嵌入式軟件架構設計之狀態(tài)機

前言

功能業(yè)務代碼寫多了，回看代碼會發(fā)現(xiàn)用if-else if-else用的越來越多，因為有很多場景需要區(qū)分，不同場景下的功能不一樣，因此需要通過if做判斷，場景一旦多了起來起來，用if-else if-else就會越來越多。

這里的if-else if-else通常是用來區(qū)分不同場景下的功能實現(xiàn)，和上篇提到的表驅(qū)動編程還不太一樣。

為了避免這種情況，本編介紹一種開發(fā)方法-- 狀態(tài)機編程 。

為什么需要狀態(tài)機編程？相信很多人在實現(xiàn)if判斷的時候，偶爾會出現(xiàn)不小心漏掉或者寫錯一些觸發(fā)條件，導致功能出現(xiàn)異常的問題，特別是一些復雜的邏輯條件，一大堆的&&/||/()等眼花繚亂的復雜邏輯，寫完之后恐怕自己都得檢查好一會，擔心是不是哪個條件不能正常觸發(fā)。狀態(tài)機通常采用 switch-case實現(xiàn)。

那么狀態(tài)機的引入解決了哪些問題呢？

• 當程序有多個狀態(tài)時，規(guī)范了程序的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，避免了一些引入一些復雜的判斷邏輯。
• 規(guī)范了程序在不同狀態(tài)下的實現(xiàn)和所能提供的能力。
• 在能力上可以進行橫向擴展，提供新的狀態(tài)來完善現(xiàn)有邏輯
• 邏輯清楚，實現(xiàn)過程會多考慮一些情況，方便定位問題所在

介紹

什么是狀態(tài)機？

狀態(tài)機是有限狀態(tài)自動機（FSM）的簡稱，是現(xiàn)實事物運行規(guī)則抽象而成的一個 數(shù)學模型 。

簡單理解就是：現(xiàn)實事物是有不同狀態(tài)的，比如燈，就有“亮”和“滅”兩種狀態(tài)，再復雜抽象一點，增加一個“損壞”狀態(tài)，那這屬于異常情況了。

概念

• 現(xiàn)態(tài)：當前所處的狀態(tài)，一個狀態(tài)機至少要包含兩個狀態(tài)，某一時刻只能是一種狀態(tài)，比如剛才說到的燈，就有“亮”和“滅”兩種狀態(tài)
• 條件：又稱事件，執(zhí)行某個操作的觸發(fā)條件或者口令，比如燈通過開關控制，操作開關就是一個事件
• 動作：事件發(fā)生以后要執(zhí)行動作，比如開關按下開關，燈亮，松開則滅
• 次態(tài)：條件滿足后要遷往的新狀態(tài)，比如開關按下后燈從當前滅的狀態(tài)變?yōu)榱恋臓顟B(tài)

用過"RTOS"的朋友應該也知道任務的幾種狀態(tài)，任務的四種狀態(tài)分別是： 就緒態(tài)、運行態(tài)、阻塞態(tài)、掛起態(tài) ，不會同時出現(xiàn)兩種及兩種以上的狀態(tài)存在，OS 根據(jù)當前的狀態(tài)，和任務優(yōu)先級、滴答時鐘、主動睡眠等條件進行任務的狀態(tài)切換。

狀態(tài)機的動作類型

• 進入動作：在進入狀態(tài)時進行
• 退出動作：在退出狀態(tài)時進行
• 輸入動作：依賴于當前狀態(tài) 和 輸入條件進行
• 轉(zhuǎn)移動作：在進行特定轉(zhuǎn)移時進行

實現(xiàn)

首先，看一個簡單的例子，在不同場景下實現(xiàn)控制電機的功能：設備開機啟動三次電機、開關按下一次啟動一次、關機啟動三次電機。采用非狀態(tài)機的寫法，通過各種標志位去判斷設備是否需要控制電機，什么條件下退出等。

只是簡單的實現(xiàn)一下，可能其中也有一些狀態(tài)機的思想吧（畢竟狀態(tài)機編程思想已經(jīng)在腦海里，不可避免吧），不過我還是盡量還原我初次編程期間的實現(xiàn)這個功能的邏輯思想吧，勿怪。

