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：

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 (*eventAc tFun)(); //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};

状态机的注册、状态转移、事件处理的动作实现

/*状态机注册*/void FSM_Regist(FSM_t* pFsm, FsmTable_t* pTable){ pFsm->FsmTable = pTable;}/*状态迁移*/void FSM_StateTransfer(FSM_t* pFsm, int state){ pFsm->curState = state;}/*事件处理*/void FSM_EventHandle(FSM_t* pFsm, int event){ FsmTable_t* pActTable = pFsm->FsmTable; void (*eventActFun)() = NULL; //函数指针初始化为空 int NextState; int CurState = pFsm->curState; int flag = 0; //标识是否满足条件 int i; /*获取当前动作函数*/ for (i = 0; i//当且仅当当前状态下来个指定的事件，我才执行它 if (event == pActTable[i].event && CurState == pActTable[i].CurState) { flag = 1; eventActFun = pActTable[i].eventActFun; NextState = pActTable[i].NextState; break; } } if (flag) //如果满足条件了 { /*动作执行*/ if (eventActFun) { eventActFun(); } //跳转到下一个状态 FSM_StateTransfer(pFsm, NextState); } else { // do nothing }}

主函数我们这样写，然后观察状态机的运转情况

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;}

看一看该状态机跑起来的状态转移情况：