Linux有限狀態(tài)機FSM的理解與實現(xiàn)
有限狀態(tài)機（finite state machine）簡稱FSM，表示有限個狀態(tài)及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學模型，在計算機領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。FSM是一種邏輯單元內(nèi)部的一種高效編程方法，在服務(wù)器編程中，服務(wù)器可以根據(jù)不同狀態(tài)或者消息類型進行相應(yīng)的處理邏輯，使得程序邏輯清晰易懂。
那有限狀態(tài)機通常在什么地方被用到？
處理程序語言或者自然語言的 tokenizer,自底向上解析語法的parser，
各種通信協(xié)議發(fā)送方和接受方傳遞數(shù)據(jù)對消息處理，游戲AI等都有應(yīng)用場景。
狀態(tài)機有以下幾種實現(xiàn)方法，我將一一闡述它們的優(yōu)缺點。
一、使用if/else if語句實現(xiàn)的FSM
使用if/else if語句是實現(xiàn)的FSM最簡單最易懂的方法，我們只需要通過大量的if /else if語句來判斷狀態(tài)值來執(zhí)行相應(yīng)的邏輯處理。
看看下面的例子，我們使用了大量的if/else if語句實現(xiàn)了一個簡單的狀態(tài)機，做到了根據(jù)狀態(tài)的不同執(zhí)行相應(yīng)的操作，并且實現(xiàn)了狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。
//比如我們定義了小明一天的狀態(tài)如下
enum
{
GET_UP,
GO_TO_SCHOOL,
HAVE_LUNCH,
GO_HOME,
DO_HOMEWORK,
SLEEP,
};
int main()
{
int state = GET_UP;
//小明的一天
while (1)
{
if (state == GET_UP)
{
GetUp(); //具體調(diào)用的函數(shù)
state = GO_TO_SCHOOL; //狀態(tài)的轉(zhuǎn)移
}
else if (state == GO_TO_SCHOOL)
{
Go2School();
state = HAVE_LUNCH;
}
else if (state == HAVE_LUNCH)
{
HaveLunch();
}
...
else if (state == SLEEP)
{
Go2Bed();
state = GET_UP;
}
}
return 0;
}
看完上面的例子，大家有什么感受？是不是感覺程序雖然簡單易懂，但是使用了大量的if判斷語句，使得代碼很低端，同時代碼膨脹的比較厲害。這個狀態(tài)機的狀態(tài)僅有幾個，代碼膨脹并不明顯，但是如果我們需要處理的狀態(tài)有數(shù)十個的話，該狀態(tài)機的代碼就不好讀了。
二、使用switch實現(xiàn)FSM
使用switch語句實現(xiàn)的FSM的結(jié)構(gòu)變得更為清晰了，其缺點也是明顯的：這種設(shè)計方法雖然簡單，通過一大堆判斷來處理，適合小規(guī)模的狀態(tài)切換流程，但如果規(guī)模擴大難以擴展和維護。
int main()
{
int state = GET_UP;
//小明的一天
while (1)
{
switch(state)
{
case GET_UP:
GetUp(); //具體調(diào)用的函數(shù)
state = GO_TO_SCHOOL; //狀態(tài)的轉(zhuǎn)移
break;
case GO_TO_SCHOOL:
Go2School();
state = HAVE_LUNCH;
break;
case HAVE_LUNCH:
HaveLunch();
state = GO_HOME;
break;
...
