C++设计模式：状态模式（自动售货机）

什么是状态模式？

状态模式是一种行为型设计模式，它允许一个对象在其内部状态发生改变时，动态改变其行为。通过将状态相关的逻辑封装到独立的类中，状态模式能够将状态管理与行为解耦，从而让系统更加灵活和可维护。

通俗理解

想象一个自动售货机，它有以下几种状态：

无硬币状态：等待用户投入硬币。
有硬币状态：用户可以选择商品。
售货状态：用户选择商品后，售货机正在出货。
缺货状态：商品已售罄。

售货机的行为完全依赖于当前的状态，比如：

在无硬币状态下，用户无法选择商品。
在有硬币状态下，用户可以选择商品。
在售货状态下，售货机执行出货操作。

状态模式的核心就是：将状态逻辑抽象为独立的状态类，并通过上下文类（如售货机）动态切换状态对象，进而改变对象的行为。

状态模式的特点

优点

清晰封装状态逻辑：
- 每种状态的逻辑被集中到对应的状态类中，逻辑清晰且易于管理。
动态切换行为：
- 对象的行为可以通过切换状态动态改变，无需修改上下文类的代码。
扩展性强：
- 新增状态只需添加新的状态类，不影响现有代码，符合开闭原则。

缺点

类的数量增加：
- 每种状态都需要一个单独的类，可能导致类数量较多。
状态切换逻辑分散：
- 状态之间的切换逻辑分布在多个状态类中，增加了维护的复杂性。

状态模式的结构

UML类图

         +---------------------+|       Context       |   // 上下文类，管理当前状态+---------------------+|  - state: State     ||  + setState(state)  ||  + request()        |+---------------------+^|+---------------------+|       State         |   // 抽象状态类+---------------------+|  + handle()         |+---------------------+^|+----------------------+  +----------------------+|  ConcreteStateA      |  |  ConcreteStateB      |   // 具体状态类+----------------------+  +----------------------+|  + handle()          |  |  + handle()          |+----------------------+  +----------------------+

组成部分

State（抽象状态类）
- 定义了所有状态的通用接口，例如insertCoin()、selectProduct()等。
ConcreteState（具体状态类）
- 实现State接口，定义与特定状态相关的行为。
Context（上下文类）
- 持有一个状态对象，调用当前状态的行为。
- 负责在运行时切换状态对象。

案例：自动售货机

需求描述

设计一个简单的自动售货机，支持以下功能：

无硬币状态：用户不能选择商品。
有硬币状态：用户可以选择商品。
售货状态：用户选择商品后，售货机出货。

目标

实现售货机的状态管理，使得行为随着状态变化而动态改变。
状态切换应简单且易于扩展。

完整代码实现

以下是状态模式在自动售货机中的应用，输出为中文，附带详细注释。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>// 抽象状态类
class State {
public:virtual void insertCoin() = 0;      // 投入硬币virtual void selectProduct() = 0;  // 选择商品virtual void dispenseProduct() = 0; // 出货virtual ~State() = default;
};// 前向声明：解决状态类互相引用的问题
class VendingMachine;
class HasCoinState;// 上下文类：自动售货机
class VendingMachine {
private:std::shared_ptr<State> currentState; // 当前状态public:void setState(std::shared_ptr<State> state) {currentState = state; // 切换状态}// 调用当前状态的方法void insertCoin() {currentState->insertCoin();}void selectProduct() {currentState->selectProduct();}void dispenseProduct() {currentState->dispenseProduct();}
};// 具体状态类：无硬币状态
class NoCoinState : public State {
private:VendingMachine* machine; // 上下文public:explicit NoCoinState(VendingMachine* machine) : machine(machine) {}void insertCoin() override {std::cout << "硬币已投入，进入有硬币状态。" << std::endl;machine->setState(std::static_pointer_cast<State>(std::make_shared<HasCoinState>(machine))); // 切换到有硬币状态}void selectProduct() override {std::cout << "请先投入硬币。" << std::endl;}void dispenseProduct() override {std::cout << "请先投入硬币并选择商品。" << std::endl;}
};// 具体状态类：有硬币状态
class HasCoinState : public State {
private:VendingMachine* machine;public:explicit HasCoinState(VendingMachine* machine) : machine(machine) {}void insertCoin() override {std::cout << "硬币已存在，请选择商品。" << std::endl;}void selectProduct() override {std::cout << "商品已选择，正在出货。" << std::endl;machine->setState(std::static_pointer_cast<State>(std::make_shared<NoCoinState>(machine))); // 模拟出货后切换到无硬币状态}void dispenseProduct() override {std::cout << "请先选择商品。" << std::endl;}
};// 客户端代码
int main() {// 创建自动售货机并设置初始状态VendingMachine machine;machine.setState(std::make_shared<NoCoinState>(&machine));// 测试售货机的功能std::cout << "=== 测试场景 1：无硬币状态 ===" << std::endl;machine.selectProduct(); // 未投硬币时选择商品machine.insertCoin();    // 投入硬币std::cout << "\n=== 测试场景 2：有硬币状态 ===" << std::endl;machine.selectProduct(); // 投币后选择商品return 0;
}

运行结果

=== 测试场景 1：无硬币状态 ===
请先投入硬币。
硬币已投入，进入有硬币状态。=== 测试场景 2：有硬币状态 ===
商品已选择，正在出货。

代码解读

1. 抽象状态类（`State`）

class State {
public:virtual void insertCoin() = 0;virtual void selectProduct() = 0;virtual void dispenseProduct() = 0;virtual ~State() = default;
};

定义了所有状态的接口。
子类实现这些方法来处理具体的状态逻辑。

2. 上下文类（`VendingMachine`）

class VendingMachine {
private:std::shared_ptr<State> currentState;public:void setState(std::shared_ptr<State> state) {currentState = state;}void insertCoin() {currentState->insertCoin();}void selectProduct() {currentState->selectProduct();}void dispenseProduct() {currentState->dispenseProduct();}
};

持有当前状态对象，并将行为委托给当前状态。
通过setState方法切换状态。

3. 具体状态类

无硬币状态：

void insertCoin() override {std::cout << "硬币已投入，进入有硬币状态。" << std::endl;machine->setState(std::static_pointer_cast<State>(std::make_shared<HasCoinState>(machine)));
}

有硬币状态：

void selectProduct() override {std::cout << "商品已选择，正在出货。" << std::endl;machine->setState(std::static_pointer_cast<State>(std::make_shared<NoCoinState>(machine)));
}