c++状态机的使用

什么是状态机

状态机是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。英文名字叫State Machine ，不是指一台实际机器，一般就是指一张状态转换图。全称是有限状态自动机，自动两个字包含重要含义。给定一个状态机，同时给定它的当前状态以及输入，那么输出状态时可以明确的运算出来的，当输入条件时，能输出下一个状态。

现实事物是有不同状态，例如一个LED等，就有 亮 和 灭两种状态。我们通常所说的状态机是有限状态机，也就是被描述的事物的状态的数量是有限个，例如LED灯的状态就是两个亮和 灭。

为什么用状态机

状态机解决的问题就是当某种模型的状态变更比较比较复杂，且状态比较多，那么我们有必要将这些状态变化的逻辑抽象出来，做成一个可以统一调用的算法，这样封装出来的代码就比较好维护，同时可读性也很强。

状态机在实际工作开发中很有用，应用也非常广泛。一个健壮的状态机可以让你的程序，不论发生何种突发事件都不会突然进入一个不可预知的程序分支，可以很清晰的表达整个状态的流转。

在GUI应用程序、Web应用程序等事件驱动型的应用程序，采用状态机的思路来完成程序设计，可以简化设计流程，使程序的可读性、可维护性都得到增加。

 使用状态机有哪些好处？
1. 当一个程序有多个状态时，规范了状态机的状态转换，避免了一些引入一些复杂的判断逻辑。
2. 规范了程序在不同状态下所能提供的能力。
3. 在能力上可以进行横向扩展，提供新的状态来完善现有逻辑。

简单状态机的实现

使用switch跳转即可实现一种简单的状态机。如果逻辑不是很复杂，使用switch语句也能达到实现目的。举例如下：

enum state
  {
    nullState_,
    firstState_,
    secondState_,
    thirdState_,
    quitState_,
  };

struct param_t
  {
    int param1;
    int param2;
// ......
  };

int nullStateProc(param_t& param){
    return firstState_;
}

int firstStateProc(param_t& param){
    return secondState_;
}

int secondStateProc(param_t& param){
    return secondState_;
}

int thirdStateProc(param_t& param){
    return secondState_;
}

int quitEvent(){
    return nullState_;
}

int stateMachine(state& state_, param_t& param){
    switch (state_)
  {
    case nullState_:
      state_ = static_cast(nullStateProc(param));
      break;
    case firstState_:
      state_ = static_cast(firstStateProc(param));
      break;
    case secondState_:
      state_ = static_cast(secondStateProc(param));
      break;
    case thirdState_:
      state_ = static_cast(thirdStateProc(param));
      break;
    case quitState_:
      quitEvent();
      return 0;
  }

  return 1;

}

void start()
{
  state state_ = nullState_;
  param_t param{};

  while (true)
  {
    auto stateResult = stateMachine(state_, param);
    if (!stateResult)
    {
      return;
    }
  }
}

另一种简单实现

如果需要管理的状态和事件比较多，需要逻辑清晰和便于维护，使用简单的switch可能无法满足需求。这里介绍一种简单的实现，消除庞大的条件分支语句，从配置表容易看出各个状态的转换图。

/*  statemachine.h*/

#ifndef _STATEMACHINE_H_
#define _STATEMACHINE_H_

#include 

enum EventActionResult {
    EventFailed, EventProcessedOK
};

template
class State {
public:
    std::string inputEvent;
    State *nextState;

    EventActionResult (T::*action)(const std::string &event, P *param);

    State *errorState;
};


template
class StateMachine {
private:
    State *init;
    State *current;
    T *target;

public:

    StateMachine() {}

    void Init(T *_target, State *initialState) {
        init = current = initialState;
        target = _target;
    }

    void Reset() {
        current = init;
    }

    void ProcessEvent(const std::string &event, P *param) {
        for (State *p = this->current; p->nextState != NULL; p++) {
            if (p->inputEvent == event) {
                if (p->action != NULL) {
                    if (EventFailed == (this->target->*(p->action))(event, param)) {
                        if (p->errorState != NULL) {
                            //Only if there's an errorstate defined. Otherwise, just do nothing
                            this->current = p->errorState;
                        }
                        return;
                    }
                }
                this->current = p->nextState;
                return;
            }
        }

        //Event not found. Do nothing
        return;
    }
};

以下是使用举例：

class MyStateMachine {
public:

    struct param_t {
        int param;
        int param1;
        int param2;
    };

    StateMachine stMachine;

    EventActionResult HandleEvent1(const std::string &e, param_t *param);

    EventActionResult HandleEvent2(const std::string &e, param_t *param);

    EventActionResult HandleEventA(const std::string &e, param_t *param);

    EventActionResult HandleEventB(const std::string &e, param_t *param);

    EventActionResult HandleThree(const std::string &e, param_t *param);


    void HandleEvent(const std::string &e, param_t *param);

    void Init();

    void Start();
};

#include "statemachine.h"
#include 
#include 
#include 

typedef State STATE;

extern STATE Idle[];
extern STATE One[];
extern STATE Two[];


STATE Idle[] =
        {
                //EVENT,NEXT,  ACTION,   ERRORSTATE (where to land if there's an error)
                {"event1", One, &MyStateMachine::HandleEvent1, Idle},
                {"event2", Two, &MyStateMachine::HandleEvent2, Idle},
                {"", NULL, NULL, NULL}, //End of table
        };

STATE One[] =
        {
                {"eventA", Idle, &MyStateMachine::HandleEventA, Idle},
                {"eventB", Idle, &MyStateMachine::HandleEventB, Idle},
                {"", NULL, NULL, NULL},
        };

STATE Two[] =
        {
                {"eventC", Idle, NULL, NULL},
                {"", NULL,  NULL, NULL},
        };

EventActionResult MyStateMachine::HandleEvent1(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleEvent1,param:" << param->param << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}

EventActionResult MyStateMachine::HandleEvent2(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleEvent2,param:" << param->param << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}

EventActionResult MyStateMachine::HandleEventA(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleEventA,param:" << param->param << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}

EventActionResult MyStateMachine::HandleEventB(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleEventB,param:" << param->param << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}

EventActionResult MyStateMachine::HandleThree(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleThree" << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}


void MyStateMachine::HandleEvent(const std::string &e, param_t *param) {
    stMachine.ProcessEvent(e, param);
}

void MyStateMachine::Init() {
    stMachine.Init(this, Idle);
}

void MyStateMachine::Start() {
    while (1) {
        char c[255];
        // 模拟输入event
        std::cin.getline(c,255);
        std::string event{c};
        MyStateMachine::param_t param;
        param.param = 1;
        this->HandleEvent(event, ¶m);
    }
}

引用

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