AI Chat 设计模式：11. 状态模式

会灰的飞猫2023-08-08 14:59

本文是该系列的第十一篇，采用问答式的方式展开，问题由我提出，答案由 Chat AI 作出，灰色背景的文字则主要是我的一些思考和补充。

问题列表

  • [Q.1 你知道状态模式吗](#Q.1 你知道状态模式吗)
  • A.1
  • [Q.2 它与有限状态机有什么联系吗？](#Q.2 它与有限状态机有什么联系吗？)
  • A.2
  • [Q.3 知道了，我是第一次学习状态模式，你能由浅入深给我讲解一下吗](#Q.3 知道了，我是第一次学习状态模式，你能由浅入深给我讲解一下吗)
  • A.3
  • [Q.4 状态模式中，状态的切换应该放到具体状态类里还是上下文类里呢](#Q.4 状态模式中，状态的切换应该放到具体状态类里还是上下文类里呢)
  • A.4
  • [Q.5 上面的例子不错，就是给我换成c++语言吧](#Q.5 上面的例子不错，就是给我换成c++语言吧)
  • A.5
  • [Q.6 有一个问题，这些状态每次都是 new 出来的，但我却没看见它们在哪里销毁](#Q.6 有一个问题，这些状态每次都是 new 出来的，但我却没看见它们在哪里销毁)
  • A.6
  • [Q.7 如果不使用智能指针呢](#Q.7 如果不使用智能指针呢)
  • A.7
  • [Q.8 明白，现在每次切换状态都要删除老的状态类，创建新的状态类，如此的反复创建、销毁，有办法改进吗](#Q.8 明白，现在每次切换状态都要删除老的状态类，创建新的状态类，如此的反复创建、销毁，有办法改进吗)
  • A.8
  • [Q.9 不错，最后需要你对状态模式做一个全面的总结](#Q.9 不错，最后需要你对状态模式做一个全面的总结)
  • A.9

Q.1 你知道状态模式吗

A.1

是的，我知道状态模式。状态模式是一种行为设计模式，它允许对象在不同的内部状态下改变其行为。在状态模式中，对象的行为取决于其状态，并且可以在运行时更改对象的状态。

状态模式包括三个主要角色：上下文 （Context）、状态接口 （State）和具体状态（Concrete State）。上下文是包含状态的对象，并将请求委派给当前状态处理。状态接口定义了所有具体状态必须实现的方法。具体状态是实现状态接口的具体类，每个具体状态负责处理特定的请求。

使用状态模式可以实现将复杂的条件语句转换为清晰的状态类，提高代码的可维护性和可扩展性。状态模式常用于需要根据对象内部状态改变行为的情况，例如状态机、游戏状态管理等。

Q.2 它与有限状态机有什么联系吗？

A.2

状态模式和有限状态机（FSM，Finite State Machine）之间存在一定联系，但它们是不同的概念。

有限状态机是一种数学模型，用于描述对象、系统或者程序的状态以及状态之间的转换。它由一组状态 、事件 和转移条件组成，当满足特定的条件时，会发生状态之间的转移。有限状态机可以是确定的（确定性有限状态机）或者非确定的（非确定性有限状态机），并可以用于解决不同的问题，如自动控制、编译器设计等。

而状态模式是一种软件设计模式，它用于将对象的行为与其内部状态相关联。对象在不同的状态下可以具有不同的行为，而状态模式允许对象在运行时根据状态的变化而改变其行为。与有限状态机不同，状态模式更关注对象的内部状态和行为之间的关系。

尽管状态模式和有限状态机都涉及到状态和状态之间的转换，但它们的关注点和应用领域有所不同。状态模式更加注重对象的内部行为和状态之间的关系，而有限状态机更关注的是问题的建模和状态转换过程。

