【设计模式】状态模式

前言

单例模式（Singleton Pattern）：保证一个类只有一个实例，并提供一个全局的访问点。
工厂模式（Factory Pattern）：定义一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化的类是哪一个。
观察者模式（Observer Pattern）：定义对象之间的一对多依赖关系，使得当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会被自动通知并更新。
装饰器模式（Decorator Pattern）：动态地给一个对象添加一些额外的职责，而不会影响到其他对象。
策略模式（Strategy Pattern）：定义一系列的算法，将每个算法封装起来，并使它们可以相互替换。
命令模式（Command Pattern）：将请求封装成一个对象，从而使用户可以用不同的请求对客户进行参数化。
适配器模式（Adapter Pattern）：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的类能够一起工作。
外观模式（Facade Pattern）：为子系统中的一组接口提供一个统一的接口，从而使得子系统更加容易使用。
状态模式（State Pattern）：允许一个对象在其内部状态改变时改变其行为。
模板方法模式（Template Method Pattern）：定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中实现。

这些是Python中常用的设计模式，通过使用这些设计模式可以提高代码的可读性、可维护性和重用性。

状态模式

状态模式是一种行为设计模式，它允许对象在其内部状态发生改变时改变其行为。这种模式通过将状态封装成独立的类，使得对象在不同状态下具有不同的行为，而且可以在运行时切换状态。

组成成分

上下文（Context）： 上下文类负责维护一个状态对象，可以在运行时切换当前状态。上下文类通常包含客户端感兴趣的方法，并将这些方法委托给当前状态对象执行。在示例中，LightContext 就是上下文类。
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。这些方法表示在不同状态下对象可能的行为。在示例中，State 是抽象状态类，定义了 handle 方法。
具体状态（Concrete State）： 具体状态是抽象状态的实现，每个具体状态类负责定义在特定状态下对象的行为。在示例中，OnState 和 OffState 是具体状态类。

上下文类包含一个对抽象状态的引用，通过这个引用调用具体状态的方法。
抽象状态定义了具体状态需要实现的方法，以确保它们在不同状态下有一致的接口。
具体状态实现了抽象状态的方法，并定义了在特定状态下对象的行为。

通过这样的结构，状态模式使得状态的变化对客户端来说是透明的，客户端只需要与上下文类交互，而不必关心对象的具体状态。这样的设计提高了代码的可维护性和扩展性。

具体实例一

python 复制代码

from abc import ABC, abstractmethod

# 抽象状态类
class State(ABC):
    @abstractmethod
    def handle(self):
        pass

# 具体状态类
class OnState(State):
    def handle(self):
        return "Light is ON"

class OffState(State):
    def handle(self):
        return "Light is OFF"

# 环境类，维护当前的状态
class LightContext:
    def __init__(self):
        # 初始状态为关闭
        self.state = OffState()

    def set_state(self, state):
        self.state = state

    def perform_operation(self):
        return self.state.handle()

# 客户端代码
if __name__ == "__main__":
    light = LightContext()

    # 当前状态为关闭
    print(light.perform_operation())

    # 切换到开启状态
    light.set_state(OnState())
    print(light.perform_operation())

State 是抽象状态类，包含一个抽象方法**handle，表示状态的行为。OnState** 和 OffState 是具体状态类，分别表示灯的开启和关闭状态。

LightContext 是环境类，维护了当前的状态，并有一个方法 perform_operation 来执行当前状态的操作。通过调用 set_state 方法可以在运行时切换状态。

具体实例二

自动售货机

自动售货机有空闲、取货、缺货三种不同的状态：当自动售货机处于空闲状态时，它正在等待顾客投币；当自动售货机处于出货状态时，表示正在出货过程中；而当自动售货机处于缺货状态时，是无法配送任何商品的。

python 复制代码

class VendingMachine:
    def __init__(self):
        self.state = IdleState()

    def insert_money(self):
        self.state.insert_money(self)

    def dispense(self):
        self.state.dispense(self)


class IdleState:
    def insert_money(self, vending_machine):
        print("Money inserted. Dispensing product...")
        vending_machine.state = DispensingState()

    def dispense(self, vending_machine):
        print("No money has been inserted. Please insert money before dispensing.")


class DispensingState:
    def insert_money(self, vending_machine):
        print("Cannot insert money while dispensing. Please wait for dispensing to complete.")

    def dispense(self, vending_machine):
        print("Product dispensed. Enjoy!")
        vending_machine.state = IdleState()


class OutOfStockState:
    def insert_money(self, vending_machine):
        print("Vending machine is out of stock. Cannot dispense product.")

    def dispense(self, vending_machine):
        print("Vending machine is out of stock. Cannot dispense product.")

VendingMachine类维护自动售货机的当前状态并提供插入货币和分发产品的方法。三个状态子类（IdleState、DispensingState和 OutOfStockState）在每个可能的状态下实现自动售货机的行为。当客户与自动售货机交互时，VendingMachine 类会根据客户的操作和机器的当前状态更改其状态。例如，如果自动售货机处于空闲状态并且客户投入资金，则VendingMachine类将转换为分发状态并开始分发产品。

应用场景

对象状态转换： 当一个对象的行为取决于它的状态，并且它需要在运行时根据状态改变其行为时，使用状态模式是很合适的。这有助于消除大量的条件语句，并使代码更清晰。
行为随状态改变： 如果一个对象有多个状态，且每个状态都对应不同的行为，而且这些状态之间可以相互转换，那么状态模式是一个很好的选择。
条件语句过多： 当一个对象有很多状态，并且对象的行为随状态的改变而改变时，使用状态模式可以避免大量的条件语句，提高代码的可读性和可维护性。
事件驱动系统： 在事件驱动的系统中，对象的行为通常与特定事件相关。状态模式可以用来管理对象在不同事件下的行为。
工作流和状态机： 在工作流和状态机的设计中，状态模式常常用于描述对象在状态转换时的行为。
游戏开发： 游戏中的角色状态经常需要根据游戏进程进行切换，状态模式能够有效地管理这些状态转换。

参考链接：

Python状态设计模式快速入门 - 知乎