普通的年轻状态机，纯C语言

我们第一次接触到了状态机。在数字电路课程。计数器、串行奇偶校验、考了1连续报错电路 等待，两者都需要一个状态机模型。电路实现这些功能，与状态机的状态转移图、状态转移表是等价。



后。然后，我们联系了状态机，它是在编译原理课程。符串。

再后来。我们在GUI界面设计中，须要设置一些控件在某些条件下 禁用，某些条件下使能，某些条件下打个对号。这也能够用状态机模型来控制。



1. 不要写成 消息响应/事件处理



状态机和消息响应都是 双层 switch-case 结构。不同的是，状态机的外层是状态，内层是消息。消息响应外层是消息，内层是状态。



有的同学会说。那又有多大的差别呢？代码仅仅是外在形式而非本质，它所反应的是你对模型的理解，或者说。对于问题，你使用了哪种模型。



消息响应适合于这种情形：有非常多种消息，对于同一种消息，你的程序总是给出同一种反应。打个例如。你女朋友喜欢吃冰淇淋，不论什么时候你给她买，她都高兴，或者转怒为喜，或者转悲为喜，总之，会置心情为"喜"。这种情形，适合用消息响应解决。

而状态机适合于还有一种情形，你的程序是"有状态的"，它在不同的情况 (状态)下，会对同一消息做出不同的反应。状态，是一种数据。可是它影响流程的行为。

按面向对象的观点。数据与流程间的这样的高内聚关系，很适合用 类 来实现。

这是题外话。我们回到女朋友和冰淇淋间的关系。你女朋友可能并不是在不论什么情况下吃了冰淇淋都高兴，比方刚刚吃完十个八个的时候...这与她当前的状态有关。



状态机中，我们须要掌握的核心的数据是：当前状态，当前消息，将迁移到的状态，在迁移中发生的动作。



在状态机代码之前，请先看一段消息响应机制。VC生成的win32api代码大抵如此。我们随便找来一段片断看看：



1 LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)

2 {

3 int wmId, wmEvent;

4 PAINTSTRUCT ps;

5 HDC hdc;

6 switch (message)

7 {

8 case WM_COMMAND:

9 wmId    = LOWORD(wParam);

10 wmEvent = HIWORD(wParam);

11 case ID_MENU_GO: .... break;

12 case IDM_ABOUT:  .... break;

13 case IDM_EXIT:   .... break;

14 default:

15 return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);

16 }

17 break;

18 case WM_PAINT: .... break;

19 case WM_DESTROY: ... break;

20 case WM_KEYDOWN: ... break; 

21 default: return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);

22 }

23 return 0;

24 }



第6行開始到第22行结束，对每一个消息给出一个响应。没错，win32api也把这个传进来的东西称为 message。

这是非常典型的适合消息响应机制的情形。程序对于同样的消息，处理的方法总是同样的。



我们经常错误地把状态机写成了消息响应。消息这部分处理得不错，可是。因为没有非常好地记录和迁移状态，写起来easy把自己写糊涂了。

无他，用错了工具。拿螺丝刀打孔，不是工具差，而是project师选错了工具。

2. 状态机实例。录音机



实例得是相对简单的，不然我们非常easy淹没在细节之中，没有足够精力去关注状态机本身的机制了。如果我们仿真一台录音机...



我们先如果你见过录音机。录音机是一种以前先进的设备。有一个或两个"卡"，能够放进磁带。

"卡"前面有几个按键，这几个按键上的标识由于图形简单且示意性强，如今还在广泛使用。它们各自是 播放 > 、暂停 || 、快进 >> 、快退<< 、录音 O 、停止 []。

这几个按键之间是有一定的"相互排斥关系"的。比方当播放键按下时，我们不应该能把 快进键按下。当然，淘气的同学可能这样干过，我们会听到"咔咔"的声音，然后是家长骂败家玩艺的声音。能够就"相互排斥关系"開始敲代码。可是我认为这样有点麻烦。



