it-swarm.com.ru

C State-Design

Я занимаюсь разработкой небольшого проекта на смешанных C и C++. Я строю один маленький конечный автомат в основе одного из моих рабочих потоков.

Мне было интересно, поделитесь ли вы гуру по SO вашими методами проектирования конечных автоматов.

ПРИМЕЧАНИЕ: Я в основном после проверенных и проверенных методов реализации.

ОБНОВЛЕНО: Основываясь на всех замечательных материалах, собранных в SO, я остановился на этой архитектуре:

 An event pump points to an event integrator which points to a dispatcher. The dispatcher points to 1 through n actions which point back to the event integrator. A transition table with wildcards points to the dispatcher.

189
jldupont

Конечные автоматы, которые я проектировал ранее (C, а не C++), все сводятся к массиву struct и циклу. Структура в основном состоит из состояния и события (для просмотра) и функции, которая возвращает новое состояние, что-то вроде:

typedef struct {
    int st;
    int ev;
    int (*fn)(void);
} tTransition;

Затем вы определяете свои состояния и события с помощью простых определений (ANY - это специальные маркеры, см. Ниже):

#define ST_ANY              -1
#define ST_INIT              0
#define ST_ERROR             1
#define ST_TERM              2
: :
#define EV_ANY              -1
#define EV_KEYPRESS       5000
#define EV_MOUSEMOVE      5001

Затем вы определяете все функции, которые вызываются переходами:

static int GotKey (void) { ... };
static int FsmError (void) { ... };

Все эти функции написаны так, чтобы не принимать переменные и возвращать новое состояние для конечного автомата. В этом примере глобальные переменные используются для передачи любой информации в функции состояния, где это необходимо.

Использование глобальных переменных не так плохо, как кажется, поскольку FSM обычно блокируется внутри одного модуля компиляции, и все переменные являются статическими по отношению к этому модулю (именно поэтому я использовал кавычки вокруг «global» выше - они более распространены внутри ФСМ, чем истинно глобальный). Как и во всех глобальных, он требует осторожности.

Затем массив переходов определяет все возможные переходы и функции, которые вызываются для этих переходов (включая последний из них для всех):

tTransition trans[] = {
    { ST_INIT, EV_KEYPRESS, &GotKey},
    : :
    { ST_ANY, EV_ANY, &FsmError}
};
#define TRANS_COUNT (sizeof(trans)/sizeof(*trans))

Это означает следующее: если вы находитесь в состоянии ST_INIT и получаете событие EV_KEYPRESS, позвоните GotKey.

Работа FSM становится относительно простым циклом:

state = ST_INIT;
while (state != ST_TERM) {
    event = GetNextEvent();
    for (i = 0; i < TRANS_COUNT; i++) {
        if ((state == trans[i].st) || (ST_ANY == trans[i].st)) {
            if ((event == trans[i].ev) || (EV_ANY == trans[i].ev)) {
                state = (trans[i].fn)();
                break;
            }
        }
    }
}

Как упоминалось выше, обратите внимание на использование ST_ANY в качестве подстановочных знаков, позволяющих событию вызывать функцию независимо от текущего состояния. EV_ANY также работает аналогично, позволяя любому событию в определенном состоянии вызывать функцию.

Это также может гарантировать, что, если вы дойдете до конца массива переходов, вы получите сообщение о том, что ваш FSM не был построен правильно (с помощью комбинации ST_ANY/EV_ANY).

Я использовал подобный код для очень многих коммуникационных проектов, таких как ранняя реализация стеков связи и протоколов для встроенных систем. Большим преимуществом была его простота и относительная легкость в изменении массива переходов.

Я не сомневаюсь, что будут абстракции более высокого уровня, которые могут быть более подходящими в настоящее время, но я подозреваю, что все они сводятся к такой же структуре. 


