C語言中的狀態(tài)機設計深入講解
前言
本文不是關于軟件狀態(tài)機的最佳設計分解實踐的教程。我將重點關注狀態(tài)機代碼和簡單的示例，這些示例具有足夠的復雜性，以便于理解特性和用法。
背景
大多數(shù)程序員常用的設計技術是有限狀態(tài)機(FSM)。設計人員使用此編程結構將復雜的問題分解為可管理的狀態(tài)和狀態(tài)轉換。有無數(shù)種實現(xiàn)狀態(tài)機的方法。
A switch語句提供了狀態(tài)機最容易實現(xiàn)和最常見的版本之一。在這里，每個案例在switch語句成為一個狀態(tài)，實現(xiàn)如下所示：
switch (currentState) {
case ST_IDLE:
// do something in the idle state
break;
case ST_STOP:
// do something in the stop state
break;
// etc...
}
這種方法當然適合于解決許多不同的設計問題。然而，在事件驅動的多線程項目上使用時，這種形式的狀態(tài)機可能是非常有限的。
第一個問題是控制哪些狀態(tài)轉換是有效的，哪些是無效的。無法強制執(zhí)行狀態(tài)轉換規(guī)則。任何過渡都可以在任何時候進行，這并不是特別可取的。對于大多數(shù)設計，只有少數(shù)轉換模式是有效的。理想情況下，軟件設計應該強制執(zhí)行這些預定義的狀態(tài)序列，并防止不必要的轉換。當試圖將數(shù)據(jù)發(fā)送到特定狀態(tài)時，會出現(xiàn)另一個問題。由于整個狀態(tài)機位于單個函數(shù)中，因此向任何給定狀態(tài)發(fā)送額外數(shù)據(jù)都是困難的。最后，這些設計很少適合在多線程系統(tǒng)中使用。設計器必須確保狀態(tài)機是從單個控制線程調用的。
為什么要用國家機器？
使用狀態(tài)機實現(xiàn)代碼是解決復雜工程問題的一種非常方便的設計技術。狀態(tài)機將設計分解為一系列步驟，或在狀態(tài)機術語中稱為狀態(tài)。每個狀態(tài)都執(zhí)行一些狹義的任務。另一方面，事件是一種刺激，它導致狀態(tài)機在狀態(tài)之間移動或過渡。
舉一個簡單的例子，我將在本文中使用它，假設我們正在設計電機控制軟件。我們想啟動和停止電機，以及改變電機的速度。很簡單。向客戶端軟件公開的電機控制事件如下：
- 設定速度-設定電機以特定速度行駛
- 站住-停止馬達
這些事件提供了以任何速度啟動電機的能力，這也意味著改變已經(jīng)移動的電機的速度?；蛘呶覀兛梢酝耆Ｖ柜R達。對于電機控制模塊，這兩個事件或功能被認為是外部事件.然而，對于使用我們的代碼的客戶機來說，這些只是普通的函數(shù)。
這些事件不是狀態(tài)機狀態(tài)。處理這兩個事件所需的步驟是不同的。在這種情況下，各州是：
- 閑散-馬達不是旋轉的，而是靜止的
- 無所事事
- 啟動-從死胡同啟動馬達
- 開啟電動機電源
- 設定電機轉速
- 變速-調整已經(jīng)移動的馬達的速度
- 改變電機轉速
- 停-停止移動的馬達
- 關閉電動機電源
- 進入閑置狀態(tài)
可以看出，將電機控制分解為離散狀態(tài)，而不是單一的功能，我們可以更容易地管理如何操作電機的規(guī)則。
每個狀態(tài)機都有“當前狀態(tài)”的概念。這是狀態(tài)機當前所處的狀態(tài)。在任何給定的時刻，狀態(tài)機只能處于單一狀態(tài)。特定狀態(tài)機實例的每個實例在定義時都可以設置初始狀態(tài)。但是，該初始狀態(tài)在對象創(chuàng)建期間不執(zhí)行。只有發(fā)送到狀態(tài)機的事件才會導致執(zhí)行狀態(tài)函數(shù)。
為了圖形化地說明狀態(tài)和事件，我們使用狀態(tài)圖。下面的圖1顯示了電機控制模塊的狀態(tài)轉換?？虮硎緺顟B(tài)，連接箭頭表示事件轉換。列出事件名稱的箭頭是外部事件，而未裝飾的行被認為是內部事件。(本文后面將介紹內部事件和外部事件之間的差異。)
圖1：電機狀態(tài)圖
如您所見，當事件在狀態(tài)轉換中出現(xiàn)時，所發(fā)生的狀態(tài)轉換取決于狀態(tài)機的當前狀態(tài)。當SetSpeed事件出現(xiàn)，例如，電機在Idle狀態(tài)，則轉換為Start狀態(tài)。然而，同樣的SetSpeed當前狀態(tài)為Start將電機轉換為ChangeSpeed狀態(tài)。您還可以看到，并非所有的狀態(tài)轉換都是有效的。例如，馬達不能從ChangeSpeed到Idle而不需要先通過Stop狀態(tài)。
簡而言之，使用狀態(tài)機捕獲和執(zhí)行復雜的交互，否則可能很難傳遞和實現(xiàn)。
內外事件
正如我前面提到的，事件是導致狀態(tài)機在狀態(tài)之間轉換的刺激。例如，按下按鈕可能是一個事件。事件可以分為兩類：外部事件和內部事件。外部事件，在其最基本的級別上，是對狀態(tài)機模塊的函數(shù)調用.這些函數(shù)是公共的，從外部調用，或者從外部代碼調用到狀態(tài)機對象。系統(tǒng)中的任何線程或任務都可以生成外部事件。如果外部事件函數(shù)調用導致狀態(tài)轉換發(fā)生，則狀態(tài)將在調用方的控制線程內同步執(zhí)行。另一方面，內部事件是由狀態(tài)機本身在狀態(tài)執(zhí)行期間自行生成的。
典型的場景由生成的外部事件組成，該事件同樣可以歸結為模塊的公共接口中的函數(shù)調用。根據(jù)正在生成的事件和狀態(tài)機的當前狀態(tài)，執(zhí)行查找以確定是否需要轉換。如果是這樣，狀態(tài)機將轉換到新狀態(tài)，并執(zhí)行該狀態(tài)的代碼。在狀態(tài)函數(shù)的末尾，執(zhí)行檢查以確定是否生成了內部事件。如果是這樣，則執(zhí)行另一個轉換，并且新的狀態(tài)有機會執(zhí)行。此過程將繼續(xù)進行，直到狀態(tài)機不再生成內部事件，此時原始外部事件函數(shù)調用將返回。外部事件和所有內部事件(如果有的話)在調用者的控制線程中執(zhí)行。
