Linux 编程之有限状态机 FSM 的理解与实现
时间：2021-08-19 16:23:56
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[导读]关注、星标公众号，直达精彩内容来源：https://www.cnblogs.com/skyfsm/p/7071386.html作者：Madcola有限状态机（finitestatemachine）简称FSM，表示有限个状态及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，在计算机领域...
关注、星标公众号，直达精彩内容来源：https://www.cnblogs.com/skyfsm/p/7071386.html作者：Madcola
有限状态机（finite state machine）简称 FSM，表示有限个状态及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，在计算机领域有着广泛的应用。FSM 是一种逻辑单元内部的一种高效编程方法，在服务器编程中，服务器可以根据不同状态或者消息类型进行相应的处理逻辑，使得程序逻辑清晰易懂。
那有限状态机通常在什么地方被用到？
处理程序语言或者自然语言的 tokenizer, 自底向上解析语法的 parser，各种通信协议发送方和接受方传递数据对消息处理，游戏 AI 等都有应用场景。
状态机有以下几种实现方法，我将一一阐述它们的优缺点。
一、使用 if/else if 语句实现的 FSM
使用 if/else if 语句是实现的 FSM 最简单最易懂的方法，我们只需要通过大量的 if /else if 语句来判断状态值来执行相应的逻辑处理。
看看下面的例子，我们使用了大量的 if/else if 语句实现了一个简单的状态机，做到了根据状态的不同执行相应的操作，并且实现了状态的跳转。
看完上面的例子，大家有什么感受？是不是感觉程序虽然简单易懂，但是使用了大量的 if 判断语句，使得代码很低端，同时代码膨胀的比较厉害。这个状态机的状态仅有几个，代码膨胀并不明显，但是如果我们需要处理的状态有数十个的话，该状态机的代码就不好读了。
二、使用 switch 实现 FSM
使用 switch 语句实现的 FSM 的结构变得更为清晰了，其缺点也是明显的：这种设计方法虽然简单，通过一大堆判断来处理，适合小规模的状态切换流程，但如果规模扩大难以扩展和维护。
三、使用函数指针实现 FSM
使用函数指针实现 FSM 的思路：建立相应的状态表和动作查询表，根据状态表、事件、动作表定位相应的动作处理函数，执行完成后再进行状态的切换。
当然使用函数指针实现的 FSM 的过程还是比较费时费力，但是这一切都是值得的，因为当你的程序规模大时候，基于这种表结构的状态机，维护程序起来也是得心应手。
下面给出一个使用函数指针实现的 FSM 的框架：
我们还是以 “小明的一天” 为例设计出该 FSM。
先给出该 FSM 的状态转移图：
下面讲解关键部分代码实现
首先我们定义出小明一天的活动状态：
//比如我们定义了小明一天的状态如下
我们也定义出会发生的事件
定义状态表的数据结构
接下来定义出最重要 FSM 的状态表，我们整个 FSM 就是根据这个定义好的表来运转的。
状态机的注册、状态转移、事件处理的动作实现
有限状态机（finite state machine）简称 FSM，表示有限个状态及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，在计算机领域有着广泛的应用。FSM 是一种逻辑单元内部的一种高效编程方法，在服务器编程中，服务器可以根据不同状态或者消息类型进行相应的处理逻辑，使得程序逻辑清晰易懂。
那有限状态机通常在什么地方被用到？
处理程序语言或者自然语言的 tokenizer, 自底向上解析语法的 parser，各种通信协议发送方和接受方传递数据对消息处理，游戏 AI 等都有应用场景。
状态机有以下几种实现方法，我将一一阐述它们的优缺点。
一、使用 if/else if 语句实现的 FSM
使用 if/else if 语句是实现的 FSM 最简单最易懂的方法，我们只需要通过大量的 if /else if 语句来判断状态值来执行相应的逻辑处理。
看看下面的例子，我们使用了大量的 if/else if 语句实现了一个简单的状态机，做到了根据状态的不同执行相应的操作，并且实现了状态的跳转。