И, как говорится в комментарии ldog, вы можете полностью избежать глобальных переменных, передавая структурный указатель на все функции (и используя его в цикле обработки событий). Это позволит нескольким конечным автоматам работать бок о бок без помех.

Просто создайте тип структуры, который содержит данные, специфичные для машины (состояние как минимум), и используйте их вместо глобальных.

Причина, по которой я редко это делаю, заключается в том, что большинство машин состояний, которые я написал, были одноэлементными (например, одноразовые, при запуске процесса, чтение файла конфигурации), и не нужно запускать более одного экземпляра. , Но это имеет значение, если вам нужно запустить более одного.

165
paxdiablo

Другие ответы хороши, но очень «легкая» реализация, которую я использовал, когда конечный автомат очень прост, выглядит так:

enum state { ST_NEW, ST_OPEN, ST_SHIFT, ST_END };

enum state current_state = ST_NEW;

while (current_state != ST_END)
{
    input = get_input();

    switch (current_state)
    {
        case ST_NEW:
        /* Do something with input and set current_state */
        break;

        case ST_OPEN:
        /* Do something different and set current_state */
        break;

        /* ... etc ... */
    }
}

Я бы использовал это, когда конечный автомат достаточно прост, чтобы подход с указателем функции и таблицей переходов состояний был излишним. Это часто полезно для посимвольного или пословного анализа.

76
caf

Извините, что нарушил все правила в информатике, но конечный автомат - одно из немногих (я могу считать только два) мест, где оператор goto не только более эффективен, но также делает ваш код чище и легче для чтения. Поскольку операторы goto основаны на метках, вы можете называть свои состояния вместо того, чтобы отслеживать беспорядок чисел или использовать enum. Это также делает код намного чище, так как вам не нужны все лишние указатели на функции или огромные операторы switch и while. Я уже говорил, что это более эффективно?

Вот как может выглядеть конечный автомат:

void state_machine() {
first_state:
    // Do some stuff here
    switch(some_var) {
    case 0:
        goto first_state;
    case 1:
        goto second_state;
    default:
        return;
    }

second_state:
    // Do some stuff here
    switch(some_var) {
    case 0:
        goto first_state;
    case 1:
        goto second_state;
    default:
        return;
    }
}

Вы получите общую идею. Дело в том, что вы можете реализовать конечный автомат эффективным способом, который относительно легко читается, и кричит читателю, что он смотрит на конечный автомат. Обратите внимание, что если вы используете операторы goto, вы все равно должны быть осторожны, так как при этом очень легко выстрелить себе в ногу.

34
Jason E

Вы можете рассмотреть State Machine Compiler http://smc.sourceforge.net/

Эта великолепная утилита с открытым исходным кодом принимает описание конечного автомата на простом языке и компилирует его на любой из дюжины или около того языков, включая C и C++. Сама утилита написана на Java и может быть включена как часть сборки.

Причина, по которой это делается, а не ручное кодирование с использованием шаблона состояния GoF или любого другого подхода, заключается в том, что после того, как ваш конечный автомат выражается в виде кода, базовая структура имеет тенденцию исчезать под весом стандартного шаблона, который необходимо сгенерировать для его поддержки. Использование этого подхода дает вам отличное разделение задач, и вы сохраняете структуру своего конечного автомата «видимой». Автоматически сгенерированный код входит в модули, к которым вам не нужно прикасаться, чтобы вы могли вернуться и поиграть со структурой конечного автомата, не влияя на написанный вами вспомогательный код.

Извините, я преувеличиваю и, несомненно, откладываю всех. Но это первоклассная утилита, и хорошо документированная тоже.

29
willw

Обязательно проверьте работу Миро Самека (блог State Space , веб-сайт State Machines & Tools ), чьи статьи в C/C++ Users Journal были великолепны.

Веб-сайт содержит полную (C/C++) реализацию как с открытым исходным кодом, так и с коммерческой лицензией структуры конечного автомата (QP Framework), обработчик событий (QEP), базовый инструмент моделирования ( QM) и инструмент трассировки (QSpy), которые позволяют рисовать конечные автоматы, создавать код и отлаживать их.

