自动驾驶谈谈『状态模式』
定义（State Pattern）：
当一个对象内在状态改变时允许其改变行为，这个对象看起来像改变了其类。
类图：
状态模式通用类图
启示：
最近几年，自动驾驶被炒的是热火朝天，国外的知名google、uber、tesla，国内的百度、乐视也都投入到了自动驾驶的浪潮中去。像google和tesla的自动驾驶技术已经相对成熟，可以上路了。比较火的纯电动支持自动驾驶的特斯拉可谓是红极一时，官网号称所有车型均搭载全自动驾驶硬件。自动驾驶作为一种发展趋势，相信在不久的将来，我们每个人都能享受到这科技的红利。
说到科技，我们就来简单探讨下自动驾驶涉及到的技术。首先，这一切都需要必不可少的硬件支持，比如传感器、摄像头、雷达。有了硬件就可以进行数据采集，收集驾驶过程中的各种信息，通过算法进行数据分析，来控制当前的驾驶行为。
换句话说，自动驾驶是结合外部因素和内部因素通过算法分析来控制驱动的。外部因素无外乎道路状况、交通标志等。内部因素比如电池容量、车况等等。
那这跟我们这节讲的状态模式有什么区别呢？
在我理解，自动驾驶也是状态和行为相结合的。
比如摄像头检测到路边的限速标记，自动控制车速，比如摄像头检测到前方十字路口交通信号灯为红灯，则停车等待。
其中限速标记和交通灯都是一个状态的体现，控制车速和停车等待则是状态驱动的结果。但是呢，这些状态行为并不符合我们状态模式的定义（当一个对象内在状态改变时允许其改变行为）。很显然限速标记和交通灯是外部状态。
别失望，我们来找找特斯拉的内部状态。作为一辆车它的状态其实很简单，也就是运行、加速、减速、停车状态。在停车状态，我们可以控制它启动运行，切换至运行状态；在运行状态，自动驾驶根据行驶条件控制加速减速，切换至加速减速状态；到达目的地后，泊车切换到停车状态。
代码：
这个应用场景其实很简单，按照我们传统的写法，我们肯定几个if..else或用switch..case就搞定了。的确，但是呢，传统的写法就扩展性和代码结构上就十分差强人意。废话不多说，下面我们就以特斯拉自动驾驶为例，分析下状态模式的应用。
首先我们定义一个状态接口：
/// <summary>
/// 状态接口类
/// </summary>
public interface ICarState
{
/// <summary>
/// 启动
/// </summary>
void Drive(Car car);
/// <summary>
/// 停车
/// </summary>
void Stop(Car car);
/// <summary>
/// 加速
/// </summary>
/// <param name="car"></param>
void SpeedUp(Car car);
/// <summary>
/// 减速
/// </summary>
/// <param name="car"></param>
void SpeedDown(Car car);
}
然后我们依次实现这四种状态。
运行状态下可以切换到其他三种状态。
/// <summary>
/// 运行状态
/// </summary>
public class RuningState : ICarState
{
public void Drive(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆正在自动驾驶！");
}
public void Stop(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆已停止！");
car.CurrentCarState = Car.StopState;
}
public void SpeedUp(Car car)
{
Console.WriteLine("路况良好，开始加速行驶！");
car.CurrentCarState = Car.SpeedUpState;
}
public void SpeedDown(Car car)
{
Console.WriteLine("路况一般，开始加速行驶！");
car.CurrentCarState = Car.SpeedDownState;
}
}
停车状态下，只能切换到启动状态，不可加速减速。
/// <summary>
/// 停车状态
/// </summary>
public class StopState : ICarState
{
public void Drive(Car car)
{
Console.WriteLine($"{car.Name}已启动，开始自动驾驶！");
car.CurrentCarState = Car.RunState;
}
public void Stop(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆已停止！");
}
public void SpeedUp(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆已停止！");
}
public void SpeedDown(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆已停止！");
}
}
加速状态也是运行状态，可减速或停车。
/// <summary>
/// 加速状态
/// </summary>
public class SpeedUpState : ICarState
{
public void Drive(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆正在自动驾驶！");
}
public void Stop(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆已停止！");
car.CurrentCarState = Car.StopState;
}
public void SpeedUp(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆正在加速行驶！");
}
public void SpeedDown(Car car)
{
Console.WriteLine("路况一般，减速行驶！");
car.CurrentCarState = Car.SpeedDownState;
}
}
减速状态也是运行状态，可加速或停车。
/// <summary>
/// 减速状态
/// </summary>
public class SpeedDownState : ICarState
{
public void Drive(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆正在自动驾驶！");
}
public void Stop(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆已停止！");
car.CurrentCarState = Car.StopState;
}
public void SpeedUp(Car car)
{
Console.WriteLine("路况良好，加速行驶！");
car.CurrentCarState = Car.SpeedUpState;
}
public void SpeedDown(Car car)
{
Console.WriteLine("车辆正在减速行驶！");
}
}
定义完状态，下面我们就来看看实际的车类。
public class Car
{
public string Name { get; set; }
public Car()
{
this.CurrentCarState = StopState;//初始状态为停车状态
}
internal static ICarState StopState = new StopState();
internal static ICarState RunState = new RuningState();
internal static ICarState SpeedDownState = new SpeedDownState();
internal static ICarState SpeedUpState = new SpeedUpState();
public ICarState CurrentCarState { get; set; }
public void Run()
{
this.CurrentCarState.Drive(this);
}
public void Stop()
{
this.CurrentCarState.Stop(this);
}
public void SpeedUp()
{
this.CurrentCarState.SpeedUp(this);
}
public void SpeedDown()
{
this.CurrentCarState.SpeedDown(this);
}
}
Car类也比较简单，主要是预先申明并实例化了几种状态并暴露设置当前状态的属性，以及提供了状态对应的行为方法，并委托给具体的状态去执行相应的动作。
下面就是简单的场景类了。
static void Main(string[] args)
{
Car tesla = new Car() {Name = "特斯拉 Model S"};
tesla.Run();
tesla.SpeedUp();
tesla.SpeedDown();
tesla.Stop();
Console.WriteLine();
}
运行结果
总结：
状态模式隐藏了具体的状态变化，但行为还是由状态变化驱动的。
就状态模式而言，其实就仅仅三个角色：
- State——抽象状态角色：接口或抽象类，负责定义对象的所有状态对应的行为由具体状态去实现。这里对应的是我们定义的
ICarState。 - ConcreteState——具体状态角色：处理当前状态的行为，决定是否可以过渡到其他状态。这里对应的是我们定义的
RunState、StopState、SepeedUpState、SepeedDownState。 - Context——环境角色：定义行为，状态转换。这里对应的就是我们的
Car类。
优缺点：
优点：结构清晰；符合OCP和SRP；封装性好。
缺点 ：在状态过多的情况下，会导致具体状态类的膨胀。
应用场景：
- 行为随状态改变而改变。
- 状态已确定，且状态不宜过多。
- 重构
if..else或switch..case的不二之选。
