C++设计模式_18_State 状态模式

State和Memento被归为“状态变化”模式。

文章目录

1. “状态变化”模式
- 1.1 典型模式
2. 动机 (Motivation)
3. 代码演示State 状态模式
- 3.1 常规方式
- 3.2 State 状态模式
4. 模式定义
5. 结构( Structure )
6. 要点总结
7. 其他参考

1. “状态变化”模式

在组件构建过程中，某些对象的状态经常面临变化，如何对这些变化进行有效的管理?同时又维持高层模块的稳定?“状态变化”模式为这一问题提供了一种解决方案。

1.1 典型模式

State
Memento

2. 动机 (Motivation)

在软件构建过程中，某些对象的状态如果改变，其行为也会随之而发生变化，比如文档处于只读状态，其支持的行为和读写状态支持的行为就可能完全不同。
如何在运行时根据对象的状态来透明地更改对象的行为?而不会为对象操作和状态转化之间引入紧耦合?

3. 代码演示State 状态模式

3.1 常规方式

假设有一个网络的应用，会根据网路状态做一些调整，比如网络有打开，关闭，连接三种状态

enum NetworkState
{
    Network_Open,
    Network_Close,
    Network_Connect,
};

下面的类为网络的应用，NetworkState state;是网络的状态，Operation1()在打开状态Network_Open下具有不同的行为，执行完后，最后状态变为close…；Operation2()则是另外的行为，在打开状态Network_Open下具有不同的行为，执行完后，最后状态变为Network_Connect…。

整体代码如下：

class NetworkProcessor{
    
    NetworkState state;

public:
    
    void Operation1(){
        if (state == Network_Open){

            //**********
            state = Network_Close;
        }
        else if (state == Network_Close){

            //..........
            state = Network_Connect;
        }
        else if (state == Network_Connect){

            //$$$$$$$$$$
            state = Network_Open;
        }
    }

    public void Operation2(){

        if (state == Network_Open){
            
            //**********
            state = Network_Connect;
        }
        else if (state == Network_Close){

            //.....
            state = Network_Open;
        }
        else if (state == Network_Connect){

            //$$$$$$$$$$
            state = Network_Close;
        }
    
    }

    public void Operation3(){

    }
};

动机 (Motivation)中提到的“对象的状态如果改变，其行为也会随之而发生变化”，Operation1()中的if…else已经很清楚的表明了Operation1根据状态不同而行为不同。

上面的写法会有什么问题？看到这段代码，大家可能会有似曾相识的感觉，根据上面代码来看和Strategy模式时碰到的问题是一样的，代码中出现了很多的if…else，而且if…else是有关业务状态。Strategy模式告诉我们对于这种情况我们应该问一个为什么？

以下的枚举类型，以后会不会有其他的类型出现？如果添加了一种新的状态，假设增加了Network_Wait，之前的代码如何更改？

enum NetworkState
{
    Network_Open,
    Network_Close,
    Network_Connect,
    Network_Wait，
};

增加了新的状态之后，在不同的operation中需要增加新的if…else。这样的做法显然是违背了开闭原则。即需求的变更导致需要在代码中不断地去改这些地方。

3.2 State 状态模式

上面的做法肯定是不好的，好的做法是参考Strategy模式的经验，先提抽象基类，把枚举类型转换为一个抽象基类

class NetworkState{

public:
    NetworkState* pNext;
    virtual void Operation1()=0;
    virtual void Operation2()=0;
    virtual void Operation3()=0;

    virtual ~NetworkState(){}
};

所有跟状态有关的操作Operation1()等全部变为状态对象的行为，并利用多态的虚函数来进行表达，并塞入一个NetworkState* pNext;状态对象的指针。

创建OpenState，其中使用了前面所讲的单例模式，在状态中倾向使用单例模式，因为状态的对象没必要有多个。此处Operation1()里面省略部分的内容是与上面常规的方式是有差别的，核心逻辑肯定是类似的，经过Operation1()之后就变为close状态，此时pNext = CloseState::getInstance()换的是一个对象，而不是一个枚举。总之是将状态相关的操作，全部编码到一个状态对象中。

如果是在open状态，而且执行的是Operation1()的时候会执行怎样的行为，执行完之后下一个状态会切换为哪个状态。

class OpenState :public NetworkState{
    
    static NetworkState* m_instance;
public:
    static NetworkState* getInstance(){
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new OpenState();
        }
        return m_instance;
    }

    void Operation1(){
        
        //**********
        pNext = CloseState::getInstance();
    }
    
    void Operation2(){
        
        //..........
        pNext = ConnectState::getInstance();
    }
    
    void Operation3(){
        
        //$$$$$$$$$$
        pNext = OpenState::getInstance();
    }
    
    
};

