`状态`模式：如何使用`Python`实现`状态机`，并在`对象`状态改变时改变其`行为`。

好的，我们开始今天的讲座。今天的主题是：使用Python实现状态模式，构建状态机，并在对象状态改变时改变其行为。

引言：什么是状态模式？

在软件设计中，我们经常遇到这样的情况：一个对象的行为取决于它的状态，并且在运行时，对象可能会根据某些条件改变其状态，从而改变其行为。如果直接在对象内部用大量的if-else语句或者switch语句来处理不同的状态和行为，代码会变得非常复杂、难以维护，并且缺乏可扩展性。

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它的行为，对象看起来好像修改了它的类。状态模式将与特定状态相关的行为局部化，并将不同状态之间的转换逻辑分离，使得代码更加清晰、易于维护和扩展。

状态模式的核心概念

状态模式主要包含以下几个核心角色：

• Context（环境类）： 定义客户感兴趣的接口，维护一个 ConcreteState 子类的实例，这个实例定义对象的当前状态。Context 将客户端的请求委派给当前状态对象处理。
• State（抽象状态类）： 定义一个接口以封装与 Context 的特定状态相关的行为。所有具体状态类都必须实现这个接口。
• ConcreteState（具体状态类）： 实现 State 接口，封装与 Context 的一个特定状态相关的行为。每个 ConcreteState 类都负责处理在其状态下发生的请求。

状态模式的优点

• 封装状态和行为： 将每个状态的行为封装在单独的类中，使得状态转换和状态行为更加清晰。
• 符合开闭原则： 增加新的状态非常容易，只需要增加一个新的 ConcreteState 类即可，无需修改现有代码。
• 避免大量的条件判断： 使用状态模式可以避免在 Context 类中出现大量的 if-else 语句或者 switch 语句。
• 提高代码的可维护性和可扩展性： 代码结构更加清晰，易于理解和修改。

状态模式的缺点

• 增加类的数量： 需要为每个状态创建一个 ConcreteState 类，可能会导致类的数量增加。
• 状态转换的复杂性： 如果状态转换逻辑比较复杂，可能需要在多个 ConcreteState 类之间进行协调。

使用Python实现状态模式：一个简单的交通灯示例

为了更好地理解状态模式，我们以一个简单的交通灯示例来演示如何使用Python实现状态模式。交通灯有三种状态：红灯（Red）、黄灯（Yellow）和绿灯（Green）。每种状态持续一段时间后会自动切换到下一种状态。

首先，我们定义抽象状态类 State：

from abc import ABC, abstractmethod

class State(ABC):
    """
    抽象状态类
    """
    @abstractmethod
    def handle(self, context):
        """
        处理状态相关的行为
        """
        pass

    @abstractmethod
    def get_color(self):
        """
        返回当前状态的颜色
        """
        pass

然后，我们定义具体状态类 RedState、YellowState 和 GreenState：

import time

class RedState(State):
    """
    红灯状态
    """
    def handle(self, context):
        print("红灯亮，车辆停止")
        time.sleep(3)  # 红灯持续3秒
        context.set_state(YellowState())  # 切换到黄灯状态

    def get_color(self):
        return "Red"

class YellowState(State):
    """
    黄灯状态
    """
    def handle(self, context):
        print("黄灯闪烁，请注意")
        time.sleep(1)  # 黄灯持续1秒
        context.set_state(GreenState())  # 切换到绿灯状态

    def get_color(self):
        return "Yellow"

class GreenState(State):
    """
    绿灯状态
    """
    def handle(self, context):
        print("绿灯亮，车辆通行")
        time.sleep(5)  # 绿灯持续5秒
        context.set_state(RedState())  # 切换到红灯状态

    def get_color(self):
        return "Green"

最后，我们定义环境类 TrafficLight：

class TrafficLight:
    """
    交通灯环境类
    """
    def __init__(self):
        self._state = RedState()  # 初始状态为红灯

    def set_state(self, state):
        """
        设置交通灯的状态
        """
        self._state = state

    def run(self):
        """
        运行交通灯
        """
        while True:
            self._state.handle(self)

    def get_color(self):
      """
      返回当前交通灯的颜色
      """
      return self._state.get_color()

