状态机编程思维学习笔记（C语言）

前言

不摸鱼摆烂的第一天

C语言面对对象特性引入

众所周知，C++是由C语言编写而成，因此，C语言也可以实现一定程度的面对对象编程，接下来为引入状态机的程序，我们先来介绍几个不常用的C语言用法。

函数指针

众所周知，指针是C语言的灵魂，它不仅可以指向各种变量和自己，并且可以指向函数。
先来看正常的C函数

void function_name(void *arg);

这个函数，我们将参数设置为void形式方便后续添加参数。

我们可以根据上方函数声明创建函数指针变量
由于优先级问题，将名称括起来并加上星号

void (*P_function)(void *arg);
/* 注意：前后参数类型必须保持一直 */

这样，在调用时，就可以

P_function = function_name;
/* 函数指针指向对应地址 */

(*P_function)( 填入对应参数 );
/* 调用函数 */

当然，函数的返回值类型可以任意指定，但是上下必须保持一致。

扩展
在上面为什么要使用void* 作为参数呐？
因为如果使用了void*，我们就可以在函数中将它转化为任意类型的变量指针
只需要使用强制类型转换，就可以轻而易举的达到我们的目的。

void function_name(void *arg)
{
	/* int可替换成任意需要的类型 */
    int *need_arg= (int *)arg;
    ...
}

结构体中套用函数指针

前面说了函数指针，如果我们能在结构体中添加函数指针项，就可以实现类似C++一样的面对对象的形式。

/* 定义 */
struct func_struct{
    int n;
    void (*P_func)(int n);
};

/* 使用 */
struct func_struct func;
func->P_func( 100 );

宏定义中##纯替换

宏定义也可以使用一些变量替换，这样方便我们编程，而实现的方法。

#define NUM(n)  (num_##n)
/* n作为变量，##后的n将被替换成参数 */
例如：
NUM(1) 替换为 num_1
NUM(2) 替换为 num_2
NUM(3) 替换为 num_3

状态机概念

要说状态机的概念就得从实例来讲。
比如说一个控制一个发光二极管。

由图可以知道，二极管有两种状态，亮和灭，分别对应IO口的两种动作，高电平和低电平。从这里出发，可以得出状态机的4个要素

• 状态：即灯的亮状态和暗状态。
• 事件：使灯亮的触发条件，比如IO开高电平。
• 动作：事件发生后执行的动作，这里即为灯亮，但是更为复杂的情况需要一个函数实现，比如向串口发送一个当前状态的报告。
• 变换：灯亮到灯暗。可以用一个结构体表示所有变换因素。

我个人有个不太恰当的理解，变换作为一个整体的系统（传函），状态就是我们的输出，事件就是输入与触发，动作自然就是输出状态后的响应。

状态机实现

构建一个简单的三层状态机系统
有三个状态，四个事件，并且动作设计为可以现实当前所处状态。

evt_1t2

evt_3t1

evt_2t3

evt_3t1

state1

state2

state3

之后构建状态迁移表

对状态机的变换结构体，事件和状态进行编写。

#ifndef _STATE_H
#define _STATE_H

typedef enum _sta_{
    state1,state2,state3
}State;

typedef enum _evt_{
    evt_1t2,evt_2t3,evt_3t1,evt_1t3
}Event;

typedef struct {
    State curState; //当前状态
    Event eventId;  //事件ID
    State nextState;//下个状态
    void (*action)(void *arg);//回调函数（动作函数），事件发生后，调用对应的回调函数
}StateTransform;

#endif  /* _STATE_H */

再写出动作函数

void action_callback(void *arg)
{
	/* 将输入参数转化为自己定义的结构体指针类型 */
    StateTransform *statTran = (StateTransform *)arg;
    /* 将转化的内容打印到屏幕上 */
    printf("状态由%d由%d",statTran->curState+1,statTran->nextState+1);
}

构建状态迁移矩阵
此处每个结构体对应数组代表迁移列表中的列。

/*  由于地址上的连续性
	结构体可以直接通过数组进行赋值 */
StateTransform stateTran_1[] = {
        {state1,evt_1t2,state2,action_callback},//每一行代表一个结构体变量
        {state1,evt_2t3,state1,NULL},
        {state1,evt_3t1,state1,NULL},
        {state1,evt_1t3,state3,action_callback},
};

StateTransform stateTran_2[] = {
        {state2,evt_1t2,state2,NULL},
        {state2,evt_2t3,state3,action_callback},
        {state2,evt_3t1,state2,NULL},
        {state2,evt_1t3,state2,NULL},
};

StateTransform stateTran_3[] = {
        {state3,evt_1t2,state3,NULL},
        {state3,evt_2t3,state3,NULL},
        {state3,evt_3t1,state1,action_callback},
        {state3,evt_1t3,state3,NULL},
};

构建完整状态迁移表后，创建一个全局的变量作为当前状态
即 State GlobleCurState;
之后，进行简单的查表即可。
也就是说，根据当前状态和输入的事件，在状态迁移表中查询下一个状态和动作响应并执行。

void event_happen(Event event) //输入事件
{
    switch (GlobleCurState) {
        case state1:
            do_action(&STATETRANS(1)[event]); //执行对应动作
            break;
        case state2:
            do_action(&STATETRANS(2)[event]);
            break;
        case state3:
            do_action(&STATETRANS(3)[event]);
            break;
    }
}

void do_action(StateTransform *stateTran)
{
    //状态迁移
    GlobleCurState = stateTran->nextState;
    //调用回调
    if(stateTran->action == NULL)
    {
        printf("Without Action!\n\r");
    }
    else
    {
        stateTran->action((void *)stateTran);
    }
}

最后进行简单测试

#define ENTRY_STATE state1
int main() {
    GlobleCurState = ENTRY_STATE;
    State lastState = GlobleCurState;
    Event User_Event;
    printf("当前状态为state%d\n",GlobleCurState);
    while(1)
    {
        scanf("%d",&User_Event);
        if(User_Event == -1)
            break;
        event_happen(User_Event);
        printf("当前状态为state%d\n",GlobleCurState+1);
    }

    return 0;
}

参考
什么是状态机？用C语言实现进程5状态模型 作者：一口Linux.
谈谈单片机编程思想——状态机 作者：轻松学C语言.

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后文

不得不说，在家太舒服了。。。由于疫情不开学，天天摸鱼，啥也没干，我知道摸鱼不对可是就是停不下来哼哼啊啊啊啊啊啊啊。

但是快开学了，压力在前，就真不能摸了。。。 Orz