上篇聊了观察者模式和策略模式。今天来说另一个在机器人开发里特别实用的模式——状态模式。

先讲个面试场景。

面试官说："假设你做一个服务机器人，它有巡逻、充电、避障、回充这几种行为，你怎么设计这个行为切换的逻辑？"

我当时怎么答的？一个Robot类，里面一堆枚举加if-else：

enum class RobotState { PATROL, CHARGING, AVOIDING, RETURNING };

class Robot {
    RobotState state_;
    void update() {
        if (state_ == RobotState::PATROL) {
            patrol();
            if (batteryLow()) state_ = RobotState::RETURNING;
            if (obstacleDetected()) state_ = RobotState::AVOIDING;
        } else if (state_ == RobotState::CHARGING) {
            charge();
            if (batteryFull()) state_ = RobotState::PATROL;
        } else if (state_ == RobotState::AVOIDING) {
            avoid();
            if (obstacleCleared()) state_ = RobotState::PATROL;
        } else if (state_ == RobotState::RETURNING) {
            returnToStation();
            if (atStation()) state_ = RobotState::CHARGING;
        }
    }
};

面试官看完说："如果再加十种状态呢？这个函数会变成什么样？"

确实会崩。这就是状态模式要解决的问题。

状态模式的核心思想

状态模式的思路其实很直觉：把每个状态封装成一个独立的类，状态之间的切换逻辑也放在各自的类里面。主类不再负责具体行为，只维护一个当前状态的引用。

class RobotState {
public:
    virtual void handle(Robot& robot) = 0;
    virtual ~RobotState() = default;
};

class Robot {
private:
    unique_ptr<RobotState> state_;
public:
    void setState(unique_ptr<RobotState> s) { state_ = std::move(s); }
    void update() { state_->handle(*this); }
};

每个具体状态是一个类，继承RobotState：

class PatrolState : public RobotState {
public:
    void handle(Robot& robot) override {
        robot.patrol();
        if (robot.batteryLow()) {
            robot.setState(make_unique<ReturningState>());
        }
        if (robot.obstacleDetected()) {
            robot.setState(make_unique<AvoidingState>());
        }
    }
};

class ChargingState : public RobotState {
public:
    void handle(Robot& robot) override {
        robot.charge();
        if (robot.batteryFull()) {
            robot.setState(make_unique<PatrolState>());
        }
    }
};

这样加新状态只需要加一个新类，不用改任何已有代码。开闭原则，还记得吧？

在机器人行为管理中的实际应用

ROS2里有个行为树（Behavior Tree）框架叫BehaviorTree.CPP，做机器人导航的基本都在用。行为树的每个节点，其实就是一种状态。

状态模式和行为树的区别，面试偶尔会聊到。行为树更灵活，可以组合和并行执行；状态模式更简洁，适合状态之间互斥切换的场景。

实际项目里，如果你的机器人行为是"同一时间只做一件事"，状态模式就够了。比如一个扫地机器人：清扫、回充、待机、脱困，四个状态来回切。

class CleaningState : public RobotState {
    PathPlanner& planner_;
public:
    CleaningState(PathPlanner& p) : planner_(p) {}
    void handle(Robot& robot) override {
        auto target = planner_.nextTarget();
        robot.moveToward(target);
        
        if (robot.batteryLevel() < 15) {
            robot.setState(make_unique<ChargingState>());
        } else if (robot.stuckDetected()) {
            robot.setState(make_unique<DeStuckState>());
        } else if (robot.cleaningDone()) {
            robot.setState(make_unique<IdleState>());
        }
    }
};

还有一个好处：状态的进入和退出动作可以明确管理。进入巡逻状态时启动激光雷达，退出时关闭——这些逻辑写在状态类的构造和析构里，比在switch-case里到处插flag清晰太多了。

状态模式的几个变体

面试如果被追问"状态模式还有什么花样"，可以提两个。

第一个是状态机表驱动法。不用类继承，而是用一张表描述"当前状态+事件→下一状态"的映射。适合状态多但逻辑简单的场景：

using TransitionTable = map<pair<State, Event>, State>;
TransitionTable table = {
    {{PATROL, BATTERY_LOW}, RETURNING},
    {{RETURNING, AT_STATION}, CHARGING},
    {{CHARGING, BATTERY_FULL}, PATROL},
    {{PATROL, OBSTACLE}, AVOIDING},
    {{AVOIDING, CLEAR}, PATROL}
};

第二个是层级状态机（Hierarchical State Machine）。状态可以嵌套，子状态继承父状态的行为。比如"导航中"这个大状态下面有"规划路径"和"跟踪路径"两个子状态。这个在无人机飞控里用得比较多。

面试中的关键考点

面试官问状态模式，几个经典追问：

"状态模式和策略模式有什么区别？"结构上看几乎一样——都是上下文加一个策略/状态的接口。核心区别在于：策略模式中，用户主动选择不同的策略；状态模式中，状态的切换是自动的，由状态内部决定。另外，策略之间通常不互相切换，而状态之间会频繁流转。

"状态模式怎么避免状态对象频繁创建？"如果状态切换很频繁，每次都new一个状态对象确实有开销。解决办法是状态对象做成单例或者预分配——如果状态不携带数据，所有实例都一样，完全可以用一个静态实例。

"状态模式和switch-case比有什么优势？"主要是可维护性。switch-case的问题在于，每加一个状态就要改那个巨大的switch，违反开闭原则。而且状态多了之后，switch里很容易漏掉某些case。状态模式把每个状态的行为局部化了，改一个状态不会影响其他状态。

给正在准备面试的你

状态模式在设计模式面试里属于"中等频率"考点。不像工厂模式和单例那样几乎必考，但在机器人、游戏这些涉及行为管理的领域，面试官很喜欢问。

准备的时候，建议手写一个三到四个状态的状态机，比如交通灯（红→绿→黄→红）、自动售货机（待机→投币→出货→找零）。能写出来，能讲清楚和策略模式的区别，面试就够用了。

下篇聊SOLID原则——面试官问"你怎么设计类的"时的评判标准。这个知识点是面向对象设计的根基和基础，前面聊的所有设计模式，背后都在遵循这些原则。

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