Unity 虚拟仿真实验中设计模式的利用 ——状态模式（State Pattern）

目录

1. 前言

2. 什么是状态模式

3. 案例背景：虚拟仿真实验中的仪器状态管理

4. 案例效果图（示意）

5. 代码实现

   • 5.1 状态接口：IState

   • 5.2 具体状态类：IdleState / HeatingState / BoilingState

   • 5.3 状态管理器：WaterStateMachine

   • 5.4 UI 控制：状态切换按钮

6. 运行流程

7. 注意事项总结

8. 扩展思考

9. 总结

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1. 前言

在虚拟仿真实验中，实验对象通常会有 多种状态，比如：

• 水壶：空闲、加热、沸腾

• 烧杯：空、注入液体、混合

• 仪器：待机、运行、故障

如果用 大量 if-else 判断状态，代码会混乱且难以维护。

状态模式（State Pattern） 可以把对象的每个状态封装成类，实现 状态切换灵活、行为清晰。

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2. 什么是状态模式

状态模式：允许对象在内部状态变化时改变行为，使得对象看起来好像 改变了类。

优点：

• 每个状态独立，易于维护

• 避免大量 if-else

• 状态切换灵活，可扩展

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3. 案例背景：虚拟仿真实验中的仪器状态管理

• 我们用 加热水实验 作为例子

• 水壶状态：

  1. Idle：水温 < 20℃，未加热

  2. Heating：温度升高 20~100℃

  3. Boiling：温度 >= 100℃

• 不同状态下，仪器行为不同：

  • Idle：显示等待

  • Heating：UI 显示加热动画

  • Boiling：提示沸腾、触发事件

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4. 案例效果图（示意）

[加热按钮] → 水壶状态变化
Idle → Heating → Boiling
每个状态显示不同UI/提示

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5. 代码实现

5.1 状态接口：IState

public interface IState
{
    void Enter();   // 进入状态
    void Execute(); // 状态行为
    void Exit();    // 退出状态
}

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5.2 具体状态类

IdleState

using UnityEngine;
public class IdleState : IState
{
    private WaterStateMachine water;
    public IdleState(WaterStateMachine water) { this.water = water; }
    public void Enter() { Debug.Log("进入空闲状态"); }
    public void Execute() { /* 等待加热 */ }
    public void Exit() { Debug.Log("退出空闲状态"); }
}

HeatingState

using UnityEngine;
public class HeatingState : IState
{
    private WaterStateMachine water;
    public HeatingState(WaterStateMachine water) { this.water = water; }
    public void Enter() { Debug.Log("开始加热"); }
    public void Execute()
    {
        water.Temperature += 10 * Time.deltaTime;
        Debug.Log($"加热中，温度：{water.Temperature:F1}℃");
        if (water.Temperature >= 100)
        {
            water.ChangeState(new BoilingState(water));
        }
    }
    public void Exit() { Debug.Log("停止加热"); }
}

BoilingState

using UnityEngine;
public class BoilingState : IState
{
    private WaterStateMachine water;
    public BoilingState(WaterStateMachine water) { this.water = water; }
    public void Enter() { Debug.Log("水已沸腾！"); }
    public void Execute() { /* 持续沸腾逻辑 */ }
    public void Exit() { Debug.Log("退出沸腾状态"); }
}

5.3 状态管理器：WaterStateMachine

using UnityEngine;
public class WaterStateMachine : MonoBehaviour
{
    private IState currentState;
    public float Temperature { get; set; } = 20f;
    private void Start()
    {
        ChangeState(new IdleState(this));
    }
    private void Update()
    {
        currentState?.Execute();
    }
    public void ChangeState(IState newState)
    {
        currentState?.Exit();
        currentState = newState;
        currentState?.Enter();
    }
    // 按钮点击调用
    public void StartHeating()
    {
        ChangeState(new HeatingState(this));
    }
}

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5.4 UI 控制：状态切换按钮

using UnityEngine;
using UnityEngine.UI;
public class WaterUI : MonoBehaviour
{
    [SerializeField] private Button heatButton;
    [SerializeField] private WaterStateMachine waterMachine;
    private void Start()
    {
        heatButton.onClick.AddListener(() => waterMachine.StartHeating());
    }
}

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6. 运行流程

1. 初始状态：Idle

2. 点击 加热按钮 → 状态切换到 Heating

3. 温度持续上升，HeatingState.Execute 检测温度

4. 温度 >= 100 → 状态切换到 Boiling

5. 每个状态 Enter/Execute/Exit 行为独立

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7. 注意事项总结

• 每个状态类应只关注自身行为

• 状态切换统一通过 ChangeState() 管理

• 避免在状态类中直接操作其他状态

• Update 内只调用当前状态 Execute

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8. 扩展思考

• 可以结合 观察者模式，状态变化通知 UI/日志

• 可以结合 策略模式，不同实验对象有不同加热策略

• 可以增加 Idle→CoolingState，模拟自然冷却

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9. 总结

通过这个虚拟仿真案例，你学会了：

• 使用 状态模式 管理实验对象行为

• 每个状态独立、可扩展

• 避免大量 if-else，使虚拟实验逻辑清晰

状态模式 + 观察者模式 可以让虚拟实验系统既灵活又可维护。