前言
狀態(tài)機在實際工作開發(fā)中應用非常廣泛，在剛進入公司的時候，根據(jù)公司產品做流程圖的時候，發(fā)現(xiàn)自己經常會漏了這樣或那樣的狀態(tài)，導致整體流程會有問題，后來知道了狀態(tài)機這樣的東西，發(fā)現(xiàn)用這幅圖就可以很清晰的表達整個狀態(tài)的流轉。
一口君曾經做過很多網(wǎng)絡協(xié)議模塊，很多協(xié)議的開發(fā)都必須用到狀態(tài)機；一個健壯的狀態(tài)機可以讓你的程序，不論發(fā)生何種突發(fā)事件都不會突然進入一個不可預知的程序分支。
本篇通過C語言實現(xiàn)一個簡單的進程5狀態(tài)模型的狀態(tài)機，讓大家熟悉一下狀態(tài)機的魅力。
什么是狀態(tài)機？
定義
狀態(tài)機是有限狀態(tài)自動機的簡稱，是現(xiàn)實事物運行規(guī)則抽象而成的一個數(shù)學模型。
先來解釋什么是“狀態(tài)”（ State ）?，F(xiàn)實事物是有不同狀態(tài)的，例如一個LED等，就有 亮 和 滅兩種狀態(tài)。我們通常所說的狀態(tài)機是有限狀態(tài)機，也就是被描述的事物的狀態(tài)的數(shù)量是有限個，例如LED燈的狀態(tài)就是兩個 亮和 滅。
狀態(tài)機，也就是 State Machine ，不是指一臺實際機器，而是指一個數(shù)學模型。說白了，一般就是指一張狀態(tài)轉換圖。
舉例
以物理課學的燈泡圖為例，就是一個最基本的小型狀態(tài)機
可以畫出以下的狀態(tài)機圖
這里就是兩個狀態(tài)：①燈泡亮，②燈泡滅 如果打開開關，那么狀態(tài)就會切換為 燈泡亮 。燈泡亮 狀態(tài)下如果關閉開關，狀態(tài)就會切換為 燈泡滅。
狀態(tài)機的全稱是有限狀態(tài)自動機，自動兩個字也是包含重要含義的。給定一個狀態(tài)機，同時給定它的當前狀態(tài)以及輸入，那么輸出狀態(tài)時可以明確的運算出來的。例如對于燈泡，給定初始狀態(tài)燈泡滅 ，給定輸入“打開開關”，那么下一個狀態(tài)時可以運算出來的。
四大概念
下面來給出狀態(tài)機的四大概念。
-
State ，狀態(tài)。一個狀態(tài)機至少要包含兩個狀態(tài)。例如上面燈泡的例子，有 燈泡亮和 燈泡滅兩個狀態(tài)。
-
Event ，事件。事件就是執(zhí)行某個操作的觸發(fā)條件或者口令。對于燈泡，“打開開關”就是一個事件。
-
Action ，動作。事件發(fā)生以后要執(zhí)行動作。例如事件是“打開開關”，動作是“開燈”。編程的時候，一個 Action 一般就對應一個函數(shù)。
-
Transition ，變換。也就是從一個狀態(tài)變化為另一個狀態(tài)。例如“開燈過程”就是一個變換。
狀態(tài)機的應用
狀態(tài)機是一個對真實世界的抽象，而且是邏輯嚴謹?shù)臄?shù)學抽象，所以明顯非常適合用在數(shù)字領域?？梢詰玫礁鱾€層面上，例如硬件設計，編譯器設計，以及編程實現(xiàn)各種具體業(yè)務邏輯的時候。
進程5狀態(tài)模型
進程管理是Linux五大子系統(tǒng)之一，非常重要，實際實現(xiàn)起來非常復雜，我們來看下進程是如何切換狀態(tài)的。
下圖是進程的5狀態(tài)模型：
關于該圖簡單介紹如下：
-
可運行態(tài)：當進程正在被CPU執(zhí)行，或已經準備就緒隨時可由調度程序執(zhí)行，則稱該進程為處于運行狀態(tài)（running）。進程可以在內核態(tài)運行，也可以在用戶態(tài)運行。當系統(tǒng)資源已經可用時，進程就被喚醒而進入準備運行狀態(tài)，該狀態(tài)稱為就緒態(tài)。 -
淺度睡眠態(tài)（可中斷）：進程正在睡眠（被阻塞），等待資源到來是喚醒，也可以通過其他進程信號或時鐘中斷喚醒，進入運行隊列。 -
深度睡眠態(tài)(不可中斷)：其和淺度睡眠基本類似，但有一點就是不可由其他進程信號或時鐘中斷喚醒。只有被使用wake_up()函數(shù)明確喚醒時才能轉換到可運行的就緒狀態(tài)。 -
暫停狀態(tài)：當進程收到信號SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時就會進入暫停狀態(tài)?？上蚱浒l(fā)送SIGCONT信號讓進程轉換到可運行狀態(tài)。 -
僵死狀態(tài)：當進程已停止運行，但其父進程還沒有詢問其狀態(tài)時，未釋放PCB，則稱該進程處于僵死狀態(tài)。
進程的狀態(tài)就是按照這個狀態(tài)圖進行切換的。
該狀態(tài)流程有點復雜，因為我們目標只是實現(xiàn)一個簡單的狀態(tài)機，所以我們簡化一下該狀態(tài)機如下：
