C語言實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)設(shè)計的技巧與策略

狀態(tài)機(jī)模式是一種行為模式，通過多態(tài)實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的調(diào)轉(zhuǎn)行為的確是一種很好的方法，只可惜在嵌入式環(huán)境下，有時只能寫純C代碼，并且還需要考慮代碼的重入和多任務(wù)請求跳轉(zhuǎn)等情形，因此實(shí)現(xiàn)起來著實(shí)需要一番考慮。

近日在看了一個開源系統(tǒng)時，看到了一個狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)，也學(xué)著寫了一個，與大家分享。

首先，分析一下一個普通的狀態(tài)機(jī)究竟要實(shí)現(xiàn)哪些內(nèi)容。

狀態(tài)機(jī)存儲從開始時刻到現(xiàn)在的變化，并根據(jù)當(dāng)前輸入，決定下一個狀態(tài)。這意味著，狀態(tài)機(jī)要存儲狀態(tài)、獲得輸入（我們把它叫做跳轉(zhuǎn)條件）、做出響應(yīng)。

如上圖所示，{s1, s2, s3}均為狀態(tài)，箭頭c1/a1表示在s1狀態(tài)、輸入為c1時，跳轉(zhuǎn)到s2，并進(jìn)行a1操作。 ? 最下方為一組輸入，狀態(tài)機(jī)應(yīng)做出如下反應(yīng)：

當(dāng)某個狀態(tài)遇到不能識別的輸入時，就默認(rèn)進(jìn)入陷阱狀態(tài)，在陷阱狀態(tài)中，不論遇到怎樣的輸入都不能跳出。 ? 為了表達(dá)上面這個自動機(jī)，我們定義它們的狀態(tài)和輸入類型：

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?

typedef?int?State;
typedef int Condition;


#define STATES 3 + 1
#define STATE_1 0
#define STATE_2 1
#define STATE_3 2
#define STATE_TRAP 3


#define CONDITIONS 2
#define CONDITION_1 0
#define CONDITION_2 1

在嵌入式環(huán)境中，由于存儲空間比較小，因此把它們?nèi)慷x成宏。此外，為了降低執(zhí)行時間的不確定性，我們使用O(1)的跳轉(zhuǎn)表來模擬狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。 ? 首先定義跳轉(zhuǎn)類型：

typedef void (*ActionType)(State state, Condition condition);


typedef struct
{
    State next;
    ActionType action;
} Trasition, * pTrasition;

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然后按照上圖中的跳轉(zhuǎn)關(guān)系，把三個跳轉(zhuǎn)加一個陷阱跳轉(zhuǎn)先定義出來：

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// (s1, c1, s2, a1)
Trasition t1 = {
    STATE_2,
    action_1
};


// (s2, c2, s3, a2)
Trasition t2 = {
    STATE_3,
    action_2
};


// (s3, c1, s2, a3)
Trasition t3 = {
    STATE_2,
    action_3
};


// (s, c, trap, a1)
Trasition tt = {
    STATE_TRAP,
    action_trap
};

?

?

其中的動作，由用戶自己完成，在這里僅定義一條輸出語句。

?

?

void?action_1(State?state,?Condition?condition)
{
  printf("Action 1 triggered.
");
}

?

?

然后定義跳轉(zhuǎn)表，即可表達(dá)上文中的跳轉(zhuǎn)關(guān)系。

?

?

pTrasition transition_table[STATES][CONDITIONS] = {
/*      c1,  c2*/
/* s1 */&t1, &tt,
/* s2 */&tt, &t2,
/* s3 */&t3, &tt,
/* st */&tt, &tt,
};

?

?

最后定義狀態(tài)機(jī)，如果不考慮多任務(wù)請求，那么狀態(tài)機(jī)僅需要存儲當(dāng)前狀態(tài)便行了，例如：

?

?

typedef?struct
{
    State current;
} StateMachine, * pStateMachine;


State step(pStateMachine machine, Condition condition)
{
    pTrasition t = transition_table[machine->current][condition];
    (*(t->action))(machine->current, condition);
    machine->current = t->next;
return machine->current;
}

? 但是考慮到當(dāng)一個跳轉(zhuǎn)正在進(jìn)行的時候，同時又有其他任務(wù)請求跳轉(zhuǎn)，則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問題。 ? 舉個例子：task1(s1, c1/a1 –> s2)和task2(s2, c2/a2 –> s3)先后執(zhí)行，是可以順利到達(dá)s3狀態(tài)的，但若操作a1運(yùn)行的時候，執(zhí)行權(quán)限被task2搶占，則task2此時看到的當(dāng)前狀態(tài)還是s1，s1遇到c2就進(jìn)入陷阱狀態(tài)，而不會到達(dá)s3了，也就是說，狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)發(fā)生了不確定，這是不能容忍的。 ? 因此要重新設(shè)計狀態(tài)機(jī)，增加一個“事務(wù)中”條件和一個用于存儲輸入的條件隊列。修改后的代碼如下:

#define E_OK        0
#define E_NO_DATA   1
#define E_OVERFLOW  2


typedef struct
{
  Condition queue[QMAX];
  int head;
  int tail;
  bool overflow;
} ConditionQueue, * pConditionQueue;




int push(ConditionQueue * queue, Condition c)
{   
  unsigned int flags;
  Irq_Save(flags);
  if ((queue->head == queue->tail + 1) || ((queue->head == 0) && (queue->tail == 0)))
  {
    queue->overflow = true;
    Irq_Restore(flags);
    return E_OVERFLOW;
  }
  else
  {
    queue->queue[queue->tail] = c;
    queue->tail = (queue->tail + 1) % QMAX;
    Irq_Restore(flags);
  }
  return E_OK;
}


int poll(ConditionQueue * queue, Condition * c)
{
    unsigned int flags;
    Irq_Save(flags);
    if (queue->head == queue->tail)
    {
        Irq_Restore(flags);
        return E_NO_DATA;
    }
    else
    {
        *c = queue->queue[queue->head];
        queue->overflow = false;
        queue->head = (queue->head + 1) % QMAX;
        Irq_Restore(flags);
    }
    return E_OK;
}


typedef struct
{
    State current;
    bool inTransaction;
    ConditionQueue queue;
} StateMachine, * pStateMachine;


static State __step(pStateMachine machine, Condition condition)
{
    State current = machine -> current;
    pTrasition t = transition_table[current][condition];
    (*(t->action))(current, condition);
    current = t->next;
    machine->current = current;
    return current;
}


State step(pStateMachine machine, Condition condition)
{
    Condition next_condition;
    int status;
    State current;
    if (machine->inTransaction)
    {
        push(&(machine->queue), condition);
        return STATE_INTRANSACTION;
    }
    else
    {
        machine->inTransaction = true;
        current = __step(machine, condition);
        status = poll(&(machine->queue), &next_condition);
        while(status == E_OK)
        {
            __step(machine, next_condition);
            status = poll(&(machine->queue), &next_condition);
        }
        machine->inTransaction = false;
        return current;
    }
}


void initialize(pStateMachine machine, State s)
{
    machine->current = s;
    machine->inTransaction = false;
    machine->queue.head = 0;
    machine->queue.tail = 0;
    machine->queue.overflow = false;
}

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審核編輯：黃飛