C语言实现状态模式

状态模式（State Pattern）的核心是允许对象在内部状态改变时改变其行为，使对象看起来好像修改了它的类。在C语言中，可以通过状态结构体（封装不同状态的行为）+ 上下文结构体（持有当前状态并委托行为） 实现：上下文将行为委托给当前状态对象，状态变化时只需切换上下文持有的状态指针。

C语言实现状态模式的思路

1. 状态接口（State）：定义所有具体状态的统一行为接口（函数指针），如handle（处理事件）。
2. 具体状态（Concrete State）：实现状态接口，封装对应状态下的具体行为，并在适当时候触发状态转换。
3. 上下文（Context）：持有当前状态的指针，提供统一接口供客户端调用，将具体行为委托给当前状态，同时允许状态切换。

示例：电梯状态管理（运行、停止、开门、关门）

电梯有多种状态（停止、运行、开门、关门），不同状态下对同一事件（如按开门键）的响应不同。用状态模式管理电梯状态转换和行为。

步骤1：定义状态接口和上下文

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>// 前向声明上下文，避免循环依赖
typedef struct Elevator Elevator;// 状态接口：定义电梯在不同状态下的行为
typedef struct State {// 处理开门事件void (*open)(struct State* self, Elevator* elevator);// 处理关门事件void (*close)(struct State* self, Elevator* elevator);// 处理运行事件void (*run)(struct State* self, Elevator* elevator);// 处理停止事件void (*stop)(struct State* self, Elevator* elevator);// 状态名称（用于打印）char name[20];
} State;

步骤2：实现上下文（电梯）

上下文持有当前状态，提供触发事件的接口，并允许状态切换。

// 上下文：电梯
typedef struct Elevator {State* current_state; // 当前状态int floor;            // 当前楼层
} Elevator;// 电梯初始化
void elevator_init(Elevator* elevator, State* initial_state) {elevator->current_state = initial_state;elevator->floor = 1; // 初始在1楼printf("电梯初始化，初始状态：%s（%d楼）\n", initial_state->name, elevator->floor);
}// 触发开门事件（委托给当前状态）
void elevator_open(Elevator* elevator) {printf("\n触发开门...\n");elevator->current_state->open(elevator->current_state, elevator);
}// 触发关门事件
void elevator_close(Elevator* elevator) {printf("\n触发关门...\n");elevator->current_state->close(elevator->current_state, elevator);
}// 触发运行事件
void elevator_run(Elevator* elevator) {printf("\n触发运行...\n");elevator->current_state->run(elevator->current_state, elevator);
}// 触发停止事件
void elevator_stop(Elevator* elevator) {printf("\n触发停止...\n");elevator->current_state->stop(elevator->current_state, elevator);
}// 切换电梯状态（由具体状态调用）
void elevator_change_state(Elevator* elevator, State* new_state) {elevator->current_state = new_state;printf("状态切换为：%s\n", new_state->name);
}

步骤3：实现具体状态（停止、运行、开门、关门）

每个状态实现State接口，定义该状态下对事件的响应，并在满足条件时切换到其他状态。

3.1 停止状态（电梯静止在某楼层）

// 前向声明其他状态，用于状态转换
extern State stopping_state;
extern State running_state;
extern State opening_state;
extern State closing_state;// 具体状态1：停止状态
static void stop_open(State* self, Elevator* elevator) {// 停止状态下可以开门printf("电梯在%d楼停止状态，执行开门...", elevator->floor);elevator_change_state(elevator, &opening_state); // 切换到开门状态
}static void stop_close(State* self, Elevator* elevator) {// 停止状态下关门无意义printf("电梯已停止且门关闭，无需关门\n");
}static void stop_run(State* self, Elevator* elevator) {// 停止状态下可以运行printf("电梯在%d楼停止状态，开始运行...", elevator->floor);elevator->floor = 5; // 模拟运行到5楼elevator_change_state(elevator, &running_state); // 切换到运行状态
}static void stop_stop(State* self, Elevator* elevator) {// 已在停止状态printf("电梯已处于停止状态\n");
}// 初始化停止状态
State stopping_state = {.open = stop_open,.close = stop_close,.run = stop_run,.stop = stop_stop,.name = "停止"
};

