设计模式：状态模式（State）

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设计模式：状态模式（State）

设计模式：状态模式（State）

设计模式：状态模式（State）

状态模式（State）属于行为型模式（Behavioral Pattern）的一种。

行为型模式（Behavioral Pattern）是对在不同的对象之间划分责任和算法的抽象化。

行为型模式不仅仅关注类和对象的结构，而且重点关注它们之间的相互作用。

通过行为型模式，可以更加清晰地划分类与对象的职责，并研究系统在运行时实例对象之间的交互。在系统运行时，对象并不是孤立的，它们可以通过相互通信与协作完成某些复杂功能，一个对象在运行时也将影响到其他对象的运行。

行为型模式分为类行为型模式和对象行为型模式两种：

类行为型模式：类的行为型模式使用继承关系在几个类之间分配行为，类行为型模式主要通过多态等方式来分配父类与子类的职责。
对象行为型模式：对象的行为型模式则使用对象的聚合关联关系来分配行为，对象行为型模式主要是通过对象关联等方式来分配两个或多个类的职责。根据“合成复用原则”，系统中要尽量使用关联关系来取代继承关系，因此大部分行为型设计模式都属于对象行为型设计模式。

模式动机

在很多情况下，一个对象的行为取决于一个或多个动态变化的属性，这样的属性叫做状态。当一个这样的对象与外部事件产生互动时，其内部状态就会改变，从而使得系统的行为也随之发生变化。

模式定义

状态模式（State）属于行为型模式。

在状态模式中，类的行为是基于它的状态改变的，并且允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。

模式结构

策略模式（Strategy）包含如下角色：

环境（Context）：一个带有某个状态的类。可以修改状态，进行该状态下应有的操作。
抽象状态（State）：定义了统一的状态行为接口。
具体状态（Concrete State）：实现了状态行为，还可以转换状态。

在这里插入图片描述

时序图

在这里插入图片描述

模式实现

环境类：

Context.h：

#ifndef _CONTEXT_H_
#define _CONTEXT_H_

#include "State.h"

// 声明，相当于外部符号
class State;

class Context
{
private:
	State* m_pState;

public:
	Context() : m_pState(nullptr) {}
	Context(State* state) : m_pState(state) {}
	~Context()
	{
		delete m_pState;
	}

	void changeState(State* state);
	void request();
	State* getState();
};

#endif // !_CONTEXT_H_

Context.cpp：

#include "Context.h"
// 如果不包含这个头文件就没有定义，这里也是声明有个 class State 定义在 State.o 中
#include "State.h"

void Context::changeState(State* state)
{
	// delete m_pState;
	// m_pState = nullptr;
	m_pState = state;
}

void Context::request()
{
	m_pState->handle(this);
}

State* Context::getState()
{
	return m_pState;
}

抽象状态类：

State.h：

#ifndef _STATE_H_
#define _STATE_H_

#include "Context.h"

class Context;

class State
{
public:
	virtual void handle(Context* context) = 0;
};

#endif // !_STATE_H_

具体状态类 A：

ConcreteStateA.h：

#ifndef _CONCRETE_STATE_A_H_
#define _CONCRETE_STATE_A_H_

#include <iostream>

#include "State.h"
#include "ConcreteStateB.h"

class ConcreteStateA : public State
{
public:
	void handle(Context* context) override;
};

#endif // ! _CONCRETE_STATE_A_H_

ConcreteStateA.cpp：

#include "ConcreteStateA.h"

void ConcreteStateA::handle(Context* context)
{
	std::cout << "doing something in State A." << std::endl;
	std::cout << "done, change state to B." << std::endl;
	State* new_state = new ConcreteStateB();
	context->changeState(new_state); // 状态动作的转移放置在状态里面
}

具体状态类 B：

ConcreteStateB.h：

#ifndef _CONCRETE_STATE_B_H_
#define _CONCRETE_STATE_B_H_

#include <iostream>

#include "State.h"
#include "ConcreteStateA.h"

class ConcreteStateB : public State
{
public:
	void handle(Context* context) override;
};

#endif // ! _CONCRETE_STATE_B_H_

ConcreteStateB.cpp：

#include "ConcreteStateB.h"

void ConcreteStateB::handle(Context* context)
{
	std::cout << "doing something in State B." << std::endl;
	std::cout << "done, change state to A." << std::endl;
	State* new_state = new ConcreteStateA();
	context->changeState(new_state); // 状态动作的转移放置在状态里面
}

在单线程环境下的测试

测试代码：

#include <stdlib.h>

#include "Context.h"
#include "ConcreteStateA.h"
#include "ConcreteStateB.h"

using namespace std;

int main()
{
	// 初始状态
	State* st = new ConcreteStateA();
	Context* ctx = new Context(st);

	ctx->request();
	ctx->request();
	ctx->request();

	delete ctx;
	delete st;

	system("pause");
	return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

在多线程环境下的测试

略。

模式分析

状态模式描述了对象状态的变化以及对象如何在每一种状态下表现出不同的行为。
状态模式的关键是引入了一个抽象类来专门表示对象的状态，这个类我们叫做抽象状态类，而对象的每一种具体状态类都继承了该类，并在不同具体状态类中实现了不同状态的行为，包括各种状态之间的转换。