一旦外部事件啟動狀態(tài)機執(zhí)行，它不能被另一個外部事件中斷，直到外部事件和所有內部事件已經(jīng)完成執(zhí)行，如果使用鎖。這個運行到完成模型為狀態(tài)轉換提供了一個多線程安全的環(huán)境?？梢栽跔顟B(tài)機引擎中使用信號量或互斥量來阻止可能同時訪問同一狀態(tài)機實例的其他線程。見源代碼函數(shù)_SM_ExternalEvent()關于鎖的位置的注釋。
事件數(shù)據(jù)
生成事件時，它可以選擇附加事件數(shù)據(jù)，以便在執(zhí)行過程中由狀態(tài)函數(shù)使用。事件數(shù)據(jù)是一個const或者不是-const 指向任何內置或用戶定義的數(shù)據(jù)類型的指針。
一旦狀態(tài)完成執(zhí)行，事件數(shù)據(jù)就被認為用完了，必須刪除。因此，發(fā)送到狀態(tài)機的任何事件數(shù)據(jù)都必須通過SM_XAlloc()。狀態(tài)機引擎自動釋放分配的事件數(shù)據(jù)。SM_XFree().
狀態(tài)轉變
當生成外部事件時，執(zhí)行查找以確定狀態(tài)轉換操作過程。事件有三種可能的結果：新狀態(tài)、忽略事件或不能發(fā)生。新狀態(tài)會導致轉換到允許執(zhí)行的新狀態(tài)。轉換到現(xiàn)有狀態(tài)也是可能的，這意味著當前狀態(tài)被重新執(zhí)行。對于被忽略的事件，不執(zhí)行任何狀態(tài)。但是，事件數(shù)據(jù)(如果有的話)將被刪除。最后一種不可能發(fā)生的可能性是保留在事件在狀態(tài)機的當前狀態(tài)下無效的情況下使用的。如果發(fā)生這種情況，軟件就會出現(xiàn)故障。
在此實現(xiàn)中，執(zhí)行驗證轉換查找不需要內部事件。假設狀態(tài)轉換是有效的。您可以檢查有效的內部和外部事件轉換，但實際上，這只會占用更多的存儲空間，并且只會產(chǎn)生很少的好處。驗證轉換的真正需要在于異步的外部事件，在這些事件中，客戶端可能導致事件在不適當?shù)臅r間發(fā)生。一旦狀態(tài)機執(zhí)行，它就不能被中斷。它處于私有實現(xiàn)的控制之下，因此沒有必要進行轉換檢查。這使設計人員可以自由地通過內部事件更改狀態(tài)，而無需更新轉換表。
狀態(tài)機模塊
狀態(tài)機源代碼包含在_StateMachine.c_和_StateMachine.h_檔案。下面的代碼顯示了部分標題。這個StateMachine 報頭包含各種預處理器多行宏，以簡化狀態(tài)機的實現(xiàn)。
enum { EVENT_IGNORED = 0xFE, CANNOT_HAPPEN = 0xFF };
typedef void NoEventData;
// State machine constant data
typedef struct
{
const CHAR* name;
const BYTE maxStates;
const struct SM_StateStruct* stateMap;
const struct SM_StateStructEx* stateMapEx;
} SM_StateMachineConst;
// State machine instance data
typedef struct
{
const CHAR* name;
void* pInstance;
BYTE newState;
BYTE currentState;
BOOL eventGenerated;
void* pEventData;
} SM_StateMachine;
// Generic state function signatures
typedef void (*SM_StateFunc)(SM_StateMachine* self, void* pEventData);
typedef BOOL (*SM_GuardFunc)(SM_StateMachine* self, void* pEventData);
typedef void (*SM_EntryFunc)(SM_StateMachine* self, void* pEventData);
typedef void (*SM_ExitFunc)(SM_StateMachine* self);
typedef struct SM_StateStruct
{
SM_StateFunc pStateFunc;
} SM_StateStruct;
typedef struct SM_StateStructEx
{
SM_StateFunc pStateFunc;
SM_GuardFunc pGuardFunc;
SM_EntryFunc pEntryFunc;
SM_ExitFunc pExitFunc;
} SM_StateStructEx;
// Public functions
#define SM_Event(_smName_, _eventFunc_, _eventData_)
_eventFunc_(&_smName_##Obj, _eventData_)
// Protected functions
#define SM_InternalEvent(_newState_, _eventData_)
_SM_InternalEvent(self, _newState_, _eventData_)
#define SM_GetInstance(_instance_)
(_instance_*)(self->pInstance);
// Private functions
void _SM_ExternalEvent(SM_StateMachine* self,
const SM_StateMachineConst* selfConst, BYTE newState, void* pEventData);