一般认为状态模式是状态机的一种实现方式。

状态机由状态 、事件 、动作 三部分组成。事件是触发状态转移的条件或原因，动作是进入该状态后产生的行为。当事件发生时，会根据当前状态作出动作，然后进入下一状态。

我们简单举一个倒霉大学生的例子，以毕业了为初始状态，"找到工作了"这一事件发生后，他会进入"兴奋"状态，此时他可能会产生"吃顿好的"这个动作（图里并未画出）；有一天发生了"被老板骂"这一事件，他进入了"低落状态"，在该状态下会作出什么动作呢？忍了，或者硬刚，或者啥也不做（状态转换后，不一定有动作发生）；过了一阵子，他被炒了，"失业"这一事件导致他进入了"沮丧"状态；再后来，"老婆跑了"，这一事件直接让他进入了"绝望"状态；然后又发生了一些事，这个大学生进入了"无"的状态。

如果想更多了解状态机，就需要去专门学习一下相关文章了，这里只是简单介绍。

Q.3 知道了，我是第一次学习状态模式，你能由浅入深给我讲解一下吗

A.3

当然可以！我可以帮你由浅入深地理解状态模式。

状态模式的核心思想是将对象的行为和状态分离 ，通过定义不同的状态类来管理对象的状态并实现相应的行为。这使得对象的行为可以根据状态的变化而灵活改变，同时也减少了大量的条件语句，提高了代码的可读性和可维护性。

让我们以一个简单的示例来说明状态模式的使用。

假设我们要设计一个电梯系统，其中电梯可以处于三种状态：关闭状态 、开启状态 和运行状态。不同状态下，电梯的行为是不同的。

首先，我们创建一个状态接口（State），该接口定义了所有具体状态类必须实现的方法，比如open、close和run等方法。

java 复制代码 
public interface State {
    void open();
    void close();
    void run();
}

open()、close()、run() 这三个方法，定义了电梯的三个行为，同时也是我们前面提到的状态转移条件（事件）。

然后，我们创建具体的状态类，分别是OpenState、CloseState和RunState，它们实现了状态接口，负责实现对应状态下的行为。

java 复制代码 
public class OpenState implements State {
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("电梯已经是开启状态，无需再次开门");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("电梯关闭门");
        // 切换到关闭状态
        context.setState(new CloseState());
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("电梯正在运行，无法切换到运行状态");
    }
}

public class CloseState implements State {
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("电梯开门");
        // 切换到开启状态
        context.setState(new OpenState());
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("电梯已经是关闭状态，无需再次关闭");
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("电梯开始运行");
        // 切换到运行状态
        context.setState(new RunState());
    }
}

public class RunState implements State {
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("电梯在运行中，无法开门");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("电梯关门");
        // 切换到关闭状态
        context.setState(new CloseState());
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("电梯已经是运行状态，无需再次运行");
    }
}

接下来，我们创建一个上下文类（Context），它包含了一个当前状态的引用，并提供对外的操作方法。

java 复制代码 
public class Context {
    private State currentState;

    public Context() {
        // 默认初始状态是关闭状态
        currentState = new CloseState();
    }

    public void setState(State state) {
        currentState = state;
    }

    public void open() {
        currentState.open();
    }

    public void close() {
        currentState.close();
    }

    public void run() {
        currentState.run();
    }
}

发现没有，上下文类里也有open()、close()、run()这三个方法，它并不自己实现，而是直接调用状态对象的同名方法。简单说，我们将上下文本该自己实现的方法放到了状态类里来实现，当然，这些方法的行为得受到状态的影响，不同状态下行为不同。

最后，我们可以使用上述的状态模式来模拟电梯的行为。

java 复制代码 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();

        context.open();  // 输出："电梯开门"
        context.close();  // 输出："电梯关闭门"
        context.run();  // 输出："电梯开始运行"
        context.run();  // 输出："电梯已经是运行状态，无需再次运行"
        context.open();  // 输出："电梯在运行中，无法开门"
        context.close();  // 输出："电梯关门"
        context.open();  // 输出："电梯关闭门"
    }
}

通过上述示例，我们可以看到电梯根据不同的状态执行了相应的行为，而这些状态和行为的切换是相对灵活的。

这里，状态转换是在具体状态类中进行的，在严格的状态模式定义中，状态切换就是放在具体状态类中，这样的缺点是状态类之间有耦合，好处就是上下文里不用管状态的切换了。但也并不是只能如此。

