设计模式：状态模式
- 软件开发
- 2025-09-07 20:24:02
状态机有3个要素：状态，事件，动作。
假如一个对象有3个状态:S1、S2、S3。影响状态的事件有3个：E1、E2、E3。每个状态下收到对应事件的时候，对象的动作为AXY。那么该对象的状态机就可以用如下表格来表示。S1收到事件E1的时候动作为A11，收到事件E2的时候动作为A12，收到事件E3的时候动作为A13，以此类推。
E1E2E3S1A11A12A13S2A21A22A23S3A31A32A33其中，动作可以是状态发生切换，也可以是其它与业务有关的动作。
1分支逻辑法分支逻辑法，是最简单 、最直观，也是最常用的一种方法。
如下是分支逻辑法的实现：
if(state == S1) {
if (event == E1) {
A31();
} else if (event == E2) {
A32();
} else {
A33();
}
} else if (state == S2) {
if (event == E1) {
A31();
} else if (event == E2) {
A32();
} else {
A33();
}
} else {
if (event == E1) {
A31();
} else if (event == E2) {
A32();
} else {
A33();
}
}
在linux内核中，tcp有自己的状态机，如下代码，就是在收到tcp报文时，其中的一小段状态机代码，这段代码就是使用分支逻辑法。
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
...
switch (sk->sk_state) {
case TCP_CLOSE:
goto discard;
case TCP_LISTEN:
if (th->ack)
return 1;
if (th->rst)
goto discard;
if (th->syn) {
if (th->fin)
goto discard;
/* It is possible that we process SYN packets from backlog,
* so we need to make sure to disable BH and RCU right there.
*/
rcu_read_lock();
local_bh_disable();
acceptable = icsk->icsk_af_ops->conn_request(sk, skb) >= 0;
local_bh_enable();
rcu_read_unlock();
if (!acceptable)
return 1;
consume_skb(skb);
return 0;
}
goto discard;
case TCP_SYN_SENT:
tp->rx_opt.saw_tstamp = 0;
tcp_mstamp_refresh(tp);
queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th);
if (queued >= 0)
return queued;
/* Do step6 onward by hand. */
tcp_urg(sk, skb, th);
__kfree_skb(skb);
tcp_data_snd_check(sk);
return 0;
}
...
}
2查表法如果状态发生改变，比如增删，或者事件发生改变，比如增加一个事件或者删除一个事件，就需要对代码进行修改。分支逻辑法不满足开闭原则。
查表法使用两个两级map：
①transitionTable
第一级map的key为状态，value是第二级map；第二级map的key是事件类型，value是目标状态。
②actionTable 第一级map的key为状态类型，value是第二级map；第二级map的key是事件类型，value是action。
如下是查表法的示意代码：
#include <iostream> #include <map> #include <functional> #include <stdexcept> // 用于异常处理 enum class State : int32_t { S1, S2, S3 }; enum class Event : int32_t { E1, E2, E3 }; class StateMachine { public: StateMachine(State const& initialState) : state_{initialState} { // 初始化状态转移表 transitionTable_ = { {State::S1, {{Event::E1, State::S1}, {Event::E2, State::S2}, {Event::E3, State::S3}}}, {State::S2, {{Event::E1, State::S1}, {Event::E2, State::S3}, {Event::E3, State::S2}}}, {State::S3, {{Event::E1, State::S3}, {Event::E2, State::S2}, {Event::E3, State::S3}}} }; // 初始化动作表（修复 lambda 捕获和逗号分隔） actionTable_ = { {State::S1, { {Event::E1, [this]() { std::cout << "action11\n"; }}, {Event::E2, [this]() { std::cout << "action12\n"; }}, {Event::E3, [this]() { std::cout << "action13\n"; }} }}, {State::S2, { {Event::E1, [this]() { std::cout << "action21\n"; }}, {Event::E2, [this]() { std::cout << "action22\n"; }}, {Event::E3, [this]() { std::cout << "action23\n"; }} }}, {State::S3, { {Event::E1, [this]() { std::cout << "action31\n"; }}, {Event::E2, [this]() { std::cout << "action32\n"; }}, {Event::E3, [this]() { std::cout << "action33\n"; }} }} }; } void OnEvent(Event const& event) { // 检查当前状态和事件是否有效 if (actionTable_.find(state_) == actionTable_.end() || actionTable_[state_].find(event) == actionTable_[state_].end()) { throw std::runtime_error("Invalid state or event!"); } // 执行动作并更新状态 actionTable_[state_][event](); // 调用函数 state_ = transitionTable_[state_][event]; } State GetState() { return state_; } private: State state_; std::map<State, std::map<Event, State>> transitionTable_; std::map<State, std::map<Event, std::function<void()>>> actionTable_; }; int main() { StateMachine sm{State::S1}; sm.OnEvent(Event::E3); // 修复拼写错误 if (State::S3 != sm.GetState()) { std::cout << "state " << (int32_t)sm.GetState() << " is not expected\n"; } sm.OnEvent(Event::E2); if (State::S2 != sm.GetState()) { std::cout << "state " << (int32_t)sm.GetState() << " is not expected\n"; } return 0; }查表法相对于分支逻辑法 ，将状态机创建的代码和状态机转换的代码进行了解耦。如果状态有改变或者事件有改变，那么可以修改StateMachine的构造函数，而不需要修改OnEvent函数。
transitionTable_和actionTable_是数据结构，可以看作存储，OnEvent中的代码逻辑可以看作计算逻辑。解耦就是将存储和计算逻辑代码进行分离，将可以修改的部分和不可以修改的部分进行分离。
