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【Free style】设计模式的C语言应用-状态机模式-第二章

lurayvis 发表于 2017-11-08 15:44:2511-08 15:44
lurayvis 发表于 2017-11-08 15:44:2511-08 15:44
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【摘要】 设计模式的C语言应用-状态机模式... 1模式介绍... 1有限状态机... 1状态机示例1. 1状态机示例2. 2简单状态机模式实现... 2普通状态机模式实现... 4复杂状态机模式实现... 7模式实现总结... 7模式介绍状态(state)模式是C语言实现相当常用的模式,也是能够在C语言下 体现出来的最显性的模式之一。在面向对象里,状态模式允许一个对象在内部状态改变的时候改变其行为。状态用

设计模式的C语言应用-状态机模式... 1

模式介绍... 1

有限状态机... 1

状态机示例1. 1

状态机示例2. 2

简单状态机模式实现... 2

普通状态机模式实现... 4

复杂状态机模式实现... 7

模式实现总结... 7


模式介绍

状态(state)模式是C语言实现相当常用的模式,也是能够在C语言下 体现出来的最显性的模式之一。在面向对象里,状态模式允许一个对象在内部状态改变的时候改变其行为。

状态用法很多,最常见的是状态机,分为无限状态机和有限状态机。

有限状态机 finite-state machine FSM 输入集合和输出集合都是有限的,并只有有限数目的状态。 一般说到状态机即是对有限状态机的简称。

无限状态机 infinite-state machineISM ,输入和输出集合无线,状态数目无限的状态机。


C语言里,状态模式有且仅有一种经典用法,就是有限状态机(FSM)的实现。实现的方式极为突出明显,大部分情况都能直接照搬框架。

状态机最常见的使用场景是实现协议。通常协议会有几个核心状态机描述。


有限状态机

状态机示例1

有一个灯,按下开按钮,就会开灯,按下关按钮就会关灯。这就是一个很典型的简单的有限状态机。简单的描述有2个状态,关灯[STATE_OFF],亮[STATE_LIGHT_ON] 。有两个事件,开和关按钮。这两个事件促使状态机间的转换。


image.png


状态机示例2

有一个灯,按下开按钮,就会开灯,按下关按钮就会关灯。和一般等不同的是,两次开之间的灯的明暗不一样。也就是说,第一次开的时候,是高亮,关灯后,再开是低亮,下次再开是高亮,循环往复。

         这就是一个很典型的简单的有限状态机。简单的描述有3个状态,关灯[STATE_OFF],高亮[STATE_HIGH_LIGHT],低亮[STATE_LOW_LIGHT]

image.png

简单状态机模式实现

         以状态机示例1为目标,如果用if/switch/case来,就没有什么设计和模式的意义,那只是最普通的流程开发技能。以下是简单状态机模式实现,适用于转移条件单一,对结果很确定的状态机。

#define STATE_OFF   0

#define STATE_LIGHT_ON  1

#define STATE_MAX   2

 

 

#define EVETN_BTN_OFF

#define EVETN_BTN_ON

#define EVETN_MAX

 

 

int light_fsm_simple_table[STATE_MAX][EVETN_MAX] =

{

    [STATE_OFF][EVETN_BTN_OFF] = STATE_OFF,

    [STATE_OFF][EVETN_BTN_ON] = STATE_LIGHT_ON,

    [STATE_LIGHT_ON][EVETN_BTN_OFF] = STATE_OFF,

    [STATE_LIGHT_ON][EVETN_BTN_ON] = STATE_LIGHT_ON

};

 

 

int light_fsm_event(int cur_stat, int event)

{

    int next_state;

 

    next_state = light_fsm_simple_table[cur_stat][event];

}

 

int main()

{

    int light_state = STATE_OFF;  

    int eve1 = EVETN_BTN_OFF; 

    int eve2 = EVETN_BTN_ON;

    light_state = light_fsm_event(light_state, eve1);

    printf("now light state is %d\n", light_state);

 

    light_state = light_fsm_event(light_state, eve2);

    printf("now light state is %d\n", light_state);

   

}

以上代码有几个要点

1. 状态转移数组。由于简单模式某种状态下发生某事件的结果是确定的,所以数组的值就是下一个状态。

2. 需要一个状态处理的封装函数light_fsm_event。里面除了转移状态,可以增加扩展处理。不然简单模式应用就很局限。比如可以在light_fsm_event里面加入

If(next_state == STATE_LIGHT_ON)

{ printf("light is on";}



普通状态机模式实现

         大型一点的项目,比如复杂协议的实现,一个状态转移到下一个状态的情况是比较复杂的,无法用当前状态和事件简单确定,所以一般需要函数。

        

以下代码实现了状态机示例二,为样例代码,未运行实验过。



#define STATE_DEPEND 4

 

#define STATE_OFF   0

#define STATE_HIGH_LIGHT  1

#define STATE_LOW_LIGHT  2

#define STATE_MAX   3

 