void _SM_InternalEvent(SM_StateMachine* self, BYTE newState, void* pEventData);
void _SM_StateEngine(SM_StateMachine* self, const SM_StateMachineConst* selfConst);
void _SM_StateEngineEx(SM_StateMachine* self, const SM_StateMachineConst* selfConst);
#define SM_DECLARE(_smName_)
extern SM_StateMachine _smName_##Obj;
#define SM_DEFINE(_smName_, _instance_)
SM_StateMachine _smName_##Obj = { #_smName_, _instance_,
0, 0, 0, 0 };
#define EVENT_DECLARE(_eventFunc_, _eventData_)
void _eventFunc_(SM_StateMachine* self, _eventData_* pEventData);
#define EVENT_DEFINE(_eventFunc_, _eventData_)
void _eventFunc_(SM_StateMachine* self, _eventData_* pEventData)
#define STATE_DECLARE(_stateFunc_, _eventData_)
static void ST_##_stateFunc_(SM_StateMachine* self, _eventData_* pEventData);
#define STATE_DEFINE(_stateFunc_, _eventData_)
static void ST_##_stateFunc_(SM_StateMachine* self, _eventData_* pEventData)
這個SM_Event()宏用于生成外部事件，而SM_InternalEvent()在執(zhí)行狀態(tài)函數(shù)期間生成內部事件。SM_GetInstance()獲取指向當前狀態(tài)機對象的指針。
SM_DECLARE 和SM_DEFINE用于創(chuàng)建狀態(tài)機實例。EVENT_DECLARE和EVENT_DEFINE創(chuàng)建外部事件函數(shù)。最后，STATE_DECLARE和STATE_DEFINE創(chuàng)建狀態(tài)函數(shù)。
電機實例
Motor 實現(xiàn)我們假設的電機控制狀態(tài)機，其中客戶端可以啟動電機，以特定的速度，并停止電機。這個Motor標題接口如下所示：
#include "StateMachine.h"
// Motor object structure
typedef struct
{
INT currentSpeed;
} Motor;
// Event data structure
typedef struct
{
INT speed;
} MotorData;
// State machine event functions
EVENT_DECLARE(MTR_SetSpeed, MotorData)
EVENT_DECLARE(MTR_Halt, NoEventData)
這個Motor源文件使用宏通過隱藏所需的狀態(tài)機機器來簡化使用。
// State enumeration order must match the order of state
// method entries in the state map
enum States
{
ST_IDLE,
ST_STOP,
ST_START,
ST_CHANGE_SPEED,
ST_MAX_STATES
};
// State machine state functions
STATE_DECLARE(Idle, NoEventData)
STATE_DECLARE(Stop, NoEventData)
STATE_DECLARE(Start, MotorData)
STATE_DECLARE(ChangeSpeed, MotorData)
// State map to define state function order
BEGIN_STATE_MAP(Motor)
STATE_MAP_ENTRY(ST_Idle)
STATE_MAP_ENTRY(ST_Stop)
STATE_MAP_ENTRY(ST_Start)
STATE_MAP_ENTRY(ST_ChangeSpeed)
END_STATE_MAP(Motor)
// Set motor speed external event
EVENT_DEFINE(MTR_SetSpeed, MotorData)
{
// Given the SetSpeed event, transition to a new state based upon
// the current state of the state machine
BEGIN_TRANSITION_MAP // - Current State -
TRANSITION_MAP_ENTRY(ST_START) // ST_Idle
TRANSITION_MAP_ENTRY(CANNOT_HAPPEN) // ST_Stop
TRANSITION_MAP_ENTRY(ST_CHANGE_SPEED) // ST_Start
TRANSITION_MAP_ENTRY(ST_CHANGE_SPEED) // ST_ChangeSpeed
END_TRANSITION_MAP(Motor, pEventData)
}
// Halt motor external event
EVENT_DEFINE(MTR_Halt, NoEventData)
{
// Given the Halt event, transition to a new state based upon
