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一文詳解Go語言中的有限狀態(tài)機(jī)FSM

更新時(shí)間：2023年04月25日 08:32:01 作者：畫個(gè)一樣的我

有限狀態(tài)機(jī)（Finite?State?Machine，F(xiàn)SM）是一種數(shù)學(xué)模型，用于描述系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的行為和轉(zhuǎn)移條件。本文主要來和大家簡單講講Go語言中的有限狀態(tài)機(jī)FSM的使用，需要的可以參考一下

1、FSM簡介

1.1 有限狀態(tài)機(jī)的定義

有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine，F(xiàn)SM）是一種數(shù)學(xué)模型，用于描述系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的行為和轉(zhuǎn)移條件。

狀態(tài)機(jī)有三個(gè)組成部分：狀態(tài)（State）、事件（Event）、動(dòng)作（Action），事件（轉(zhuǎn)移條件）觸發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作的執(zhí)行。動(dòng)作的執(zhí)行不是必須的，可以只轉(zhuǎn)移狀態(tài)，不指定任何動(dòng)作?？傮w而言，狀態(tài)機(jī)是一種用以表示有限個(gè)狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作的執(zhí)行等行為的數(shù)學(xué)模型。

狀態(tài)機(jī)可以用公式State(S) , Event(E) -> Actions (A), State(S’)表示，即在處于狀態(tài)S的情況下，接收到了事件E，使得狀態(tài)轉(zhuǎn)移到了S’，同時(shí)伴隨著動(dòng)作A的執(zhí)行。

Event（事件）是指觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)或條件。它可以是任何類型的輸入，例如傳感器數(shù)據(jù)、用戶輸入、網(wǎng)絡(luò)消息等。在編程中，Event通常是一個(gè)枚舉類型，每個(gè)枚舉值代表一個(gè)特定的事件。

State（狀態(tài)）是指系統(tǒng)在某一時(shí)刻所處的狀態(tài)，它是系統(tǒng)的一種抽象描述。在有限狀態(tài)機(jī)中，狀態(tài)是由一組狀態(tài)變量來描述的，這些狀態(tài)變量的取值決定了系統(tǒng)的狀態(tài)。狀態(tài)可以是離散的，也可以是連續(xù)的。在有限狀態(tài)機(jī)中，狀態(tài)通常用一個(gè)圓圈來表示，圓圈內(nèi)部寫上狀態(tài)的名稱。例如，一個(gè)簡單的有限狀態(tài)機(jī)可以有兩個(gè)狀態(tài)：開和關(guān)，它們可以用以下方式表示：

Action（動(dòng)作）是指在狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)執(zhí)行的操作或動(dòng)作。當(dāng)有限狀態(tài)機(jī)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，可以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)action來改變系統(tǒng)的狀態(tài)或執(zhí)行某些操作。例如，當(dāng)有限狀態(tài)機(jī)從“待機(jī)”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到“運(yùn)行”狀態(tài)時(shí)，可以執(zhí)行一個(gè)action來啟動(dòng)系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，action可以是任何有效的代碼，例如函數(shù)調(diào)用、變量賦值、打印輸出等。

FSM 通常用于編程中，用于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移和控制流程。

注意：

在任何時(shí)刻，F(xiàn)SM 只能處于一種狀態(tài)。

1.2 Go中的FSM

通過上面關(guān)于有限狀態(tài)機(jī)的定義，我們大概知道了狀態(tài)機(jī)是個(gè)什么東西，那么Golang中是怎么實(shí)現(xiàn)的呢。不用慌，已經(jīng)有大佬實(shí)現(xiàn)好了，只管用就好了。

安裝：

go get github.com/looplab/fsm@v1.0.1

接下來一起看看github.com/looplab/fsm是如何使用的。

2、github.com/looplab/fsm 如何使用

注意：

不同版本的 fsm 使用方式，可能不太一樣，最好是看下 NewFSM 函數(shù)的注釋，看下具體的細(xì)節(jié)。本篇文章以：github.com/looplab/fsm@v1.0.1 為例。

2.1 fsm 基礎(chǔ)使用

這里把官方的例子改了下，感覺官方的例子不是很清晰。代碼如下：

package main

import (
	"context"
	"fmt"

	"github.com/looplab/fsm"
)

type Door struct {
	Name  string
	FSM *fsm.FSM
}

func NewDoor(name string) *Door {
	d := &Door{
		Name: name,
	}

	d.FSM = fsm.NewFSM(
		"closed",
		fsm.Events{
			{Name: "open", Src: []string{"closed"}, Dst: "open"},
			{Name: "close", Src: []string{"open"}, Dst: "closed"},
		},
		fsm.Callbacks{
			"enter_state": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.enterState(e) },
		},
	)

	return d
}

func (d *Door) enterState(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("The door's name:%s , current state:%s\n", d.Name, e.Dst)
}

func main() {
	door := NewDoor("測試")

	fmt.Printf("fsm current state: %s \n", door.FSM.Current())

	err := door.FSM.Event(context.Background(), "open")
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
	}
	fmt.Printf("fsm current state: %s \n", door.FSM.Current())

	err = door.FSM.Event(context.Background(), "close")
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
	}
	fmt.Printf("fsm current state: %s \n", door.FSM.Current())
}

執(zhí)行結(jié)果：

fsm current state: closed
The door's name:測試 , current state:open
fsm current state: open
The door's name:測試 , current state:closed
fsm current state: closed

