您现在的位置：程式碼之家 >> 編程語言 > >> C語言 >> 關於C語言

設計模式實戰：State 模式重構自動販賣機，告別龐大 Switch-Case

編輯：關於C語言

前言：有限狀態機的痛點

每位開發者職涯中都會實作有限狀態機（FSM）：訂單流程、遊戲 AI、工作流引擎、通訊協定解析。最直覺的寫法是「查表法」或巨大的 switch-case，但隨著狀態與轉移條件增加，程式碼會變得：

難以擴充：新增狀態需修改核心邏輯，違反開放封閉原則
難以測試：所有轉移邏輯纏繞在單一方法
難以維護：狀態行為分散在條件判斷中，缺乏內聚性

State 模式將每個狀態封裝為獨立類別，將轉移邏輯分散到各狀態內部，實現「狀態即物件」，完美解決上述痛點。

案例：自動販賣機

需求：投入 5、10、25 分硬幣，累計 ≥ 25 分出貨並找零（本例簡化不找零），歸零重置。

UML 核心結構


+----------------+       +------------------+
|  VendingMachine|------>|      State       |
|  (Context)     |       |  (Abstract)      |
| - state: State |       | + AddNickel()    |
| + AddNickel()  |       | + AddDime()      |
| + AddDime()    |       | + AddQuarter()   |
| + AddQuarter() |       | + ChangeState()  |
| + Vend()       |       +------------------+
+----------------+                ▲
          ▲                       │
          │           +-----------+-----------+
          │           │           │           │
      +---+---+   +---+---+   +---+---+   +---+---+
      | Start |   | Five  |   | Ten   |   |TwentyFive|
      +-------+   +-------+   +-------+   +---------+

C# 完整實作

1. 抽象狀態基類


public abstract class State
{
    protected VendingMachine Machine { get; private set; }

    public void SetMachine(VendingMachine machine) => Machine = machine;

    public virtual void AddNickel()  { ThrowInvalid(); }
    public virtual void AddDime()    { ThrowInvalid(); }
    public virtual void AddQuarter() { ThrowInvalid(); }

    protected void TransitionTo(State nextState)
    {
        Machine.TransitionTo(nextState);
    }

    private void ThrowInvalid() => throw new InvalidOperationException("當前狀態不允許此操作");
}

2. 具體狀態類別（單例模式）


public class StartState : State
{
    private static readonly Lazy _instance = new Lazy(() => new StartState());
    public static StartState Instance => _instance.Value;

    private StartState() { }

    public override void AddNickel()  => TransitionTo(FiveState.Instance);
    public override void AddDime()    => TransitionTo(TenState.Instance);
    public override void AddQuarter() { Machine.Vend(); TransitionTo(StartState.Instance); }

    public override string ToString() => "Credit: 0¢";
}

public class FiveState : State
{
    private static readonly Lazy _instance = new Lazy(() => new FiveState());
    public static FiveState Instance => _instance.Value;
    private FiveState() { }

    public override void AddNickel()  => TransitionTo(TenState.Instance);
    public override void AddDime()    => TransitionTo(FifteenState.Instance);
    public override void AddQuarter() { Machine.Vend(); TransitionTo(StartState.Instance); }

    public override string ToString() => "Credit: 5¢";
}

// TenState, FifteenState, TwentyFiveState 同理...

3. Context：自動販賣機


public class VendingMachine
{
    private State _currentState;

    public VendingMachine()
    {
        _currentState = StartState.Instance;
        _currentState.SetMachine(this);
        Console.WriteLine("自動販賣機啟動，商品 25¢");
        Console.WriteLine(_currentState);
    }

    public void TransitionTo(State newState)
    {
        _currentState = newState;
        _currentState.SetMachine(this);
        Console.WriteLine(_currentState);
    }

    public void Vend() => Console.WriteLine(">>> 出貨！謝謝惠顧 <<<");

    // 對外暴露動作，委派給目前狀態
    public void AddNickel()  => _currentState.AddNickel();
    public void AddDime()    => _currentState.AddDime();
    public void AddQuarter() => _currentState.AddQuarter();
}

4. 客戶端測試


var vm = new VendingMachine();
vm.AddNickel();   // 5¢
vm.AddNickel();   // 10¢
vm.AddDime();     // 20¢
vm.AddNickel();   // 25¢ -> 出貨，歸零
vm.AddQuarter();  // 直接出貨

State 模式 vs 查表法對比

維度	查表法 / Switch-Case	State 模式
新增狀態	修改核心邏輯，風險高	新增類別，零修改既有程式碼
狀態行為內聚性	分散在條件分支	封裝於各自類別
測試性	需整合測試	可單元測試每個狀態
記憶體	較低	每個狀態一個物件（可用單例）
適用場景	狀態少、轉移固定	狀態多、轉移複雜、頻繁擴充