Книга содержит подробное объяснение того, что/почему для реализации и как ее использовать, а также является отличным материалом для понимания основ иерархических и конечных автоматов.

Веб-сайт также содержит ссылки на несколько пакетов поддержки плат для использования программного обеспечения со встроенными платформами.

20
Daniel Daranas

Я сделал нечто похожее на то, что описывает paxdiablo, только вместо массива переходов между состояниями и событиями я установил двумерный массив указателей функций со значением события в качестве индекса одной оси и значением текущего состояния в виде другой. Тогда я просто звоню state = state_table[event][state](params), и все происходит правильно. Ячейки, представляющие недопустимые комбинации состояния/события, получают указатель на функцию, которая говорит об этом, конечно. 

Очевидно, это работает только в том случае, если значения состояния и события являются смежными диапазонами и начинаются с 0 или достаточно близко.

11
ceo

Стефан Хайнцманн (Stefan Heinzmann) в своей статье дал очень приятную "структуру" конечного автомата C++ на основе шаблонов.

Поскольку в статье нет ссылки на полную загрузку кода, я позволил себе вставить код в проект и проверить его. Материал ниже тестируется и включает в себя несколько незначительных, но довольно очевидных недостающих частей.

Основным нововведением здесь является то, что компилятор генерирует очень эффективный код. Пустые действия входа/выхода не имеют стоимости. Непустые действия входа/выхода встроены. Компилятор также проверяет полноту диаграммы состояний. Пропущенные действия приводят к ошибкам компоновки. Единственное, что не пойман - это отсутствующий Top::init.

Это очень хорошая альтернатива реализации Миро Самека, если вы можете жить без того, чего не хватает - это далеко от полной реализации UML Statechart, хотя она правильно реализует семантику UML, тогда как код Самека по своему дизайну не обрабатывает выход/переход/вход действия в правильном порядке.

Если этот код работает для того, что вам нужно сделать, и у вас есть приличный компилятор C++ для вашей системы, он, вероятно, будет работать лучше, чем реализация Miro C/C++. Компилятор сгенерирует для вас плоскую реализацию O(1) конечного автомата. Если аудит результатов сборки подтверждает, что оптимизации работают так, как вам нужно, вы приближаетесь к теоретической производительности. Лучшая часть: это относительно крошечный, простой для понимания код.

#ifndef HSM_HPP
#define HSM_HPP

// This code is from:
// Yet Another Hierarchical State Machine
// by Stefan Heinzmann
// Overload issue 64 december 2004
// http://accu.org/index.php/journals/252

/* This is a basic implementation of UML Statecharts.
 * The key observation is that the machine can only
 * be in a leaf state at any given time. The composite
 * states are only traversed, never final.
 * Only the leaf states are ever instantiated. The composite
 * states are only mechanisms used to generate code. They are
 * never instantiated.
 */

// Helpers

// A gadget from Herb Sutter's GotW #71 -- depends on SFINAE
template<class D, class B>
class IsDerivedFrom {
    class Yes { char a[1]; };
    class No  { char a[10]; };
    static Yes Test(B*); // undefined
    static No Test(...); // undefined
public:
    enum { Res = sizeof(Test(static_cast<D*>(0))) == sizeof(Yes) ? 1 : 0 };
};

template<bool> class Bool {};

