用C语言实现状态机设计模式

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;
}