// the current state of the state machine
BEGIN_TRANSITION_MAP // - Current State -
TRANSITION_MAP_ENTRY(EVENT_IGNORED) // ST_Idle
TRANSITION_MAP_ENTRY(CANNOT_HAPPEN) // ST_Stop
TRANSITION_MAP_ENTRY(ST_STOP) // ST_Start
TRANSITION_MAP_ENTRY(ST_STOP) // ST_ChangeSpeed
END_TRANSITION_MAP(Motor, pEventData)
}
外部事件
MTR_SetSpeed 和MTR_Halt類中的外部事件。Motor狀態(tài)機。MTR_SetSpeed 獲取指向MotorData事件數(shù)據(jù)，包含電機速度。此數(shù)據(jù)結構將使用SM_XFree()在狀態(tài)處理完成后，必須使用SM_XAlloc()函數(shù)調用之前。
州數(shù)
每個狀態(tài)函數(shù)都必須有一個與其關聯(lián)的枚舉。這些枚舉用于存儲狀態(tài)機的當前狀態(tài)。在……里面Motor, States提供這些枚舉，這些枚舉稍后用于對轉換映射和狀態(tài)映射查找表進行索引。
狀態(tài)函數(shù)
狀態(tài)函數(shù)實現(xiàn)每個狀態(tài)--每個狀態(tài)機狀態(tài)一個狀態(tài)函數(shù)。STATE_DECLARE 用于聲明狀態(tài)函數(shù)接口和STATE_DEFINE 定義實現(xiàn)。
// State machine sits here when motor is not running
STATE_DEFINE(Idle, NoEventData)
{
printf("%s ST_Idlen", self->name);
}
// Stop the motor
STATE_DEFINE(Stop, NoEventData)
{
// Get pointer to the instance data and update currentSpeed
Motor* pInstance = SM_GetInstance(Motor);
pInstance->currentSpeed = 0;
// Perform the stop motor processing here
printf("%s ST_Stop: %dn", self->name, pInstance->currentSpeed);
// Transition to ST_Idle via an internal event
SM_InternalEvent(ST_IDLE, NULL);
}
// Start the motor going
STATE_DEFINE(Start, MotorData)
{
ASSERT_TRUE(pEventData);
// Get pointer to the instance data and update currentSpeed
Motor* pInstance = SM_GetInstance(Motor);
pInstance->currentSpeed = pEventData->speed;
// Set initial motor speed processing here
printf("%s ST_Start: %dn", self->name, pInstance->currentSpeed);
}
// Changes the motor speed once the motor is moving
STATE_DEFINE(ChangeSpeed, MotorData)
{
ASSERT_TRUE(pEventData);
// Get pointer to the instance data and update currentSpeed
Motor* pInstance = SM_GetInstance(Motor);
pInstance->currentSpeed = pEventData->speed;
// Perform the change motor speed here
printf("%s ST_ChangeSpeed: %dn", self->name, pInstance->currentSpeed);
}
STATE_DECLARE和STATE_DEFINE用兩個參數(shù)。第一個參數(shù)是狀態(tài)函數(shù)名。第二個參數(shù)是事件數(shù)據(jù)類型。如果不需要事件數(shù)據(jù)，請使用NoEventData。宏也可用于創(chuàng)建保護、退出和入口操作，本文稍后將對這些操作進行解釋。
這個SM_GetInstance()宏獲取狀態(tài)機對象的實例。宏的參數(shù)是狀態(tài)機名。
在此實現(xiàn)中，所有狀態(tài)機函數(shù)都必須遵守這些簽名，如下所示：
// Generic state function signatures typedef void (*SM_StateFunc)(SM_StateMachine* self, void* pEventData); typedef BOOL (*SM_GuardFunc)(SM_StateMachine* self, void* pEventData); typedef void (*SM_EntryFunc)(SM_StateMachine* self, void* pEventData); typedef void (*SM_ExitFunc)(SM_StateMachine* self);
各SM_StateFunc 接受指向SM_StateMachine對象和事件數(shù)據(jù)。如果NoEventData 被使用時，pEventData爭論將是NULL。否則，pEventData參數(shù)的類型為STATE_DEFINE.