// Top State, Composite State and Leaf State

template <typename H>
struct TopState {
    typedef H Host;
    typedef void Base;
    virtual void handler(Host&) const = 0;
    virtual unsigned getId() const = 0;
};

template <typename H, unsigned id, typename B>
struct CompState;

template <typename H, unsigned id, typename B = CompState<H, 0, TopState<H> > >
struct CompState : B {
    typedef B Base;
    typedef CompState<H, id, Base> This;
    template <typename X> void handle(H& h, const X& x) const { Base::handle(h, x); }
    static void init(H&); // no implementation
    static void entry(H&) {}
    static void exit(H&) {}
};

template <typename H>
struct CompState<H, 0, TopState<H> > : TopState<H> {
    typedef TopState<H> Base;
    typedef CompState<H, 0, Base> This;
    template <typename X> void handle(H&, const X&) const {}
    static void init(H&); // no implementation
    static void entry(H&) {}
    static void exit(H&) {}
};

template <typename H, unsigned id, typename B = CompState<H, 0, TopState<H> > >
struct LeafState : B {
    typedef H Host;
    typedef B Base;
    typedef LeafState<H, id, Base> This;
    template <typename X> void handle(H& h, const X& x) const { Base::handle(h, x); }
    virtual void handler(H& h) const { handle(h, *this); }
    virtual unsigned getId() const { return id; }
    static void init(H& h) { h.next(obj); } // don't specialize this
    static void entry(H&) {}
    static void exit(H&) {}
    static const LeafState obj; // only the leaf states have instances
};

template <typename H, unsigned id, typename B>
const LeafState<H, id, B> LeafState<H, id, B>::obj;

// Transition Object

template <typename C, typename S, typename T>
// Current, Source, Target
struct Tran {
    typedef typename C::Host Host;
    typedef typename C::Base CurrentBase;
    typedef typename S::Base SourceBase;
    typedef typename T::Base TargetBase;
    enum { // work out when to terminate template recursion
        eTB_CB = IsDerivedFrom<TargetBase, CurrentBase>::Res,
        eS_CB = IsDerivedFrom<S, CurrentBase>::Res,
        eS_C = IsDerivedFrom<S, C>::Res,
        eC_S = IsDerivedFrom<C, S>::Res,
        exitStop = eTB_CB && eS_C,
        entryStop = eS_C || eS_CB && !eC_S
    };
    // We use overloading to stop recursion.
    // The more natural template specialization
    // method would require to specialize the inner
    // template without specializing the outer one,
    // which is forbidden.
    static void exitActions(Host&, Bool<true>) {}
    static void exitActions(Host&h, Bool<false>) {
        C::exit(h);
        Tran<CurrentBase, S, T>::exitActions(h, Bool<exitStop>());
    }
    static void entryActions(Host&, Bool<true>) {}
    static void entryActions(Host& h, Bool<false>) {
        Tran<CurrentBase, S, T>::entryActions(h, Bool<entryStop>());
        C::entry(h);
    }
    Tran(Host & h) : Host_(h) {
        exitActions(Host_, Bool<false>());
    }
    ~Tran() {
        Tran<T, S, T>::entryActions(Host_, Bool<false>());
        T::init(Host_);
    }
    Host& Host_;
};

// Initializer for Compound States

template <typename T>
struct Init {
    typedef typename T::Host Host;
    Init(Host& h) : Host_(h) {}
    ~Init() {
        T::entry(Host_);
        T::init(Host_);
    }
    Host& Host_;
};

#endif // HSM_HPP

Тестовый код следует.

#include <cstdio>
#include "hsm.hpp"
#include "hsmtest.hpp"

/* Implements the following state machine from Miro Samek's
 * Practical Statecharts in C/C++
 *
 * |-init-----------------------------------------------------|
 * |                           s0                             |
 * |----------------------------------------------------------|
 * |                                                          |
 * |    |-init-----------|        |-------------------------| |
 * |    |       s1       |---c--->|            s2           | |
 * |    |----------------|<--c----|-------------------------| |
 * |    |                |        |                         | |
 * |<-d-| |-init-------| |        | |-init----------------| | |
 * |    | |     s11    |<----f----| |          s21        | | |
 * | /--| |------------| |        | |---------------------| | |
 * | a  | |            | |        | |                     | | |
 * | \->| |            |------g--------->|-init------|    | | |
 * |    | |____________| |        | |-b->|    s211   |---g--->|
 * |    |----b---^       |------f------->|           |    | | |
 * |    |________________|        | |<-d-|___________|<--e----|
 * |                              | |_____________________| | |
 * |                              |_________________________| |
 * |__________________________________________________________|
 */