在状态模式结构中需要理解环境类与抽象状态类的作用：

环境类实际上就是拥有状态的对象，环境类有时候可以充当状态管理器（State Manager）的角色，可以在环境类中对状态进行切换操作。
抽象状态类可以是抽象类，也可以是接口，不同状态类就是继承这个父类的不同子类，状态类的产生是由于环境类存在多个状态，同时还满足两个条件：这些状态经常需要切换，在不同的状态下对象的行为不同。因此可以将不同对象下的行为单独提取出来封装在具体的状态类中，使得环境类对象在其内部状态改变时可以改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类，而实际上是由于切换到不同的具体状态类实现的。由于环境类可以设置为任一具体状态类，因此它针对抽象状态类进行编程，在程序运行时可以将任一具体状态类的对象设置到环境类中，从而使得环境类可以改变内部状态，并且改变行为。

优缺点

优点：

封装了转换规则。
枚举可能的状态，在枚举状态之前需要确定状态种类。
将所有与某个状态有关的行为放到一个类中，并且可以方便地增加新的状态，只需要改变对象状态即可改变对象的行为。
允许状态转换逻辑与状态对象合成一体，而不是某一个巨大的条件语句块。
可以让多个环境对象共享一个状态对象，从而减少系统中对象的个数。

缺点：

状态模式的使用必然会增加系统类和对象的个数。
状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱。
状态模式对“开闭原则”的支持并不太好，对于可以切换状态的状态模式，增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源代码，否则无法切换到新增状态；而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。

适用场景

在以下情况下可以使用状态模式：

对象的行为依赖于它的状态（属性）并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为。
代码中包含大量与对象状态有关的条件语句，这些条件语句的出现，会导致代码的可维护性和灵活性变差，不能方便地增加和删除状态，使客户类与类库之间的耦合增强。在这些条件语句中包含了对象的行为，而且这些条件对应于对象的各种状态。

应用场景

在政府OA办公系统中，一个批文的状态有多种：尚未办理、正在办理、正在批示、正在审核、已经完成等各种状态，而且批文状态不同时对批文的操作也有所差异。使用状态模式可以描述工作流对象（如批文）的状态转换以及不同状态下它所具有的行为。
打篮球的时候运动员可以有正常状态、不正常状态和超常状态。

状态模式和策略模式的异同

在这里插入图片描述

相同点：

类图、类的结构一样。
状态模式：Context环境类、State类（抽象状态类、具体状态类）
策略模式：Context环境类、Strategy类（抽象策略类、具体策略类）
两种模式都是行为型模式，UML图相同，都是将核心类（State类或Strategy类）注入到Context类中，在客户端通过操作Context环境类间接操作核心类（State类或Strategy类），巧妙的在客户端屏蔽核心类。

不同点：

状态可以看作是Context类的一个内在属性，是必不可少的，新建Context类对象时，Context类的初始化函数中就要初始化状态属性；策略不是Context的属性，是Context类调用的一个外界的东西。
状态模式中一定含有“状态切换”逻辑，不管是在ConcreteState类中还是在Context类中，状态类中一定含有“状态切换”代码；策略模式只是简单的在客户端切换策略，核心类（Strategy类）中没有“切换”逻辑。

核心类（State类或Strategy类）是内在属性的时候是状态模式，是外界东西的时候是策略模式。
存在核心类（State类或Strategy类）切换逻辑的是状态模式，不存在的是策略模式。

模式扩展

共享状态

在有些情况下多个环境对象需要共享同一个状态，如果希望在系统中实现多个环境对象实例共享一个或多个状态对象，那么需要将这些状态对象定义为环境的静态成员对象。

退化：简单状态模式

简单状态模式是指状态都相互独立，状态之间无须进行转换的状态模式，这是最简单的一种状态模式。对于这种状态模式，每个状态类都封装与状态相关的操作，而无须关心状态的切换，可以在客户端直接实例化状态类，然后将状态对象设置到环境类中。如果是这种简单的状态模式，它遵循“开闭原则”，在客户端可以针对抽象状态类进行编程，而将具体状态类写到配置文件中，同时增加新的状态类对原有系统也不造成任何影响。

可切换状态的状态模式

大多数的状态模式都是可以切换状态的状态模式，在实现状态切换时，在具体状态类内部需要调用环境类Context的setState()/changeState()方法进行状态的转换操作，在具体状态类中可以调用到环境类的方法，因此状态类与环境类之间通常还存在关联关系或者依赖关系。通过在状态类中引用环境类的对象来回调环境类的setState()/changeState()方法实现状态的切换。在这种可以切换状态的状态模式中，增加新的状态类可能需要修改其他某些状态类甚至环境类的源代码，否则系统无法切换到新增状态。

参考

https://design-patterns.readthedocs.io/zh-cn/latest/behavioral_patterns/state.html
https://www.runoob.com/design-pattern/state-pattern.html
https://blog.youkuaiyun.com/weixin_45433817/article/details/131037102
https://blog.youkuaiyun.com/ahelloyou/article/details/123252085
https://blog.youkuaiyun.com/weixin_44046545/article/details/138376736