在……里面Motor氏Start狀態(tài)函數(shù)STATE_DEFINE(Start, MotorData) 宏擴展到：
void ST_Start(SM_StateMachine* self, MotorData* pEventData)
注意，每個狀態(tài)函數(shù)都有self 和pEventData 爭論。self 是指向狀態(tài)機對象的指針，并且pEventData 事件數(shù)據(jù)。還請注意，宏以“ST_“用于創(chuàng)建函數(shù)的狀態(tài)名稱。ST_Start().
類似地，Stop 狀態(tài)函數(shù)STATE_DEFINE(Stop, NoEventData)IS擴展到：
void ST_Stop(SM_StateMachine* self, void* pEventData)
Stop 不接受事件數(shù)據(jù)，因此pEventData 論點是void*.
每個狀態(tài)/保護/入口/退出函數(shù)在宏中自動添加三個字符。例如，如果使用STATE_DEFINE(Idle, NoEventData)實際的狀態(tài)函數(shù)名被調用。ST_Idle().
- ST_-狀態(tài)函數(shù)前置字符
- GD_-保護功能前置字符
- EN_-入口函數(shù)前面的字符
- EX_-退出函數(shù)前置字符
SM_GuardFunc 和SM_Entry 功能typedef也接受事件數(shù)據(jù)。SM_ExitFunc 是唯一的，因為不允許任何事件數(shù)據(jù)。
狀態(tài)圖
狀態(tài)機引擎通過使用狀態(tài)映射知道要調用哪個狀態(tài)函數(shù).狀態(tài)圖映射currentState變量設置為特定的狀態(tài)函數(shù)。例如，如果currentState 是2，則調用第三個狀態(tài)映射函數(shù)指針項(從零計數(shù))。狀態(tài)映射表是使用以下三個宏創(chuàng)建的：
BEGIN_STATE_MAP STATE_MAP_ENTRY END_STATE_MAP
BEGIN_STATE_MAP 啟動狀態(tài)映射序列。各STATE_MAP_ENTRY 有一個狀態(tài)函數(shù)名稱參數(shù)。END_STATE_MAP終止地圖。國家地圖Motor 如下所示：
BEGIN_STATE_MAP(Motor) STATE_MAP_ENTRY(ST_Idle) STATE_MAP_ENTRY(ST_Stop) STATE_MAP_ENTRY(ST_Start) STATE_MAP_ENTRY(ST_ChangeSpeed) END_STATE_MAP
或者，警衛(wèi)/入口/出口特性需要利用_EX(擴展)宏的版本。
BEGIN_STATE_MAP_EX STATE_MAP_ENTRY_EX or STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX END_STATE_MAP_EX
這個STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX 宏按照該順序為狀態(tài)操作、保護條件、入口操作和退出操作設置了四個參數(shù)。狀態(tài)操作是強制性的，但其他操作是可選的。如果狀態(tài)沒有動作，則使用0為了爭論。如果狀態(tài)沒有任何保護/進入/退出選項，則STATE_MAP_ENTRY_EX 宏將所有未使用的選項默認為0。下面的宏片段是本文后面介紹的一個高級示例。
// State map to define state function order BEGIN_STATE_MAP_EX(CentrifugeTest) STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX(ST_Idle, 0, EN_Idle, 0) STATE_MAP_ENTRY_EX(ST_Completed) STATE_MAP_ENTRY_EX(ST_Failed) STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX(ST_StartTest, GD_StartTest, 0, 0) STATE_MAP_ENTRY_EX(ST_Acceleration) STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX(ST_WaitForAcceleration, 0, 0, EX_WaitForAcceleration) STATE_MAP_ENTRY_EX(ST_Deceleration) STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX(ST_WaitForDeceleration, 0, 0, EX_WaitForDeceleration) END_STATE_MAP_EX(CentrifugeTest)
不要忘記添加前面的字符(ST_, GD_, EN_或EX_)每項功能。
狀態(tài)機對象
在C++中，對象是語言的組成部分。使用C，您必須更加努力地完成類似的行為。此C語言狀態(tài)機支持多個狀態(tài)機對象(或多個實例)，而不是具有單個靜態(tài)狀態(tài)機實現(xiàn)。
這個SM_StateMachine 數(shù)據(jù)結構存儲狀態(tài)機實例數(shù)據(jù)；每個狀態(tài)機實例存儲一個對象。這個SM_StateMachineConst 數(shù)據(jù)結構存儲常量數(shù)據(jù)；每個狀態(tài)機類型都有一個常量對象。