class TestHSM;

typedef CompState<TestHSM,0>     Top;
typedef CompState<TestHSM,1,Top>   S0;
typedef CompState<TestHSM,2,S0>      S1;
typedef LeafState<TestHSM,3,S1>        S11;
typedef CompState<TestHSM,4,S0>      S2;
typedef CompState<TestHSM,5,S2>        S21;
typedef LeafState<TestHSM,6,S21>         S211;

enum Signal { A_SIG, B_SIG, C_SIG, D_SIG, E_SIG, F_SIG, G_SIG, H_SIG };

class TestHSM {
public:
    TestHSM() { Top::init(*this); }
    ~TestHSM() {}
    void next(const TopState<TestHSM>& state) {
        state_ = &state;
    }
    Signal getSig() const { return sig_; }
    void dispatch(Signal sig) {
        sig_ = sig;
        state_->handler(*this);
    }
    void foo(int i) {
        foo_ = i;
    }
    int foo() const {
        return foo_;
    }
private:
    const TopState<TestHSM>* state_;
    Signal sig_;
    int foo_;
};

bool testDispatch(char c) {
    static TestHSM test;
    if (c<'a' || 'h'<c) {
        return false;
    }
    printf("Signal<-%c", c);
    test.dispatch((Signal)(c-'a'));
    printf("\n");
    return true;
}

int main(int, char**) {
    testDispatch('a');
    testDispatch('e');
    testDispatch('e');
    testDispatch('a');
    testDispatch('h');
    testDispatch('h');
    return 0;
}

#define HSMHANDLER(State) \
    template<> template<typename X> inline void State::handle(TestHSM& h, const X& x) const

HSMHANDLER(S0) {
    switch (h.getSig()) {
    case E_SIG: { Tran<X, This, S211> t(h);
        printf("s0-E;");
        return; }
    default:
        break;
    }
    return Base::handle(h, x);
}

HSMHANDLER(S1) {
    switch (h.getSig()) {
    case A_SIG: { Tran<X, This, S1> t(h);
        printf("s1-A;"); return; }
    case B_SIG: { Tran<X, This, S11> t(h);
        printf("s1-B;"); return; }
    case C_SIG: { Tran<X, This, S2> t(h);
        printf("s1-C;"); return; }
    case D_SIG: { Tran<X, This, S0> t(h);
        printf("s1-D;"); return; }
    case F_SIG: { Tran<X, This, S211> t(h);
        printf("s1-F;"); return; }
    default: break;
    }
    return Base::handle(h, x);
}

HSMHANDLER(S11) {
    switch (h.getSig()) {
    case G_SIG: { Tran<X, This, S211> t(h);
        printf("s11-G;"); return; }
    case H_SIG: if (h.foo()) {
            printf("s11-H");
            h.foo(0); return;
        } break;
    default: break;
    }
    return Base::handle(h, x);
}

HSMHANDLER(S2) {
    switch (h.getSig()) {
    case C_SIG: { Tran<X, This, S1> t(h);
        printf("s2-C"); return; }
    case F_SIG: { Tran<X, This, S11> t(h);
        printf("s2-F"); return; }
    default: break;
    }
    return Base::handle(h, x);
}

HSMHANDLER(S21) {
    switch (h.getSig()) {
    case B_SIG: { Tran<X, This, S211> t(h);
        printf("s21-B;"); return; }
    case H_SIG: if (!h.foo()) {
            Tran<X, This, S21> t(h);
            printf("s21-H;"); h.foo(1);
            return;
        } break;
    default: break;
    }
    return Base::handle(h, x);
}

