C++ 状态机设计模式：基于多态或模板元编程的实现

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++里一个非常实用，但有时候也让人挠头的家伙——状态机。这玩意儿听起来高大上，但说白了，就是让你程序的行为根据当前所处的状态而变化。想象一下，你正在玩一个游戏，主角可以站立、行走、跳跃、攻击。这些就是不同的状态，而主角的行为会根据当前状态而改变。

那么，在C++里，我们怎么才能优雅地实现状态机呢？别慌，这里有两种主流方法：多态和模板元编程。咱们一个一个来啃。

第一种武器：多态状态机

多态，是面向对象编程的三大支柱之一（另外两个是封装和继承，别忘了）。它允许我们用父类指针或引用来操作子类对象，从而实现运行时多态。

首先，我们需要定义一个抽象基类，代表状态机的状态。这个基类通常包含一个纯虚函数，用来处理状态的逻辑。

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>

class State {
public:
    virtual ~State() {}
    virtual void handle(class Context* context) = 0; //纯虚函数，处理状态逻辑
    virtual std::string getName() const = 0; //获取状态名称，方便调试
};

解释一下：

• ~State(): 虚析构函数。这是一个好习惯，保证在销毁状态机时，能够正确地销毁子类对象。
• handle(Context* context): 纯虚函数，每个状态都需要实现这个函数，用来处理状态的逻辑。Context是一个上下文类，用来保存状态机的一些共享数据。
• getName(): 纯虚函数，返回状态的名称，方便调试和日志记录。

接下来，我们需要定义具体的状态类，它们继承自State基类，并实现handle函数。

class ConcreteStateA : public State {
public:
    void handle(Context* context) override;
    std::string getName() const override { return "StateA"; }
};

class ConcreteStateB : public State {
public:
    void handle(Context* context) override;
    std::string getName() const override { return "StateB"; }
};

这些具体的状态类，就是状态机中的一个个状态。每个状态都有自己的handle函数，用来处理该状态下的逻辑。

现在，我们需要一个Context类，用来保存状态机的当前状态，以及一些共享数据。

class Context {
public:
    Context(State* initialState) : currentState(initialState) {}
    ~Context() { delete currentState; }

    void setState(State* newState) {
        std::cout << "Transitioning from " << currentState->getName() << " to " << newState->getName() << std::endl;
        delete currentState; // 避免内存泄漏，先删除旧状态
        currentState = newState;
    }

    void request() {
        currentState->handle(this);
    }

private:
    State* currentState;
};

解释一下：

• currentState: 指向当前状态的指针。
• setState(State* newState): 用来切换状态。注意，这里需要先删除旧状态，避免内存泄漏。
• request(): 触发当前状态的处理函数。

最后，我们需要实现具体的handle函数。这里可以根据具体的需求来编写逻辑。

#include <iostream>

void ConcreteStateA::handle(Context* context) {
    std::cout << "ConcreteStateA handles the request.n";
    // 在状态A下，满足某个条件，切换到状态B
    context->setState(new ConcreteStateB());
}

void ConcreteStateB::handle(Context* context) {
    std::cout << "ConcreteStateB handles the request.n";
    // 在状态B下，满足某个条件，切换到状态A
    context->setState(new ConcreteStateA());
}

完整代码示例：

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>

class State {
public:
    virtual ~State() {}
    virtual void handle(class Context* context) = 0; //纯虚函数，处理状态逻辑
    virtual std::string getName() const = 0; //获取状态名称，方便调试
};

class ConcreteStateA : public State {
public:
    void handle(Context* context) override;
    std::string getName() const override { return "StateA"; }
};

class ConcreteStateB : public State {
public:
    void handle(Context* context) override;
    std::string getName() const override { return "StateB"; }
};

class Context {
public:
    Context(State* initialState) : currentState(initialState) {}
    ~Context() { delete currentState; }

    void setState(State* newState) {
        std::cout << "Transitioning from " << currentState->getName() << " to " << newState->getName() << std::endl;
        delete currentState; // 避免内存泄漏，先删除旧状态
        currentState = newState;
    }

    void request() {
        currentState->handle(this);
    }

private:
    State* currentState;
};

void ConcreteStateA::handle(Context* context) {
    std::cout << "ConcreteStateA handles the request.n";
    // 在状态A下，满足某个条件，切换到状态B
    context->setState(new ConcreteStateB());
}

void ConcreteStateB::handle(Context* context) {
    std::cout << "ConcreteStateB handles the request.n";
    // 在状态B下，满足某个条件，切换到状态A
    context->setState(new ConcreteStateA());
}

int main() {
    Context* context = new Context(new ConcreteStateA());
    context->request(); // StateA handles the request.
    context->request(); // StateB handles the request.
    context->request(); // StateA handles the request.
    delete context;
    return 0;
}

这种多态状态机的优点是：

• 灵活性高：可以在运行时动态地切换状态，添加新的状态也很容易，只需要继承State基类，并实现handle函数即可。
• 易于理解：代码结构清晰，易于理解和维护。

缺点是：

• 运行时开销：多态需要通过虚函数表来查找函数，有一定的运行时开销。
• 内存管理：需要手动管理状态对象的生命周期，容易出现内存泄漏。可以使用智能指针来解决这个问题。

