16.状态模式（State Pattern）

定义

状态模式（State Pattern）是一种行为型设计模式，它允许对象在其内部状态改变时改变其行为。也就是说，状态模式通过封装对象的状态，使得对象在不同的状态下表现出不同的行为，状态的切换由状态对象来控制。

基本思想：

状态对象：每个状态都由一个独立的类来表示，每个状态类实现相同的接口，并根据当前状态执行不同的操作。
上下文对象：代表有状态变化的对象，它包含一个当前状态，并委托给当前状态类来处理具体的行为。
状态的切换：对象的行为根据其当前状态来变化，状态可以动态地改变，因此对象的行为也可以在运行时发生变化。

场景

1.适用场景

对象的行为依赖于状态：当一个对象的行为依赖于其内部状态，且状态之间的转换是频繁且明显时，可以使用状态模式。
状态转换多次：如果系统中有多个状态且每个状态下的行为有所不同，状态模式能有效组织这些行为。
封装复杂的状态转移：当一个对象的状态转换较为复杂或有多个条件时，使用状态模式可以将状态转换的逻辑从对象中抽离出来，使得代码更清晰。

2.常见应用场景：

文件状态管理：文件可能有多个状态（如“打开”、“关闭”、“编辑”），根据不同状态，文件的操作也会不同。
UI组件状态切换：UI组件（如按钮）可以根据不同的状态（如“禁用”、“启用”、“加载中”）显示不同的外观或响应不同的用户操作。
工作流管理：在多个阶段的工作流系统中，每个阶段有不同的操作和行为，根据当前工作流的状态来执行不同的操作。

类设计

状态模式通常包括以下几个角色：

State（状态接口）：定义一个接口，表示当前对象在不同状态下的行为。
ConcreteState（具体状态类）：实现 State 接口，封装与某个具体状态相关的行为。
Context（上下文类）：维护一个 State 对象并在必要时进行状态切换。通过 State 对象来执行具体的行为。
Client（客户端）：客户端通过 Context 类与系统交互，客户端可以改变 Context 的状态，从而触发不同的行为。

代码实现

我们模拟一个投票系统。用户的投票状态可以是“未投票”、“已投票”。根据投票状态，用户可以执行不同的操作。我们使用状态模式来实现这个功能。

1. 定义状态接口

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 状态接口
class VoteState {
public:
    virtual void vote() = 0;  // 定义投票方法
};

VoteState 是状态接口，定义了 vote() 方法，表示在不同状态下的投票行为。

2. 定义具体状态类

// 未投票状态
class NoVoteState : public VoteState {
public:
    void vote() override {
        cout << "You haven't voted yet. Please cast your vote." << endl;
    }
};

// 已投票状态
class VotedState : public VoteState {
public:
    void vote() override {
        cout << "You have already voted. You cannot vote again." << endl;
    }
};

// 已取消投票状态
class CanceledVoteState : public VoteState {
public:
    void vote() override {
        cout << "You have canceled your vote. You cannot vote now." << endl;
    }
};

每个具体状态类（NoVoteState、VotedState、CanceledVoteState）都实现了 VoteState 接口的 vote() 方法，表示在不同状态下的具体投票行为。

3. 定义上下文类（Context）

class VotingContext {
private:
    VoteState* state;  // 当前的状态

public:
    VotingContext() : state(new NoVoteState()) {}  // 默认状态为未投票

    void setState(VoteState* newState) {
        state = newState;  // 设置新的状态
    }

    void vote() {
        state->vote();  // 委托给当前状态对象执行操作
    }

    ~VotingContext() {
        delete state;  // 释放状态对象
    }
};

VotingContext 类代表一个用户的投票上下文，管理当前的投票状态。它可以动态地切换状态。
vote() 方法委托给当前的状态对象执行投票操作。
setState() 方法用于设置当前的状态。

4. 客户端调用

int main() {
    VotingContext* context = new VotingContext();  // 默认状态：未投票

    // 客户端投票
    context->vote();  // 输出: "You haven't voted yet. Please cast your vote."
    
    // 切换到已投票状态
    context->setState(new VotedState());
    context->vote();  // 输出: "You have already voted. You cannot vote again."
    
    // 切换到已取消投票状态
    context->setState(new CanceledVoteState());
    context->vote();  // 输出: "You have canceled your vote. You cannot vote now."

    delete context;

    return 0;
}

5.输出结果

You haven't voted yet. Please cast your vote.
You have already voted. You cannot vote again.
You have canceled your vote. You cannot vote now.

第一次调用 vote() 时，输出未投票状态的提示。
第二次调用时，状态变为已投票，输出已投票的提示。
第三次调用时，状态变为已取消投票，输出已取消投票的提示。

状态模式的优缺点

优点：

简化对象的行为：将对象的行为封装到不同的状态对象中，避免了复杂的条件语句（如 if、switch）来处理不同状态下的行为。
易于扩展：当需要增加新的状态时，只需要新增一个具体状态类，原有的代码不需要修改，符合开闭原则（Open/Closed Principle）。
避免大量条件判断：状态模式通过将条件判断移到状态类中，简化了上下文类中的代码，使得代码更加清晰和可维护。

缺点：

类的数量增多：每个状态都需要创建一个具体的状态类，可能导致类的数量增多。
状态之间的转换较复杂时，维护可能变得困难：如果状态之间的转换逻辑非常复杂，状态模式可能会导致过多的状态类，从而增加维护的复杂度。

适用场景:

状态依赖的行为：当一个对象的行为依赖于其内部状态，并且状态之间的转换是明显和频繁的。
状态变化频繁：如果对象有多个状态，并且状态之间的切换比较复杂，使用状态模式可以使得代码更加清晰、易于管理。
UI组件的状态变化：在GUI中，一个组件可能有多个状态（如按钮的启用/禁用，加载/完成等），使用状态模式可以优雅地处理这些状态转换。
工作流系统：当工作流系统中有多个阶段时，状态模式可以很好地将每个阶段的行为封装到不同的状态对象中，并根据当前阶段进行适当的操作。

编程相关的案例

1.文件处理状态：文件的不同状态（如“读取中”、“写入中”、“已关闭”等）需要不同的操作。
2.视频播放控制：视频播放器的状态（如“播放中”、“暂停”、“停止”等）需要根据状态提供不同的操作（如播放、暂停、停止按钮的显示状态和行为）。
3.网络请求状态：当发起网络请求时，可能存在多个状态（如“正在请求”、“请求成功”、“请求失败”），每个状态下的处理方式不同。

总结

状态模式通过将对象的行为和状态封装在独立的状态类中，简化了对象的状态管理，并使得代码更加可扩展。它特别适用于那些状态间转换复杂且频繁的场景，可以避免使用大量的条件语句来处理不同的状态，从而使代码更加简洁和易于维护。