HSMHANDLER(S211) {
    switch (h.getSig()) {
    case D_SIG: { Tran<X, This, S21> t(h);
        printf("s211-D;"); return; }
    case G_SIG: { Tran<X, This, S0> t(h);
        printf("s211-G;"); return; }
    }
    return Base::handle(h, x);
}

#define HSMENTRY(State) \
    template<> inline void State::entry(TestHSM&) { \
        printf(#State "-ENTRY;"); \
    }

HSMENTRY(S0)
HSMENTRY(S1)
HSMENTRY(S11)
HSMENTRY(S2)
HSMENTRY(S21)
HSMENTRY(S211)

#define HSMEXIT(State) \
    template<> inline void State::exit(TestHSM&) { \
        printf(#State "-EXIT;"); \
    }

HSMEXIT(S0)
HSMEXIT(S1)
HSMEXIT(S11)
HSMEXIT(S2)
HSMEXIT(S21)
HSMEXIT(S211)

#define HSMINIT(State, InitState) \
    template<> inline void State::init(TestHSM& h) { \
       Init<InitState> i(h); \
       printf(#State "-INIT;"); \
    }

HSMINIT(Top, S0)
HSMINIT(S0, S1)
HSMINIT(S1, S11)
HSMINIT(S2, S21)
HSMINIT(S21, S211)
9
Kuba Ober

Самый простой случай

enum event_type { ET_THIS, ET_THAT };
union event_parm { uint8_t this; uint16_t that; }
static void handle_event(enum event_type event, union event_parm parm)
{
  static enum { THIS, THAT } state;
  switch (state)
  {
    case THIS:
    switch (event)
    {
      case ET_THIS:
      // Handle event.
      break;

      default:
      // Unhandled events in this state.
      break;
    }
    break;

    case THAT:
    // Handle state.
    break;
  }
}

Точки: Состояние является частным не только для модуля компиляции, но и для обработчика событий Особые случаи могут обрабатываться отдельно от главного переключателя с использованием любой конструкции, которая будет сочтена необходимой.

Более сложный случай

Когда коммутатор заполнится больше, чем на пару экранов, разделите его на функции, которые обрабатывают каждое состояние, используя таблицу состояний для непосредственного поиска функции. Состояние по-прежнему закрыто для обработчика событий. Функции обработчика состояния возвращают следующее состояние. При необходимости некоторые события могут получать специальную обработку в главном обработчике событий. Мне нравится добавлять псевдо-события для входа и выхода из состояния и, возможно, запуска конечного автомата:

enum state_type { THIS, THAT, FOO, NA };
enum event_type { ET_START, ET_ENTER, ET_EXIT, ET_THIS, ET_THAT, ET_WHATEVER, ET_TIMEOUT };
union event_parm { uint8_t this; uint16_t that; };
static void handle_event(enum event_type event, union event_parm parm)
{
  static enum state_type state;
  static void (* const state_handler[])(enum event_type event, union event_parm parm) = { handle_this, handle_that };
  enum state_type next_state = state_handler[state](event, parm);
  if (NA != next_state && state != next_state)
  {
    (void)state_handler[state](ET_EXIT, 0);
    state = next_state;
    (void)state_handler[state](ET_ENTER, 0);
  }
}

Я не уверен, прибил ли я синтаксис, особенно относительно массива указателей на функции. Я не запускал ничего из этого через компилятор. После проверки я заметил, что забыл явно отбрасывать следующее состояние при обработке псевдо-событий (скобка (void) перед вызовом state_handler ()). Это то, что мне нравится делать, даже если компиляторы молча принимают это упущение. Он сообщает читателям кода, что «да, я действительно имел в виду вызов функции без использования возвращаемого значения», и это может помешать инструментам статического анализа предупреждать об этом. Это может быть своеобразным, потому что я не помню, чтобы кто-нибудь еще делал это.