enum{GET_UP,GO_TO_SCHOOL,HAVE_LUNCH,GO_HOME,DO_HOMEWORK,SLEEP,};int main(){int state = GET_UP;//小明的一天while (1){if (state == GET_UP){GetUp(); //具体调用的函数state = GO_TO_SCHOOL; //状态的转移}else if (state == GO_TO_SCHOOL){Go2School();state = HAVE_LUNCH;}else if (state == HAVE_LUNCH){HaveLunch();}...else if (state == SLEEP){Go2Bed();state = GET_UP;}}return 0;}
看完上面的例子，大家有什么感受？是不是感觉程序虽然简单易懂，但是使用了大量的 if 判断语句，使得代码很低端，同时代码膨胀的比较厉害。这个状态机的状态仅有几个，代码膨胀并不明显，但是如果我们需要处理的状态有数十个的话，该状态机的代码就不好读了。
二、使用 switch 实现 FSM
使用 switch 语句实现的 FSM 的结构变得更为清晰了，其缺点也是明显的：这种设计方法虽然简单，通过一大堆判断来处理，适合小规模的状态切换流程，但如果规模扩大难以扩展和维护。
{int state = GET_UP;//小明的一天while (1){switch(state){case GET_UP:GetUp(); //具体调用的函数state = GO_TO_SCHOOL; //状态的转移break;case GO_TO_SCHOOL:Go2School();state = HAVE_LUNCH;break;case HAVE_LUNCH:HaveLunch();state = GO_HOME;break;...default:break;}}return 0;}
三、使用函数指针实现 FSM
使用函数指针实现 FSM 的思路：建立相应的状态表和动作查询表，根据状态表、事件、动作表定位相应的动作处理函数，执行完成后再进行状态的切换。
当然使用函数指针实现的 FSM 的过程还是比较费时费力，但是这一切都是值得的，因为当你的程序规模大时候，基于这种表结构的状态机，维护程序起来也是得心应手。
下面给出一个使用函数指针实现的 FSM 的框架：
我们还是以 “小明的一天” 为例设计出该 FSM。
先给出该 FSM 的状态转移图：
下面讲解关键部分代码实现
首先我们定义出小明一天的活动状态：
//比如我们定义了小明一天的状态如下
enum{GET_UP,GO_TO_SCHOOL,HAVE_LUNCH,DO_HOMEWORK,SLEEP,};
我们也定义出会发生的事件
{EVENT1 = 1,EVENT2,EVENT3,};
定义状态表的数据结构
typedef struct FsmTable_s{int event; //事件int CurState; //当前状态void (*eventActFun)(); //函数指针int NextState; //下一个状态}FsmTable_t;
接下来定义出最重要 FSM 的状态表，我们整个 FSM 就是根据这个定义好的表来运转的。
FsmTable_t XiaoMingTable[] ={//{到来的事件，当前的状态，将要要执行的函数，下一个状态}{ EVENT1, SLEEP, GetUp, GET_UP },{ EVENT2, GET_UP, Go2School, GO_TO_SCHOOL },{ EVENT3, GO_TO_SCHOOL, HaveLunch, HAVE_LUNCH },{ EVENT1, HAVE_LUNCH, DoHomework, DO_HOMEWORK },{ EVENT2, DO_HOMEWORK, Go2Bed, SLEEP },//add your codes here};
状态机的注册、状态转移、事件处理的动作实现
/*状态机注册*/void FSM_Regist(FSM_t* pFsm, FsmTable_t* pTable){pFsm->FsmTable = pTable;}/*状态迁移*/void FSM_StateTransfer(FSM_t* pFsm, int state){pFsm->curState = state;}/*事件处理*/void FSM_EventHandle(FSM_t* pFsm, int event){FsmTable_t* pActTable = pFsm->FsmTable;void (*eventActFun)() = NULL; //函数指针初始化为空int NextState;int CurState = pFsm->curState;int flag = 0; //标识是否满足条件int i;/*获取当前动作函数*/for (i = 0; i{//当且仅当当前状态下来个指定的事件，我才执行它if (event == pActTable[i].event
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