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”。
🎯 为什么需要状态模式？
- 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。
- 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）。 - 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。
✅ 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 |
🧩 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。
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, abstractmethodclass State(ABC):@abstractmethoddef insert_coin(self):pass@abstractmethoddef eject_coin(self):pass@abstractmethoddef turn_crank(self):pass@abstractmethoddef 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 = machinedef 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 = machinedef 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 = machinedef 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 = statedef 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
✅ 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。
🧭 类图（Mermaid）
🧭 流程图（Mermaid）
🧠 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 |
✅ 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。
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！