3.2 运行状态（电梯正在移动）

// 具体状态2：运行状态
static void run_open(State* self, Elevator* elevator) {// 运行中不能开门printf("电梯运行中，禁止开门\n");
}static void run_close(State* self, Elevator* elevator) {// 运行中门已关闭，无需关门printf("电梯运行中，门已关闭\n");
}static void run_run(State* self, Elevator* elevator) {// 已在运行状态printf("电梯已处于运行状态\n");
}static void run_stop(State* self, Elevator* elevator) {// 运行状态下可以停止printf("电梯从%d楼停止运行...", elevator->floor);elevator_change_state(elevator, &stopping_state); // 切换到停止状态
}// 初始化运行状态
State running_state = {.open = run_open,.close = run_close,.run = run_run,.stop = run_stop,.name = "运行"
};

3.3 开门状态（电梯门打开）

// 具体状态3：开门状态
static void open_open(State* self, Elevator* elevator) {// 已在开门状态printf("电梯门已打开\n");
}static void open_close(State* self, Elevator* elevator) {// 开门状态下可以关门printf("电梯门开始关闭...");elevator_change_state(elevator, &closing_state); // 切换到关门状态
}static void open_run(State* self, Elevator* elevator) {// 门开着不能运行printf("电梯门未关闭，无法运行\n");
}static void open_stop(State* self, Elevator* elevator) {// 开门状态下已停止printf("电梯门打开，已处于停止状态\n");
}// 初始化开门状态
State opening_state = {.open = open_open,.close = open_close,.run = open_run,.stop = open_stop,.name = "开门"
};

3.4 关门状态（电梯门关闭中）

// 具体状态4：关门状态
static void close_open(State* self, Elevator* elevator) {// 关门中可以重新开门printf("电梯门停止关闭，开始打开...");elevator_change_state(elevator, &opening_state); // 切换到开门状态
}static void close_close(State* self, Elevator* elevator) {// 已在关门状态printf("电梯门已关闭\n");
}static void close_run(State* self, Elevator* elevator) {// 门关闭后可以运行printf("电梯门关闭完成，开始运行...");elevator->floor = 3; // 模拟运行到3楼elevator_change_state(elevator, &running_state); // 切换到运行状态
}static void close_stop(State* self, Elevator* elevator) {// 关门后进入停止状态printf("电梯门关闭完成，停止不动...");elevator_change_state(elevator, &stopping_state); // 切换到停止状态
}// 初始化关门状态
State closing_state = {.open = close_open,.close = close_close,.run = close_run,.stop = close_stop,.name = "关门"
};

步骤4：使用状态模式

客户端通过上下文（电梯）触发事件，无需关心具体状态，状态转换由状态对象内部处理。

int main() {// 创建电梯（初始状态为停止）Elevator elevator;elevator_init(&elevator, &stopping_state);// 模拟电梯操作流程elevator_open(&elevator);    // 停止→开门elevator_close(&elevator);   // 开门→关门elevator_run(&elevator);     // 关门→运行elevator_stop(&elevator);    // 运行→停止elevator_run(&elevator);     // 停止→运行elevator_open(&elevator);    // 运行中开门（禁止）elevator_stop(&elevator);    // 运行→停止return 0;
}

输出结果

电梯初始化，初始状态：停止（1楼）触发开门...
电梯在1楼停止状态，执行开门...状态切换为：开门触发关门...
电梯门开始关闭...状态切换为：关门触发运行...
电梯门关闭完成，开始运行...状态切换为：运行触发停止...
电梯从3楼停止运行...状态切换为：停止触发运行...
电梯在3楼停止状态，开始运行...状态切换为：运行触发开门...
电梯运行中，禁止开门触发停止...
电梯从5楼停止运行...状态切换为：停止

核心思想总结

1. 行为与状态绑定：每个状态封装了该状态下的行为（如stopping_state的open方法允许开门），避免了用if-else或switch判断状态的硬编码。
2. 状态转换清晰：状态转换逻辑由具体状态对象控制（如closing_state的run方法切换到running_state），职责明确。
3. 扩展性好：新增状态（如“故障状态”）只需实现State接口，无需修改上下文或其他状态代码，符合开放-封闭原则。
4. 上下文与状态解耦：上下文（电梯）只需委托行为给当前状态，无需知道具体状态的实现，降低耦合。

C语言通过结构体封装状态行为和状态转换逻辑，结合上下文委托机制，完美实现了状态模式的核心。这种模式适合处理对象行为随状态变化而变化的场景（如订单状态、设备状态、游戏角色状态等）。