geek青年的状态机，查表，纯C语言实现

geek青年的状态机，查表，纯C语言实现



1. 问题的提出。抽象



建一，不止是他，不少人跟我讨论过这种问题：怎样才干保证在需求变更、扩充的情况下。程序的主体部分不动呢？



这是一个很深刻和艰难的问题。在进入实质讨论之前，我们还得先明白什么是"主体"。就是我们不希望动的那一部分是什么。其实，没有什么"主体"。这是被我们主观划分的，代码中有一部分是不动的，还有一部分是动的。而追求永恒(一劳永逸？) ，是我们的天性吧。



我们希望实现一段程序，换一些东西，游戏就由 双截龙 变成了 超级玛丽，再换一点东西，就变成了 魂斗罗。仅仅要招些美工，再招些脚本作者，全部的程序猿就能够--解雇了。



这看起来不太现实，那么我们来看一段类似的。可是更现实一点的。我们希望实现一段程序。在每轮迭代/循环中，这段代码都能完毕我们须要做的任务。尽管这些任务可能在每轮迭代中有所不同。在数学归纳法，在 sigma 符号的的周围，甚至在积分符号的周围。都在发生这种事情。



这些梦想或者已经实现的技术，都基于"抽象"。

我们试图找到在不同的情境 (动作、需求) 下那些同样的部分。我们对详细事件做抽象。而且期待抽象的结果适用于全部的详细的事例。

这样。原来的非常多工作就成为 应用抽象的理论 的过程，不再须要创造力。因此也不再能吸引我们。

那么，我们再对抽象的结果继续抽象，直到形而上。



2. 状态机的引擎



引擎，就是上文中提到的开发出一个游戏。然后能衍生出非常多游戏的技术。代码的核心部分、流程部分不会改变，仅仅有数据 (甚至能够在外部文件里) 才随需求的变化而变化。



状态机，也能够用引擎实现。

实现这一目标的技术也存在已久。就是查表。查表的经典案例是 求三角函数 (在一定精度下)，常量时间复杂度的解决方式 就是查表。事先把三角函数在不同度数下的值都求出来。放在hash表 (?

) 里。你要查哪个度数。我就去查哪个度数相应的函数值。



在这个案例里，查表的那段代码，不随三角函数由sin变成cos或tan而发生不论什么变化。

这就是引擎。被查的表就是数据。



3. 接口



我们期待的接口跟前一篇普通青年中的全然一样。在主函数中调用 void state_change(enum message m) 向状态机传递消息，用 test.in 作为測试用例。主函数还知道，一共就这样几种消息：

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

4. 状态迁移表



在讲怎样查表前，我们先设计 表 本身。我们期待表格可以描写叙述 状态迁移 中的要素。

记得么，一共4个。 (1) 当前状态。 (2)当前消息。 (3)将迁移到的状态，(4)在状态迁移中的动作。我们期待能用表格，而不是如普通青年一文中用代码(switch-case)的方式描写叙述。由于我们相信，改表格比改代码easy。

状态迁移表与状态迁移图全然等价。

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表格看起来像以下这样，假设想像划上竖线效果更佳。

1 struct transition fsm[transition_num] = {
2         /* current_state, message/event, next_state*/
3     {s_play,	stop,		s_stop},
4     {s_play,	pause,		s_pause},
5     {s_pause,	pause,		s_play},
6     {s_pause,	stop,		s_stop},
7     {s_stop,	forward,	s_forward},
8     {s_stop,	play,		s_play},
9     {s_stop,	backward,	s_backward},
10     {s_stop,	record,		s_record},
11     {s_forward,	stop,		s_stop},
12     {s_backward,	stop,		s_stop},
13     {s_record,	stop,		s_stop} };

每一行，都是一组状态迁移的匹配。第一列是当前状态，第二列是接收到的消息，第三列是在此种情况下将迁移到的状态。每添加一个迁移的匹配，我们就按这种规则添加一行。这规定了状态机迁移中4要素里的3条，剩下的那条是在迁移中的动作。后面再介绍。



当然。为了遵循C语言的语法，我们须要在此前就定义 (1) 状态枚举、 (2) 消息枚举，还有 (3) 迁移的结构体。例如以下。

1 enum state { s_stop='s', s_play='p', s_forward='f', s_backward='b', s_pause='_', s_record='r'  };
2 enum message { play, stop, forward, backward, record, pause };
3 
4 struct transition {
5     enum state current;
6     enum message m;
7     enum state next;
8 };

我们还须要定义一共多少条迁移规则，是为了我们还没有写出来的代码准备的。只是此处已经用到，所以定义例如以下。

1 #define transition_num  11

5. 迁移时的动作



我们希望把迁移时的动作放在每一个状态到达之处。

即，每一个状态都能够有一些"副作用"。这与迁移时的动作是等价的，证明略去。假设仅想在迁移时写代码，也能够利用这样的方法实现。

状态机的动作 表格例如以下：

1 struct state_action state_action_map[state_num] = {
2     {s_stop, do_stop},
3     {s_play, do_play},
4     {s_forward, do_forward},
5     {s_backward, do_backward},
6     {s_pause, do_pause},
7     {s_record, do_record}};