Точки: добавление крошечной сложности (проверка, отличается ли следующее состояние от текущего), может избежать дублирования кода в другом месте, потому что функции обработчика состояний могут наслаждаться псевдо-событиями, которые происходят при входе и выходе из состояния. Помните, что состояние не может измениться при обработке псевдо-событий, потому что результат обработчика состояния отбрасывается после этих событий. Конечно, вы можете изменить поведение. 

Обработчик состояния будет выглядеть так:

static enum state_type handle_this(enum event_type event, union event_parm parm)
{
  enum state_type next_state = NA;
  switch (event)
  {
    case ET_ENTER:
    // Start a timer to do whatever.
    // Do other stuff necessary when entering this state.
    break;

    case ET_WHATEVER:
    // Switch state.
    next_state = THAT;
    break;

    case ET_TIMEOUT:
    // Switch state.
    next_state = FOO;
    break;

    case ET_EXIT:
    // Stop the timer.
    // Generally clean up this state.
    break;
  }
  return next_state;
}

Больше сложности

Когда модуль компиляции становится слишком большим (что бы вы ни чувствовали, я бы сказал, около 1000 строк), поместите каждый обработчик состояний в отдельный файл. Когда каждый обработчик состояния становится длиннее пары экранов, каждое событие разделяется на отдельные функции, аналогично тому, как был разделен переключатель состояния. Вы можете сделать это несколькими способами, отдельно от государства или с помощью общей таблицы, или комбинируя различные схемы. Некоторые из них были охвачены здесь другими. Сортируйте таблицы и используйте бинарный поиск, если требуется скорость.

Общее программирование

Мне бы хотелось, чтобы препроцессор имел дело с такими проблемами, как сортировка таблиц или даже генерация конечных автоматов из описаний, позволяющих вам «писать программы о программах». Я верю, что это то, для чего люди Boost используют шаблоны C++, но я нахожу синтаксис загадочным.

Двумерные таблицы

В прошлом я использовал таблицы состояний/событий, но должен сказать, что для простейших случаев я не нахожу их необходимыми и предпочитаю ясность и удобочитаемость оператора switch, даже если он выходит за пределы одного полного экрана. В более сложных случаях таблицы быстро выходят из-под контроля, как отмечали другие. Приводимые здесь идиомы позволяют вам добавлять массу событий и состояний, когда вам это нравится, без необходимости поддерживать таблицу потребления памяти (даже если это может быть память программы). 

Отказ от ответственности

Особые потребности могут сделать эти идиомы менее полезными, но я обнаружил, что они очень ясны и понятны.

5
Joe the Hamster

Техника, которая мне нравится для конечных автоматов (по крайней мере, для управления программой), заключается в использовании указателей функций. Каждое состояние представлено другой функцией. Функция принимает входной символ и возвращает указатель функции для следующего состояния. Центральный диспетчерский диспетчерский контур принимает следующий вход, передает его в текущее состояние и обрабатывает результат.

Печатание на нем становится немного странным, поскольку C не может указать типы указателей на функции, возвращающие себя, поэтому функции состояния возвращают void*. Но вы можете сделать что-то вроде этого:

typedef void* (*state_handler)(input_symbol_t);
void dispatch_fsm()
{
    state_handler current = initial_handler;
    /* Let's assume returning null indicates end-of-machine */
    while (current) {
        current = current(get_input);
    }
 }

Тогда ваши индивидуальные функции состояния могут включить их ввод для обработки и вернуть соответствующее значение.

5
Michael Ekstrand

Еще один интересный инструмент с открытым исходным кодом - Yakindu Statechart Tools на statecharts.org . Он использует диаграммы состояний Harel и, таким образом, обеспечивает иерархические и параллельные состояния и генерирует код C и C++ (а также Java). Он не использует библиотеки, но следует подходу «простого кода». Код в основном применяет структуры switch-case. Генераторы кода также могут быть настроены. Кроме того, инструмент предоставляет множество других функций.

