简述
状态模式（State Pattern）是行为设计模式之一。当对象根据其内部状态改变其行为时，将使用状态设计模式。
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模式结构
UML 结构图：
- Context（上下文）：定义一个与 Client 交互的接口。它维护对 ConcreteState 对象的引用，可以用该对象来定义当前状态。
- State（抽象状态）：定义接口，来声明每个 ConcreteState 应该做什么。
- ConcreteState（具体状态）：为 State 中定义的方法提供实现。
优缺点
优点：
- 实现多态行为的好处是显而易见的，并且很容易添加状态来支持额外的行为。
- 在状态模式中，对象的行为是其状态中函数的结果，并且在运行时根据状态改变行为，这就消除了对
switch/case或if/else条件逻辑的依赖。 - 可以提高内聚性，因为状态特定的行为被聚合到具体的类中，这些类被放在代码中的一个位置。
缺点：
- 使用状态模式，必然会增加系统中类和对象的个数。
- 由于状态模式的结构与实现较为复杂，一旦使用不当，将会导致程序结构和代码的混乱。
- 若要添加新的状态，则需要修改负责转换的源代码，否则无法转换到新增的状态，而且修改某个状态的行为也要修改源代码。
适用场景
- 一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。
- 一个操作中含有庞大的多分支结构，并且这些分支决定于对象的状态。
案例分析
交通信号灯 - 文明出行，从我做起。
红灯停，绿灯行，黄灯亮了等一等。
交叉路口红绿灯，指挥交通显神通；
绿灯亮了放心走，红灯亮了别抢行；
黄灯亮了要注意，人人遵守红绿灯。
可以看到，交通信号灯的状态流：红灯 -> 绿灯 -> 黄灯。。。实际上，就是各个状态之间的相互切换，这完全符合状态模式。
代码实现
创建上下文
上下文由 TrafficLights 表示，该类有一个 IState 变量，在构造中被初始化为 RedLight（红灯）：
// context.h
#ifndef CONTEXT_H
#define CONTEXT_H
#include "concrete_state.h"
// 交通信号灯
class TrafficLights
{
public:
TrafficLights() { m_pState = new RedLight(this); }
void SetState(IState* state) { m_pState = state; }
void Request() { m_pState->Handle(); }
private:
IState* m_pState;
};
#endif // CONTEXT_H注意： 在上下文提供的方法中，实际上使用的是 IState 的相应方法。
创建抽象状态
IState 有一个 Handle() 接口，用于改变状态：
// state.h
#ifndef STATE_H
#define STATE_H
// 信号灯的状态
class IState
{
public:
virtual void Handle() = 0;
};
#endif // STATE_H创建具体状态
具体的状态有三个 - 红灯、绿灯、黄灯：
// concrete_state.h
#ifndef CONCRETE_STATE_H
#define CONCRETE_STATE_H
#include "state.h"
class TrafficLights;
// 红灯
class RedLight : public IState
{
public:
RedLight(TrafficLights* context);
virtual void Handle() override;
private:
TrafficLights* m_pContext;
};
// 绿灯
class GreenLight : public IState
{
public:
GreenLight(TrafficLights* context);
virtual void Handle() override;
private:
TrafficLights* m_pContext;
};
// 黄灯
class YellowLight : public IState
{
public:
YellowLight(TrafficLights* context);
virtual void Handle() override;
private:
TrafficLights* m_pContext;
};
#endif // CONCRETE_STATE_H它们所提供的方法有对上下文对象的引用，并且能够改变它的状态：
// concrete_state.cpp
#include "concrete_state.h"
#include "context.h"
#include <iostream>
// 红灯
RedLight::RedLight(TrafficLights* context) : m_pContext(context) {}
void RedLight::Handle()
{
std::cout << "Red Light" << std::endl;
m_pContext->SetState(new GreenLight(m_pContext));
delete this;
}
// 绿灯
GreenLight::GreenLight(TrafficLights* context) : m_pContext(context) {}
void GreenLight::Handle()
{
std::cout << "Green Light" << std::endl;
m_pContext->SetState(new YellowLight(m_pContext));
delete this;
}
// 黄灯
YellowLight::YellowLight(TrafficLights* context) : m_pContext(context) {}
void YellowLight::Handle()
{
std::cout << "Yellow Light" << std::endl;
m_pContext->SetState(new RedLight(m_pContext));
delete this;
}创建客户端
Ready，go！“交通警察”开始工作啦：
// main.cpp
#include "context.h"
#include <iostream>
#include <windows.h>
int main()
{
TrafficLights tl;
enum TLState {Red, Green, Yellow};
TLState state = Red; // 初始状态为红灯
int i = 0; // 总次数
int seconds; // 秒数
while (true) {
// 表示一个完整的状态流（红灯->绿灯->黄灯）已经完成
if (i % 3 == 0)
std::cout << "**********" << "Session " << ((i+1)/3)+1 << "**********" << std::endl;
// 根据当前状态来设置持续时间，红灯（6秒）、绿灯（4秒）、黄灯（2秒）
if (state == Red) {
seconds = 6;
state = Green;
} else if (state == Green) {
seconds = 4;
state = Yellow;
} else if (state == Yellow) {
seconds = 2;
state = Red;
}
// 休眠
Sleep(seconds * 1000);
tl.Request();
i++;
}
return 0;
}输出如下：
*****Session 1*****
Red Light
Green Light
Yellow Light
*****Session 2*****
Red Light
Green Light
Yellow Light
*****Session 3*****
Red Light
Green Light
Yellow Light
*****Session n*****
…
交通信号灯的状态一般会持续一定时间，这里使用 Sleep() 休眠的方式来实现。当然，现实生活中信号灯的各个状态持续时间较长，为了更快地在各个状态之间进行切换，我们设置了短时间的间隔 - 红灯（6秒）、绿灯（4秒）、黄灯（2秒）。