狀態(tài)機使用SM_DEFINE 宏。第一個參數(shù)是狀態(tài)機名稱。第二個參數(shù)是指向用戶定義的狀態(tài)機結構的指針，或NULL 如果沒有用戶對象。
#define SM_DEFINE(_smName_, _instance_)
SM_StateMachine _smName_##Obj = { #_smName_, _instance_,
0, 0, 0, 0 };
在本例中，狀態(tài)機名稱為Motor創(chuàng)建了兩個對象和兩個狀態(tài)機。
// Define motor objects static Motor motorObj1; static Motor motorObj2; // Define two public Motor state machine instances SM_DEFINE(Motor1SM, &motorObj1) SM_DEFINE(Motor2SM, &motorObj2)
每個馬達對象獨立地處理狀態(tài)執(zhí)行。這個Motor 結構用于存儲狀態(tài)機特定于實例的數(shù)據(jù)。在狀態(tài)函數(shù)中，使用SM_GetInstance()獲取指向Motor 對象在運行時初始化。
// Get pointer to the instance data and update currentSpeed Motor* pInstance = SM_GetInstance(Motor); pInstance->currentSpeed = pEventData->speed;
過渡圖
要注意的最后一個細節(jié)是狀態(tài)轉換規(guī)則。狀態(tài)機如何知道應該發(fā)生什么轉換？答案是過渡圖。轉換映射是映射currentState 變量為狀態(tài)枚舉常量。每個外部事件函數(shù)都有一個用三個宏創(chuàng)建的轉換映射表：
BEGIN_TRANSITION_MAP TRANSITION_MAP_ENTRY END_TRANSITION_MAP
這個MTR_Halt 事件函數(shù)Motor 將轉換映射定義為：
// Halt motor external event
EVENT_DEFINE(MTR_Halt, NoEventData)
{
// Given the Halt event, transition to a new state based upon
// the current state of the state machine
BEGIN_TRANSITION_MAP // - Current State -
TRANSITION_MAP_ENTRY(EVENT_IGNORED) // ST_Idle
TRANSITION_MAP_ENTRY(CANNOT_HAPPEN) // ST_Stop
TRANSITION_MAP_ENTRY(ST_STOP) // ST_Start
TRANSITION_MAP_ENTRY(ST_STOP) // ST_ChangeSpeed
END_TRANSITION_MAP(Motor, pEventData)
}
BEGIN_TRANSITION_MAP開始地圖。各TRANSITION_MAP_ENTRY它指示狀態(tài)機根據(jù)當前狀態(tài)應該做什么。每個轉換映射表中的條目數(shù)必須與狀態(tài)函數(shù)的數(shù)目完全匹配。在我們的例子中，我們有四個狀態(tài)函數(shù)，所以我們需要四個轉換映射條目。每個條目的位置與州映射中定義的狀態(tài)函數(shù)的順序相匹配。因此，第一個條目在MTR_Halt函數(shù)表示EVENT_IGNORED 如下所示：
TRANSITION_MAP_ENTRY (EVENT_IGNORED) // ST_Idle
這被解釋為“如果在當前狀態(tài)為狀態(tài)空閑時發(fā)生了暫停事件，只需忽略該事件”。
同樣，地圖上的第三個條目是：
TRANSITION_MAP_ENTRY (ST_STOP) // ST_Start
這表示“如果在當前為狀態(tài)啟動時發(fā)生了暫停事件，則轉換為狀態(tài)停止”。
END_TRANSITION_MAP 終止地圖。此宏的第一個參數(shù)是狀態(tài)機名稱。第二個參數(shù)是事件數(shù)據(jù)。
這個C_ASSERT()宏在END_TRANSITION_MAP。如果狀態(tài)機狀態(tài)數(shù)與轉換映射項的數(shù)目不匹配，則生成編譯時錯誤。
新的狀態(tài)機步驟
創(chuàng)建一個新的狀態(tài)機需要一些基本的高級步驟：
- 創(chuàng)建一個States 每個狀態(tài)函數(shù)有一個條目的枚舉
- 定義狀態(tài)函數(shù)
- 定義事件函數(shù)
- 創(chuàng)建一個狀態(tài)映射查找表。STATE_MAP宏
- 為每個外部事件函數(shù)創(chuàng)建一個轉換映射查找表。TRANSITION_MAP 宏
狀態(tài)引擎
狀態(tài)引擎基于生成的事件執(zhí)行狀態(tài)函數(shù)。轉換映射是SM_StateStruct類索引的實例。currentState 變量。當_SM_StateEngine()函數(shù)中查找正確的狀態(tài)函數(shù)。SM_StateStruct陣列。在狀態(tài)函數(shù)有機會執(zhí)行之后，它會釋放事件數(shù)據(jù)(如果有的話)，然后再檢查是否有任何內部事件是通過SM_InternalEvent().
