c++如何实现一个简单的状态机_c++状态设计模式应用

答案：C++中可通过状态模式实现状态机，定义抽象状态类和具体状态类处理行为，上下文类持有当前状态并委托调用，示例交通灯在红、绿、黄间切换，每调用change则按逻辑转换状态，输出对应信息。该方式避免大量条件判断，提升可维护性与扩展性，新增状态无需修改原有代码，符合开闭原则，适用于状态多且转换复杂的系统如游戏控制或UI流程。

在C++中实现一个简单的状态机，可以采用状态模式（State Pattern），这是一种行为设计模式，它允许对象在内部状态改变时修改其行为。通过将每个状态封装成独立的类，可以让状态转换更清晰、可维护性更强。

1. 状态模式的基本结构

状态模式的核心是定义一个状态接口，各个具体状态实现该接口，同时上下文（Context）持有当前状态的指针，并将状态相关的行为委托给当前状态对象。

示例：交通灯状态机（红、绿、黄）

#include 
#include 

// 前向声明
class TrafficLight;

// 抽象状态类
class LightState {
public:
    virtual ~LightState() = default;
    virtual void change(TrafficLight& light) = 0;
    virtual std::string getStateName() const = 0;
};

// 具体状态类 - 红灯
class RedState : public LightState {
public:
    void change(TrafficLight& light) override;
    std::string getStateName() const override { return "Red"; }
};

// 具体状态类 - 绿灯
class GreenState : public LightState {
public:
    void change(TrafficLight& light) override;
    std::string getStateName() const override { return "Green"; }
};

// 具体状态类 - 黄灯
class YellowState : public LightState {
public:
    void change(TrafficLight& light) override;
    std::string getStateName() const override { return "Yellow"; }
};

2. 上下文类管理状态

TrafficLight 类作为上下文，持有一个当前状态的智能指针，并提供接口触发状态切换。

class TrafficLight {
private:
    std::unique_ptr currentState;

public:
    TrafficLight(std::unique_ptr state) : currentState(std::move(state)) {}

    void setState(std::unique_ptr state) {
        currentState = std::move(state);
    }

    void requestChange() {
        currentState->change(*this);
    }

    std::string getCurrentState() const {
        return currentState->getStateName();
    }
};

3. 实现状态切换逻辑

每个状态的 change 方法决定下一个状态是什么，并通过上下文更新状态。

void RedState::change(TrafficLight& light) {
    std::cout << "Red -> Green\n";
    light.setState(std::make_unique());
}

void GreenState::change(TrafficLight& light) {
    std::cout << "Green -> Yellow\n";
    light.setState(std::make_unique());
}

void YellowState::change(TrafficLight& light) {
    std::cout << "Yellow -> Red\n";
    light.setState(std::make_unique());
}

使用示例：

int main() {
    TrafficLight light(std::make_unique());

    for (int i = 0; i < 6; ++i) {
        std::cout << "Current: " << light.getCurrentState() << " | ";
        light.requestChange();
    }

    return 0;
}

输出：

Current: Red | Red -> Green
Current: Green | Green -> Yellow
Current: Yellow | Yellow -> Red
Current: Red | Red -> Green
Current: Green | Green -> Yellow
Current: Yellow | Yellow -> Red

4. 优势与适用场景

这种实现方式避免了大量 if/else 或 switch/case 判断状态，提升了扩展性和可读性。

• 新增状态只需添加新类，符合开闭原则
• 状态转换逻辑分散在各自类中，职责清晰
• 适合状态较多、转换复杂的系统，如游戏角色控制、UI流程管理等

基本上就这些。状态模式让状态流转变得直观且易于维护，是C++中实现状态机的一种优雅方式。