状态机编程实例-面向对象的状态设计模式
上篇文章：状态机编程实例-状态表法，使用状态表法，实现了炸弹拆除小游戏的状态机编程，这也是介绍的状态机编程的第二种方法。
本篇，继续介绍状态机编程的第三种方法：面向对象的设计模式。此方法从名字上看，用到了面向对象的思想，所以本篇的代码，需要以C++为基础，利用C++中“类”的特性，实现状态机中状态的管理。
1 面向对象的状态设计模式
面向对象的状态设计模式，其核心思想在于：它是通过不同的类来表示不同的状态，当状态机从一个状态转换到另一个状态时，它表现为在运行时改变自己的类。
回顾第一篇时绘制的炸弹拆除小游戏的状态图，有2个状态和4个事件：
使用面向对象的状态设计模式，此例子中的两个工作状态，就要设计为两个类，如下图中的设置状态（SettingState）和倒计时状态（TimingState）。
先简单说明一下下面这个图，此图属于UML类图，相关介绍可参考：UML简介与类图详解
Bomb3与BombState是组合关系，BombState是一个抽象类，SettingState与TimingState继承自BombState，属于继承关系
可以注意到，此模式引入了一个炸弹状态的抽象基类BombState，用于派生具体的工作状态类。
该抽象类为炸弹的两个工作状态声明了一些公共的接口：onUP、onDOWN、onARM和onTICk，这些接口对应于此例子中的四个事件。
两个工作状态类：SettingState类和TimingState类，通过定义自己的onUP等操作，实现各自状态类需要处理的功能。
这种设计模式下：
- 如果需要增加新的事件，则需要给抽象类BombState增加新的操作
- 如果需要增加新的状态，则需要给抽象类BombState增加新的子类
此模式还设计了一个上下文类Bomb3，它通过一个抽象类BombState的指针来实现炸弹状态的维护。
什么是上下文?
编程中提到的上下文（context），可以理解为环境或语境，每一段程序都有很多的外部变量，一旦写的一段程序中有了外部变量，这段程序就是不完整的，不能独立运行，要想让他运行，就必须把所有的外部变量的值一个一个的全部传进去，这些值的集合就叫作上下文。
本例中，BombState的运行，就需要一个上下文类作为其参数，这个参数就是Bomb3类。
此外，它还包含需要用到的扩展状态变量：
timeout（超时时间）
code（用户输入的拆除密码）
defuse（默认的拆除密码）
并通过提供对BombState一样的接口，即每派生一个事件对应一个操作。
在上下文类Bomb3中的事件处理，是通过state_指针实现的，它代表了对当前状态对象的全部特定请求，状态的改变对应于当前工作状态类对象的改变，通过上下文操作tran()实现。
2 实现
介绍了面向对象的状态设计模式后，下面来看下如何使用C++语言进行对应的代码实现。
2.1 类的结构
首先来看下要实现的几个类的结构定义。
2.1.1 状态基类与派生类
下面是炸弹状态基类（BombState）的结构，以及派生的两个具体状态类（SettingState和TimingState）的结构。
class Bomb3; //事先声明炸弹业务类
//炸弹状态基类
class BombState
{
public:
virtual void onUP(Bomb3 *) const {}
virtual void onDOWN(Bomb3 *) const {}
virtual void onARM(Bomb3 *) const {}
virtual void onTICK(Bomb3 *, uint8_t) const {}
};
//设置状态-类，继承于炸弹状态基类
class SettingState : public BombState
{
public:
virtual void onUP(Bomb3 *context) const;
virtual void onDOWN(Bomb3 *context) const;
virtual void onARM(Bomb3 *context) const;
};
//倒计时状态-类，继承于炸弹状态基类
class TimingState : public BombState
{
public:
virtual void onUP(Bomb3 *context) const;
virtual void onDOWN(Bomb3 *context) const;
virtual void onARM(Bomb3 *context) const;
virtual void onTICK(Bomb3 *context, uint8_t fine_time) const;
};
注意这里用到了C++虚函数的特性。
虚函数，是指被virtual关键字修饰的成员函数。
虚函数的作用：
- 实现动态联编，在函数运行阶段动态的选择合适的成员函数
- 实现多态性（Polymorphism），多态性是将接口与实现进行分离；用形象的语言来解释就是实现以共同的方法，但因个体差异，而采用不同的策略。
虚函数主要通过V-Table虚函数表来实现，该表主要包含一个类的虚函数的地址表，可解决继承、覆盖的问题。当我们使用一个父类的指针去操作一个子类时，虚函数表就像一个地图一样，可指明实际所应该调用的函数。
此外，对事件的处理，用到了指向类对象的指针（Bomb3 *context）
指针也就是内存地址，指针变量是用来存放内存地址的变量，不同类型的指针变量所占用的存储单元长度是相同的，而存放数据的变量因数据的类型不同，所占用的存储空间长度也不同。
有了指针以后，不仅可以对数据本身，也可以对存储数据的变量地址进行操作。
创建对像时，编译系统会为每一个对像分配一定的存储空间，以存放其成员，对象空间的起始地址就是对象的指针。可以定义一个指针变量，用来存和对象的指针。
2.1.2 炸弹业务类
炸弹业务类，也就是上面提到的上下文类。
class Bomb3
{
public:
Bomb3(uint8_t defuse) : m_defuse(defuse) {}
void init(); //状态机初始化接口
//处理各种事件
void onUP();
void onDOWN();
void onARM();
void onTICK(uint8_t fine_time);
private:
//进行状态转换
void tran(BombState const *target);
private:
BombState const *m_pState; //[状态变量]
uint8_t m_timeout; // 爆炸前的秒数
uint8_t m_code; // 当前输入的解除炸弹的密码
uint8_t m_defuse; // 解除炸弹的拆除密码
uint8_t m_errcnt; // 当前拆除失败的次数
private:
SettingState const m_settingState; //[设置状态]
TimingState const m_timingState; //[倒计时状态]
friend class SettingState;
friend class TimingState;
};
注意这里又用到了C++的友元特性。
友元包括友元函数与友元类，这里先介绍下本例使用到的友元类。
友元类的作用：如果把在A类（如本例中的上下文类Bomb3）中声明了友元类B（如本例中的SettingState和TimingState），那么A类的所有成员函数，可以被B类的所以成员函数访问。
