前言：
系统状态的变化，往往会带来行为的变化。
于是我们很自然地在主流程里写下一堆 if-else 或 switch-case：
- “如果是待支付状态，就允许支付；”
- “如果是已支付状态，就允许发货；”
- “如果是已发货状态，就允许确认收货……”
一开始，这段逻辑还算清晰；但随着状态越来越多、分支越来越复杂，代码渐渐变成“没人敢动”的黑盒。
状态机模式，就是为了替代这一堆冗长分支而出现的
目录
一、什么是状态机模式
二、为什么需要状态机模式
三、状态机模式核心结构
四、状态机模式实现方式
4.1 方式一：基于继承+虚函数实现
4.2 方式二：C++17实现(std::variant)
一、什么是状态机模式
状态机模式（State Machine Pattern） 是一种行为型设计模式，它允许一个对象在其内部状态改变时改变其行为。该模式将状态相关的行为提取到独立的状态类中，并让原始对象将工作委托给当前状态对象，而不是自行处理。
简单来说，状态机模式就是将庞大的 if-else 或 switch-case 状态机逻辑，转换为一个个独立的状态对象，利用多态特性来消除条件判断。
状态机的三个要素：
状态（State）：对象在某一特定时刻的状况
事件（Event）：触发状态转换的因素
转换（Transition）：从一个状态切换到另一个状态的过程
二、为什么需要状态机模式
想象一下，假设我们要为一个游戏角色实现站立、跳跃、下蹲、俯冲等动作。如果使用传统的标志位和条件判断：
void handleInput(Input f_in) { if (f_in == PRESS_B) { if (!isJumping_ && !isDucking_) { /* 跳跃逻辑 */ } } else if (f_in == PRESS_DOWN) { if (!isJumping_) { /* 下蹲逻辑 */ } else { /* 俯冲逻辑 */ } } // ... 更多复杂的判断 }随着状态的增加，代码会迅速变得臃肿，难以维护。所有状态逻辑缠绕在一起，修改一个状态可能破坏另一个状态，难以扩展。
状态机模式能够带来了如下好处：
- 消除条件分支：通过多态取代复杂的 if-else 语句。
- 状态逻辑封装：将特定状态的行为封装在独立的类中，符合单一职责原则。
- 扩展性强：添加新状态只需添加新的状态类，无需修改现有代码，符合开闭原则。
三、状态机模式核心结构
状态机主要包含三个核心角色：
- 上下文：定义客户端所需的接口，并维护一个指向当前状态对象的引用。
- 抽象状态：定义一个接口，用于封装与上下文的特定状态相关的行为。
- 具体状态：实现抽象状态接口，处理来自上下文的请求。每个具体状态类提供了上下文在该状态下的具体行为实现。
四、状态机模式实现方式
假设我们有一个 Context 类，它持有一个指针State* ，不同状态用不同子类实现，状态自己负责切换。
4.1 方式一：基于继承+虚函数实现
这是一种经典的面向对象的实现方式。
简化版代码：
#include <iostream> #include <memory> // 前向声明 class Context; // 状态基类(抽象状态类) class State { public: virtual ~State() = default; // 关联 Context，以便状态切换时能改 Context 的当前状态 void set_context(Context* context) { context_ = context; } virtual void handle() = 0; protected: Context* context_ = nullptr; }; // 上下文类，相当于“状态机本体” class Context { public: Context(std::unique_ptr<State> state) { transition_to(std::move(state)); } void transition_to(std::unique_ptr<State> new_state) { std::cout << "Context: transition to new state.\n"; state_ = std::move(new_state); state_->set_context(this); } void request() { if (state_) { state_->handle(); } } private: std::unique_ptr<State> state_; }; // 具体状态 A class ConcreteStateA : public State { public: void handle() override { std::cout << "State A: doing something and switch to B.\n"; // 状态 A 完成后自动切换到 B context_->transition_to(std::make_unique<ConcreteStateB>()); } }; // 具体状态 B class ConcreteStateB : public State { public: void handle() override { std::cout << "State B: doing something and switch back to A.\n"; // 状态 B 完成后自动切换回 A context_->transition_to(std::make_unique<ConcreteStateA>()); } }; //应用层调用 int main() { Context ctx(std::make_unique<ConcreteStateA>()); // 触发状态机流转 for (int i = 0; i < 5; ++i) { ctx.request(); } return 0; }运行结果：
Context: transition to new state. State A: doing something and switch to B. Context: transition to new state. State B: doing something and switch back to A. Context: transition to new state. State A: doing something and switch to B. Context: transition to new state. ...4.2 方式二：C++17实现(std::variant)
C++17 引入的std::variant与std::visit 为状态机提供了一种无虚函数、无继承的实现方式。这种方式利用了编译期多态，性能更高，且类型安全。
上一小节中，面向对象的实现代码可进行重写为：
#include <iostream> #include <variant> #include <utility> // ========================================== // 1. 定义状态 (值类型，无继承) // ========================================== struct StateA {}; struct StateB {}; // 使用 variant 作为状态容器的定义 using State = std::variant<StateA, StateB>; // ========================================== // 2. 定义状态转换逻辑 // ========================================== // 核心思想：旧状态 + 事件(这里是handle调用) -> 新状态 // 这里的逻辑相当于原来代码中 ConcreteStateA::handle 和 ConcreteStateB::handle State handle_state(StateA) { std::cout << "State A: doing something and switch to B.\n"; // 原代码：context_->transition_to(new B); // 新代码：直接返回新状态对象 return StateB{}; } State handle_state(StateB) { std::cout << "State B: doing something and switch back to A.\n"; return StateA{}; } // ========================================== // 3. 上下文类 (状态机本体) // ========================================== class Context { public: Context(State initial_state) : state_(std::move(initial_state)) {} void request() { // std::visit 会根据 state_ 当前持有的类型自动调用对应的 handle_state 重载 // 并将返回的新状态赋值给 state_，完成状态流转 state_ = std::visit([](auto&& s) -> State { return handle_state(s); }, state_); } private: State state_; }; // ========================================== // 4. 调用函数 (用法几乎不变) // ========================================== int main() { // 初始状态设为 A Context ctx(StateA{}); // 触发状态机流转 for (int i = 0; i < 5; ++i) { ctx.request(); } return 0; }感兴趣的童鞋 可关注作者公众号 随时进行学习探讨：零一栈