default:
break;
}
}
return 0;
}
三、使用函數(shù)指針實現(xiàn)FSM
使用函數(shù)指針實現(xiàn)FSM的思路：建立相應(yīng)的狀態(tài)表和動作查詢表，根據(jù)狀態(tài)表、事件、動作表定位相應(yīng)的動作處理函數(shù)，執(zhí)行完成后再進行狀態(tài)的切換。
當然使用函數(shù)指針實現(xiàn)的FSM的過程還是比較費時費力，但是這一切都是值得的，因為當你的程序規(guī)模大時候，基于這種表結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機，維護程序起來也是得心應(yīng)手。
下面給出一個使用函數(shù)指針實現(xiàn)的FSM的框架：
我們還是以“小明的一天”為例設(shè)計出該FSM。
先給出該FSM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖：
下面講解關(guān)鍵部分代碼實現(xiàn)
首先我們定義出小明一天的活動狀態(tài)
//比如我們定義了小明一天的狀態(tài)如下
enum
{
GET_UP,
GO_TO_SCHOOL,
HAVE_LUNCH,
DO_HOMEWORK,
SLEEP,
};
我們也定義出會發(fā)生的事件
enum
{
EVENT1 = 1,
EVENT2,
EVENT3,
};
定義狀態(tài)表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
typedef struct FsmTable_s
{
int event; //事件
int CurState; //當前狀態(tài)
void (*eventActFun)(); //函數(shù)指針
int NextState; //下一個狀態(tài)
}FsmTable_t;
接下來定義出最重要FSM的狀態(tài)表，我們整個FSM就是根據(jù)這個定義好的表來運轉(zhuǎn)的。
FsmTable_t XiaoMingTable[] =
{
//{到來的事件，當前的狀態(tài)，將要要執(zhí)行的函數(shù)，下一個狀態(tài)}
{ EVENT1, SLEEP, GetUp, GET_UP },
{ EVENT2, GET_UP, Go2School, GO_TO_SCHOOL },
{ EVENT3, GO_TO_SCHOOL, HaveLunch, HAVE_LUNCH },
{ EVENT1, HAVE_LUNCH, DoHomework, DO_HOMEWORK },
{ EVENT2, DO_HOMEWORK, Go2Bed, SLEEP },
//add your codes here
};
狀態(tài)機的注冊、狀態(tài)轉(zhuǎn)移、事件處理的動作實現(xiàn)
/*狀態(tài)機注冊*/
void FSM_Regist(FSM_t* pFsm, FsmTable_t* pTable)
{
pFsm->FsmTable = pTable;
}
/*狀態(tài)遷移*/
void FSM_StateTransfer(FSM_t* pFsm, int state)
{
pFsm->curState = state;
}
/*事件處理*/
void FSM_EventHandle(FSM_t* pFsm, int event)
{
FsmTable_t* pActTable = pFsm->FsmTable;
void (*eventActFun)() = NULL; //函數(shù)指針初始化為空
int NextState;
int CurState = pFsm->curState;
int flag = 0; //標識是否滿足條件
int i;
/*獲取當前動作函數(shù)*/
for (i = 0; i<g_max_num; i++)
{
//當且僅當當前狀態(tài)下來個指定的事件，我才執(zhí)行它
if (event == pActTable[i].event && CurState == pActTable[i].CurState)
{
flag = 1;
eventActFun = pActTable[i].eventActFun;
NextState = pActTable[i].NextState;
break;
}
}
if (flag) //如果滿足條件了
{
/*動作執(zhí)行*/
if (eventActFun)
{
eventActFun();
}
//跳轉(zhuǎn)到下一個狀態(tài)
FSM_StateTransfer(pFsm, NextState);
}
else
{
// do nothing
}
}
主函數(shù)我們這樣寫，然后觀察狀態(tài)機的運轉(zhuǎn)情況
int main()
{
FSM_t fsm;
InitFsm(&fsm);
int event = EVENT1;
//小明的一天,周而復始的一天又一天，進行著相同的活動
while (1)
{
printf("event %d is coming...\n", event);
FSM_EventHandle(&fsm, event);
printf("fsm current state %d\n", fsm.curState);
test(&event);
sleep(1); //休眠1秒，方便觀察
}
return 0;
}
看一看該狀態(tài)機跑起來的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況：
上面的圖可以看出，當且僅當在指定的狀態(tài)下來了指定的事件才會發(fā)生函數(shù)的執(zhí)行以及狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，否則不會發(fā)生狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。這種機制使得這個狀態(tài)機不停地自動運轉(zhuǎn)，有條不絮地完成任務(wù)。
與前兩種方法相比，使用函數(shù)指針實現(xiàn)FSM能很好用于大規(guī)模的切換流程，只要我們實現(xiàn)搭好了FSM框架，以后進行擴展就很簡單了（只要在狀態(tài)表里加一行來寫入新的狀態(tài)處理就可以了）。
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