基于C语言的状态机实现技术

基于C语言的状态机实现技术

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一、简介

有限状态机是一种用来进行对象行为建模的工具，其作用主要是描述对象在它的生命周期内所经历的状态序列，以及如何响应来自外界的各种事件。有限状态机（Finite State Machine或者Finite State Automata)是软件领域中一种重要的工具，很多东西的模型实际上就是有限状态机。有限状态机(FSM)可以用作程序的控制结构。FSM对于那些基于输入的在几个不同的可选动作中进行循环的程序尤其合适。投币售货机就是FSM的一个好例子。在投币售货机的例子中，输入是硬币，输出是待售商品，售货机有"接受硬币"，"选择商品"，"发送商品"和"找零钱"等几种状态。它的基本思路是用一张表保存所有可能的状态，并列出进入每个状态时可能执行的所有动作，其中最后一个动作就是计算(通常在当前状态和下一次输入字符的基础上，另外再经过一次表查询)下一个应该进入的状态。

状态机特别适合描述那些有发生有先后顺序，或者有逻辑规律的事情——其实这就是状态机的本质。状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法。这个论断的最重要的两个词就是“逻辑顺序”和“时序规律”，这两点就是状态机所要描述的核心和强项，换言之，所有具有逻辑顺序和时序规律的事情都适合用状态机描述。

在描述有限状态机时，状态、事件、转换和动作是经常会碰到的几个基本概念。

• 状态（State）：指的是对象在其生命周期中的一种状况，处于某个特定状态中的对象必然会满足某些条件、执行某些动作或者是等待某些事件。
• 事件（Event）：指的是在时间和空间上占有一定位置，并且对状态机来讲是有意义的那些事情。事件通常会引起状态的变迁，促使状态机从一种状态切换到另一种状态。
• 转换（Transition）：指的是两个状态之间的一种关系，表明对象将在第一个状态中执行一定的动作，并将在某个事件发生同时某个特定条件满足时进入第二个状态。
• 动作（Action）：指的是状态机中可以执行的那些原子操作，所谓原子操作指的是它们在运行的过程中不能被其他消息所中断，必须一直执行下去。

状态机的基本要素有3 个，分别是：状态、输出和输入。

1. 状态：也叫状态变量。
2. 输出：输出指在某一个状态时特定发生的事件。
3. 输入：指状态机中进入每个状态的条件，有的状态机没有输入条件，其中的状态转移较为简单，有的状态机有输入条件，当某个输入条件存在时才能转移到相应的状态。

根据状态机的数量是否为有限个，可将状态机分为有限状态机（Finite State Machine，FSM）和无限状态机（Infinite State Machine，ISM）。一般所涉及的状态都是有限的，所以以后我们所说的状态机都指有限状态机，用FSM 表示。

二、基于C语言的状态机实现

2.1、基于switch（状态）的实现

在实现有限状态机时，使用switch语句是最简单也是最直接的一种方式，其基本思路是为状态机中的每一种状态都设置一个case分支。

2.2基于函数指针数组的实现

一个函数指针数组可以像下面这样声明：

void (*state[MAX_STATES]) ();

如果知道了函数名，就可以像下面这样对数组进行初始化。

extern int a(),b(),c(),d();
int (*state[]) ()={a,b,c,c};

可以通过数组中的指针来调用函数：

(*state[i]) ();

所有函数必须接受同样的参数，并返回同种类型的返回值(除非你把数组元素做成一个联合)。还可以让状态函数返回一个指向通用后续函数的指针，并把它转换为适当的类型。这样，就不需要全局变量了。

如果你的状态函数看上去需要多个不同的参数，可以考虑使用一个参数计数器和一个字符串指针数组，就像main函数的参数一样。我们熟悉的int argc,char *argv[]机制是非常普遍的，可以成功地应用在你所定义的函数中。

三、参考资料

• 从Wiki百科全书 http://en.wikipedia.org/wiki/Finite_state_automaton开始，你可以了解到许多同状态机相关的计算理论知识。
• 状态机是UML的一个重要组成部分，Robert C. Martin在他的文章UML Tutorial: Finite State Machines中，介绍了如何使用UML语言来对状态机进行建模，你可以通过网址 http://www.objectmentor.com/resources/articles/umlfsm.pdf可以找到这一文档。
• FSME是Linux下一个基于Qt的状态机建模工具，它能够自动生成状态机框架代码，并且同时支持C++和Python语言，通过网站 http://fsme.sourceforge.net/你可以了解到有关FSME的更多信息，并能够下载最新版本的FSME。
• Qfsm也是一个运行在Linux下的状态机建模工具，它不仅提供了可视化的状态机编辑器，而且还能够对生成的状态机进行实时模拟，通过网站 http://qfsm.sourceforge.net/可以了解到Qfsm的更多信息。
• 为Linux应用构造有限状态机 http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-fsmachine/index.html