Linux有限状态机FSM的理解与实现

吾爱主题阅读：166 2024-04-05 13:51:15 评论：0

有限状态机（finite state machine）简称fsm，表示有限个状态及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，在计算机领域有着广泛的应用。fsm是一种逻辑单元内部的一种高效编程方法，在服务器编程中，服务器可以根据不同状态或者消息类型进行相应的处理逻辑，使得程序逻辑清晰易懂。

那有限状态机通常在什么地方被用到？

处理程序语言或者自然语言的 tokenizer,自底向上解析语法的parser，
各种通信协议发送方和接受方传递数据对消息处理，游戏ai等都有应用场景。

状态机有以下几种实现方法，我将一一阐述它们的优缺点。

一、使用if/else if语句实现的fsm
使用if/else if语句是实现的fsm最简单最易懂的方法，我们只需要通过大量的if /else if语句来判断状态值来执行相应的逻辑处理。

看看下面的例子，我们使用了大量的if/else if语句实现了一个简单的状态机，做到了根据状态的不同执行相应的操作，并且实现了状态的跳转。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 // 比如我们定义了小明一天的状态如下 enum { get_up, go_to_school, have_lunch, go_home, do_homework, sleep , }; int main() { int state = get_up; // 小明的一天 while (1) { if (state == get_up) { getup(); // 具体调用的函数 state = go_to_school; // 状态的转移 } else if (state == go_to_school) { go2school(); state = have_lunch; } else if (state == have_lunch) { havelunch(); } ... else if (state == sleep ) { go2bed(); state = get_up; } } return 0; }

看完上面的例子，大家有什么感受？是不是感觉程序虽然简单易懂，但是使用了大量的if判断语句，使得代码很低端，同时代码膨胀的比较厉害。这个状态机的状态仅有几个，代码膨胀并不明显，但是如果我们需要处理的状态有数十个的话，该状态机的代码就不好读了。

二、使用switch实现fsm

使用switch语句实现的fsm的结构变得更为清晰了，其缺点也是明显的：这种设计方法虽然简单，通过一大堆判断来处理，适合小规模的状态切换流程，但如果规模扩大难以扩展和维护。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 int main() { int state = get_up; // 小明的一天 while (1) { switch(state) { case get_up: getup(); // 具体调用的函数 state = go_to_school; // 状态的转移 break ; case go_to_school: go2school(); state = have_lunch; break ; case have_lunch: havelunch(); state = go_home; break ; ... default: break ; } } return 0; }

三、使用函数指针实现fsm

使用函数指针实现fsm的思路：建立相应的状态表和动作查询表，根据状态表、事件、动作表定位相应的动作处理函数，执行完成后再进行状态的切换。

当然使用函数指针实现的fsm的过程还是比较费时费力，但是这一切都是值得的，因为当你的程序规模大时候，基于这种表结构的状态机，维护程序起来也是得心应手。

下面给出一个使用函数指针实现的fsm的框架：

我们还是以“小明的一天”为例设计出该fsm。

先给出该fsm的状态转移图：

下面讲解关键部分代码实现

首先我们定义出小明一天的活动状态

1 2 3 4 5 6 7 8 9 // 比如我们定义了小明一天的状态如下 enum { get_up, go_to_school, have_lunch, do_homework, sleep , };

我们也定义出会发生的事件

1 2 3 4 5 6 enum { event1 = 1, event2, event3, };

定义状态表的数据结构

1 2 3 4 5 6 7 typedef struct fsmtable_s { int event; // 事件 int curstate; // 当前状态 void (*eventactfun)(); // 函数指针 int nextstate; // 下一个状态 }fsmtable_t;

接下来定义出最重要fsm的状态表，我们整个fsm就是根据这个定义好的表来运转的。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 fsmtable_t xiaomingtable[] = { // {到来的事件，当前的状态，将要要执行的函数，下一个状态} { event1, sleep , getup, get_up }, { event2, get_up, go2school, go_to_school }, { event3, go_to_school, havelunch, have_lunch }, { event1, have_lunch, dohomework, do_homework }, { event2, do_homework, go2bed, sleep }, //add your codes here };

状态机的注册、状态转移、事件处理的动作实现

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主函数我们这样写，然后观察状态机的运转情况

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 int main() { fsm_t fsm; initfsm(&fsm); int event = event1; // 小明的一天,周而复始的一天又一天，进行着相同的活动 while (1) { printf ( "event %d is coming...\n" , event); fsm_eventhandle(&fsm, event); printf ( "fsm current state %d\n" , fsm.curstate); test (&event); sleep (1); // 休眠1秒，方便观察 } return 0; }