每一行。是一个状态相应的动作。

第一列是状态，第二列是相应的动作。这样。每添加一个状态 (假设它有相应动作)。就在这里添加一行；动作相应的函数须要实现。后面会介绍。



类似于状态迁移图，为了遵循C语言语法。我们须要在此前声明例如以下。

1 #define state_num 6
2 typedef void (*action_foo)() ;
3 
4 enum state { s_stop='s', s_play='p', s_forward='f', s_backward='b', s_pause='_', s_record='r'  };
5 
6 /* action starts */
7 void do_stop() {printf ("I am in state stop and should doing something here.\n");}
8 void do_play() {printf ("I am in state play and should doing something here.\n");}
9 void do_forward() {printf ("I am in state forward and should doing something here.\n");}
10 void do_backward() {printf ("I am in state backward and should doing something here.\n");}
11 void do_pause() {printf ("I am in state pause and should doing something here.\n");}
12 void do_record() {printf ("I am in state record and should doing something here.\n");}
13 
14 struct state_action {
15     enum state m_state;
16     action_foo foo;
17 };

第1行，是状态的数量。

第2行和第7行到第12行，以及第16行，使用了函数指针(指向函数的指针。一个指针，它的基类型是一个函数)，用于表示要运行的动作。第4行，是状态枚举。

第14行到第17行。是 状态-动作 相应关系的结构体。



第7行至第12行。是动作的运行部分。当添加的状态须要动作时，程序猿要在此处添加一个函数，它遵守第2行的签名约定。

6. 引擎



假设表格的数据结构已定，代码就好写了。我们的引擎代码的核心部分是查表，遍历表格，找到与当前状态、当前消息匹配的将迁移到的状态。



我们还是自顶向下。如果 查表部分已经完毕，为主函数提供与 普通青年一文同样的接口--而内部实现是不同的。

1 void state_change(enum message m)
2 {
3     static state = s_stop;
4     enum state next;
5     int index = 0;
6 
7     index = lookup_transition(state, m, fsm);
8     if(index!=ERR)
9     {
10         state = fsm[index].next;
11         lookup_action(state, state_action_map)();
12     }
13     return;
14 }

如第3行如示。初始状态是 停止。在第7行，我们引用了一个尚未写好的函数。lookup_transition。尽管函数还不存在。只是我们能猜出来它的作用，查表，找到 当前状态是 state，当前消息是 m 时所相应的表项的下标 index。fsm參数是为了可能有多个状态迁移表设计的。此处能够略过。



当查找到 index 以后。且 index 不是 ERR (没找到)。就能够令 下一个状态为state = fsm[index].next，见第10行。

以上，完毕了状态迁移4要素中的3个：当前状态、当前消息、将迁移到的状态。

第11行。完毕的功能是运行与状态相应的动作。这里又用到函数指针。

在代码 lookup_action(state, state_action_map)() 中，lookup_action(state, state_action_map) 用于找到状态 state 相应的动作。后面的 "()"，是由于这个动作是一个函数指针。能够使用这种方式运行这个指针指向的函数。与上文中的 fsm 參数类似，state_action_map是为了应对有多个状态-动作表的情况。这里能够略过。

不管数据 (状态迁移、状态-动作)怎样变化。引擎代码都不会变化。所以。甚至能够把引擎放在静态或动态链接库里，或者把数据放在外部文件中。执行时再加载。从而提高部署时的灵活性。



7. 查表



刚刚用到的两个没有定义的函数 lookup_transition(state, m, fsm) 和 lookup_action(state, state_action_map) 都使用了查表的方法。

代码例如以下。能够看出。二者的结构很类似，遍历数组 (for循环) ，找到符合条件的元素 (if推断)。然后把该元素的索引或者该元素结构体的某个成员返回。



ERR 和 ACTION_NOT_FOUND 是用来容错的，万一表格有误。没有查到匹配的项。

1 int const ERR = -1;
2 int lookup_transition (enum state s, enum message m, struct transition * t)
3 {
4     int ret=ERR;
5     int i;
6     for(i=0;i<transition_num;++i)
7     {
8         if(t[i].current == s && t[i].m == m)
9         {
10             ret = i;
11         }
12     }
13     return ret;
14 }
15 
16 action_foo ACTION_NOT_FOUND = NULL;
17 action_foo lookup_action(enum state s, struct state_action* a)
18 {
19     action_foo ret = ACTION_NOT_FOUND;
20     int i=0;
21     for (i=0;i<state_num;++i)
22     {
23         if(s == a[i].m_state)
24         {
25             ret = a[i].foo;
26         }
27     }
28     return ret;
29 }

8. 总结



geek青年。从接口上看。与普通青年并无不同。甚至在情况相对简单 (状态少、状态迁移种类少) 的时候，代码量比普通青年还有不如。那么，geek青年的好处在哪里呢？



古人云：沧海横流方显英雄本色。古人又云：大丈夫山崩于前不变色，海啸于后不动容。



geek青年的好处在于，他始终如一，不管遇到的情形是多么糟糕多么恶劣，他始终没有变化。这个世界上，总须要一些因素，一些承诺，不随不论什么易变的感情、不论什么旁人不能承受的痛苦或诱惑而变化，稳定地坚持。

这才干让我们对这个世界保留一丝希望。未来才可以和值得期待。

这一篇和上一篇的代码在这里[http://download.csdn.net/detail/younggift/7569627]。

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