要想實現(xiàn)狀態(tài)機，首先將該狀態(tài)機轉換成下面的狀態(tài)遷移表。簡要說明如下：假設當前進程處于running狀態(tài)下，那么只有schedule事件發(fā)生之后，該進程才會產生狀態(tài)的遷移，遷移到owencpu狀態(tài)下，如果在此狀態(tài)下發(fā)生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會導致狀態(tài)的遷移。
如上圖所示：
-
每一列表示一個狀態(tài)，每一行對應一個事件。 -
該表是實現(xiàn)狀態(tài)機的最核心的一個圖，請讀者詳細對比該表和狀態(tài)遷移圖的的關系。 -
實際場景中，進程的切換會遠比這個圖復雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復雜的問題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。
實現(xiàn)
根據(jù)狀態(tài)遷移表，定義該狀態(tài)機的狀態(tài)如下：
typedef?enum?{
??sta_origin=0,
??sta_running,
??sta_owencpu,
??sta_sleep_int,
??sta_sleep_unint
}State;
發(fā)生的事件如下：
typedef?enum{
??evt_fork=0,
??evt_sched,
??evt_wait,
??evt_wait_unint,
??evt_wake_up,
??evt_wake,?
}EventID;
不論是狀態(tài)還是事件都可以根據(jù)實際情況增加調整。
定義一個結構體用來表示當前狀態(tài)轉換信息：
typedef?struct?{
??State?curState;//當前狀態(tài)
??EventID?eventId;//事件ID
??State?nextState;//下個狀態(tài)
??CallBack?action;//回調函數(shù)，事件發(fā)生后，調用對應的回調函數(shù)
}StateTransform?;?
事件回調函數(shù)：實際應用中不同的事件發(fā)生需要執(zhí)行不同的action，就需要定義不同的函數(shù)， 為方便起見，本例所有的事件都統(tǒng)一使用同一個回調函數(shù)。功能：打印事件發(fā)生后進程的前后狀態(tài)，如果狀態(tài)發(fā)生了變化，就調用對應的回調函數(shù)。
void?action_callback(void?*arg)
{
?StateTransform?*statTran?=?(StateTransform?*)arg;
?
?if(statename[statTran->curState]?==?statename[statTran->nextState])
?{
??printf("invalid?event,state?not?change\n");
?}else{
??printf("call?back?state?from?%s?-->?%s\n",
???statename[statTran->curState],
???statename[statTran->nextState]);
?}
}
為各個狀態(tài)定義遷移表數(shù)組：
/*origin*/
StateTransform?stateTran_0[]={
?{sta_origin,evt_fork,????????sta_running,action_callback},
?{sta_origin,evt_sched,???????sta_origin,NULL},
?{sta_origin,evt_wait,????????sta_origin,NULL},
?{sta_origin,evt_wait_unint,??sta_origin,NULL},
?{sta_origin,evt_wake_up,?????sta_origin,NULL},
?{sta_origin,evt_wake,????????sta_origin,NULL},
};?
/*running*/
StateTransform?stateTran_1[]={
?{sta_running,evt_fork,????????sta_running,NULL},
?{sta_running,evt_sched,???????sta_owencpu,action_callback},
?{sta_running,evt_wait,????????sta_running,NULL},
?{sta_running,evt_wait_unint,??sta_running,NULL},
?{sta_running,evt_wake_up,?????sta_running,NULL},
?{sta_running,evt_wake,????????sta_running,NULL},
};?
