C语言的设计模式---状态机模式

在C语言中实现状态机模式（State Pattern）可以通过函数指针+状态结构体模拟面向对象的多态行为。以下是一个完整的示例，以电灯开关（On/Off）为例：

#include <stdio.h>

// 状态接口（模拟抽象类）
typedef struct State State;
struct State {
    void (*handle)(void *context); // 处理函数指针
};

// 上下文（持有当前状态）
typedef struct {
    State *current_state;
} Context;

// 具体状态：开
void on_state_handle(void *context);
State OnState = { .handle = on_state_handle };

// 具体状态：关
void off_state_handle(void *context);
State OffState = { .handle = off_state_handle };

//--- 状态行为实现 ---
void on_state_handle(void *context) {
    Context *ctx = (Context *)context;
    printf("灯已开，执行关闭操作\n");
    ctx->current_state = &OffState; // 切换到关状态
}

void off_state_handle(void *context) {
    Context *ctx = (Context *)context;
    printf("灯已关，执行开启操作\n");
    ctx->current_state = &OnState; // 切换到开状态
}

//--- 上下文操作 ---
void init_context(Context *ctx) {
    ctx->current_state = &OffState; // 初始状态为关
}

void request(Context *ctx) {
    ctx->current_state->handle(ctx); // 委托给当前状态处理
}

//--- 测试代码 ---
int main() {
    Context ctx;
    init_context(&ctx);

    // 模拟用户操作
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        request(&ctx); // 每次请求触发状态转换
    }

    return 0;
}

输出结果：

灯已关，执行开启操作
灯已开，执行关闭操作
灯已关，执行开启操作
灯已开，执行关闭操作

关键设计解析：

0. 状态接口（State）
   • 使用函数指针 handle模拟虚函数
   • 所有具体状态必须实现该函数
1. 具体状态（OnState/OffState）
   • 全局单例状态对象（避免重复创建）
   • 在 handle()中实现状态转移逻辑
2. 上下文（Context）
   • 持有 current_state指针指向当前状态
   • request()方法委托给状态对象处理
3. 状态转移
   • 在状态处理函数中直接修改 context->current_state
   • 符合开闭原则：新增状态无需修改上下文

扩展新状态步骤（以添加闪烁状态为例）：

// 1. 定义新状态
void blinking_state_handle(void *context);
State BlinkingState = { .handle = blinking_state_handle };

// 2. 实现行为逻辑
void blinking_state_handle(void *context) {
    Context *ctx = (Context *)context;
    printf("闪烁中，切换到关闭状态\n");
    ctx->current_state = &OffState;
}

// 3. 在现有状态中添加转移（如在OnState中）
void on_state_handle(void *context) {
    /* ... */
    if(需要闪烁) ctx->current_state = &BlinkingState;
}

优势：

0. 解耦状态逻辑：每个状态独立封装行为
1. 消除条件分支：避免复杂的switch-case语句
2. 可扩展性：符合开放封闭原则
3. 状态转移显式化：转移逻辑在状态内部明确声明

经典应用场景：TCP连接状态、工控系统流程、游戏AI行为、协议解析器等需要清晰状态转换逻辑的系统。