状态模式练习——电灯、售货机与订单状态

按《Python 设计模式——状态模式》的建议，通过三道练习巩固：① 电灯开/关两状态；② 自动售货机（未投币/已投币/缺货）；③ 订单（待支付/已支付/已取消）。每步都有完整可运行代码和验证要点。

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练习一：电灯开/关（两状态）

目的

体会上下文把请求委托给当前状态，状态类在处理后自己决定“下一状态是谁”并调用 context.set_state(下一状态)；上下文里不写 if 判断当前是开还是关。

要求

• 定义 State 接口，有方法 switch(lamp)（按开关时的行为）。
• 实现 Lamp（上下文）：有 set_state(state)、press_switch()（内部调 self._state.switch(self)）。
• 实现 OffState：switch 时打印“关 -> 开”，并 lamp.set_state(OnState())。
• 实现 OnState：switch 时打印“开 -> 关”，并 lamp.set_state(OffState())。
• 客户代码：创建 Lamp，初始设为 OffState，连续调用三次 press_switch()，验证输出为“关->开”“开->关”“关->开”。

参考答案

from abc import ABC, abstractmethod

class State(ABC):
    @abstractmethod
    def switch(self, lamp: "Lamp"):
        pass

class Lamp:
    def __init__(self):
        self._state = None

    def set_state(self, state: State):
        self._state = state

    def press_switch(self):
        if self._state:
            self._state.switch(self)

class OffState(State):
    def switch(self, lamp: Lamp):
        print("  关 -> 开")
        lamp.set_state(OnState())

class OnState(State):
    def switch(self, lamp: Lamp):
        print("  开 -> 关")
        lamp.set_state(OffState())

# 使用
lamp = Lamp()
lamp.set_state(OffState())
lamp.press_switch()  # 关 -> 开
lamp.press_switch()  # 开 -> 关
lamp.press_switch()  # 关 -> 开

验证要点

• 三次 press_switch 的输出依次为 关->开、开->关、关->开。
• 确认：Lamp 内部没有 if 判断“当前是开还是关”，只做 self._state.switch(self)；状态转移逻辑全部在状态类里。

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练习二：自动售货机（未投币 / 已投币 / 缺货）

目的

三种状态、三种操作（投币、按按钮、退币）；每种状态只写自己该做的行为和“下一步转到谁”；缺货时按按钮要切换到缺货状态，且无货时不能再出货。

要求

• 定义 State 接口：insert_coin(machine)、press_button(machine)、eject_coin(machine)。
• 实现 VendingMachine（上下文）：有 _count（商品数量）、set_state、insert_coin / press_button / eject_coin（委托给 _state）、release_product()（count 减 1 并打印“出货”）。
• 实现 NoCoinState：投币 -> HasCoinState；按按钮/退币提示“请先投币”“未投币无法退币”。
• 实现 HasCoinState：按按钮 -> 若 count>0 则 release_product 并设为 NoCoinState，否则打印“缺货”并设为 SoldOutState；退币 -> NoCoinState；重复投币提示“已投币…”。
• 实现 SoldOutState：投币/按按钮提示“缺货”；退币提示“未投币无法退币”（缺货且未投币）。
• 客户代码：机器 _count=1，初始 NoCoinState；依次：投币、按按钮（出货）、再投币、按按钮（缺货并切到 SoldOut）、再按按钮（打印缺货）。验证输出与状态转移符合预期。

参考答案

from abc import ABC, abstractmethod

class State(ABC):
    @abstractmethod
    def insert_coin(self, machine: "VendingMachine"):
        pass

    @abstractmethod
    def press_button(self, machine: "VendingMachine"):
        pass

    @abstractmethod
    def eject_coin(self, machine: "VendingMachine"):
        pass

class VendingMachine:
    def __init__(self):
        self._state = None
        self._count = 0

    def set_state(self, state: State):
        self._state = state

    def insert_coin(self):
        self._state.insert_coin(self)

    def press_button(self):
        self._state.press_button(self)

    def eject_coin(self):
        self._state.eject_coin(self)

    def release_product(self):
        if self._count > 0:
            self._count -= 1
            print("  出货")

class NoCoinState(State):
    def insert_coin(self, machine: VendingMachine):
        print("  投币成功")
        machine.set_state(HasCoinState())

    def press_button(self, machine: VendingMachine):
        print("  请先投币")

    def eject_coin(self, machine: VendingMachine):
        print("  未投币，无法退币")

class HasCoinState(State):
    def insert_coin(self, machine: VendingMachine):
        print("  已投币，请按按钮或退币")

    def press_button(self, machine: VendingMachine):
        if machine._count > 0:
            machine.release_product()
            machine.set_state(NoCoinState())
        else:
            print("  缺货")
            machine.set_state(SoldOutState())

    def eject_coin(self, machine: VendingMachine):
        print("  退币")
        machine.set_state(NoCoinState())

class SoldOutState(State):
    def insert_coin(self, machine: VendingMachine):
        print("  缺货，暂无法投币")

    def press_button(self, machine: VendingMachine):
        print("  缺货")

    def eject_coin(self, machine: VendingMachine):
        print("  未投币，无法退币")

