狀態模式 C++ 實現詳解：封裝狀態轉移與行為變化的設計模式實戰

模式動機

當對象行為隨內部狀態頻繁變化，且狀態轉移邏輯複雜時，若在類中用大量 if/else 或 switch 判斷狀態，會導致代碼膨脹、難維護、違反開閉原則。狀態模式將每種狀態封裝為獨立類，委託給當前狀態對象處理行為，實現「狀態即類、轉移即換對象」。

UML 結構

• Context：維護 State* currentState，提供 request() 委託調用，setState(State*) 切換狀態。
• State（抽象基類）：定義 virtual void handle(Context*) = 0。
• ConcreteStateA/B：實現具體行為，內部可調用 context->setState(new StateB()) 觸發轉移。

完整代碼示例：自動販賣機

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

class VendingMachine; // 前向聲明

// 抽象狀態
class State {
public:
    virtual void insertCoin(VendingMachine* vm) = 0;
    virtual void selectItem(VendingMachine* vm) = 0;
    virtual void dispense(VendingMachine* vm) = 0;
    virtual ~State() = default;
};

// 環境類
class VendingMachine {
    State* currentState;
    int inventory, balance;
public:
    VendingMachine(int inv) : inventory(inv), balance(0) {
        currentState = new NoCoinState();
    }
    void setState(State* s) { delete currentState; currentState = s; }
    void insertCoin() { currentState->insertCoin(this); }
    void selectItem() { currentState->selectItem(this); }
    void dispense() { currentState->dispense(this); }
    // getters for states
    int getInventory() const { return inventory; }
    int getBalance() const { return balance; }
    void addBalance(int v) { balance += v; }
    void reduceInventory() { --inventory; }
    void clearBalance() { balance = 0; }
    bool hasInventory() const { return inventory > 0; }
};

// 具體狀態
class NoCoinState : public State {
public:
    void insertCoin(VendingMachine* vm) override {
        cout << "Coin accepted.\n";
        vm->addBalance(1);
        vm->setState(new HasCoinState());
    }
    void selectItem(VendingMachine* vm) override { cout << "Insert coin first.\n"; }
    void dispense(VendingMachine* vm) override { cout << "Insert coin first.\n"; }
};

class HasCoinState : public State {
public:
    void insertCoin(VendingMachine* vm) override { cout << "Already has coin.\n"; }
    void selectItem(VendingMachine* vm) override {
        if (vm->hasInventory()) {
            cout << "Item selected.\n";
            vm->setState(new SoldState());
        } else {
            cout << "Sold out.\n";
            vm->setState(new SoldOutState());
        }
    }
    void dispense(VendingMachine* vm) override { cout << "Select item first.\n"; }
};

class SoldState : public State {
public:
    void insertCoin(VendingMachine* vm) override { cout << "Wait for dispense.\n"; }
    void selectItem(VendingMachine* vm) override { cout << "Already selected.\n"; }
    void dispense(VendingMachine* vm) override {
        cout << "Dispensing item...\n";
        vm->reduceInventory();
        vm->clearBalance();
        if (vm->hasInventory()) vm->setState(new NoCoinState());
        else vm->setState(new SoldOutState());
    }
};

class SoldOutState : public State {
public:
    void insertCoin(VendingMachine* vm) override { cout << "Machine sold out.\n"; }
    void selectItem(VendingMachine* vm) override { cout << "Machine sold out.\n"; }
    void dispense(VendingMachine* vm) override { cout << "Machine sold out.\n"; }
};

// 測試
int main() {
    VendingMachine vm(2);
    vm.insertCoin(); vm.selectItem(); vm.dispense(); // 正常購買
    vm.insertCoin(); vm.selectItem(); vm.dispense(); // 售罄
    vm.insertCoin(); // 售罄狀態拒絕
    return 0;
}

關鍵設計要點

1. 狀態對象無狀態化：狀態類不存儲數據，所有數據在 Context 中，狀態對象可共享（單例/飛量）。
2. 轉移邏輯集中：轉移條件寫在具體狀態的 handle 中，或由 Context 根據條件調用 setState。
3. 內存管理：setState 負責 delete 舊狀態，或使用 unique_ptr<State> 自動管理。
4. 線程安全：若 Context 多線程訪問，需鎖保護 currentState。

優缺點權衡

適用場景

• 對象行為強依賴狀態，且狀態數有限（<10）
• 狀態轉移頻繁、邏輯複雜
• 需動態增減狀態（插件化架構）

總結

狀態模式以「換類換行為」替換「判斷狀態執行代碼」，將狀態相關代碼聚合、隔離，是處理複雜狀態機的利器。C++ 實現時善用多態、智能指針、RAII，能編寫出優雅、安全、可擴展的狀態驅動系統。