现在，我们可以创建一个 TrafficLight 对象并运行它：

if __name__ == "__main__":
    traffic_light = TrafficLight()
    traffic_light.run()

这段代码会模拟交通灯的运行，不断切换红灯、黄灯和绿灯状态，并输出相应的提示信息。

使用状态模式实现状态机：一个更复杂的示例

上面的交通灯示例比较简单，只涉及状态的自动切换。在实际应用中，状态机可能需要根据外部事件或者用户的输入来改变状态。下面，我们以一个更复杂的示例来演示如何使用状态模式实现状态机。

假设我们有一个订单处理系统，订单有以下几种状态：

• Created（已创建）： 订单刚被创建，等待支付。
• Paid（已支付）： 订单已支付，等待发货。
• Shipped（已发货）： 订单已发货，等待收货。
• Delivered（已收货）： 订单已收货，订单完成。
• Cancelled（已取消）： 订单已取消。

订单可以执行以下几种操作：

• Pay（支付）： 将订单从 Created 状态切换到 Paid 状态。
• Ship（发货）： 将订单从 Paid 状态切换到 Shipped 状态。
• Deliver（收货）： 将订单从 Shipped 状态切换到 Delivered 状态。
• Cancel（取消）： 可以从 Created、Paid 或 Shipped 状态切换到 Cancelled 状态。

首先，我们定义抽象状态类 OrderState：

from abc import ABC, abstractmethod

class OrderState(ABC):
    """
    订单状态抽象类
    """
    @abstractmethod
    def pay(self, order):
        """
        支付订单
        """
        pass

    @abstractmethod
    def ship(self, order):
        """
        发货订单
        """
        pass

    @abstractmethod
    def deliver(self, order):
        """
        收货订单
        """
        pass

    @abstractmethod
    def cancel(self, order):
        """
        取消订单
        """
        pass

    @abstractmethod
    def get_status(self):
      """
      获取状态名称
      """
      pass

然后，我们定义具体状态类 CreatedState、PaidState、ShippedState、DeliveredState 和 CancelledState：

class CreatedState(OrderState):
    """
    已创建状态
    """
    def pay(self, order):
        print("订单已支付")
        order.set_state(PaidState())

    def ship(self, order):
        print("订单尚未支付，无法发货")

    def deliver(self, order):
        print("订单尚未发货，无法收货")

    def cancel(self, order):
        print("订单已取消")
        order.set_state(CancelledState())

    def get_status(self):
      return "Created"

class PaidState(OrderState):
    """
    已支付状态
    """
    def pay(self, order):
        print("订单已支付，无需重复支付")

    def ship(self, order):
        print("订单已发货")
        order.set_state(ShippedState())

    def deliver(self, order):
        print("订单尚未收货，无法完成订单")

    def cancel(self, order):
        print("订单已取消")
        order.set_state(CancelledState())

    def get_status(self):
      return "Paid"

class ShippedState(OrderState):
    """
    已发货状态
    """
    def pay(self, order):
        print("订单已发货，无法支付")

    def ship(self, order):
        print("订单已发货，无需重复发货")

    def deliver(self, order):
        print("订单已收货")
        order.set_state(DeliveredState())

    def cancel(self, order):
        print("订单已取消")
        order.set_state(CancelledState())

    def get_status(self):
      return "Shipped"

class DeliveredState(OrderState):
    """
    已收货状态
    """
    def pay(self, order):
        print("订单已完成，无法支付")

    def ship(self, order):
        print("订单已完成，无法发货")

    def deliver(self, order):
        print("订单已完成，无需重复收货")

    def cancel(self, order):
        print("订单已完成，无法取消")

    def get_status(self):
      return "Delivered"

class CancelledState(OrderState):
    """
    已取消状态
    """
    def pay(self, order):
        print("订单已取消，无法支付")

    def ship(self, order):
        print("订单已取消，无法发货")

    def deliver(self, order):
        print("订单已取消，无法收货")

    def cancel(self, order):
        print("订单已取消，无需重复取消")

    def get_status(self):
      return "Cancelled"