Q.4 状态模式中，状态的切换应该放到具体状态类里还是上下文类里呢

A.4

在状态模式中，状态的切换可以放到具体状态类里，也可以放到上下文类里，具体取决于具体应用的需求和设计的考虑。

如果状态的变化是由外部条件驱动 的，如用户的操作、外部事件等，那么通常将状态切换的逻辑放到上下文类中更为合适。上下文类可以根据外部条件来决定状态转换的时机，并调用具体状态类的方法来进行状态切换。

如果状态的变化是由内部条件驱动 的，即状态类自身的逻辑或标记决定了状态的切换，那么将状态切换的逻辑放到具体状态类中更为合适 。具体状态类知道自己的状态和状态转换的规则，可以自主地改变上下文对象的状态。

需要注意的是，无论状态的切换逻辑放在哪里，上下文对象和具体状态类之间都需要有适当的通信机制，以便完成状态切换后的行为执行。

综上所述，根据具体的应用需求和设计考虑，可以将状态的切换逻辑放到具体状态类或上下文类中。这也是状态模式的灵活性之一，可以根据不同的情况进行具体的设计选择。

希望这个解答对你有帮助。如果还有其他问题，请随时提问。

Q.5 上面的例子不错，就是给我换成c++语言吧

A.5

当然，没有问题！这是一个使用C++语言实现状态模式的电梯示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

// 前向声明
class Context;

// 状态基类
class State {
public:
    virtual void open(Context* context) = 0;
    virtual void close(Context* context) = 0;
    virtual void run(Context* context) = 0;
};

// 具体状态类：开启状态
class OpenState : public State {
public:
    void open(Context* context) override {
        std::cout << "电梯已经是开启状态，无需再次开门" << std::endl;
    }

    void close(Context* context) override {
        std::cout << "电梯关闭门" << std::endl;
        // 切换到关闭状态
        context->setState(new CloseState());
    }

    void run(Context* context) override {
        std::cout << "电梯正在运行，无法切换到运行状态" << std::endl;
    }
};

// 具体状态类：关闭状态
class CloseState : public State {
public:
    void open(Context* context) override {
        std::cout << "电梯开门" << std::endl;
        // 切换到开启状态
        context->setState(new OpenState());
    }

    void close(Context* context) override {
        std::cout << "电梯已经是关闭状态，无需再次关闭" << std::endl;
    }

    void run(Context* context) override {
        std::cout << "电梯开始运行" << std::endl;
        // 切换到运行状态
        context->setState(new RunState());
    }
};

// 具体状态类：运行状态
class RunState : public State {
public:
    void open(Context* context) override {
        std::cout << "电梯在运行中，无法开门" << std::endl;
    }

    void close(Context* context) override {
        std::cout << "电梯关门" << std::endl;
        // 切换到关闭状态
        context->setState(new CloseState());
    }

    void run(Context* context) override {
        std::cout << "电梯已经是运行状态，无需再次运行" << std::endl;
    }
};

// 上下文类
class Context {
public:
    Context() {
        // 默认初始状态是关闭状态
        currentState = new CloseState();
    }

    void setState(State* state) {
        currentState = state;
    }

    void open() {
        currentState->open(this);
    }

    void close() {
        currentState->close(this);
    }

    void run() {
        currentState->run(this);
    }

private:
    State* currentState;
};

int main() {
    Context context;

    context.open();  // 输出："电梯开门"
    context.close();  // 输出："电梯关闭门"
    context.run();  // 输出："电梯开始运行"
    context.run();  // 输出："电梯已经是运行状态，无需再次运行"
    context.open();  // 输出："电梯在运行中，无法开门"
    context.close();  // 输出："电梯关门"
    context.open();  // 输出："电梯关闭门"

    return 0;
}

在C++的实现中，我们使用了类和虚函数来表示状态和行为，实现了上下文类以及具体状态类。通过创建具体状态类的对象并切换状态，来模拟电梯的行为。

这里补充一下这个例子的类图。容易发现，上下文类 Context 拥有 state 类中定义的三个方法，它们分别调用了 state 类中的同名方法。状态的转换是在三个具体状态类中进行的，图中并未体现。

