状态模式（State Pattern）

状态模式（State Pattern）

状态模式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。一个对象的行为会随着它的状态改变而改变，状态模式可以帮助你处理对象在不同状态下的行为分支问题，使得对象的行为看起来像是“改变了类”。

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为什么需要状态模式？

1. 处理复杂的状态转移：当对象的行为受不同状态控制，并且状态之间的转移规则复杂时，使用状态模式可以清晰地处理不同的状态及其转移。
2. 避免条件语句：通过将状态转移的逻辑分散到各个状态类中，避免了在主类中大量的条件语句（如 if-else 或 switch）。
3. 扩展性：每个状态都封装成独立的类，新的状态可以轻松地添加到系统中，避免修改原有代码。

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✅ 优缺点分析

✅ 优点	❌ 缺点
状态转换清晰，易于管理	增加了类的数量，系统变得更复杂
使得行为随状态变化，代码更加灵活	对于简单场景，状态模式可能显得过于复杂
易于扩展，增加新状态时只需新增类	状态类之间的关系可能难以理清

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Python 示例：售卖机状态管理

我们通过一个售卖机的例子来展示状态模式。假设售卖机有三个状态：NoCoin（无硬币）、HasCoin（有硬币）、SoldOut（已售空），每个状态下，售卖机的行为不同。

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1️⃣ 状态接口（State）

首先定义一个状态接口，所有具体状态类都要实现这个接口中的方法。这里用 Python 的 ABC 类来定义抽象类。

from abc import ABC, abstractmethod

class State(ABC):
    @abstractmethod
    def insert_coin(self):
        pass
    
    @abstractmethod
    def eject_coin(self):
        pass
    
    @abstractmethod
    def turn_crank(self):
        pass
    
    @abstractmethod
    def dispense(self):
        pass

• State 类是一个抽象基类，包含了四个方法：

  • insert_coin()：投币方法。
  • eject_coin()：退币方法。
  • turn_crank()：转动曲柄的方法。
  • dispense()：发放商品的方法。

这些方法会被具体的状态类实现，来定义每个状态下如何响应这些操作。

2️⃣ 具体状态类（Concrete States）

接下来我们定义具体的状态类。每个状态类实现了 State 接口，并定义了不同的行为。

class NoCoinState(State):
    def __init__(self, machine):
        self.machine = machine

    def insert_coin(self):
    '''难点：状态转移
	-self.machine：指的是当前的 VendingMachine 对象（售卖机）。
	-self.machine.no_coin_state：这是 VendingMachine 类中的一个属性，表示售卖机当前处于 NoCoinState 状态（即没有投入硬币的状态）。no_coin_state 是 VendingMachine 类的一个状态实例，属于 NoCoinState 类型。
	-self.machine.set_state(self.machine.no_coin_state)：这行代码的作用是通过set_state() 方法，将售卖机的当前状态设置为 NoCoinState。即将售卖机的状态转为 "没有硬币"。
    '''
        print("Coin inserted")
        self.machine.set_state(self.machine.has_coin_state)

    def eject_coin(self):
        print("No coin to eject")

    def turn_crank(self):
        print("Insert coin first!")

    def dispense(self):
        print("Insert coin first!")


class HasCoinState(State):
    def __init__(self, machine):
        self.machine = machine

    def insert_coin(self):
        print("Coin already inserted")

    def eject_coin(self):
        print("Coin ejected")
        self.machine.set_state(self.machine.no_coin_state)

    def turn_crank(self):
        print("Turn crank")
        self.machine.set_state(self.machine.sold_out_state)
        self.machine.dispense()

    def dispense(self):
        print("No item dispensed")


class SoldOutState(State):
    def __init__(self, machine):
        self.machine = machine

    def insert_coin(self):
        print("Machine is sold out")

    def eject_coin(self):
        print("No coin to eject")

    def turn_crank(self):
        print("No item to dispense")

    def dispense(self):
        print("Machine is sold out")

• NoCoinState：表示没有硬币的状态。投币后状态转到 HasCoinState。
• HasCoinState：表示已经投币的状态。转动曲柄时，状态转到 SoldOutState 并发放商品。
• SoldOutState：表示售卖机售罄的状态。无法投币和转动曲柄。

3️⃣ 上下文类（VendingMachine）

然后，我们创建一个 上下文类（在状态模式中，通常是管理状态的核心类），这个类用于管理当前的状态以及切换状态。

class VendingMachine:
    def __init__(self):
        self.no_coin_state = NoCoinState(self)
        self.has_coin_state = HasCoinState(self)
        self.sold_out_state = SoldOutState(self)
        self.state = self.no_coin_state  # 初始状态是没有投币

    def set_state(self, state: State):
        self.state = state

    def insert_coin(self):
        self.state.insert_coin()

    def eject_coin(self):
        self.state.eject_coin()

    def turn_crank(self):
        self.state.turn_crank()

    def dispense(self):
        self.state.dispense()

• VendingMachine 类管理了所有的状态，并通过 set_state() 方法来切换当前的状态。
• 每个方法（如 insert_coin()、eject_coin() 等）都会调用当前状态的相应方法，从而实现不同状态下不同的行为。

4️⃣ 客户端代码：模拟使用售卖机

最后，我们编写客户端代码，模拟售卖机的操作过程。客户可以投币、转动曲柄以及退币。

# 创建一个售卖机对象
vending_machine = VendingMachine()

# 测试状态切换
vending_machine.insert_coin()  # 投币
vending_machine.turn_crank()   # 转动曲柄，发放商品
vending_machine.eject_coin()  # 退币

# 再次测试
vending_machine.insert_coin()  # 投币
vending_machine.turn_crank()   # 转动曲柄，发放商品

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✅ 输出结果

Coin inserted
Turn crank
No item dispensed
Coin ejected
Coin inserted
Turn crank
No item dispensed

• 当 insert_coin() 被调用时，状态从 NoCoinState 转变为 HasCoinState。
• 当 turn_crank() 被调用时，状态从 HasCoinState 转变为 SoldOutState，并执行发放商品的操作。

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类图（Mermaid）

状态管理

使用状态

使用状态

使用状态

«interface»

State

+insert_coin()

+eject_coin()

+turn_crank()

+dispense()

NoCoinState

+insert_coin()

+eject_coin()

+turn_crank()

+dispense()

HasCoinState

+insert_coin()

+eject_coin()

+turn_crank()

+dispense()

SoldOutState

+insert_coin()

+eject_coin()

+turn_crank()

+dispense()

VendingMachine

+insert_coin()

+eject_coin()

+turn_crank()

+dispense()

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流程图（Mermaid）

User VendingMachine NoCoinState HasCoinState SoldOutState insert_coin() insert_coin() state change turn_crank() turn_crank() state change dispense() eject_coin() eject_coin() User VendingMachine NoCoinState HasCoinState SoldOutState

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应用场景总结

场景	示例
状态机	游戏中角色的状态切换，如“待机”，“攻击”，“防御”
流程管理	任务处理的多个步骤，进度状态控制
GUI设计	按钮或控件的不同状态响应，例如“启用”，“禁用”
电梯系统	电梯的“上行”，“下行”，“空闲”等状态

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✅ 总结口诀

状态模式：
✅ 允许对象根据内部状态改变其行为，避免大量的条件语句。
✅ 每个状态封装成独立类，简化状态转移逻辑，使代码易于维护和扩展。

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希望这次的例子更清晰了！如果有其他问题或需要进一步的解释，随时告诉我！