/* 控制電機函數(shù) */
void MotorCtrlTask(void)
{
    if (ctrlCnt)
    {
        MotorCtrl(ON);
        delay(1);
        MotorCtrl(OFF);
    }
    else
    {
        MotorCtrl(OFF);
    }
}

int isPowerOn = true;
int isPowerOff = false;
int ctrlCnt = 0;

void main(void)
{   
    while (1)
    {
        if (isPowerOn)
        {
            isPowerOn = false;
            ctrlCnt = 3;
        }

        if (keyPress)
        {
            keyPress = false;
            ctrlCnt = 1;
        }

        if (...)  // 關機條件
        {
            if (ctrlCnt == 0 && !isPowerOff && !isPowerOn)
            {
                isPowerOff = true;
                ctrlCnt = 3;
            }
        }

        MotorCtrlTask();

        if (ctrlCnt > 0)
            ctrlCnt--;
        else
        {
            if (ctrlCnt == 0 && isPowerOff && !isPowerOn)
            {
                return;
            }
        }
    }
}

通過采用狀態(tài)機編程的方式，首先考慮的就是有三種狀態(tài)：開機、關機和工作狀態(tài)，先理清楚三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的條件和當前狀態(tài)需要執(zhí)行的相關功能，然而在實現(xiàn)過程中就會意識到還需要增加一種過渡狀態(tài)：關機準備中（關機過程中需要執(zhí)行的一系列操作）。

只有邏輯清晰了，才會下意識的察覺少了一些東西了，特別是一些臨界處理等。

int sysState = POWER_OFF; // 默認關機狀態(tài)
int ctrlCnt = 0;

/* 控制電機函數(shù) */
void MotorCtrlTask(void)
{
    if (ctrlCnt)
    {
        MotorCtrl(ON);
        delay(1);
        MotorCtrl(OFF);
    }
    else
    {
        MotorCtrl(OFF);
    }
}

void main(void)
{
    while (1)
    {
        switch (sysState)
        {
            case POWER_OFF: // 關機狀態(tài)
                sysState = POWER_ON; // 自動切換成開機狀態(tài)
                ctrlCnt = 3;
                break;
            case POWER_ON:  // 開機過程狀態(tài)
                ... // 開機過程中的其他功能

                if (ctrlCnt == 0) // 控制結(jié)束自動切換工作狀態(tài)
                {
                    sysState = WORKING;
                    break;
                }
                break;
            case WORKING:  // 工作狀態(tài)
                if (...) // 關機條件
                {
                    sysState = POWER_OFF_READY;
                    ctrlCnt = 3;
                    break;
                }

                if (keyPress)
                {
                    keyPress = false;
                    ctrlCnt = 1;
                }
                break;

            case POWER_OFF_READY:  // 關機準備中
                ... // 關機準備中的其他功能

                if (ctrlCnt == 0) // 控制結(jié)束自動退出
                {
                    sysState = POWER_OFF;
                    return; // 退出程序
                }
                break;

            default:
                break;
        }

        MotorCtrlTask();

        if (ctrlCnt > 0)
            ctrlCnt--;
    }
}

總結(jié)：從上述兩份代碼看，你覺得哪一個邏輯更清晰呢？非狀態(tài)機實現(xiàn)方式還有一些異常處理沒有實現(xiàn)，比如開機過程中在啟動三次調(diào)節(jié)電機過程中按下會有什么現(xiàn)象呢，為了避免這種情況又需要加入多少if條件判斷呢？

適用場景

狀態(tài)機應用范圍挺廣的，不止是在C語言中，其他都能使用，準確來說這個屬于一種編程思想。特別是業(yè)務功能，狀態(tài)機是常用的。

比如常常使用的模塊也有狀態(tài)機的身影：比如按鍵的按下和松開，按下又包括按下瞬間、多次按下、持續(xù)按下、松開瞬間和持續(xù)松開等

通常狀態(tài)機和表驅(qū)動可以結(jié)合使用，狀態(tài)機的現(xiàn)態(tài)、條件、動作和次態(tài)作為數(shù)據(jù)，執(zhí)行這些狀態(tài)切換的作為邏輯。完全可以根據(jù)實際情況靈活使用。

代碼參考：

菜單 ：菜單控制，可以這樣理解：當前菜單界面為現(xiàn)態(tài)、菜單進入和退出為條件、菜單切換時的函數(shù)執(zhí)行為動作、上下級菜單理解為次態(tài)，其中菜單選項表就靈活使用了狀態(tài)機和表驅(qū)動的方式。

https://gitee.com/const-zpc/menu.git

ESP8266 ：AT指令數(shù)據(jù)表，包含指令、期望響應、時間和函數(shù)指針【后續(xù)的動作】等，可以這樣理解：數(shù)組索引當前值為現(xiàn)態(tài)、收到響應和超時為條件、收到響應或超時執(zhí)行的函數(shù)為動作、數(shù)組索引的未來值為次態(tài)

https://gitee.com/const-zpc/esp8266