用C语言实现状态机设计模式，状态机设计模式

状态机模式是一种行为模式，在《设计模式》这本书中对其有详细的描述，通过多态实现不同状态的调转行为的确是一种很好的方法，只可惜在嵌入式环境下，有时只能写纯C代码，并且还需要考虑代码的重入和多任务请求跳转等情形，因此实现起来着实需要一番考虑。

近日在看了一个开源系统时，看到了一个状态机的实现，也学着写了一个，与大家分享。

首先，分析一下一个普通的状态机究竟要实现哪些内容。

状态机存储从开始时刻到现在的变化，并根据当前输入，决定下一个状态。这意味着，状态机要存储状态、获得输入（我们把它叫做跳转条件）、做出响应。

如上图所示，{s1, s2, s3}均为状态，箭头c1/a1表示在s1状态、输入为c1时，跳转到s2，并进行a1操作。

最下方为一组输入，状态机应做出如下反应：

当前状态	输入	下一个状态	动作
s1	c1	s2	a1
s2	c2	s3	a2
s3	c1	s2	a3
s2	c2	s3	a2
s3	c1	s2	a3
s2	c1	s_trap	a_trap
s_trap	c1	s_trap	a_trap

当某个状态遇到不能识别的输入时，就默认进入陷阱状态，在陷阱状态中，不论遇到怎样的输入都不能跳出。

为了表达上面这个自动机，我们定义它们的状态和输入类型：

 

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

 

在嵌入式环境中，由于存储空间比较小，因此把它们全部定义成宏。此外，为了降低执行时间的不确定性，我们使用O(1)的跳转表来模拟状态的跳转。

首先定义跳转类型：

 

typedef void(*ActionType)(State state, Condition condition); typedef struct{ State next; ActionType action;} Trasition, * pTrasition;

 

然后按照上图中的跳转关系，把三个跳转加一个陷阱跳转先定义出来：

 

// (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};

 

其中的动作，由用户自己完成，在这里仅定义一条输出语句。

 

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

 

最后定义跳转表：

 

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

 

即可表达上文中的跳转关系。

最后定义状态机，如果不考虑多任务请求，那么状态机仅需要存储当前状态便行了。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;}

 

但是考虑到当一个跳转正在进行的时候，同时又有其他任务请求跳转，则会出现数据不一致的问题。

举个例子：task1(s1, c1/a1 –> s2) 和 task2(s2, c2/a2 –> s3) 先后执行，是可以顺利到达s3状态的，但若操作a1运行的时候，执行权限被task2抢占，则task2此时看到的当前状态还是s1，s1遇到c2就进入陷阱状态，而不会到达s3了，也就是说，状态的跳转发生了不确定，这是不能容忍的。

因此要重新设计状态机，增加一个“事务中”条件和一个用于存储输入的条件队列。修改后的代码如下:

 

#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;}