我们觉得，这种"相互排斥关系"是由于录音机是"有状态的"。

所以。我们打算用状态机来实现。状态转换图是这种。请读图的时候关注这四点：当前状态。当前消息，将迁移到的状态，在迁移中发生的动作 (本例中没有) 。







备注：我实在想不起来 暂停 和 停止 之间的关系了。似乎是这种。又似乎不是。反正大概是那么个意思，不影响对状态机的理解。就这么地吧。

接下来是C代码实现。

3. 接口 及 測试



看到下面代码，有的同学会说，你这不就是主程序么。为什么要把小标题叫做接口。

由于，它规定了我们的状态机函数将是什么样子的。



1 enum message { play, stop, forward, backward, record, pause };

2 

3 int main(int argc, char *argv[])

4 {

5     char c=0x00;

6     while(1)

7     {

8         c = getchar();

9         switch(c)

10         {

11             case ' ': state_change(pause); break;

12             case 'p':  state_change(play); break;

13             case 'r': state_change(record); break;

14             case 's': state_change(stop); break;

15             case 'f': state_change(forward); break;

16             case 'b': state_change(backward); break;

17             case 'q':     return EXIT_SUCCESS;

18         }

19     }

20     return EXIT_SUCCESS;

21 }



上述代码规定了。状态机迁移函数的原型/签名是 void state_change(enum

message m)。

測试的时候，我们这样做：./state < test.in。

test.in的内容是"psfsbspq"。測试时期待看到输出的状态迁移过程。之所以这样做，而不是每次从控制台手动输入。是由于每次測试的内容都应该是同样的--同样的输入，程序有同样的反应--可重现性。或者说，DRY原则。



一个很值得我们注意的问题。在上述接口中。我们看不到"状态"。其实，我们将会定义：



enum state { s_stop, s_play, s_forward, s_backward, s_pause, s_record };



可是，接口以外的代码，是 *不应该* (是不应该。不是 不必要，是一定不要) 知道状态的，既不应该知道当前状态，也不应该知道将要迁移到哪个状态。也不应该知道在迁移过程中应该做什么动作。

假设接口以外的代码知道了这些，就侵入了状态机的隐私。子系统的边界就模糊了。而契约的首要任务就是规定边界。规定国家与个人、个人与个人、个人与集体的边界。

这一原则，早在195X年，软件project刚刚開始的时候就确立了，是最初确立的原则，即 信息隐藏。

后面的原则，都是它的儿子孙子。

有个比喻讲过这个道理。当你在超市出口付款的时候。你会自己把钱从钱夹里拿出来递给售货员，而不会转过身去对她说，"在我屁股兜里，你自己掏吧。别忘了把零钱放回来。"这既添加了如果--你极端信任她。也添加了她的责任。



接口，最基本的任务就是为了明白责任，把责任分布在子系统边界两側。其次才是规定调用的方法，即边界长什么样。



4. 状态迁移



下面是状态机的代码片断。



1 enum state { s_stop, s_play, s_forward, s_backward, s_pause, s_record};

2 void state_change(enum message m)

3 {

4  static enum state s=s_stop;

5  switch (s)

6  {

7 case s_play:

8     if(m==stop)

9        {

10 s = s_stop;

11 printf("stop.\n");        

12        }

13        else if (m==pause)

14        {

15              s = s_pause;

16 printf("pause");

17        }

18        break;



我们还是要关注那四个关键点： (1) 当前状态， (2) 当前消息， (3) 将迁移到哪个状态， (4) 迁移中会做哪些动作。

(1) 当前状态必定是第1行的枚举类型中的一个。我们初始化状态为 停止，见第4行。

在第5行到第7行，我们的双重 switch-case 的外层 按当前状态分类。例如以下。

5  switch (s)

6  {

7 case s_play:

