：通過切換狀態對象，動態改變對象的行為。
2. 易擴展：新增狀態只需添加狀態類，不影響現有代碼。
3. 邏輯清晰：每個狀態的邏輯集中在對應的狀態類中，代碼更易于理解和維護。

典型應用

• 自動售貨機
• 在線訂單狀態（待支付、已支付、已發貨等）
• 游戲角色狀態（站立、奔跑、跳躍等）