Linux 编程之有限状态机 FSM 的理解与实现

2017-07-03 15:51:07

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作者：Madcola

原文地址：http://www.cnblogs.com/skyfsm/p/7071386.html

有限状态机（finite state machine）简称 FSM，表示有限个状态及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，在计算机领域有着广泛的应用。FSM 是一种逻辑单元内部的一种高效编程方法，在服务器编程中，服务器可以根据不同状态或者消息类型进行相应的处理逻辑，使得程序逻辑清晰易懂。

那有限状态机通常在什么地方被用到？

处理程序语言或者自然语言的 tokenizer, 自底向上解析语法的 parser，

各种通信协议发送方和接受方传递数据对消息处理，游戏 AI 等都有应用场景。

状态机有以下几种实现方法，我将一一阐述它们的优缺点。

一、使用 if/else if 语句实现的 FSM

使用 if/else if 语句是实现的 FSM 简单易懂的方法，我们只需要通过大量的 if /else if 语句来判断状态值来执行相应的逻辑处理。

看看下面的例子，我们使用了大量的 if/else if 语句实现了一个简单的状态机，做到了根据状态的不同执行相应的操作，并且实现了状态的跳转。


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(); //具体调用的函数
            state = GO_TO_SCHOOL;  //状态的转移
        }
        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？是不是感觉程序虽然简单易懂，但是使用了大量的 if 判断语句，使得代码很低端，同时代码膨胀的比较厉害。这个状态机的状态仅有几个，代码膨胀并不明显，但是如果我们需要处理的状态有数十个的话，该状态机的代码就不好读了。

二、使用 switch 实现 FSM

使用 switch 语句实现的 FSM 的结构变得更为清晰了，其缺点也是明显的：这种设计方法虽然简单，通过一大堆判断来处理，适合小规模的状态切换流程，但如果规模扩大难以扩展和维护。


{
    int state = GET_UP;
    //小明的一天
    while (1)
    {

        switch(state)
        {
        case GET_UP:
            GetUp(); //具体调用的函数
            state = GO_TO_SCHOOL;  //状态的转移
            break;
        case GO_TO_SCHOOL:
            Go2School();
            state = HAVE_LUNCH;
            break;
        case HAVE_LUNCH:
            HaveLunch();
            state = GO_HOME;
            break;
            ...
        default:
            break;
        }
    }

    return 0;
}

三、使用函数指针实现 FSM

使用函数指针实现 FSM 的思路：建立相应的状态表和动作查询表，根据状态表、事件、动作表定位相应的动作处理函数，执行完成后再进行状态的切换。

当然使用函数指针实现的 FSM 的过程还是比较费时费力，但是这一切都是值得的，因为当你的程序规模大时候，基于这种表结构的状态机，维护程序起来也是得心应手。

下面给出一个使用函数指针实现的 FSM 的框架：

我们还是以 “小明的一天” 为例设计出该 FSM。

先给出该 FSM 的状态转移图：

下面讲解关键部分代码实现

首先我们定义出小明一天的活动状态：

//比如我们定义了小明一天的状态如下


enum
{
    GET_UP,
    GO_TO_SCHOOL,
    HAVE_LUNCH,
    DO_HOMEWORK,
    SLEEP,
};

我们也定义出会发生的事件


{
    EVENT1 = 1,
    EVENT2,
    EVENT3,
};

定义状态表的数据结构


typedef struct FsmTable_s
{
    int event;   //事件
    int CurState;  //当前状态
    void (*eventActFun)();  //函数指针
    int NextState;  //下一个状态
}FsmTable_t;

接下来定义出重要 FSM 的状态表，我们整个 FSM 就是根据这个定义好的表来运转的。


FsmTable_t XiaoMingTable[] =
{
    //{到来的事件，当前的状态，将要要执行的函数，下一个状态}
    { 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
};

状态机的注册、状态转移、事件处理的动作实现


/*状态机注册*/
void FSM_Regist(FSM_t* pFsm, FsmTable_t* pTable)
{
    pFsm->FsmTable = pTable;
}

/*状态迁移*/
void FSM_StateTransfer(FSM_t* pFsm, int state)
{
    pFsm->curState = state;
}

/*事件处理*/
void FSM_EventHandle(FSM_t* pFsm, int event)
{
    FsmTable_t* pActTable = pFsm->FsmTable;
    void (*eventActFun)() = NULL;  //函数指针初始化为空
    int NextState;
    int CurState = pFsm->curState;
    int flag = 0; //标识是否满足条件
    int i;

    /*获取当前动作函数*/
    for (i = 0; i<g_max_num; i++)
    {
        //当且仅当当前状态下来个指定的事件，我才执行它
        if (event == pActTable[i].event && CurState == pActTable[i].CurState)
        {
            flag = 1;
            eventActFun = pActTable[i].eventActFun;
            NextState = pActTable[i].NextState;
            break;
        }
    }


    if (flag) //如果满足条件了
    {
        /*动作执行*/
        if (eventActFun)
        {
            eventActFun();
        }

        //跳转到下一个状态
        FSM_StateTransfer(pFsm, NextState);
    }
    else
    {
        // do nothing
    }
}

主函数我们这样写，然后观察状态机的运转情况。


int main()
{
    FSM_t fsm;
    InitFsm(&fsm);
    int event = EVENT1; 
    //小明的一天,周而复始的一天又一天，进行着相同的活动
    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，方便观察
    }

    return 0;
}