C++ 状态设计模式

状态设计模式 是一种行为型程序设计模式，它使对象在应用程序状态改变后能够表现出不同的行为。此模式用于对象的特定状态有多个且其功能属性应随当前状态而改变的场景。状态设计模式可以防止紧密耦合的担忧，并允许在不影响对象基本逻辑的情况下更灵活地添加或删除状态。

在 C++ 中，状态模式包括生成新的状态类，每个状态类都包含特定上下文状态（主对象）的行为。上下文将依赖于状态的行为交给这些状态类，从而使系统更灵活且组织良好。

状态设计模式的组件

• 状态接口： 所有具体状态类都必须实现此处提供的接口。
• 具体状态类： 这些表示上下文的各种状态。每个 类 执行与实现该类的状态相关的操作。
• 上下文类： 引用一个具体的状态 对象 变体，并为当前状态对象提供行为。

状态设计模式的特点

状态设计模式的几个特点如下：

1. 简化上下文代码： 核心对象（上下文）不必处理状态更改，这会使代码更清晰且易于维护。
2. 易于扩展： 新状态可以轻松容纳，而无需更改其他状态或上下文类。因此，它满足开闭原则。
3. 清晰的状态转换： 每个状态都必须能够确定如何移动到其他状态，这使得状态之间的移动清晰。
4. 提高可读性： 为每个状态设置一个类看起来很合乎逻辑，因为它改进了对每个状态中的动作和转换的理解。

示例

让我们举一个例子来说明 C++ 中的状态设计模式。

输出

状态设计模式的用例

状态设计模式的几个用例如下：

交通控制系统

• TrafficLight 示例说明了状态模式可应用于改变交通信号灯的状态。两种模式都可以将每个灯作为一个状态，并且状态之间的转换也很简单。

游戏开发

• 游戏中的角色可以有不同的状态，例如奔跑状态、行走状态、跳跃状态等。有多种方法可以处理这些状态及其转换。状态设计模式可以有助于编写清晰且易于维护的代码。

自动售货机

• 自动售货机的状态可能取决于是否已投入硬币、是否已选择商品，或者自动售货机是否为空。此用例中描述的行为和转换也可以使用状态设计模式进行建模。

ATM 机

• ATM 的两个众所周知的状态是空闲模式和插卡模式。因此，开发的状态模式可以根据用户的操作来处理这些状态及其变化。

状态设计模式的优点

状态设计模式的几个优点如下：

1. 单一职责原则： 对于每个状态，总有一个类包含其逻辑，因此上下文不包含任何依赖于状态的代码。
2. 开闭原则： 扩展系统中的状态数量也不是问题。无需修改现有代码，我们总是可以使用新的状态类来扩展和组合上下文。
3. 增强可读性和可维护性： 将状态分类到其各自的类中，可以简化代码的组织，这在阅读、维护和调试代码时至关重要。
4. 可重用性： 状态类可以在期望类似行为的不同系统中理想地重用。

使用状态设计模式的缺点

状态设计模式的几个缺点如下：

1. 复杂性增加： 发现状态类的数量随着状态数量的增加呈指数增长，并且在高级别的状态粒度下，复杂性相当高。
2. 内存开销： 它会产生内存使用问题，因为由于创建新对象的模式，涉及多个状态。

结论

总之，当对象必须根据其内部状态改变其行为时，状态设计模式 是组织代码的绝佳方法。在 C++ 中，当建模具有多个状态和明确定义的状态变化的系统时，此模式更适用。它提高了代码的可维护性、可见性和可伸缩性，非常适合包含交通信号灯、自动售货机和工作流程步骤的系统。状态模式存在问题，但其在大规模场景中的优势使其成为任何程序员工具包中都有用的补充。