是否发现状态模式的类图和策略模式的类图是一样的呢？仔细看，确实是一样的。但要注意两者的应用场合是不一样的，在状态模式中，上下文类不需要了解各个状态对象，也不需要主动指定具体状态类，而在策略模式中，通常需要指定环境类使用的策略是哪一个。

可以说，脱落了应用场景，谈策略模式就意义不大了。

Q.6 有一个问题，这些状态每次都是 new 出来的，但我却没看见它们在哪里销毁

A.6

这是一个很好的问题！在这个示例中，确实没有明确的地方将状态对象销毁。在实际应用中，可能需要在适当的时机销毁状态对象，以便释放内存和管理资源。

在状态模式中，通常有以下几种方式来处理状态对象的销毁：

  1. 手动销毁：在合适的时机手动删除状态对象。例如，在上下文类的析构函数中释放状态对象的内存。
  2. 使用智能指针：可以使用C++智能指针来管理状态对象的生命周期。例如，可以使用std::unique_ptr<State>来持有状态对象，并且在需要切换状态时，更新智能指针指向的对象。

这里是一种使用智能指针的示例代码：

cpp 复制代码 
// 上下文类
class Context {
public:
    Context() {
        // 默认初始状态是关闭状态
        currentState = std::make_unique<CloseState>();
    }

    void setState(std::unique_ptr<State> state) {
        currentState = std::move(state);
    }

    // ...

private:
    std::unique_ptr<State> currentState;
};

使用智能指针可以自动管理状态对象的生命周期，无需手动调用delete来释放内存。

记住，在使用智能指针时，需要确保在涉及到多个类之间的所有权传递时，正确地使用std::move()来转移所有权。

希望这个解答能解决你的疑问！如果还有其他问题，请随时提问。

Q.7 如果不使用智能指针呢

A.7

如果不使用智能指针，你可以手动管理状态对象的生命周期。这意味着你需要在适当的时候手动创建和销毁状态对象。

下面是一个示例代码，展示了如何手动管理状态对象的生命周期：

cpp 复制代码 
// 上下文类
class Context {
public:
    Context() {
        // 默认初始状态是关闭状态
        currentState = new CloseState();
    }

    void setState(State* state) {
        delete currentState; // 销毁当前状态对象
        currentState = state;
    }

    ~Context() {
        delete currentState; // 在销毁上下文对象时，销毁当前状态对象
    }

    // ...

private:
    State* currentState;
};

在这个示例中，我们使用了new来创建状态对象，并在需要切换状态时使用delete来销毁先前的状态对象 。在上下文类的析构函数中，我们也进行了一次对象销毁。

但需要注意的是，手动管理生命周期需要确保在正确的时机销毁对象，并避免出现内存泄漏或错误的删除对象的情况。在实际项目中，请谨慎使用并仔细考虑对象所有权的管理。

将状态对象的释放在了setState() 方法中，每次先删除旧状态。

Q.8 明白，现在每次切换状态都要删除老的状态类，创建新的状态类，如此的反复创建、销毁，有办法改进吗

A.8

是的，如果在状态切换过程中频繁创建和销毁状态对象，可能会导致性能问题。为了改进这个情况，可以考虑使用对象池（Object Pool）模式。

对象池模式是一种创建和维护对象池的设计模式，它可以重复使用已经创建的对象，而不是频繁地创建和销毁对象。通过对象池，可以减少对象创建和销毁的开销，提高性能。

下面是一个简化的示例代码，展示了如何使用对象池模式来管理状态对象：

cpp 复制代码 
// 对象池类
class ObjectPool {
public:
    ObjectPool() {
        // 初始化对象池，创建一定数量的状态对象
        for (int i = 0; i < POOL_SIZE; ++i) {
            pool.push(new State());
        }
    }

