21 行为型模式-----状态模式

模式动机(State Pattern)：软件系统中,每一个模块在不同的环境下可能发挥着不同的作用,表现为同一对象可能有多种不同的状态,而每种状态下可能有不同的行为。在UML图中，可以用状态图来表示。在程序设计中，我们引入一个抽象状态接口，其中封装了与当前环境状态相关的行为，然后定义具体的状态实现类，根据状态的不同实现不同的行为，并且负责状态之间的切换操作。

 

参与者：

TCPConnection:（当前工作环境 Context）：维护一个状态接口的实例，这个实例表示当前环境所处的状态。

TCPState:（抽象状态接口 State）：定义一个接口，封装与Context的状态相关的一系列行为。

TCPState/TCPListen/TCPClosed：定义具体状态的行为实现，并且负责在不同状态之间的切换工作。

 

Context实际上就是拥有不同状态的对象，Context将与当前状态相关的行为实现委托给具体的状态类处理。客户用具体状态配置Context，配置完毕后，不需要再与具体状态之间交互了，之后完全可以通过Context类进行操作。

之所以设计状态类，是因为Context有多种状态，如果在Context类中通过分支语句实现不同状态的逻辑判断，代码显得非常庞大，而且也不利于修改和维护。因此，将不同的状态及其对应的行为封装到不同的类中，有利于理解整体的软件设计结构。

 

状态模式将所有与某个特定的状态相关的行为都放入一个对象中，只需实现抽象状态接口即可增加新的状态。但是新增状态必须修改状态转换代码，否则无法切换到新的状态。一般而言，系统当前只能有一份某个具体状态的实例，因此可以将其引用设为static类型。同时如果不同的状态对象只是以类型来区分，而不涉及只与自身相关的内部状态，那么该对象就可以设计为享元对象，以节约系统空间。

 

模式结构图：

 

 

模式代码：

bt_状态模式.h：

#ifndef SP_H
#define SP_H
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

/*
    TCP连接
*/
class TCPState;
class TCPClosed;
class TCPConnection
{
public:
    TCPConnection();
    void ActiveOpen();
    void PassiveOpen();
    void Close();
    void Send();

private:
    friend class TCPState;
    void ChangeState(TCPState* s);

private:
    TCPState* state;
};

/*
    TCP状态接口
*/
class TCPState
{
public:
    virtual ~TCPState();
    virtual void ActiveOpen(TCPConnection* conn);
    virtual void PassiveOpen(TCPConnection* conn);
    virtual void Close(TCPConnection* conn);
    virtual void Send(TCPConnection* conn);

protected:
42     virtual void ChangeState(TCPConnection* conn, TCPState* s);
};

/*
    TCP建立状态
*/
class TCPEstablished : public TCPState
{
public:
    static TCPState* Instance();
    virtual void Close(TCPConnection* conn);
    // ...
};

/*
    TCP监听状态
*/
class TCPListen : public TCPState
{
public:
    static TCPState* Instance();
    virtual void Send(TCPConnection* conn);
    // ...
};

/*
    TCP关闭状态
*/
class TCPClosed : public TCPState
{
public:
73     static TCPState* Instance();
    virtual void ActiveOpen(TCPConnection* conn);
    virtual void PassiveOpen(TCPConnection* conn);
    // ...
};

#endif // SP_H

bt_状态模式.cpp:

#include "bt_状态模式.h"

/* TCP连接 */
TCPConnection::TCPConnection()
{
    cout << "Default TCPConnection State (Closed)" << endl;
    state = TCPClosed::Instance();
}
void TCPConnection::ActiveOpen(){ state->ActiveOpen(this); }
void TCPConnection::PassiveOpen(){ state->PassiveOpen(this); }
void TCPConnection::Close(){ state->Close(this); }
void TCPConnection::Send(){ state->Send(this); }

void TCPConnection::ChangeState(TCPState* s){ state = s; }

/* TCP状态接口 */
TCPState::~TCPState(){  }
void TCPState::ActiveOpen(TCPConnection* conn){  }
void TCPState::PassiveOpen(TCPConnection* conn){  }
void TCPState::Close(TCPConnection* conn){  }
void TCPState::Send(TCPConnection* conn){  }

23 void TCPState::ChangeState(TCPConnection* conn, TCPState* s){ conn->ChangeState(s); }

25 /* TCP建立状态 */
TCPState* TCPEstablished::Instance(){ return new TCPEstablished; }
void TCPEstablished::Close(TCPConnection* conn)
{
    cout << "TCPEstablished::Close (Established ---> Closed)" << endl;
    ChangeState(conn, TCPClosed::Instance());
}

33 /* TCP监听状态 */
TCPState* TCPListen::Instance(){ return new TCPListen; }
void TCPListen::Send(TCPConnection* conn)
{
    cout << "TCPListen::Send (Listen ---> Established)" << endl;
    ChangeState(conn, TCPEstablished::Instance());
}

41 /* TCP关闭状态 */
TCPState* TCPClosed::Instance(){ return new TCPClosed; }
void TCPClosed::ActiveOpen(TCPConnection* conn)
{
    cout << "TCPClosed::ActiveOpen (Closed ---> Established)" << endl;
    ChangeState(conn, TCPEstablished::Instance());
}
void TCPClosed::PassiveOpen(TCPConnection* conn)
{
    cout << "TCPClosed::PassiveOpen (Closed ---> Listen)" << endl;
    ChangeState(conn, TCPListen::Instance());
}

测试用例.cpp:

#include "bt_状态模式.h"

int main()
{
    cout << "***** 状态模式测试 *****" << endl;
    TCPConnection* conn = new TCPConnection;    // 默认状态下为Closed状态
    conn->PassiveOpen();                        // 被动打开转为Listen状态
    conn->Send();                               // 发送信息需要转为Established状态
    conn->Close();                              // 转为Closed状态

    delete conn;

    return 0;
}

模式总结：

：： 状态模式的设计主要是为了简化多重分支语句，增加代码简洁性，易于维护。

：： 状态模式不强制指定哪一个参与者定义状态转换规则。如果状态转换规则可以确定保持不变，那么由Context类实现也完全可以；然而令具体状态类指定转换规则会更加灵活，这也是我们经常用到的状态模式实现方式。

：： 状态模式并不能很好地支持“开闭原则”，新增状态时必须修改状态转换代码，否则无法切换到新的状态。

：： 与用查找表定义的转换映射相比，状态模式侧重于与特定状态相关的行为实现；而表模式侧重于定义状态转换规则，其难以加入伴随状态发生的一系列动作。