嵌入式设计模式--C语言的状态机模式

嵌入式设计模式基础--C语言的继承封装与多态

嵌入式设计模式--C语言的简单工厂模式

嵌入式设计模式--C语言的抽象工厂模式

嵌入式设计模式--C语言的建造者模式

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嵌入式设计模式--C语言的原型模式

嵌入式设计模式--C语言的桥接模式

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嵌入式设计模式--C语言的享元模式

嵌入式设计模式--C语言的代理模式

嵌入式设计模式--C语言的模板方法模式

备忘录模式×C语言:嵌入式开发进阶

嵌入式设计模式--C语言的迭代器模式

本期我们要更新的是行为型设计模式--状态（机）模式。

什么是状态模式？

根据GoF《设计模式》原著，状态模式（State Pattern）的核心意图：

"Allow an object to alter its behavior when its internal state changes. The object will appear to change its class."

中文含义：允许对象在内部状态改变时改变它的行为，对象看起来好像修改了它的类。

为什么需要状态模式？

状态模式解决了传统状态机实现中代码难以维护、扩展困难的核心痛点，通过将状态封装为独立对象，实现行为与状态的绑定，让状态转移清晰化、系统可扩展化。

传统软件编码的困境

• 分支复杂

if-else与switch-case随状态数激增，函数冗长，圈复杂度过高。

• 职责混乱

上下文持有所有状态行为，修改易引入回归Bug。

• 扩展僵化

新增状态需改现有代码，违反开闭原则，迭代风险高。

状态模式的三重解耦

• 行为与状态绑定

状态对象自主实现行为，上下文通过多态分发调用，消除条件判断。

• 转移逻辑自治

状态内部决定"事件→下一状态"，避免集中式转移表臃肿。

• 上下文精简

仅维护current_state指针，行为全部委托，代码量降70%+。

核心角色
核心角色

• 
  

  上下文（Context）：

持有当前状态对象的引用，定义客户端使用的主要接口。所有与状态相关的行为请求都委托给当前状态对象处理，自身不直接实现状态逻辑，只负责状态切换时的对象替换。

• 抽象状态（State）：

定义状态接口，声明与上下文特定状态相关的行为方法。作为所有具体状态的公共规范，确保状态对象可以互相替换，使上下文能以统一方式调用不同状态的行为。

• 具体状态（ConcreteState）：

实现抽象状态接口，封装上下文在该状态下的具体行为规则和状态转移条件。每个具体状态类只关注自身状态下的操作逻辑，并决定何时以及切换到哪个下一个状态。

核心思想

状态模式将状态封装为独立的类，把与状态相关的行为分散到各个状态类中。当对象的状态改变时，其行为也随之改变，无需使用大量的条件判断语句（if-else 或 switch-case）

UML示例
UML示例

• 
  

  Context 通过 state 字段关联抽象 State，而非直接关联具体状态

• 具体状态 既实现 State 接口，又依赖 Context（通过参数传入），以便在条件满足时触发状态转移

• 状态转换可由 Context 控制（外部驱动），也可由 ConcreteState 自身控制（满足条件后主动申请切换），后者更常见

下面我们给到一个简单的电机控制的例子来展示状态模式。

核心体现

• 无 switch-case：

  main 只调用 motor_request，行为完全由当前状态对象决定

• 自驱动转移：各状态类内部判断切换条件（如 startingState 检测到速达目标后主动申请切运行态）

• 新增状态易扩展：增加新状态只需新建结构体，不改动现有状态代码

• 运行日志：

=== 启动到1000转 ===

状态切换: 停止 -> 启动

启动中: 转速=100

启动中: 转速=200

启动中: 转速=1000

状态切换: 启动 -> 运行

=== 目标改为0转（停机）===

状态切换: 运行 -> 减速

减速中: 转速=900

减速中: 转速=0

状态切换: 减速 -> 停止

==== 停止 ====

运行状态机模型
状态机总结

状态模式

允许对象在内部状态改变时改变其行为，将状态封装为独立类，分散状态相关行为，避免冗长的条件分支。

核心角色包括：上下文维护当前状态并委托行为，抽象状态定义接口规范，具体状态实现特定行为并控制状态转移。其优势在于消除复杂条件判断、集中状态逻辑、显式化转换规则，支持通过新增状态类扩展系统。

在嵌入式开发中，该模式

广泛应用于协议解析、电源管理、电机控制等场景。通过函数指针模拟状态接口，既保留封装性与可扩展性，又避免动态内存开销

，是资源受限环境下实现清晰状态机的经典方案。