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C++ 设计模式：状态模式（State Pattern）

article 2025/1/5 6:44:49

链接：C++ 设计模式
链接：C++ 设计模式 - 备忘录

状态模式（State Pattern）是一种行为设计模式，它允许对象在内部状态改变时改变其行为。状态模式将状态的行为封装在独立的状态类中，并将状态的切换逻辑委托给这些状态类，从而使得对象的行为随着状态的变化而变化。

1.问题分析

在开发中，我们经常会遇到对象的行为随着其内部状态的变化而变化的情况。如果我们将所有状态的行为都放在一个类中，会导致以下问题：

代码复杂度增加：所有状态的行为都在一个类中实现，代码会变得非常复杂和难以维护。
难以扩展：如果需要添加新的状态或修改现有状态的行为，需要修改这个类的代码，违反了开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）。
状态切换逻辑混乱：状态切换的逻辑和状态的行为混在一起，难以理解和维护。

状态模式通过将状态的行为封装在独立的状态类中，并将状态的切换逻辑委托给这些状态类，从而解决了上述问题。

2.实现步骤

1.定义状态接口：声明所有具体状态类需要实现的方法。
2.定义具体状态类：实现状态接口中的方法，并根据具体状态的行为进行实现。
3.定义上下文类：维护一个当前状态的实例，并提供方法来设置和切换状态。上下文类的方法会调用当前状态实例的方法。

3.代码示例

以机器人状态示例。

3.1.状态接口

// 状态接口
class State {
 public:
  virtual ~State() = default;
  virtual void handle() = 0;
};

3.2.具体状态

// 具体状态类：站起状态
class StandingState : public State {
 public:
  void handle() override { std::cout << "Robot is standing." << std::endl; }
};

// 具体状态类：行走状态
class WalkingState : public State {
 public:
  void handle() override { std::cout << "Robot is walking." << std::endl; }
};

// 具体状态类：挥手状态
class WavingState : public State {
 public:
  void handle() override { std::cout << "Robot is waving." << std::endl; }
};

// 具体状态类：蹲下状态
class SquattingState : public State {
 public:
  void handle() override { std::cout << "Robot is squatting." << std::endl; }
};

3.3.上下文类

// 上下文类
class Robot {
 public:
  Robot(std::shared_ptr<State> state) : state_(state) {}

  void setState(std::shared_ptr<State> state) { state_ = state; }

  void performAction() { state_->handle(); }

 private:
  std::shared_ptr<State> state_;
};

3.4.客户端代码

int main() {
  auto standingState = std::make_shared<StandingState>();
  auto walkingState = std::make_shared<WalkingState>();
  auto wavingState = std::make_shared<WavingState>();
  auto squattingState = std::make_shared<SquattingState>();

  Robot robot(standingState);  // 初始状态为站起

  robot.performAction();  // 输出：Robot is standing.

  robot.setState(walkingState);  // 切换状态为行走
  robot.performAction();         // 输出：Robot is walking.

  robot.setState(wavingState);  // 切换状态为挥手
  robot.performAction();        // 输出：Robot is waving.

  robot.setState(squattingState);  // 切换状态为蹲下
  robot.performAction();           // 输出：Robot is squatting.

  return 0;
}