// The state engine executes the state machine states
void _SM_StateEngine(SM_StateMachine* self, SM_StateMachineConst* selfConst)
{
void* pDataTemp = NULL;
ASSERT_TRUE(self);
ASSERT_TRUE(selfConst);
// While events are being generated keep executing states
while (self->eventGenerated)
{
// Error check that the new state is valid before proceeding
ASSERT_TRUE(self->newState < selfConst->maxStates);
// Get the pointers from the state map
SM_StateFunc state = selfConst->stateMap[self->newState].pStateFunc;
// Copy of event data pointer
pDataTemp = self->pEventData;
// Event data used up, reset the pointer
self->pEventData = NULL;
// Event used up, reset the flag
self->eventGenerated = FALSE;
// Switch to the new current state
self->currentState = self->newState;
// Execute the state action passing in event data
ASSERT_TRUE(state != NULL);
state(self, pDataTemp);
// If event data was used, then delete it
if (pDataTemp)
{
SM_XFree(pDataTemp);
pDataTemp = NULL;
}
}
}
用于保護、入口、狀態(tài)和退出操作的狀態(tài)引擎邏輯由以下順序表示。這個_SM_StateEngine()引擎只實現(xiàn)下面的#1和#5。擴展_SM_StateEngineEx()引擎使用整個邏輯序列。
- 評估狀態(tài)轉換表。如果EVENT_IGNORED，則忽略事件而不執(zhí)行轉換。如果CANNOT_HAPPEN軟件故障。否則，繼續(xù)下一步。
- 如果定義了保護條件，則執(zhí)行保護條件函數(shù)。如果保護條件返回FALSE，則忽略狀態(tài)轉換而不調用狀態(tài)函數(shù)。如果衛(wèi)兵回來TRUE，或者如果不存在保護條件，則執(zhí)行狀態(tài)函數(shù)。
- 如果為當前狀態(tài)定義了轉換到新狀態(tài)并定義了退出操作，則調用當前狀態(tài)退出操作函數(shù)。
- 如果為新狀態(tài)定義了轉換到新狀態(tài)并定義了條目操作，則調用新的狀態(tài)條目操作函數(shù)。
- 調用新狀態(tài)的狀態(tài)動作函數(shù)。新的狀態(tài)現(xiàn)在是當前的狀態(tài)。
生成事件
此時，我們有一個工作狀態(tài)機。讓我們看看如何為它生成事件。通過動態(tài)創(chuàng)建事件數(shù)據(jù)結構生成外部事件。SM_XAlloc()，分配結構成員變量，并使用SM_Event()宏。下面的代碼片段顯示了如何進行同步調用。
MotorData* data; // Create event data data = SM_XAlloc(sizeof(MotorData)); data->speed = 100; // Call MTR_SetSpeed event function to start motor SM_Event(Motor1SM, MTR_SetSpeed, data);
這個SM_Event()第一個參數(shù)是狀態(tài)機名稱。第二個參數(shù)是要調用的事件函數(shù)。第三個參數(shù)是事件數(shù)據(jù)，或者NULL 如果沒有數(shù)據(jù)。
若要從狀態(tài)函數(shù)內生成內部事件，請調用SM_InternalEvent()。如果目標不接受事件數(shù)據(jù)，那么最后一個參數(shù)是NULL。否則，使用SM_XAlloc().