    State* acquireState() {
        if (pool.empty()) {
            // 如果对象池为空，可以选择扩展对象池大小或者返回一个默认的状态对象
            return new State();
        }
        else {
            State* state = pool.top();
            pool.pop();
            return state;
        }
    }

    void releaseState(State* state) {
        pool.push(state);
    }

private:
    std::stack<State*> pool;
    static const int POOL_SIZE = 10; // 对象池的大小，可以根据需求调整
};

// 上下文类
class Context {
public:
    Context() {
        // 默认初始状态是关闭状态
        currentState = objectPool.acquireState();
    }

    void setState(State* state) {
        objectPool.releaseState(currentState); // 释放先前的状态对象
        currentState = state;
    }

    ~Context() {
        objectPool.releaseState(currentState); // 在销毁上下文对象时，释放当前状态对象
    }

    // ...

private:
    State* currentState;
    static ObjectPool objectPool; // 共享的对象池
};

ObjectPool Context::objectPool; // 静态成员变量需要在类外进行定义

在这个示例中，我们创建了一个对象池（ObjectPool），它在初始化时创建了一定数量的状态对象，并提供了acquireState和releaseState方法来获取和释放状态对象。

在上下文类（Context）中，通过调用acquireState方法来获取状态对象，并在需要切换状态时使用releaseState方法来释放先前的状态对象。这样可以重复使用对象，减少了创建和销毁的开销。

使用对象池模式可以改善频繁创建和销毁状态对象的性能问题。然而，需要根据具体的应用场景和需求来决定对象池的大小，以及在对象池不足时的处理方式。

现在切换状态时，不是直接 new 一个状态对象了，而是从对象池获取。

销毁旧状态对象时，其实并没有真正销毁，只是放回来对象池。

这个例子是有一定问题的，比如 acquireState() 方法应该加个参数，从而能获取不同的状态对象，例子里显然不能做到这一点。

记住优化思路就行了，就是将所有状态对象的创建和销毁交给另一个类来管理，切换状态时不再直接创建和销毁状态对象。

Q.9 不错，最后需要你对状态模式做一个全面的总结

A.9

状态模式是一种行为型设计模式，它允许对象在其内部状态发生改变时改变其行为。该模式将对象的状态封装成独立的状态类，使得状态的变化可以彼此替换而不影响使用状态的对象。通过使用状态模式，可以实现状态转换和行为的解耦，使得代码更加可维护、可扩展和可复用。

主要角色：

  1. 上下文（Context）：上下文是包含了状态对象的环境类。它定义了一个接口，用于客户端和具体状态类之间的交互。
  2. 抽象状态（State）：抽象状态是一个接口或抽象类，定义了具体状态类需要实现的方法，并且为上下文对象提供一个统一的接口。
  3. 具体状态（Concrete State）：具体状态是抽象状态的具体实现，它根据上下文的状态变化来改变自己的行为。

工作原理：

  1. 定义状态：首先，需要识别对象的状态以及每个状态的行为。将每种状态都抽象成一个独立的状态类。
  2. 建立上下文：创建一个上下文类，它包含一个指向当前状态的引用，并提供可以触发状态转换和执行对应行为的方法。
  3. 实现状态：为每个状态实现相应的行为方法，并在需要时，从一个状态切换到另一个状态。

优点：

  1. 将状态转换的逻辑从上下文对象中分离出来，使得代码更加可读、可维护和可扩展。
  2. 将状态行为封装在独立的状态类中，可实现状态的复用，并且可以方便地添加新的状态。
  3. 减少了使用条件语句进行状态判断的情况，使得代码更加简洁和易于理解。

适用场景：

  1. 当一个对象的行为取决于其内部状态，并且需要在运行时根据状态改变行为时，可以考虑使用状态模式。
  2. 当对象具有大量重复的条件语句，以便根据不同的状态执行不同的行为时，可以使用状态模式简化代码结构。

总结起来，状态模式通过将状态封装成独立的状态类，使得状态的变化可以彼此替换而不影响使用状态的对象。它提供了一种可扩展、可维护和可复用的解决方案，能够简化代码结构，并将状态行为与上下文对象的交互进行解耦。

希望这个总结对你有帮助。如果还有任何问题，请随时提问。

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