/*owencpu*/
StateTransform?stateTran_2[]={
?{sta_owencpu,evt_fork,????????sta_owencpu,NULL},
?{sta_owencpu,evt_sched,???????sta_owencpu,NULL},
?{sta_owencpu,evt_wait,????????sta_sleep_int,action_callback},
?{sta_owencpu,evt_wait_unint,??sta_sleep_unint,action_callback},
?{sta_owencpu,evt_wake_up,?????sta_owencpu,NULL},
?{sta_owencpu,evt_wake,????????sta_owencpu,NULL},
};?
/*sleep_int*/
StateTransform?stateTran_3[]={
?{sta_sleep_int,evt_fork,????????sta_sleep_int,NULL},
?{sta_sleep_int,evt_sched,???????sta_sleep_int,NULL},
?{sta_sleep_int,evt_wait,????????sta_sleep_int,NULL},
?{sta_sleep_int,evt_wait_unint,??sta_sleep_int,NULL},
?{sta_sleep_int,evt_wake_up,?????sta_sleep_int,NULL},
?{sta_sleep_int,evt_wake,????????sta_running,action_callback},
};?
/*sleep_unint*/
StateTransform?stateTran_4[]={
?{sta_sleep_unint,evt_fork,????????sta_sleep_unint,NULL},
?{sta_sleep_unint,evt_sched,???????sta_sleep_unint,NULL},
?{sta_sleep_unint,evt_wait,????????sta_sleep_unint,NULL},
?{sta_sleep_unint,evt_wait_unint,??sta_sleep_unint,NULL},
?{sta_sleep_unint,evt_wake_up,?????sta_running,action_callback},
?{sta_sleep_unint,evt_wake,????????sta_sleep_unint,NULL},
};?
實現(xiàn)event發(fā)生函數(shù)：
void?event_happen(unsigned?int?event)
功能：
?根據(jù)發(fā)生的event以及當前的進程state，找到對應的StateTransform?結構體，并調用do_action()
void?do_action(StateTransform?*statTran)
功能：
?根據(jù)結構體變量StateTransform，實現(xiàn)狀態(tài)遷移，并調用對應的回調函數(shù)。
#define?STATETRANS(n)??(stateTran_##n)
/*change?state?&?call?callback()*/
void?do_action(StateTransform?*statTran)
{
?if(NULL?==?statTran)
?{
??perror("statTran?is?NULL\n");
??return;
?}
?//狀態(tài)遷移
?globalState?=?statTran->nextState;
?if(statTran->action?!=?NULL)
?{//調用回調函數(shù)
??statTran->action((void*)statTran);
?}else{
??printf("invalid?event,state?not?change\n");
?}
}
void?event_happen(unsigned?int?event)
{
?switch(globalState)
?{
??case?sta_origin:
???do_action(&STATETRANS(0)[event]);
???break;
??case?sta_running:
???do_action(&STATETRANS(1)[event]);
???break;
??case?sta_owencpu:
???do_action(&STATETRANS(2)[event]);?
???break;
??case?sta_sleep_int:
???do_action(&STATETRANS(3)[event]);?
???break;
??case?sta_sleep_unint:
???do_action(&STATETRANS(4)[event]);?
???break;
??default:
???printf("state?is?invalid\n");
???break;
?}
}
測試程序：功能：
-
初始化狀態(tài)機的初始狀態(tài)為sta_origin； -
創(chuàng)建子線程，每隔一秒鐘顯示當前進程狀態(tài)； -
事件發(fā)生順序為：evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake。
讀者可以跟自己的需要，修改事件發(fā)生順序，觀察狀態(tài)的變化。
main.c
/*顯示當前狀態(tài)*/
void?*show_stat(void?*arg)
{
?int?len;
?char?buf[64]={0};
?
?while(1)
?{
??sleep(1);
??printf("cur?stat:%s\n",statename[globalState]);
?}?
}
void?main(void)
{
?init_machine();
?//創(chuàng)建子線程，子線程主要用于顯示當前狀態(tài)
?pthread_create(&pid,?NULL,show_stat,?NULL);
?sleep(5);
?event_happen(evt_fork);
?sleep(5);
?event_happen(evt_sched);
?sleep(5);
?event_happen(evt_sched);
?sleep(5);
?event_happen(evt_wait);
?sleep(5);
?event_happen(evt_wake);
?
}
運行結果：由結果可知：
evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake
該事件發(fā)生序列對應的狀態(tài)遷移順序為：
origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running
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