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23种设计模式-状态(State)设计模式

文章目录

  • 一.什么是状态模式?
  • 二.状态模式的结构
  • 三.状态模式的应用场景
  • 四.状态模式的优缺点
  • 五.状态模式的C++实现
  • 六.状态模式的JAVA实现
  • 七.代码解释
  • 八.总结

类图: 状态设计模式类图

一.什么是状态模式?

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改变其行为,看起来就像对象改变了其类。状态模式通过将状态封装为独立的类,使得对象的行为能够根据内部状态动态地改变。
 在状态模式中,Context(环境类)持有一个指向State(状态接口)的引用对象,并通过该对象来进行状态切换。具体的状态通过实现状态接口的不同子类来进行封装。

二.状态模式的结构

  • Context(环境类):用于维护当前状态,并在特定操作时切换状态。它持有一个State对象的引用,用来对状态进行操作。
  • State(状态接口):定义了一个接口,声明了每个具体状态需要实现的行为。
  • ConcreteStateA 和 ConcreteStateB(具体状态类):实现State接口的不同子类,表示对象在不同状态下的行为。
    在这里插入图片描述

三.状态模式的应用场景

  1. 对象行为依赖于状态,且状态在运行时变化:如电梯的状态(上升、下降、停止)、游戏角色的状态(跑步、跳跃、静止)。
  2. 条件语句过多:当对象中有大量if-else或switch语句判断状态时,可以考虑使用状态模式进行优化。

四.状态模式的优缺点

  • 优点:

    • 封装状态转换:将状态与相关行为封装在一个类中,便于维护和扩展。
    • 避免条件判断:通过多态替代了条件判断,代码更具可读性和扩展性。
  • 缺点:

    • 类数量增加:每个状态需要一个类,可能会导致类数量较多。

五.状态模式的C++实现

#include <iostream>
#include <memory>// 前置声明,避免循环引用
class State;// 环境类(Context)
class Context {
private:std::shared_ptr<State> state;  // 当前状态public:// 设置当前状态void setState(std::shared_ptr<State> newState) {state = newState;}// 执行请求,调用当前状态的Handle方法void request();
};// 状态接口(State)
class State {
public:virtual void handle(Context& context) = 0;  // 定义纯虚函数,具体状态类需实现
};// 具体状态类 A(ConcreteStateA)
class ConcreteStateA : public State {
public:void handle(Context& context) override {std::cout << "ConcreteStateA handling request.\n";// 状态切换:可以切换到状态 Bcontext.setState(std::make_shared<ConcreteStateB>());}
};// 具体状态类 B(ConcreteStateB)
class ConcreteStateB : public State {
public:void handle(Context& context) override {std::cout << "ConcreteStateB handling request.\n";// 状态切换:可以切换回状态 Acontext.setState(std::make_shared<ConcreteStateA>());}
};// 环境类方法的实现
void Context::request() {if (state) {state->handle(*this);  // 调用当前状态的 handle 方法}
}// 测试代码
int main() {Context context;// 初始化状态为 Acontext.setState(std::make_shared<ConcreteStateA>());// 执行多次请求,测试状态切换context.request();  // ConcreteStateA 处理请求,然后切换到 ConcreteStateBcontext.request();  // ConcreteStateB 处理请求,然后切换到 ConcreteStateAcontext.request();  // ConcreteStateA 处理请求,然后切换到 ConcreteStateBreturn 0;
}

六.状态模式的JAVA实现

// 抽象状态类
abstract class State {public abstract void Handle(Context context);
}// 具体状态A
class ConcreteStateA extends State {@Overridepublic void Handle(Context context) {System.out.println("ConcreteStateA: Handling request and transitioning to ConcreteStateB.");context.setState(new ConcreteStateB());}
}// 具体状态B
class ConcreteStateB extends State {@Overridepublic void Handle(Context context) {System.out.println("ConcreteStateB: Handling request and transitioning to ConcreteStateA.");context.setState(new ConcreteStateA());}
}// 环境类 (Context)
class Context {private State state;public Context(State state) {this.state = state;}public void setState(State state) {this.state = state;}public void Request() {if (state != null) {state.Handle(this);}}
}// 客户端代码
public class StatePatternDemo {public static void main(String[] args) {// 初始状态为 ConcreteStateAContext context = new Context(new ConcreteStateA());// 调用多次 Request,观察状态切换context.Request(); // 从 A 切换到 Bcontext.Request(); // 从 B 切换到 Acontext.Request(); // 再次从 A 切换到 B}
}

七.代码解释

  • Context 类
    • Context类持有一个指向State的指针(使用智能指针std::shared_ptr来管理状态对象的生命周期)。
    • 它包含一个request()方法,用于请求当前状态处理相应的操作。
    • setState()方法用于切换状态,方便在运行时改变state的引用指向不同的State对象。
  • State 接口
    • State接口中定义了一个纯虚函数handle(),表示不同状态下的行为。
    • Context通过调用state->handle(*this)来执行当前状态的具体行为。
  • ConcreteStateA 和 ConcreteStateB
    • ConcreteStateA和ConcreteStateB是State接口的具体实现类,每个类都定义了各自的handle()方法。
    • 在ConcreteStateA::handle()中,Context的状态被切换为ConcreteStateB,而在ConcreteStateB::handle()中,状态切换回ConcreteStateA。
    • 这种状态切换体现了状态模式的核心思想,即状态内部控制状态转换,客户端不需要关心状态如何切换。
  • 测试代码
    • 在main函数中,创建Context对象context,并将初始状态设为ConcreteStateA。
    • 通过多次调用request()方法,可以看到状态在ConcreteStateA和ConcreteStateB之间切换,体现出对象行为随状态变化而变化的特点。

八.总结

  状态模式是一种非常适合解决对象行为依赖于状态变化的设计模式。通过将状态封装为独立的类,状态模式使得代码更加清晰和易于维护,避免了条件判断语句的冗余和复杂性。每个具体状态类不仅实现了各自的行为,还决定了状态切换的逻辑,从而让状态之间的转换更为灵活。
关键点

  • 状态模式封装了对象内部的状态变化逻辑,使得对象的行为可以动态改变。
  • 通过多态,状态模式避免了条件判断,使代码更具可扩展性。
  • 状态切换由具体状态类控制,客户端只需与Context交互,降低了耦合度。

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