C++ 设计模式:状态模式(State Pattern)

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状态模式(State Pattern)是一种行为设计模式,它允许对象在内部状态改变时改变其行为。状态模式将状态的行为封装在独立的状态类中,并将状态的切换逻辑委托给这些状态类,从而使得对象的行为随着状态的变化而变化。

1.问题分析

在开发中,我们经常会遇到对象的行为随着其内部状态的变化而变化的情况。如果我们将所有状态的行为都放在一个类中,会导致以下问题:

  • 代码复杂度增加:所有状态的行为都在一个类中实现,代码会变得非常复杂和难以维护。
  • 难以扩展:如果需要添加新的状态或修改现有状态的行为,需要修改这个类的代码,违反了开闭原则(对扩展开放,对修改关闭)。
  • 状态切换逻辑混乱:状态切换的逻辑和状态的行为混在一起,难以理解和维护。

状态模式通过将状态的行为封装在独立的状态类中,并将状态的切换逻辑委托给这些状态类,从而解决了上述问题。

2.实现步骤

1.定义状态接口 :声明所有具体状态类需要实现的方法。

2.定义具体状态类 :实现状态接口中的方法,并根据具体状态的行为进行实现。

3.定义上下文类:维护一个当前状态的实例,并提供方法来设置和切换状态。上下文类的方法会调用当前状态实例的方法。

3.代码示例

以机器人状态示例。

3.1.状态接口

cpp 复制代码
// 状态接口
class State {
 public:
  virtual ~State() = default;
  virtual void handle() = 0;
};

3.2.具体状态

cpp 复制代码
// 具体状态类:站起状态
class StandingState : public State {
 public:
  void handle() override { std::cout << "Robot is standing." << std::endl; }
};
cpp 复制代码
// 具体状态类:行走状态
class WalkingState : public State {
 public:
  void handle() override { std::cout << "Robot is walking." << std::endl; }
};
cpp 复制代码
// 具体状态类:挥手状态
class WavingState : public State {
 public:
  void handle() override { std::cout << "Robot is waving." << std::endl; }
};
cpp 复制代码
// 具体状态类:蹲下状态
class SquattingState : public State {
 public:
  void handle() override { std::cout << "Robot is squatting." << std::endl; }
};

3.3.上下文类

cpp 复制代码
// 上下文类
class Robot {
 public:
  Robot(std::shared_ptr<State> state) : state_(state) {}

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

  void performAction() { state_->handle(); }

 private:
  std::shared_ptr<State> state_;
};

3.4.客户端代码

cpp 复制代码
int main() {
  auto standingState = std::make_shared<StandingState>();
  auto walkingState = std::make_shared<WalkingState>();
  auto wavingState = std::make_shared<WavingState>();
  auto squattingState = std::make_shared<SquattingState>();

  Robot robot(standingState);  // 初始状态为站起

  robot.performAction();  // 输出:Robot is standing.

  robot.setState(walkingState);  // 切换状态为行走
  robot.performAction();         // 输出:Robot is walking.

  robot.setState(wavingState);  // 切换状态为挥手
  robot.performAction();        // 输出:Robot is waving.

  robot.setState(squattingState);  // 切换状态为蹲下
  robot.performAction();           // 输出:Robot is squatting.

  return 0;
}
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