23种设计模式 - 状态模式

模式定义

状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，允许对象在其内部状态改变时动态调整行为，使对象的行为看起来像是修改了其类。该模式通过将状态相关的逻辑封装到独立的类中，避免了复杂的条件分支，提升代码的可维护性和扩展性。

模式结构

上下文类（Context）

维护当前状态对象的引用，定义客户端交互接口（如数控机床的启动、暂停操作）。
抽象状态类（State）
声明状态共有的接口方法（如handleStart、handlePause），定义状态间的行为规范。
具体状态类（ConcreteState）
实现抽象状态接口，定义特定状态下的行为逻辑（如待机、加工、暂停状态），并处理状态转换。

适用场景

对象行为依赖状态：如数控机床在不同运行阶段（待机/加工/暂停）需执行不同操作。

减少条件分支：将复杂的if-else逻辑拆解为独立状态类。

动态状态切换：运行时根据事件（如用户指令）灵活调整行为。

C++示例（数控系统场景）

场景说明：

数控机床控制器根据当前状态（待机、加工、暂停）响应操作请求，行为随状态动态变化。

cpp 复制代码

#include 
#include 

// 前向声明
class CNCMachine;

// 抽象状态类
class MachiningState {
public:
    virtual ~MachiningState() = default;
    virtual void handleStart(CNCMachine& context) const = 0;
    virtual void handlePause(CNCMachine& context) const = 0;
    virtual void handleResume(CNCMachine& context) const = 0;
};

// 上下文类：数控机床控制器
class CNCMachine {
private:
    std::unique_ptr currentState_;

public:
    explicit CNCMachine();

    // 设置新状态
    void setState(std::unique_ptr newState) {
        currentState_ = std::move(newState);
    }

    // 客户端接口：触发操作
    void start() {
        currentState_->handleStart(*this);
    }
    void pause() {
        currentState_->handlePause(*this);
    }
    void resume() {
        currentState_->handleResume(*this);
    }
};

// 具体状态1：待机状态
class IdleState : public MachiningState {
public:
    void handleStart(CNCMachine& context) const override {
        std::cout << "从待机状态启动：开始加工..." << std::endl;
        context.setState(std::make_unique());
    }
    void handlePause(CNCMachine&) const override {
        std::cout << "错误：待机状态下无法暂停！" << std::endl;
    }
    void handleResume(CNCMachine&) const override {
        std::cout << "错误：待机状态下无法恢复！" << std::endl;
    }
};

// 具体状态2：加工状态
class ProcessingState : public MachiningState {
public:
    void handleStart(CNCMachine&) const override {
        std::cout << "警告：已在加工中！" << std::endl;
    }
    void handlePause(CNCMachine& context) const override {
        std::cout << "暂停加工..." << std::endl;
        context.setState(std::make_unique());
    }
    void handleResume(CNCMachine&) const override {
        std::cout << "错误：加工中无需恢复！" << std::endl;
    }
};

// 具体状态3：暂停状态
class PausedState : public MachiningState {
public:
    void handleStart(CNCMachine&) const override {
        std::cout << "错误：请先恢复加工！" << std::endl;
    }
    void handlePause(CNCMachine&) const override {
        std::cout << "错误：已处于暂停状态！" << std::endl;
    }
    void handleResume(CNCMachine& context) const override {
        std::cout << "恢复加工..." << std::endl;
        context.setState(std::make_unique());
    }
};

// 初始化上下文状态
CNCMachine::CNCMachine() : currentState_(std::make_unique()) {}

// 客户端使用示例
int main() {
    CNCMachine machine;

    machine.start();  // 输出：从待机状态启动... [3][6]
    machine.pause();  // 输出：暂停加工... [3][6]
    machine.resume(); // 输出：恢复加工... [3][6]
    machine.pause();  // 输出：暂停加工... [3][6]
    machine.start();  // 输出：错误：请先恢复加工！ [3][6]
}

实现要点

状态转换逻辑内聚：具体状态类负责判断何时切换到其他状态（如ProcessingState在handlePause中切换到PausedState）。

上下文与状态解耦：CNCMachine仅通过setState切换状态，不直接处理行为逻辑。

扩展性：新增状态（如急停状态）只需添加新的ConcreteState类，无需修改现有代码。

通过状态模式，数控系统的行为与状态管理变得清晰且易于维护，符合开闭原则。