最后，我们定义环境类 Order：

class Order:
    """
    订单环境类
    """
    def __init__(self):
        self._state = CreatedState()  # 初始状态为已创建

    def set_state(self, state):
        """
        设置订单的状态
        """
        self._state = state

    def pay(self):
        """
        支付订单
        """
        self._state.pay(self)

    def ship(self):
        """
        发货订单
        """
        self._state.ship(self)

    def deliver(self):
        """
        收货订单
        """
        self._state.deliver(self)

    def cancel(self):
        """
        取消订单
        """
        self._state.cancel(self)

    def get_status(self):
      """
      获取订单当前状态
      """
      return self._state.get_status()

现在，我们可以创建一个 Order 对象并进行各种操作：

if __name__ == "__main__":
    order = Order()
    print(f"Order status: {order.get_status()}") # 输出：Order status: Created

    order.pay()
    print(f"Order status: {order.get_status()}") # 输出：Order status: Paid

    order.ship()
    print(f"Order status: {order.get_status()}") # 输出：Order status: Shipped

    order.deliver()
    print(f"Order status: {order.get_status()}") # 输出：Order status: Delivered

    order = Order() # 新的订单
    print(f"Order status: {order.get_status()}") # 输出：Order status: Created
    order.cancel()
    print(f"Order status: {order.get_status()}") # 输出：Order status: Cancelled

这个示例演示了如何使用状态模式来实现一个简单的状态机。通过将每个状态的行为封装在单独的类中，我们可以很容易地添加新的状态或者修改现有状态的行为，而无需修改 Order 类的代码。

状态转换图

为了更清晰地理解订单状态的转换，我们可以使用状态转换图来表示：

stateDiagram
    [*] --> Created
    Created --> Paid : pay()
    Paid --> Shipped : ship()
    Shipped --> Delivered : deliver()
    Created --> Cancelled : cancel()
    Paid --> Cancelled : cancel()
    Shipped --> Cancelled : cancel()
    Delivered --> [*]
    Cancelled --> [*]

状态模式的适用场景

状态模式适用于以下场景：

• 一个对象的行为取决于它的状态，并且在运行时需要根据某些条件改变其状态。
• 一个操作中含有大量的条件分支语句，这些分支语句依赖于对象的状态。
• 需要封装状态转换逻辑，使得状态转换更加清晰和易于维护。

状态模式与其他设计模式的关系

• 策略模式： 状态模式和策略模式都用于封装算法或者行为，但是它们的意图不同。状态模式关注的是对象状态的改变，而策略模式关注的是算法的选择。
• 享元模式： 状态模式中的 ConcreteState 类通常可以共享，可以使用享元模式来减少对象的数量。

状态模式的注意事项

• 合理划分状态：状态的划分应该根据实际需求进行，避免过度划分或者划分不足。
• 避免状态之间的循环依赖：状态之间的循环依赖会导致代码的复杂性增加，应该尽量避免。
• 考虑线程安全性：如果多个线程同时访问同一个状态对象，需要考虑线程安全性问题。

代码示例总结

示例	描述	核心类	状态转换方式
交通灯示例	模拟交通灯的自动切换状态，从红灯到黄灯到绿灯再到红灯的循环。	TrafficLight, RedState, YellowState, GreenState	在每个状态的 handle() 方法中，通过 context.set_state() 自动切换到下一个状态。
订单处理系统	模拟订单的不同状态（创建、支付、发货、收货、取消），以及在不同状态下可以执行的操作。	Order, CreatedState, PaidState, ShippedState, DeliveredState, CancelledState	通过调用 Order 对象的 pay(), ship(), deliver(), cancel() 方法触发状态转换，在每个状态类的对应方法中调用 order.set_state() 切换到新的状态。

状态模式，让对象在不同阶段表现出不同的生命力

状态模式通过将对象的状态封装到不同的类中，使得对象的行为可以随着状态的改变而改变，避免了大量的条件判断语句，提高了代码的可维护性和可扩展性。

合理利用状态模式，构建更灵活的系统

状态模式是一种强大的设计模式，可以用于解决许多复杂的问题。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的状态划分和状态转换方式，才能充分发挥状态模式的优势。