 

#define EVETN_BTN_OFF

#define EVETN_BTN_ON

#define EVETN_MAX

 

int last_state = STATE_LOW_LIGHT;

int last_light_state = STATE_LOW_LIGHT;

 

struct {

  int (*func) ();

  int next_state;

} light_fsm [STATE_MAX][EVETN_MAX] =

{

    //STATE_OFF

    {

        { lfsm_ignore, STATE_MAX }, /*EVETN_BTN_OFF*/

        { lfsm_btn_on, STATE_DEPEND }, /*EVETN_BTN_ON*/

    }

   

    //STATE_HIGH_LIGHT

    {

        { lfsm_btn_off, STATE_OFF }, /*EVETN_BTN_OFF*/

        { lfsm_ignore, STATE_MAX }, /*EVETN_BTN_ON*/

    }

    //STATE_LOW_LIGHT

    {

        { lfsm_btn_off, STATE_OFF }, /*EVETN_BTN_OFF*/

        { lfsm_ignore, STATE_MAX }, /*EVETN_BTN_ON*/

    }

}

 

 

int lfsm_ignore(int cur_stat, int event)

{

        printf("invalid state or event\n");

        return 0;

}

 

 

int lfsm_btn_on(int cur_stat, int event)

{

    if(last_light_state == STATE_HIGH_LIGHT)

    {

        return STATE_LOW_LIGHT;

    }

    else if(last_light_state == STATE_LOW_LIGHT)

    {

        return STATE_HIGH_LIGHT;

    }

    else

    {

        printf("invalid state\n");

        return STATE_MAX;

    }

 

}

 

int lfsm_btn_off(int cur_stat, int event)

{

    last_light_state = cur_stat;

    return 0;

}

 

int light_change_state(int cur_stat, int next_state,int event)

{

 

    //if light on has special handling

    if(next_state = STATE_HIGH_LIGHT)

    {

        printf("rejoice, now bright light\n")

    };

   

    //other state change related handlings, maybe use current state and next state, or event type  

   

    last_state = cur_stat;

    cur_stat = next_state;

    return 0;

}

 

int light_event_happen(int event)

{

    //if light on has special handling

    if(event = EVETN_BTN_OFF)

    {

        printf("someone turn off light\n");

    }

 

    //other event type related handlings

    return 0;

}

 

int light_fsm_event(int cur_stat, int event)

{

   

    int next_state, next_state_tmp;

 

    next_state_tmp = *(light_fsm[cur_stat][event].func);

 

    if(next_state_tmp == STATE_MAX)

    {

        printf("fsm error\n");

        return -1;

    }

 

    if(light_fsm[cur_stat][event].next_state == STATE_DEPEND)

    {

        next_state = next_state_tmp;

    }

    else

    {

        next_state = light_fsm[cur_stat][event].next_state;       

    }

   

    light_change_state(next_state, cur_stat, event);

    light_event_happen(event);

   

}

 

int main()

{

    int light_state = STATE_OFF;  

 

    light_fsm_event(light_state, EVETN_BTN_OFF);

    light_fsm_event(light_state, EVETN_BTN_ON);

    light_fsm_event(light_state, EVETN_BTN_OFF);

    light_fsm_event(light_state, EVETN_BTN_ON);   

}

普通模式的状态机的几个关键点

1. 状态机数组由状态事件处理函数+下一个状态数组代替简单模式的下一个状态的数组


2. 由于在特定模式特定事件发生时,有的情况不能确定下一个状态的跳转,有的情况可以。所以下一状态有个特殊值为STATE_DEPEND。如果遇到这个值,就从状态变化函数里获得下一个状态。否则按照状态机数组设定的状态。


3. 设定一个状态STATE_MAX用来表示错误事件,加上一个lfsm_ignore函数来处理这种情况。比如本例中,设定EVETN_BTN_ON不可能在开灯的时候发生。

4. 状态机里除了状态机数字函数执行,有两类通用的函数,不参与主要的状态机运行,但是对状态机有影响。一类和特定的状态或状态转移有关,另外一类是和特定的事件有关。在样例代码里分别以light_change_statelight_event_happen来表示。


5. 一般情况下,有一个全局变量保存当前状态和上一个状态。


面向对象语言实现状态机通常是一个状态的抽象父类,每个状态有一个子类和一个实例。C语言里状态转移表的函数指针是通过状态子类的成员函数实现。其他的写法思路比较接近。

复杂状态机模式实现

         最常见的复杂状态机是为了实现网络协议。比如OSPF,可以参见我写的另外一篇文章ZEBRAFSM编写总结.doc


模式实现总结

1. 项目开发里最常见的使用为普通状态机,网络协议使用的复杂状态机也是在普通状态机上添加一些特性而来,基本特征是非常类似的。


2. C语言实现状态机的模式是非常固定的。状态转移表和核心的状态转移函数是核心。普通状态机的几个要素,不管在初始设计中有没有使用到,建议都写上。


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