用C语言实现有限状态自动机FSM

摘要：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。本文主要为你实现一个简单的有限状态机，没有考虑代码的重入和多任务跳转，为以后复杂的状态机实现，打下基础。
 
 本文来源：用C语言实现有限状态自动机FSM
 
 
 
一、状态机实现的要素
 
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 4
#define
 STATE1 0
#define
 STATE2 1
#define
 STATE3 2
#define
 STATETRAP 3
 
#define
 CONDITIONS 2
#define
 CONDITION1 0
#define
 CONDITION2 1
 总结一下，我们需要定义的有状态、输入、行为（动作+下一个状态），其中，行为的个数是“状态数*输入数量”（其中有一些是重复的）；其中动作一般来说可以用一个函数指针来实现。
 
 
二、具体设计
 
       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
 mystate, 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 = {
    STATE2,
    action1
};
 
//
 (s2, c2, s3, a2)
trasition
 t2 = {
    STATE3,
    action2
};
 
//
 (s3, c1, s2, a3)
trasition
 t3 = {
    STATE2,
    action3
};
 
//
 (s, c, trap, a1)
trasition
 tt = {
    STATETRAP,
    actiontrap
};
 
 
其中的动作，由用户自己完成，在这里仅定义一条输出语句。
 
1
2
3
4
void action1(State
 state, Condition condition)
{
    printf("Action
 1 triggered.\n");
}
1
最后定义跳转表：
 
 asition
 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;
}
 
总结：我们现在设计实现好了一个状态机，然后要给这个状态机特定的输入，看看状态机的运转情况，以上面图中的那个状态机为例，我们输入的序列是0和1分别代表c1和C2，然后状态s1，s2分别对应0，1.用程序实现这个内容如下
 
三、程序实现
 
程序清单：小型状态机的实现
[cpp 
#include<stdio.h>  
#include<unistd.h>  
#include<stdlib.h>  
typedef int state;  
typedef int condition;  
  
#define STATENUM 4  
#define STATE1 0  
#define STATE2 1  
#define STATE3 2  
#define STATETRAP 3  
  
#define CONDITIONS 2  
#define CONDITION1 0  
#define CONDITION2 1  
  
typedef void (* actiontype)(state mystate,condition mycondition);  
typedef struct{  
  state next;  
  actiontype action;  
}trasition, *ptrasition;  
  
void action1(state mystate,condition myconditon);  
void action2(state mystate,condition myconditon);  
void action3(state mystate,condition myconditon);  
void actiontrap(state mystate,condition myconditon);  
trasition t1={  
  STATE2,action1  
};  
trasition t2={  
  STATE3,action2  
};  
trasition t3={  
  STATE2,action3  
};  
trasition tt={  
  STATETRAP,actiontrap  
};  
  
void action1(state mystate,condition myconditon){  
  printf("action1 one triggered\n");  
}  
void action2(state mystate,condition myconditon){  
  printf("action2 one triggered\n");  
}  
void action3(state mystate,condition myconditon){  
  printf("action3 one triggered\n");  
}  
void actiontrap(state mystate,condition myconditon){  
  printf("actiontrap one triggered\n");  
}  
  
ptrasition transition_tabl

补充：软件开发 , C语言 ,