這里就通過Event改變FSM中的狀態(tài)。轉(zhuǎn)移公式為：Src，Event -> Dst，d.enterState。大意就是接受到了輸入Event，狀態(tài)機(jī)的State由Src->Dst，并且執(zhí)行了Action：d.enterState。

2.2 fsm 中 Action 何時(shí)執(zhí)行

剛開始使用的時(shí)候，好奇d.enterState(e)是什么時(shí)候調(diào)用的，我們一起看看 NewFSM 中的注釋就清楚了。

// NewFSM constructs a FSM from events and callbacks.
//
// The events and transitions are specified as a slice of Event structs
// specified as Events. Each Event is mapped to one or more internal
// transitions from Event.Src to Event.Dst.
// Callbacks are added as a map specified as Callbacks where the key is parsed
// as the callback event as follows, and called in the same order:
//
// 1. before_<EVENT> - called before event named <EVENT>
//
// 2. before_event - called before all events
//
// 3. leave_<OLD_STATE> - called before leaving <OLD_STATE>
//
// 4. leave_state - called before leaving all states
//
// 5. enter_<NEW_STATE> - called after entering <NEW_STATE>
//
// 6. enter_state - called after entering all states
//
// 7. after_<EVENT> - called after event named <EVENT>
//
// 8. after_event - called after all events
//
// There are also two short form versions for the most commonly used callbacks.
// They are simply the name of the event or state:
//
// 1. <NEW_STATE> - called after entering <NEW_STATE>
//
// 2. <EVENT> - called after event named <EVENT>
//
// If both a shorthand version and a full version is specified it is undefined
// which version of the callback will end up in the internal map. This is due
// to the pseudo random nature of Go maps. No checking for multiple keys is
// currently performed.

從上面我們知道了，d.enterState(e) 是在called after entering all states 時(shí)執(zhí)行的。

2.2.1 完整版書寫的Callbacks執(zhí)行順序

從上面的注釋能知道完整版書寫的Callbacks的執(zhí)行順序如下:

2.2.2 簡寫版的Callbacks執(zhí)行順序

2.2.3 注意事項(xiàng)

雖然Callbacks的寫法有兩種，但是不能同時(shí)使用完整版和簡寫版，否則最終使用那個(gè)版本是不確定的。

2.3 較為完整的例子

package main

import (
	"context"
	"fmt"

	"github.com/looplab/fsm"
)

type Door struct {
	Name  string
	FSM *fsm.FSM
}

func NewDoor(name string) *Door {
	d := &Door{
		Name: name,
	}

	d.FSM = fsm.NewFSM(
		"closed",
		fsm.Events{
			{Name: "open", Src: []string{"closed"}, Dst: "open"},
			{Name: "close", Src: []string{"open"}, Dst: "closed"},
		},
		fsm.Callbacks{
			"before_open": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.beforeOpen(e) },
			"before_event": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.beforeEvent(e) },
			"leave_closed": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.leaveClosed(e) },
			"leave_state": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.leaveState(e) },
			"enter_open": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.enterOpen(e) },
			"enter_state": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.enterState(e) },
			"after_open": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.afterOpen(e) },
			"after_event": func(_ context.Context, e *fsm.Event) { d.afterEvent(e) },
		},
	)

	return d
}

func (d *Door) beforeOpen(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("beforeOpen, current state:%s, Dst:%s \n", d.FSM.Current(), e.Dst)
}

func (d *Door) beforeEvent(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("beforeEvent, current state:%s, Dst:%s \n", d.FSM.Current(), e.Dst)
}

func (d *Door) leaveClosed(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("leaveClosed, current state:%s, Dst:%s \n", d.FSM.Current(), e.Dst)
}

func (d *Door) leaveState(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("leaveState, current state:%s, Dst:%s \n", d.FSM.Current(), e.Dst)
}


func (d *Door) enterOpen(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("enterOpen, current state:%s, Dst:%s \n", d.FSM.Current(), e.Dst)
}


func (d *Door) enterState(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("enterState, current state:%s, Dst:%s \n", d.FSM.Current(), e.Dst)
}


func (d *Door) afterOpen(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("afterOpen, current state:%s, Dst:%s \n", d.FSM.Current(), e.Dst)
}

func (d *Door) afterEvent(e *fsm.Event) {
	fmt.Printf("afterEvent, current state:%s, Dst:%s \n", d.FSM.Current(), e.Dst)
}



func main() {
	door := NewDoor("測試")

	fmt.Printf("fsm current state: %s \n", door.FSM.Current())

	err := door.FSM.Event(context.Background(), "open")
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
	}
	fmt.Printf("fsm current state: %s \n", door.FSM.Current())

	err = door.FSM.Event(context.Background(), "close")
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
	}
	fmt.Printf("fsm current state: %s \n", door.FSM.Current())
}

執(zhí)行結(jié)果：大家重點(diǎn)看current state何時(shí)發(fā)生的變化。

fsm current state: closed
beforeOpen, current state:closed, Dst:open
beforeEvent, current state:closed, Dst:open
leaveClosed, current state:closed, Dst:open
leaveState, current state:closed, Dst:open
enterOpen, current state:open, Dst:open
enterState, current state:open, Dst:open
afterOpen, current state:open, Dst:open
afterEvent, current state:open, Dst:open
fsm current state: open
beforeEvent, current state:open, Dst:closed
leaveState, current state:open, Dst:closed
enterState, current state:closed, Dst:closed
afterEvent, current state:closed, Dst:closed
fsm current state: closed

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