状态模式_行为型_GOF23

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状态模式

状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，核心思想是让对象的行为随内部状态动态变化，通过将状态抽象为独立类，消除复杂的条件判断逻辑，实现状态与行为的解耦。类似于红绿灯：红灯停、绿灯行，状态切换时行为自动变化，但控制逻辑本身无需修改。

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一、通俗理解

以电梯控制为例：

1. 传统方式：用 if-else 判断电梯当前状态（运行、停止、故障），代码臃肿且难以扩展新状态。
2. 状态模式：
   • 状态接口：定义电梯的通用操作（开门、关门、运行）。
   • 具体状态：运行状态禁止开门，停止状态允许开门等，每个状态独立实现行为。
   • 上下文对象（电梯控制器）：持有当前状态对象，调用时自动执行对应逻辑。
     当电梯从“停止”切换到“运行”时，只需更换状态对象，无需修改控制器代码。

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二、模式结构

1. 上下文（Context）：维护当前状态对象（如电梯控制器），触发状态行为。
2. 抽象状态（State）：定义状态行为接口（如 openDoor()）。
3. 具体状态（ConcreteState）：实现特定状态下的行为（如运行中禁止开门）。

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三、适用场景

1. 多状态依赖行为：订单状态（待支付→已发货）、游戏角色（站立→跳跃）。
2. 消除复杂条件分支：替代大量 if-else 或 switch-case 语句。
3. 动态状态切换：如物联网设备（空调制冷/制热模式切换）。

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四、代码实现

1. C++ 示例（电梯控制）

#include   

// 抽象状态：电梯行为接口  
class ElevatorState {  
public:  
    virtual void openDoor() = 0;  
    virtual void closeDoor() = 0;  
    virtual ~ElevatorState() = default;  
};  

// 具体状态：停止状态  
class StoppedState : public ElevatorState {  
public:  
    void openDoor() override { std::cout << "电梯门已打开\n"; }  
    void closeDoor() override { std::cout << "电梯门已关闭\n"; }  
};  

// 具体状态：运行状态  
class RunningState : public ElevatorState {  
public:  
    void openDoor() override { std::cout << "错误：运行中禁止开门！\n"; }  
    void closeDoor() override { std::cout << "电梯门已关闭\n"; }  
};  

// 上下文：电梯控制器  
class Elevator {  
    ElevatorState* state;  
public:  
    Elevator() : state(new StoppedState()) {}  
    void setState(ElevatorState* newState) {  
        delete state;  
        state = newState;  
    }  
    void pressOpenButton() { state->openDoor(); }  
    ~Elevator() { delete state; }  
};  

int main() {  
    Elevator elevator;  
    elevator.pressOpenButton();  // 输出：电梯门已打开  
    elevator.setState(new RunningState());  
    elevator.pressOpenButton();  // 输出：错误：运行中禁止开门！  
}  

解析：

• 状态切换通过 setState() 实现，行为逻辑封装在具体状态类中。

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2. Python 示例（自动售货机）

from abc import ABC, abstractmethod  

class VendingMachineState(ABC):  
    @abstractmethod  
    def insert_coin(self, machine):  
        pass  

# 待投币状态  
class IdleState(VendingMachineState):  
    def insert_coin(self, machine):  
        print("投币成功！")  
        machine.state = HasMoneyState()  

# 已投币状态  
class HasMoneyState(VendingMachineState):  
    def select_product(self, machine):  
        print("出货成功！")  
        machine.state = IdleState()  

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

# 客户端  
vm = VendingMachine()  
vm.insert_coin()  # 投币成功！  

特点：

• Python利用鸭子类型简化接口继承，状态转换由具体状态类触发。

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3. Java 示例（订单状态流转）

// 状态接口  
interface OrderState {  
    void handle(OrderContext context);  
}  

// 待支付状态  
class UnpaidState implements OrderState {  
    @Override  
    public void handle(OrderContext context) {  
        System.out.println("订单待支付");  
        context.setState(new PaidState());  
    }  
}  

// 上下文  
class OrderContext {  
    private OrderState state;  
    public OrderContext() {  
        this.state = new UnpaidState();  
    }  
    public void setState(OrderState state) {  
        this.state = state;  
    }  
    public void process() {  
        state.handle(this);  
    }  
}  

// 测试  
public class Client {  
    public static void main(String[] args) {  
        OrderContext order = new OrderContext();  
        order.process();  // 输出：订单待支付 → 切换到已支付状态  
    }  
}  

应用场景：

• 电商订单状态管理，符合开闭原则（新增状态只需添加类）。

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五、优缺点分析

优点	缺点
1. 消除条件分支：简化复杂逻辑判断	1. 类数量膨胀：每个状态需单独类
2. 扩展性强：新增状态无需修改旧代码	2. 状态转换复杂：需管理状态间切换规则
3. 职责清晰：每个状态类专注自身逻辑	3. 性能开销：频繁切换可能影响效率

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六、总结

状态模式通过封装状态行为实现动态行为切换，核心价值在于：

1. 解耦思维：状态与行为分离，提升代码可维护性。
2. 灵活扩展：新增状态只需添加类，符合开闭原则（如电梯新增“维修状态”）。
3. 实际应用：广泛用于订单系统、游戏角色控制、物联网设备。

扩展对比：

• 与策略模式：策略模式主动选择算法，状态模式被动响应状态变化。
• 优化技巧：对简单场景可使用枚举简化，复杂场景搭配状态机管理转换规则。