上篇文章：状态机编程实例-状态表法

使用状态表法，实现了炸弹拆除小游戏的状态机编程，这也是介绍的状态机编程的第二种方法。

本篇，继续介绍状态机编程的第三种方法：面向对象的设计模式。此方法从名字上看，用到了面向对象的思想，所以本篇的代码，需要以C++为基础，利用C++中“类”的特性，实现状态机中状态的管理。

【资料图】

面向对象的状态设计模式，其核心思想在于：它是通过不同的类来表示不同的状态，当状态机从一个状态转换到另一个状态时，它表现为在运行时改变自己的类。

回顾第一篇时绘制的炸弹拆除小游戏的状态图，有2个状态和4个事件：

使用面向对象的状态设计模式，此例子中的****两个工作状态，就要设计为两个类，如下图中的设置状态（SettingState）和倒计时状态（TimingState）。

先简单说明一下下面这个图，此图属于UML类图，相关介绍可参考：UML简介与类图详解

Bomb3与BombState是组合关系，BombState是一个抽象类，SettingState与TimingState继承自BombState，属于继承关系

可以注意到，此模式引入了一个炸弹状态的****抽象基类BombState，用于派生具体的工作状态类。

该抽象类为炸弹的两个工作状态声明了一些公共的接口：onUP、onDOWN、onARM和onTICk，这些接口对应于此例子中的四个事件。

两个工作状态类：SettingState类和TimingState类，通过定义自己的onUP等操作，实现各自状态类需要处理的功能。

这种设计模式下：

此模式还设计了一个上下文类Bomb3，它通过一个抽象类BombState的指针来实现炸弹状态的维护。

什么是上下文?

编程中提到的上下文（context），可以理解为环境或语境，每一段程序都有很多的外部变量，一旦写的一段程序中有了外部变量，这段程序就是不完整的，不能独立运行，要想让他运行，就必须把所有的外部变量的值一个一个的全部传进去，这些值的集合就叫作上下文。

本例中，BombState的运行，就需要一个上下文类作为其参数，这个参数就是Bomb3类。

此外，它还包含需要用到的****扩展状态变量：

并通过提供对BombState一样的接口，即每派生一个事件对应一个操作。

在上下文类Bomb3中的事件处理，是通过state_指针实现的，它代表了对当前状态对象的全部特定请求，状态的改变对应于当前工作状态类对象的改变，通过上下文操作tran()实现。

介绍了面向对象的状态设计模式后，下面来看下如何使用C++语言进行对应的代码实现。

首先来看下要实现的几个类的结构定义。

下面是炸弹状态基类（BombState）的结构，以及派生的两个具体状态类（SettingState和TimingState）的结构。

class Bomb3; //事先声明炸弹业务类​//炸弹状态基类class BombState{  public:    virtual void onUP(Bomb3 *) const {}    virtual void onDOWN(Bomb3 *) const {}    virtual void onARM(Bomb3 *) const {}    virtual void onTICK(Bomb3 *, uint8_t) const {}};​//设置状态-类，继承于炸弹状态基类class SettingState : public BombState{  public:    virtual void onUP(Bomb3 *context) const;    virtual void onDOWN(Bomb3 *context) const;    virtual void onARM(Bomb3 *context) const;};​//倒计时状态-类，继承于炸弹状态基类class TimingState : public BombState{  public:    virtual void onUP(Bomb3 *context) const;    virtual void onDOWN(Bomb3 *context) const;    virtual void onARM(Bomb3 *context) const;    virtual void onTICK(Bomb3 *context, uint8_t fine_time) const;};

注意这里用到了C++虚函数的特性。

虚函数，是指被virtual关键字修饰的成员函数。

虚函数的作用：

实现动态联编，在函数运行阶段动态的选择合适的成员函数实现多态性（Polymorphism），多态性是将接口与实现进行分离；用形象的语言来解释就是实现以共同的方法，但因个体差异，而采用不同的策略。

虚函数主要通过V-Table虚函数表来实现，该表主要包含一个类的虚函数的地址表，可解决继承、覆盖的问题。当我们使用一个父类的指针去操作一个子类时，虚函数表就像一个地图一样，可指明实际所应该调用的函数。

此外，对事件的处理，用到了指向类对象的指针（Bomb3 *context）

指针也就是内存地址，指针变量是用来存放内存地址的变量，不同类型的指针变量所占用的存储单元长度是相同的，而存放数据的变量因数据的类型不同，所占用的存储空间长度也不同。

有了指针以后，不仅可以对数据本身，也可以对存储数据的变量地址进行操作。

创建对像时，编译系统会为每一个对像分配一定的存储空间，以存放其成员，对象空间的起始地址就是对象的指针。可以定义一个指针变量，用来存和对象的指针。

炸弹业务类，也就是上面提到的上下文类。

class Bomb3{  public:    Bomb3(uint8_t defuse) : m_defuse(defuse) {}​    void init(); //状态机初始化接口​    //处理各种事件    void onUP();    void onDOWN();    void onARM();    void onTICK(uint8_t fine_time);​  private:    //进行状态转换    void tran(BombState const *target);​  private:    BombState const *m_pState; //[状态变量]    uint8_t m_timeout; // 爆炸前的秒数    uint8_t m_code;    // 当前输入的解除炸弹的密码    uint8_t m_defuse;  // 解除炸弹的拆除密码    uint8_t m_errcnt;  // 当前拆除失败的次数​  private:    SettingState const m_settingState; //[设置状态]    TimingState const m_timingState; //[倒计时状态]​    friend class SettingState;    friend class TimingState;};

