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:
1 #ifndef SP_H 2 #define SP_H 3 #include <iostream> 4 #include <string> 5 using namespace std; 6 7 /* 8 TCP连接 9 */ 10 class TCPState; 11 class TCPClosed; 12 class TCPConnection 13 { 14 public: 15 TCPConnection(); 16 void ActiveOpen(); 17 void PassiveOpen(); 18 void Close(); 19 void Send(); 20 21 private: 22 friend class TCPState; 23 void ChangeState(TCPState* s); 24 25 private: 26 TCPState* state; 27 }; 28 29 /* 30 TCP状态接口 31 */ 32 class TCPState 33 { 34 public: 35 virtual ~TCPState(); 36 virtual void ActiveOpen(TCPConnection* conn); 37 virtual void PassiveOpen(TCPConnection* conn); 38 virtual void Close(TCPConnection* conn); 39 virtual void Send(TCPConnection* conn); 40 41 protected: 42 virtual void ChangeState(TCPConnection* conn, TCPState* s); 43 }; 44 45 /* 46 TCP建立状态 47 */ 48 class TCPEstablished : public TCPState 49 { 50 public: 51 static TCPState* Instance(); 52 virtual void Close(TCPConnection* conn); 53 // ... 54 }; 55 56 /* 57 TCP监听状态 58 */ 59 class TCPListen : public TCPState 60 { 61 public: 62 static TCPState* Instance(); 63 virtual void Send(TCPConnection* conn); 64 // ... 65 }; 66 67 /* 68 TCP关闭状态 69 */ 70 class TCPClosed : public TCPState 71 { 72 public: 73 static TCPState* Instance(); 74 virtual void ActiveOpen(TCPConnection* conn); 75 virtual void PassiveOpen(TCPConnection* conn); 76 // ... 77 }; 78 79 #endif // SP_H
bt_状态模式.cpp:
1 #include "bt_状态模式.h" 2 3 /* TCP连接 */ 4 TCPConnection::TCPConnection() 5 { 6 cout << "Default TCPConnection State (Closed)" << endl; 7 state = TCPClosed::Instance(); 8 } 9 void TCPConnection::ActiveOpen(){ state->ActiveOpen(this); } 10 void TCPConnection::PassiveOpen(){ state->PassiveOpen(this); } 11 void TCPConnection::Close(){ state->Close(this); } 12 void TCPConnection::Send(){ state->Send(this); } 13 14 void TCPConnection::ChangeState(TCPState* s){ state = s; } 15 16 /* TCP状态接口 */ 17 TCPState::~TCPState(){ } 18 void TCPState::ActiveOpen(TCPConnection* conn){ } 19 void TCPState::PassiveOpen(TCPConnection* conn){ } 20 void TCPState::Close(TCPConnection* conn){ } 21 void TCPState::Send(TCPConnection* conn){ } 22 23 void TCPState::ChangeState(TCPConnection* conn, TCPState* s){ conn->ChangeState(s); } 24 25 /* TCP建立状态 */ 26 TCPState* TCPEstablished::Instance(){ return new TCPEstablished; } 27 void TCPEstablished::Close(TCPConnection* conn) 28 { 29 cout << "TCPEstablished::Close (Established ---> Closed)" << endl; 30 ChangeState(conn, TCPClosed::Instance()); 31 } 32 33 /* TCP监听状态 */ 34 TCPState* TCPListen::Instance(){ return new TCPListen; } 35 void TCPListen::Send(TCPConnection* conn) 36 { 37 cout << "TCPListen::Send (Listen ---> Established)" << endl; 38 ChangeState(conn, TCPEstablished::Instance()); 39 } 40 41 /* TCP关闭状态 */ 42 TCPState* TCPClosed::Instance(){ return new TCPClosed; } 43 void TCPClosed::ActiveOpen(TCPConnection* conn) 44 { 45 cout << "TCPClosed::ActiveOpen (Closed ---> Established)" << endl; 46 ChangeState(conn, TCPEstablished::Instance()); 47 } 48 void TCPClosed::PassiveOpen(TCPConnection* conn) 49 { 50 cout << "TCPClosed::PassiveOpen (Closed ---> Listen)" << endl; 51 ChangeState(conn, TCPListen::Instance()); 52 }
测试用例.cpp:
1 #include "bt_状态模式.h" 2 3 int main() 4 { 5 cout << "***** 状态模式测试 *****" << endl; 6 TCPConnection* conn = new TCPConnection; // 默认状态下为Closed状态 7 conn->PassiveOpen(); // 被动打开转为Listen状态 8 conn->Send(); // 发送信息需要转为Established状态 9 conn->Close(); // 转为Closed状态 10 11 delete conn; 12 13 return 0; 14 }
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。