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状态模式的C++实现示例

news 来源：原创 2025/5/16 8:59:53

核心思想

状态模式（State Pattern）是一种行为设计模式，允许对象在其内部状态改变时改变其行为。它将状态相关的逻辑分散到不同的状态类中，避免了使用大量的条件语句来处理不同状态下的行为。

状态抽象化：将对象的状态抽象为独立的类，每个状态类实现与该状态相关的行为。
上下文委托：上下文对象（Context）持有一个状态对象的引用，并将行为委托给当前状态对象。
状态切换：状态类负责在适当的时候切换到其他状态，上下文对象只需更新当前状态的引用。

使用场景

对象的行为依赖于它的状态，并且需要在运行时根据状态改变行为。
代码中包含大量与状态相关的条件分支，且这些分支在多个地方重复出现。
需要清晰地管理状态的转换逻辑，避免状态相关的代码分散在多个地方。

优点

消除条件分支：将状态相关的逻辑分散到状态类中，避免了复杂的条件判断。
易于扩展：新增状态时只需添加新的状态类，无需修改现有代码。
提高可读性：状态转换逻辑集中在状态类中，代码更清晰易懂。

缺点

类数量增加：每个状态都需要一个类，可能会导致类的数量膨胀。
状态转换逻辑分散：状态转换逻辑分布在各个状态类中，可能会增加调试难度。

示例代码

#include <iostream>
#include <memory>

// 前向声明
class State;

// 上下文类：电灯
class Light {
private:
    std::shared_ptr<State> state_; // 当前状态

public:
    Light(std::shared_ptr<State> state);

    void setState(std::shared_ptr<State> state); // 设置状态
    void pressSwitch(); // 按下开关
};

// 抽象状态类
class State {
public:
    virtual ~State() = default;
    virtual void handle(Light& light) = 0; // 处理行为
};

// 具体状态类：开状态
class OnState : public State {
public:
    void handle(Light& light) override;
};

// 具体状态类：关状态
class OffState : public State {
public:
    void handle(Light& light) override;
};

// Light 类的实现
Light::Light(std::shared_ptr<State> state) : state_(state) {}

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

void Light::pressSwitch() {
    state_->handle(*this); // 委托给当前状态处理
}

// OnState 类的实现
void OnState::handle(Light& light) {
    std::cout << "Turning light off." << std::endl;
    light.setState(std::make_shared<OffState>()); // 切换到关状态
}

// OffState 类的实现
void OffState::handle(Light& light) {
    std::cout << "Turning light on." << std::endl;
    light.setState(std::make_shared<OnState>()); // 切换到开状态
}

// 客户端代码
int main() {
    // 初始状态为关
    Light light(std::make_shared<OffState>());

    // 按下开关，切换状态
    light.pressSwitch(); // 开
    light.pressSwitch(); // 关
    light.pressSwitch(); // 开

    return 0;
}

输出结果

Turning light on.
Turning light off.
Turning light on.

代码解析

Light 类：上下文类，持有一个状态对象的指针，并将行为委托给当前状态。
State 类：抽象状态类，定义了状态的行为接口。
OnState 和 OffState 类：具体状态类，实现了状态的行为和状态转换逻辑。
状态切换：在 handle 方法中，状态类负责切换到下一个状态。