第二种武器：模板元编程状态机

模板元编程（Template Metaprogramming，TMP）是一种在编译期执行计算的技术。它可以用来生成代码，优化性能，以及实现一些高级的编程技巧。

这种方法的核心思想是：将状态机的状态和状态之间的转换关系，全部在编译期确定下来。这样，在运行时，就可以避免虚函数调用，从而提高性能。

首先，我们需要定义一个状态的结构体。

template <typename NextState>
struct State {
    using Next = NextState; // 定义下一个状态的类型
    static void handle() {
        std::cout << "Base State Handle.n";
    }
};

然后，我们需要定义具体的状态类。

struct StateA : State<StateB> {
    static void handle() {
        std::cout << "StateA Handle.n";
        StateB::handle(); // 切换到下一个状态，这里直接调用，没有虚函数开销
    }
};

struct StateB : State<StateA> {
    static void handle() {
        std::cout << "StateB Handle.n";
        StateA::handle(); // 切换到下一个状态
    }
};

解释一下：

• StateA和StateB都继承自State结构体。
• StateA的Next类型是StateB，StateB的Next类型是StateA。这样就定义了状态之间的转换关系。
• handle函数中，直接调用下一个状态的handle函数。

最后，我们需要一个启动状态机的函数。

template <typename InitialState>
void runStateMachine() {
    InitialState::handle();
}

完整代码示例：

#include <iostream>

template <typename NextState>
struct State {
    using Next = NextState; // 定义下一个状态的类型
    static void handle() {
        std::cout << "Base State Handle.n";
    }
};

struct StateA : State<StateB> {
    static void handle() {
        std::cout << "StateA Handle.n";
        StateB::handle(); // 切换到下一个状态，这里直接调用，没有虚函数开销
    }
};

struct StateB : State<StateA> {
    static void handle() {
        std::cout << "StateB Handle.n";
        StateA::handle(); // 切换到下一个状态
    }
};

template <typename InitialState>
void runStateMachine() {
    InitialState::handle();
}

int main() {
    runStateMachine<StateA>(); // 启动状态机，从StateA开始
    return 0;
}

这种模板元编程状态机的优点是：

• 性能高：所有的状态转换都在编译期确定，避免了虚函数调用，性能非常高。
• 类型安全：可以在编译期检查状态转换的正确性。

缺点是：

• 灵活性差：状态转换关系在编译期确定，无法在运行时动态地切换状态。
• 代码复杂：模板元编程的代码比较复杂，难以理解和维护。
• 编译时间长：模板元编程需要在编译期执行计算，可能会增加编译时间。

多态 vs 模板元编程：选哪个？

那么，在实际开发中，我们应该选择哪种方法呢？这取决于具体的需求。

• 如果需要灵活性，需要在运行时动态地切换状态，那么应该选择多态。
• 如果需要高性能，并且状态转换关系在编译期就可以确定，那么应该选择模板元编程。

下面用一个表格来总结一下两者的区别：

特性	多态状态机	模板元编程状态机
状态转换	运行时	编译时
性能	较低 (虚函数调用)	较高 (无虚函数调用)
灵活性	高 (可以动态切换状态)	低 (无法动态切换状态)
代码复杂性	较低	较高
编译时间	较短	较长
类型安全	较低 (运行时类型检查)	较高 (编译时类型检查)

更进一步：混合使用

其实，多态和模板元编程并不是互斥的。我们可以将它们混合使用，从而获得两者的优点。

例如，我们可以使用模板元编程来生成状态类，然后使用多态来实现状态之间的转换。

template <typename StateID>
struct State : public BaseState { // BaseState是多态基类
    virtual void handle(Context* context) override {
        std::cout << "Generic State Handle with ID: " << StateID::value << std::endl;
    }
};

struct StateIDA { static constexpr int value = 1; };
struct StateIDB { static constexpr int value = 2; };

using ConcreteStateA = State<StateIDA>;
using ConcreteStateB = State<StateIDB>;

在这个例子中，我们使用模板元编程来生成状态类ConcreteStateA和ConcreteStateB，它们都继承自多态基类BaseState。然后，我们可以像前面一样，使用多态来实现状态之间的转换。

这种混合使用的方法，可以让我们在保持灵活性的同时，获得一定的性能提升。

状态模式的变体：事件驱动状态机

上面我们讨论的状态机都是基于“请求-响应”模式的。也就是说，状态机需要外部的请求来触发状态转换。

还有一种状态机，叫做“事件驱动状态机”。它不需要外部的请求，而是根据内部的事件来触发状态转换。

例如，在一个网络连接中，状态机可以根据收到的数据包、连接超时等事件来触发状态转换。

实现事件驱动状态机的方法有很多种。一种常用的方法是使用观察者模式。状态机订阅各种事件，当事件发生时，状态机就会收到通知，并根据事件的类型和内容来触发状态转换。

总结

状态机是一种非常有用的设计模式，可以用来管理复杂的状态和状态之间的转换。在C++中，我们可以使用多态和模板元编程来实现状态机。多态状态机灵活性高，但性能较低；模板元编程状态机性能高，但灵活性差。我们可以根据具体的需求来选择合适的方法。

希望今天的讲解对你有所帮助！ 记住，编程的世界是灵活的，没有绝对的对错，只有适合与不适合。 多尝试，多实践，你也能成为状态机大师！