SM_InternalEvent(ST_IDLE, NULL);
在上面的示例中，狀態(tài)函數(shù)完成執(zhí)行后，狀態(tài)機將轉換為ST_Idle狀態(tài)。另一方面，如果需要將事件數(shù)據(jù)發(fā)送到目標狀態(tài)，則需要在堆上創(chuàng)建數(shù)據(jù)結構并作為參數(shù)傳入。
MotorData* data; data = SM_XAlloc(sizeof(MotorData)); data->speed = 100; SM_InternalEvent(ST_CHANGE_SPEED, data);
不使用堆
必須動態(tài)創(chuàng)建所有狀態(tài)機事件數(shù)據(jù)。然而，在某些系統(tǒng)上，使用堆是不可取的。包括x_allocator模塊是一個固定的塊內存分配程序，它消除了堆的使用。定義USE_SM_ALLOCATOR內_StateMachine.c_若要使用固定塊分配器，請執(zhí)行以下操作。見參考文獻下面一節(jié)x_allocator信息。
離心機測試實例
這個CentrifugeTest 示例演示如何使用保護、入口和退出操作創(chuàng)建擴展狀態(tài)機。狀態(tài)圖如下所示：
圖2：離心測試狀態(tài)圖
A CentrifgeTest 對象和狀態(tài)機被創(chuàng)建。這里唯一的區(qū)別是狀態(tài)機是一個單例，意味著對象是private只有一個例子CentrifugeTest 可以被創(chuàng)造出來。這與Motor 允許多個實例的狀態(tài)機。
// CentrifugeTest object structure
typedef struct
{
INT speed;
BOOL pollActive;
} CentrifugeTest;
// Define private instance of motor state machine
CentrifugeTest centrifugeTestObj;
SM_DEFINE(CentrifugeTestSM, ¢rifugeTestObj)
擴展狀態(tài)機使用ENTRY_DECLARE, GUARD_DECLARE和EXIT_DECLARE 宏。
// State enumeration order must match the order of state
// method entries in the state map
enum States
{
ST_IDLE,
ST_COMPLETED,
ST_FAILED,
ST_START_TEST,
ST_ACCELERATION,
ST_WAIT_FOR_ACCELERATION,
ST_DECELERATION,
ST_WAIT_FOR_DECELERATION,
ST_MAX_STATES
};
// State machine state functions
STATE_DECLARE(Idle, NoEventData)
ENTRY_DECLARE(Idle, NoEventData)
STATE_DECLARE(Completed, NoEventData)
STATE_DECLARE(Failed, NoEventData)
STATE_DECLARE(StartTest, NoEventData)
GUARD_DECLARE(StartTest, NoEventData)
STATE_DECLARE(Acceleration, NoEventData)
STATE_DECLARE(WaitForAcceleration, NoEventData)
EXIT_DECLARE(WaitForAcceleration)
STATE_DECLARE(Deceleration, NoEventData)
STATE_DECLARE(WaitForDeceleration, NoEventData)
EXIT_DECLARE(WaitForDeceleration)
// State map to define state function order
BEGIN_STATE_MAP_EX(CentrifugeTest)
STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX(ST_Idle, 0, EN_Idle, 0)
STATE_MAP_ENTRY_EX(ST_Completed)
STATE_MAP_ENTRY_EX(ST_Failed)
STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX(ST_StartTest, GD_StartTest, 0, 0)
STATE_MAP_ENTRY_EX(ST_Acceleration)
STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX(ST_WaitForAcceleration, 0, 0, EX_WaitForAcceleration)
STATE_MAP_ENTRY_EX(ST_Deceleration)
STATE_MAP_ENTRY_ALL_EX(ST_WaitForDeceleration, 0, 0, EX_WaitForDeceleration)
END_STATE_MAP_EX(CentrifugeTest)
注意_EX擴展狀態(tài)映射宏，從而支持保護/進入/退出功能。每個警衛(wèi)/出入口DECLARE 宏必須與DEFINE。例如，StartTest 國家職能聲明為：
GUARD_DECLARE(StartTest, NoEventData)
保護條件函數(shù)返回TRUE 如果要執(zhí)行狀態(tài)函數(shù)或FALSE 不然的話。
// Guard condition to determine whether StartTest state is executed.
GUARD_DEFINE(StartTest, NoEventData)
{
printf("%s GD_StartTestn", self->name);
if (centrifugeTestObj.speed == 0)
return TRUE; // Centrifuge stopped. OK to start test.
else
return FALSE; // Centrifuge spinning. Can't start test.
}
多線程安全
若要防止狀態(tài)機正在執(zhí)行過程中由另一個線程搶占，請將StateMachine 模塊可以在_SM_ExternalEvent()功能。在允許執(zhí)行外部事件之前，可以鎖定信號量。在處理了外部事件和所有內部事件后，釋放了軟件鎖，允許另一個外部事件進入狀態(tài)機實例。
注釋指出，如果應用程序是多線程的，則應將鎖和解鎖放在何處。_和_多個線程能夠訪問單個狀態(tài)機實例。注意每個StateMachine 對象應該有自己的軟件鎖實例。這將防止單個實例鎖定并阻止所有其他實例。StateMachine對象執(zhí)行。只有在下列情況下才需要軟件鎖：StateMachine 實例由多個控制線程調用。如果沒有，則不需要鎖。
結語
使用此方法實現(xiàn)狀態(tài)機，而不是舊方法switch語句風格似乎是額外的努力。然而，回報在于一個更健壯的設計，能夠在整個多線程系統(tǒng)上統(tǒng)一使用。讓每一種狀態(tài)都具有自己的功能，比單個巨大的狀態(tài)更容易讀取。switch語句，并允許向每個狀態(tài)發(fā)送唯一的事件數(shù)據(jù)。此外，通過消除不必要的狀態(tài)轉換所造成的副作用，驗證狀態(tài)轉換可以防止客戶端濫用。
到此這篇關于C語言中的狀態(tài)機設計的文章就介紹到這了,更多相關C語言狀態(tài)機設計內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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