# 使用
machine = VendingMachine()
machine._count = 1
machine.set_state(NoCoinState())

machine.insert_coin()   # 投币成功
machine.press_button()  # 出货
machine.insert_coin()   # 投币成功
machine.press_button()  # 缺货
machine.press_button()  # 缺货

验证要点

• 第一次按按钮输出 出货，第二次按按钮（已无货）输出 缺货，之后在 SoldOutState 下再按仍输出 缺货。
• 确认：VendingMachine 的 insert_coin / press_button / eject_coin 只委托给 self._state，不写 if 当前是哪种状态；所有分支与转移都在 NoCoinState / HasCoinState / SoldOutState 里。

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练习三：订单状态（待支付 / 已支付 / 已取消）

目的

订单有三种状态；支付和取消在不同状态下行为不同；状态类负责“能否操作”和“转移到哪一状态”。

要求

• 定义 OrderState 接口：pay(order)、cancel(order)。
• 实现 Order（上下文）：set_state、pay()、cancel()（都委托给 _state）。
• 实现 PendingState：pay -> 打印“支付成功”并设为 PaidState；cancel -> 打印“订单已取消”并设为 CancelledState。
• 实现 PaidState：pay -> 打印“已支付，无需重复支付”；cancel -> 打印“已支付，无法取消”。
• 实现 CancelledState：pay / cancel 都打印“已取消，无法…”类提示。
• 客户代码：订单初始 PendingState；调用 pay()，再调用 cancel()，验证第二次 cancel 输出“已支付，无法取消”；另建一订单，先 cancel() 再 pay()，验证“已取消”类提示。

参考答案

from abc import ABC, abstractmethod

class OrderState(ABC):
    @abstractmethod
    def pay(self, order: "Order"):
        pass

    @abstractmethod
    def cancel(self, order: "Order"):
        pass

class Order:
    def __init__(self):
        self._state = None

    def set_state(self, state: OrderState):
        self._state = state

    def pay(self):
        self._state.pay(self)

    def cancel(self):
        self._state.cancel(self)

class PendingState(OrderState):
    def pay(self, order: Order):
        print("  支付成功")
        order.set_state(PaidState())

    def cancel(self, order: Order):
        print("  订单已取消")
        order.set_state(CancelledState())

class PaidState(OrderState):
    def pay(self, order: Order):
        print("  已支付，无需重复支付")

    def cancel(self, order: Order):
        print("  已支付，无法取消")

class CancelledState(OrderState):
    def pay(self, order: Order):
        print("  已取消，无法支付")

    def cancel(self, order: Order):
        print("  已取消")

# 使用
order = Order()
order.set_state(PendingState())
order.pay()    # 支付成功
order.cancel() # 已支付，无法取消

order2 = Order()
order2.set_state(PendingState())
order2.cancel()  # 订单已取消
order2.pay()     # 已取消，无法支付

验证要点

• 第一个订单：pay 后 cancel 输出 已支付，无法取消。
• 第二个订单：先 cancel 再 pay，输出 已取消，无法支付。
• 确认：Order 只做 self._state.pay(self) / self._state.cancel(self)，不根据状态写 if-else；谁能支付、谁能取消、转到哪一状态都在各状态类里。

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三步汇总与自检

练习	重点	关键点
一	电灯开/关	上下文委托 switch；状态类内 set_state(另一状态)；两状态互相切换。
二	售货机三状态	投币/按按钮/退币在不同状态下不同；HasCoin 按按钮根据 count 切 NoCoin 或 SoldOut。
三	订单三状态	待支付可支付/取消；已支付、已取消只提示不可操作；转移只在 Pending 发生。

自检问题

1. 上下文为什么不需要 if 判断“当前是哪个状态”？
   因为“当前状态”已经用 多态 表示：当前是哪个状态，就调用哪个状态类的实现；行为差异由不同状态类体现，上下文只负责 委托 和 set_state。

2. 状态转移应该写在哪里？
   写在具体状态类里：在处理完请求后，若需要切换，就调用 context.set_state(下一状态)；上下文只提供 set_state，不决定“切到谁”。

3. 若要多一个状态（如售货机加“维修中”），应该改哪些地方？
   新增一个 ConcreteState（如 MaintenanceState），实现同一套方法；在需要进入该状态的地方（如某操作或初始化）调用 context.set_state(MaintenanceState())；上下文和已有状态类的委托逻辑不必改，符合开闭原则。

做完以上三道练习，再对照《状态模式》文档中的示例，对状态模式会掌握得比较扎实。建议每道题先自己写一遍，再对照参考答案和验证要点检查。