以下还有非常多 case，第1行的枚举类型中的每个状态，都有一个 case。

(2) 当前消息。

假设当前状态是第7行了，那么，当前消息由双层 switch-case的内层，即第8行。第13行的 if...else if 来响应。



(3) 将迁移到哪个状态。

在 s_play状态 (第7行) 接收到 stop 消息 (第8行)的话，将迁移到 s_stop 状态，即第10行。



(4) 在迁移中会做哪些动作，假设还是这个状态这个消息，会做的动作是 第11行。打印一段文字描写叙述接下来的状态。



在函数 void state_change(enum message m) 中，维护了当前状态。规定了在某种状态下-接收到某个消息，会迁移到哪个状态。在状态迁移中做哪些动作。



主函数在调用state_change时，是通过这一接口，向状态机发送一个消息。由状态机对这个消息做出适合自己当前状态的响应--状态迁移、动作。主函数所示，是一个多彩或善变的女人。而她之所以对同一消息做出不同响应的原因，在她的内心深入保留着，那是她不会对你说的状态。以及状态迁移中的波澜壮阔。即使表面上善变的状态机，也是能够理解和预測的，假设她对你倘开心扉。同意你一行一行把附录A中的代码读完，了解全部的 switch-case，了解全部的状态下她将会怎样响应每一种消息。



附录A 完整代码





1 #include <stdlib.h>

2 #include <stdio.h>

3 

4 

5 //recorder 

6 

7 enum state { s_stop, s_play, s_forward, s_backward, s_pause, s_record  };

8 enum message { play, stop, forward, backward, record, pause };

9 

10 

11 void state_change(enum message m)

12 {

13  static enum state s=s_stop;

14  switch (s)

15  {

16 case s_play:

17     if(m==stop)

18        {

19 s = s_stop;

20    printf("stop.\n");        

21        }

22        else if (m==pause)

23        {

24             s = s_pause;

25 printf("pause");

26        }

27        break;

28 case s_pause:

29 if(m==pause)

30 {

31 s = s_play;

32 printf("play.\n");        

33 }

34 else if(m==stop)

35 {

36 s = s_stop;

37 printf("stop.\n");        

38 }

39 break;

40     case s_stop:

41 if(m==play)

42 {

43 s = s_play;

44 printf("play.\n");        

45 }

46 if(m==backward)

47 {

48 s = s_backward;

49 printf("backward.\n");        

50 }

51 if(m==forward)

52 {

53 s = s_forward;

54 printf("forward.\n");        

55 }

56 if(m==record)

57 {

58 s = s_record;

59 printf("record.\n");        

60 }

61 break;

62 case s_forward:

63 if(m==stop)

64 {

65 s = s_stop;

66 printf("stop.\n"); 

67 }

68 break;

69 case s_backward:

70 if(m==stop)

71 {

72 s = s_stop;

73 printf("stop.\n"); 

74 }

75 break;

76 case s_record:

77 if(m==stop)

78 {

79 s = s_stop;

80 printf("stop.\n"); 

81 }

82 break;

83

84         

85  }

86      

87 }

88 

89 

90 int main(int argc, char *argv[])

91 {

92     char c=0x00;

93     while(1)

94     {

95         c = getchar();

96         switch(c)

97         {

98             case ' ': state_change(pause); break;

99             case 'p':  state_change(play); break;

100             case 'r': state_change(record); break;

101             case 's': state_change(stop); break;

102             case 'f': state_change(forward); break;

103             case 'b': state_change(backward); break;

104             case 'q':     return EXIT_SUCCESS;

105         }

106 

107         

108     }

109     

110     return EXIT_SUCCESS;

111 }





附录B 状态图源码 in graphviz





digraph state

{

graph [ nodesep=1.2];

rankdir = LR;



播放 -> 暂停 [label="按下 || "];

暂停 -> 播放 [label="按下 || "];

暂停 -> 停止 [label="按下 []"];

停止 -> 播放 [label="按下 >"];

播放 -> 停止 [label="按下 []"];

停止 -> 快退 [label="按下 <<"];

停止 -> 快进 [label="按下 >>"];

快进 -> 停止 [label="按下 []"];

快退 -> 停止 [label="按下 []"];

停止 -> 录音 [label="按下 O"];

录音 -> 停止 [label="按下 []"];





}













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