以此类推，得到了close状态等，需要做状态对象。

整个网络应用就改写为状态对象，而不是枚举字段，这种方式与strategy处理的手法是异曲同工。Operation1()中先做收集参数工作，调用pState->Operation1();(虚函数的本质是运行时的if…else，在运行时会判断pState的指针如果指向的是open状态，就会调用open状态的operation1；如果指向的是不同状态就会执行对应状态的operation1)，执行完之后就让其等于下一个状态 pState = pState->pNext;，下一个状态是Operation1()内部pNext = ConnectState::getInstance();更改的状态，我本身不用管。

class NetworkProcessor{
    
    NetworkState* pState;
    
public:
    
    //构造器中初始化pState
    NetworkProcessor(NetworkState* pState){
        
        this->pState = pState;
    }
    
    void Operation1(){
        //...
        pState->Operation1();
        pState = pState->pNext;
        //...
    }
    
    void Operation2(){
        //...
        pState->Operation2();
        pState = pState->pNext;
        //...
    }
    
    void Operation3(){
        //...
        pState->Operation3();
        pState = pState->pNext;
        //...
    }

};

上面这样做的好处是与Strategy异曲同工。当状态增加的时候，假如增加一个WaitState，仍然是像上面操作，写WaitState里的operation，而NetworkProcessor里是不用改变的，NetworkProcessor不关心其是什么状态，只关心状态上的行为是对的，状态行为里去自己去管理状态转换关系，是一种扩展的方法。

下为整体代码：

class NetworkState{

public:
    NetworkState* pNext;
    virtual void Operation1()=0;
    virtual void Operation2()=0;
    virtual void Operation3()=0;

    virtual ~NetworkState(){}
};


class OpenState :public NetworkState{
    
    static NetworkState* m_instance;
public:
    static NetworkState* getInstance(){
        if (m_instance == nullptr) {
            m_instance = new OpenState();
        }
        return m_instance;
    }

    void Operation1(){
        
        //**********
        pNext = CloseState::getInstance();
    }
    
    void Operation2(){
        
        //..........
        pNext = ConnectState::getInstance();
    }
    
    void Operation3(){
        
        //$$$$$$$$$$
        pNext = OpenState::getInstance();
    }
    
    
};

class CloseState:public NetworkState{ }
//...

//扩展
class WaitState:public NetworkState{ }


class NetworkProcessor{
    
    NetworkState* pState;
    
public:
    
    NetworkProcessor(NetworkState* pState){
        
        this->pState = pState;
    }
    
    void Operation1(){
        //...
        pState->Operation1();
        pState = pState->pNext;
        //...
    }
    
    void Operation2(){
        //...
        pState->Operation2();
        pState = pState->pNext;
        //...
    }
    
    void Operation3(){
        //...
        pState->Operation3();
        pState = pState->pNext;
        //...
    }

};

4. 模式定义

允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。从而使对象看起来似乎修改了其行为。

----《设计模式》GoF

5. 结构( Structure )

在这里插入图片描述

上图是《设计模式》GoF中定义的State 状态模式的设计结构。结合上面的代码看图中最重要的是看其中稳定和变化部分，也就是下图中红框和蓝框框选的部分。

在这里插入图片描述

State 状态模式和Strategy非常像，State中放的是一个行为，一般是多个行为，一个行为时和Strategy没什么两样的。

6. 要点总结

State模式将所有与一个特定状态相关的行为都放入一个State的子类对象中，在对象状态切换时，切换相应的对象;但同时维持State的接口，这样实现了具体操作与状态转换之间的解耦。
为不同的状态引入不同的对象使得状态转换变得更加明确，而且可以保证不会出现状态不一致的情况，因为转换是原子性的–即要么彻底转换过莱，要么不转换

openstate值关心三个操作之后的下一个状态是什么，不需要太多的想更多耦合的情况。相比最初代码实现解耦。

如果state对象没有实例变量，那么各个上下文可以共享同一个State对象，从而节省对象开销

State 状态模式讲下来和Strategy非常像，当最后往回看的时候，你会发现很多模式越来越像，相同点越来越多，学习模式最后会发现，这些模式之间差别会很小，会忘掉具体的模式名称。不一定非要纠结模式的名称，只是松耦合设计原则的演化。你可以将State 状态模式和Strategy看做同一个模式，出现的问题是If…else，枚举，怎么转，利用多态方式实现运行时的改变。掌握了这些，具体是什么模式就没那么重要了。