Linux编程之有限状态机FSM的理解与实现

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。

//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。

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:

Linux编程之有限状态机FSM的理解与实现

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

//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

enum { EVENT1 = 1, EVENT2, EVENT3, };

定义状态表的数据结构

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。

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 };

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