有限狀態(tài)機(finite state machine)簡稱FSM，表示有限個狀態(tài)及在這些狀態(tài)之間的轉移和動作等行為的數學模型，在計算機領域有著廣泛的應用。FSM是一種邏輯單元內部的一種高效編程方法，在服務器編程中，服務器可以根據不同狀態(tài)或者消息類型進行相應的處理邏輯，使得程序邏輯清晰易懂。

那有限狀態(tài)機通常在什么地方被用到?

處理程序語言或者自然語言的 tokenizer,自底向上解析語法的parser，

各種通信協(xié)議發(fā)送方和接受方傳遞數據對消息處理，游戲AI等都有應用場景。

狀態(tài)機有以下幾種實現方法，我將一一闡述它們的優(yōu)缺點。

一、使用if/else if語句實現的FSM

使用if/else if語句是實現的FSM最簡單最易懂的方法，我們只需要通過大量的if /else if語句來判斷狀態(tài)值來執(zhí)行相應的邏輯處理。

看看下面的例子，我們使用了大量的if/else if語句實現了一個簡單的狀態(tài)機，做到了根據狀態(tài)的不同執(zhí)行相應的操作，并且實現了狀態(tài)的跳轉。

//比如我們定義了小明一天的狀態(tài)如下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(); //具體調用的函數 state = GO_TO_SCHOOL; //狀態(tài)的轉移 } 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?是不是感覺程序雖然簡單易懂，但是使用了大量的if判斷語句，使得代碼很低端，同時代碼膨脹的比較厲害。這個狀態(tài)機的狀態(tài)僅有幾個，代碼膨脹并不明顯，但是如果我們需要處理的狀態(tài)有數十個的話，該狀態(tài)機的代碼就不好讀了。

二、使用switch實現FSM

使用switch語句實現的FSM的結構變得更為清晰了，其缺點也是明顯的：這種設計方法雖然簡單，通過一大堆判斷來處理，適合小規(guī)模的狀態(tài)切換流程，但如果規(guī)模擴大難以擴展和維護。

int main(){ int state = GET_UP; //小明的一天 while (1) { switch(state) { case GET_UP: GetUp(); //具體調用的函數 state = GO_TO_SCHOOL; //狀態(tài)的轉移 break; case GO_TO_SCHOOL: Go2School(); state = HAVE_LUNCH; break; case HAVE_LUNCH: HaveLunch(); state = GO_HOME; break; ... default: break; } } return 0;}

三、使用函數指針實現FSM

使用函數指針實現FSM的思路：建立相應的狀態(tài)表和動作查詢表，根據狀態(tài)表、事件、動作表定位相應的動作處理函數，執(zhí)行完成后再進行狀態(tài)的切換。

當然使用函數指針實現的FSM的過程還是比較費時費力，但是這一切都是值得的，因為當你的程序規(guī)模大時候，基于這種表結構的狀態(tài)機，維護程序起來也是得心應手。

下面給出一個使用函數指針實現的FSM的框架：

我們還是以“小明的一天”為例設計出該FSM。

先給出該FSM的狀態(tài)轉移圖：

下面講解關鍵部分代碼實現

首先我們定義出小明一天的活動狀態(tài)

//比如我們定義了小明一天的狀態(tài)如下enum{ GET_UP, GO_TO_SCHOOL, HAVE_LUNCH, DO_HOMEWORK, SLEEP,};

我們也定義出會發(fā)生的事件

enum{ EVENT1 = 1, EVENT2, EVENT3,};

定義狀態(tài)表的數據結構

typedef struct FsmTable_s{ int event; //事件 int CurState; //當前狀態(tài) void (*eventActFun)(); //函數指針 int NextState; //下一個狀態(tài)}FsmTable_t;

接下來定義出最重要FSM的狀態(tài)表，我們整個FSM就是根據這個定義好的表來運轉的。

FsmTable_t XiaoMingTable[] ={ //{到來的事件，當前的狀態(tài)，將要要執(zhí)行的函數，下一個狀態(tài)} { 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};

狀態(tài)機的注冊、狀態(tài)轉移、事件處理的動作實現

/*狀態(tài)機注冊*/void FSM_Regist(FSM_t* pFsm, FsmTable_t* pTable){ pFsm->FsmTable = pTable;}/*狀態(tài)遷移*/void FSM_StateTransfer(FSM_t* pFsm, int state){ pFsm->curState = state;}/*事件處理*/void FSM_EventHandle(FSM_t* pFsm, int event){ FsmTable_t* pActTable = pFsm->FsmTable; void (*eventActFun)() = NULL; //函數指針初始化為空 int NextState; int CurState = pFsm->curState; int flag = 0; //標識是否滿足條件 int i; /*獲取當前動作函數*/ for (i = 0; i//當且僅當當前狀態(tài)下來個指定的事件，我才執(zhí)行它 if (event == pActTable[i].event && CurState == pActTable[i].CurState) { flag = 1; eventActFun = pActTable[i].eventActFun; NextState = pActTable[i].NextState; break; } } if (flag) //如果滿足條件了 { /*動作執(zhí)行*/ if (eventActFun) { eventActFun(); } //跳轉到下一個狀態(tài) FSM_StateTransfer(pFsm, NextState); } else { // do nothing }}

主函數我們這樣寫，然后觀察狀態(tài)機的運轉情況

int main(){ FSM_t fsm; InitFsm(&fsm); int event = EVENT1; //小明的一天,周而復始的一天又一天，進行著相同的活動 while (1) { printf("event %d is coming...n", event); FSM_EventHandle(&fsm, event); printf("fsm current state %dn", fsm.curState); test(&event); sleep(1); //休眠1秒，方便觀察 } return 0;}

看一看該狀態(tài)機跑起來的狀態(tài)轉移情況：

上面的圖可以看出，當且僅當在指定的狀態(tài)下來了指定的事件才會發(fā)生函數的執(zhí)行以及狀態(tài)的轉移，否則不會發(fā)生狀態(tài)的跳轉。這種機制使得這個狀態(tài)機不停地自動運轉，有條不絮地完成任務。

與前兩種方法相比，使用函數指針實現FSM能很好用于大規(guī)模的切換流程，只要我們實現搭好了FSM框架，以后進行擴展就很簡單了(只要在狀態(tài)表里加一行來寫入新的狀態(tài)處理就可以了)。