友元使用前提：某个类需要实现某种功能，但是这个类自身，因为各种原因，无法自己实现，需要借助于“外力”才能实现。
本例中，SettingState和TimingState，需要借助上下文类Bomb3，实现状态转换等功能
2.2 类的具体实现
2.2.1 状态基类与派生类
体会友元类的用法：Bomb3中声明了SettingState是友元，SettingState则可以访问Bomb3的成员变量（如m_timeout变量）和成员函数（如tran函数）。
体会上下文类Bomb3的作用：设置状态SettingState和倒计时状态TimingState，都是操作Bomb3这个上下文类，实现对应状态下的业务功能。
//---------------设置状态-类，具体实现---------------
void SettingState::onUP(Bomb3 *context) const
{
if (context->m_timeout < 60)
{
++context->m_timeout;
bsp_display_set_time(context->m_timeout);
}
}
void SettingState::onDOWN(Bomb3 *context) const
{
if (context->m_timeout > 1)
{
--context->m_timeout;
bsp_display_set_time(context->m_timeout);
}
}
void SettingState::onARM(Bomb3 *context) const
{
context->m_code = 0;
context->tran(&context->m_timingState); //[转换到倒计时状态]
}
//---------------倒计时状态-类，具体实现---------------
void TimingState::onUP(Bomb3 *context) const
{
context->m_code <<= 1;
context->m_code |= 1;
bsp_display_user_code(context->m_code);
}
void TimingState::onDOWN(Bomb3 *context) const
{
context->m_code <<= 1;
bsp_display_user_code(context->m_code);
}
void TimingState::onARM(Bomb3 *context) const
{
if (context->m_code == context->m_defuse)
{
context->tran(&context->m_settingState); //[转换到设置状态]
bsp_display_user_success(); //炸弹拆除成功
context->init();
}
else
{
context->m_code = 0;
bsp_display_user_code(context->m_code);
bsp_display_user_err(++context->m_errcnt);
}
}
void TimingState::onTICK(Bomb3 *context, uint8_t fine_time) const
{
if (fine_time == 0)
{
--context->m_timeout;
bsp_display_remain_time(context->m_timeout);
if (context->m_timeout == 0)
{
bsp_display_bomb(); //显示爆炸效果
context->init();
}
}
}
2.2.2 炸弹业务类
炸弹业务类，提供通用的事件处理接口：onUP、onDOWN、onARM和onTICK，其内部具体如果处理，是由m_pState指向的具体状态类决定的，状态指针m_pState的改变，是通过tran函数实现的，tran在初始转换和具体的状态类的成员函数中被调用。
//初始化
void Bomb3::init()
{
m_timeout = INIT_TIMEOUT;
m_errcnt = 0;
tran(&m_settingState); //[初始转换]
}
//处理各种事件
void Bomb3::onUP()
{
m_pState->onUP(this);
}
void Bomb3::onDOWN()
{
m_pState->onDOWN(this);
}
void Bomb3::onARM()
{
m_pState->onARM(this);
}
void Bomb3::onTICK(uint8_t fine_time)
{
m_pState->onTICK(this, fine_time);
}
//进行状态转换
void Bomb3::tran(BombState const *target)
{
m_pState = target;
}
2.3 主函数
使用面向对象的状态设计模式，炸弹拆除小游戏的主函数会比较简洁：
- 首先实例化一个Bomb3上下文类的实例bomb
- 然后进行bomb的初始化（状态转换）
- 最后在状态机循环中，根据不同的按键或TICK事件，调用bomb对应的事件处理接口
体会，本例的事件处理，调用的是通用的bomb事件处理接口，其内部会根据当前的具体状态，调用对应状态类的事件处理函数。
static Bomb3 bomb(0x0D); // 构造, 密码1101
void setup(void)
{
//省略...
bomb.init(); // 初始转化
}
void loop(void)
{
static int fine_time = 0;
delay(100);
if (++fine_time == 10)
{
fine_time = 0;
}
char tmp_buffer[256];
sprintf(tmp_buffer, "T(%1d)%c", fine_time, (fine_time == 0) ? '\n' : ' ');
Serial.print(tmp_buffer);
bomb.onTICK(fine_time); //处理Tick事件
BombSignals userSignal = bsp_key_check_signal();
if (userSignal != SIG_MAX)
{
switch (userSignal)
{
case UP_SIG: //UP键事件
{
Serial.print("\nUP : ");
bomb.onUP();
break;
}
case DOWN_SIG: //DOWN键事件
{
Serial.print("\nDOWN: ");
bomb.onDOWN();
break;
}
case ARM_SIG: //ARM键事件
{
Serial.print("\nARM : ");
bomb.onARM();
break;
}
default:break;
}
}
}
3 总结
本编介绍了状态机编程的第3种方法——面向对象的状态设计模式，通过C++的继承特性，以及类指针，实现炸弹拆除小游戏中的状态机功能。
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