注意这里又用到了C++的友元特性。

友元包括友元函数与友元类，这里先介绍下本例使用到的友元类。

友元类的作用：如果把在A类（如本例中的上下文类Bomb3）中声明了友元类B（如本例中的SettingState和TimingState），那么A类的所有成员函数，可以被B类的所以成员函数访问。

友元使用前提：某个类需要实现某种功能，但是这个类自身，因为各种原因，无法自己实现，需要借助于“外力”才能实现。

本例中，SettingState和TimingState，需要借助上下文类Bomb3，实现状态转换等功能

体会友元类的用法：Bomb3中声明了SettingState是友元，SettingState则可以访问Bomb3的成员变量（如m_timeout变量）和成员函数（如tran函数）。

体会上下文类Bomb3的作用：设置状态SettingState和倒计时状态TimingState，都是操作Bomb3这个上下文类，实现对应状态下的业务功能。

//---------------设置状态-类，具体实现---------------void SettingState::onUP(Bomb3 *context) const{  if (context- >m_timeout < 60)  {    ++context- >m_timeout;    bsp_display_set_time(context- >m_timeout);  }}void SettingState::onDOWN(Bomb3 *context) const{  if (context- >m_timeout > 1)  {    --context- >m_timeout;    bsp_display_set_time(context- >m_timeout);  }}void SettingState::onARM(Bomb3 *context) const{  context- >m_code = 0;  context- >tran(&context- >m_timingState); //[转换到倒计时状态]}​//---------------倒计时状态-类，具体实现---------------void TimingState::onUP(Bomb3 *context) const{  context- >m_code < <= 1;  context- >m_code |= 1;  bsp_display_user_code(context- >m_code);}void TimingState::onDOWN(Bomb3 *context) const{  context- >m_code < <= 1;  bsp_display_user_code(context- >m_code);}void TimingState::onARM(Bomb3 *context) const{  if (context- >m_code == context- >m_defuse)  {    context- >tran(&context- >m_settingState); //[转换到设置状态]    bsp_display_user_success(); //炸弹拆除成功    context- >init();  }  else  {    context- >m_code = 0;    bsp_display_user_code(context- >m_code);    bsp_display_user_err(++context- >m_errcnt);  }}void TimingState::onTICK(Bomb3 *context, uint8_t fine_time) const{  if (fine_time == 0)  {    --context- >m_timeout;    bsp_display_remain_time(context- >m_timeout);    if (context- >m_timeout == 0)    {      bsp_display_bomb(); //显示爆炸效果      context- >init();    }  }}

炸弹业务类，提供通用的事件处理接口：onUP、onDOWN、onARM和onTICK，其内部具体如果处理，是由m_pState指向的具体状态类决定的，状态指针m_pState的改变，是通过tran函数实现的，tran在初始转换和具体的状态类的成员函数中被调用。

//初始化void Bomb3::init(){  m_timeout = INIT_TIMEOUT;  m_errcnt  = 0;  tran(&m_settingState); //[初始转换]}//处理各种事件void Bomb3::onUP(){  m_pState- >onUP(this);}void Bomb3::onDOWN(){  m_pState- >onDOWN(this);}void Bomb3::onARM(){  m_pState- >onARM(this);}void Bomb3::onTICK(uint8_t fine_time){  m_pState- >onTICK(this, fine_time);}//进行状态转换void Bomb3::tran(BombState const *target) {  m_pState = target;}

使用面向对象的状态设计模式，炸弹拆除小游戏的主函数会比较简洁：

体会，本例的事件处理，调用的是通用的bomb事件处理接口，其内部会根据当前的具体状态，调用对应状态类的事件处理函数。

static Bomb3 bomb(0x0D); // 构造, 密码1101​void setup(void){  //省略...  bomb.init(); // 初始转化}​void loop(void){  static int fine_time = 0;  delay(100);​  if (++fine_time == 10)  {    fine_time = 0;  }​  char tmp_buffer[256];  sprintf(tmp_buffer, "T(%1d)%c", fine_time, (fine_time == 0) ? "\\n" : " ");  Serial.print(tmp_buffer);​  bomb.onTICK(fine_time); //处理Tick事件​  BombSignals userSignal = bsp_key_check_signal();  if (userSignal != SIG_MAX)  {    switch (userSignal)    {      case UP_SIG: //UP键事件      {        Serial.print("\\nUP  : ");        bomb.onUP();        break;      }      case DOWN_SIG: //DOWN键事件      {        Serial.print("\\nDOWN: ");        bomb.onDOWN();        break;      }      case ARM_SIG: //ARM键事件      {        Serial.print("\\nARM : ");        bomb.onARM();        break;      }      default:break;    }  }}

本编介绍了状态机编程的第3种方法——面向对象的状态设计模式，通过C++的继承特性，以及类指针，实现炸弹拆除小游戏中的状态机功能。

本篇，需要重点体会的点包括：