4
Axel T.

Мне очень понравился ответ paxdiable, и я решил реализовать все недостающие функции для моего приложения, такие как защитные переменные и данные о состоянии машины. 

Я загрузил свою реализацию на этот сайт, чтобы поделиться с сообществом. Он был протестирован с использованием IAR Embedded Workbench для ARM.

https://sourceforge.net/projects/compactfsm/

4
user108570

Крайне непроверенный, но забавный код, теперь в более изысканной версии, чем мой первоначальный ответ; последние версии можно найти на Mercurial.intuxication.org :

sm.h

#ifndef SM_ARGS
#error "SM_ARGS undefined: " \
    "use '#define SM_ARGS (void)' to get an empty argument list"
#endif

#ifndef SM_STATES
#error "SM_STATES undefined: " \
    "you must provide a list of comma-separated states"
#endif

typedef void (*sm_state) SM_ARGS;
static const sm_state SM_STATES;

#define sm_transit(STATE) ((sm_state (*) SM_ARGS)STATE)

#define sm_def(NAME) \
    static sm_state NAME ## _fn SM_ARGS; \
    static const sm_state NAME = (sm_state)NAME ## _fn; \
    static sm_state NAME ## _fn SM_ARGS

example.c

#include <stdio.h>

#define SM_ARGS (int i)
#define SM_STATES EVEN, ODD
#include "sm.h"

sm_def(EVEN)
{
    printf("even %i\n", i);
    return ODD;
}

sm_def(ODD)
{
    printf("odd  %i\n", i);
    return EVEN;
}

int main(void)
{
    int i = 0;
    sm_state state = EVEN;

    for(; i < 10; ++i)
        state = sm_transit(state)(i);

    return 0;
}
4
Christoph

В общем, я думаю, что мой немного отличается от всех остальных. Чуть больше разделения кода и данных, чем я вижу в других ответах. Я действительно прочитал теорию, чтобы написать это, которая реализует полный Regular-язык (без регулярных выражений, к сожалению). Ульман, Минский, Хомский. Не могу сказать, что все понял, но я обратился к старым мастерам как можно более прямо: через их слова.

Я использую указатель функции на предикат, который определяет переход в состояние «да» или «нет». Это облегчает создание конечного акцептора состояний для обычного языка, который вы программируете более похожим на ассемблер. Пожалуйста, не откладывай на мой глупый выбор имени. 'czek' == 'проверить'. 'grok' == [посмотрите в словаре хакеров].

Таким образом, для каждой итерации czek вызывает функцию предиката с текущим символом в качестве аргумента. Если предикат возвращает true, символ потребляется (указатель продвинутый), и мы следуем переходу «y», чтобы выбрать следующее состояние. Если предикат возвращает false, символ НЕ используется, и мы следуем переходу 'n'. Таким образом, каждая инструкция является двусторонней ветвью! Должно быть, я читал «Историю Мела» в то время.

Этот код взят прямо из моего интерпретатора постскриптума и развился в его нынешнюю форму под большим руководством коллег по comp.lang.c. Поскольку postscript в основном не имеет синтаксиса (требующего только сбалансированных скобок), Regular Language Accepter, подобный этому, также работает как синтаксический анализатор. 

/* currentstr is set to the start of string by czek
   and used by setrad (called by israd) to set currentrad
   which is used by israddig to determine if the character
   in question is valid for the specified radix
   --
   a little semantic checking in the syntax!
 */
char *currentstr;
int currentrad;
void setrad(void) {
    char *end;
    currentrad = strtol(currentstr, &end, 10);
    if (*end != '#' /* just a sanity check,
                       the automaton should already have determined this */
    ||  currentrad > 36
    ||  currentrad < 2)
        fatal("bad radix"); /* should probably be a simple syntaxerror */
}

/*
   character classes
   used as tests by automatons under control of czek
 */
char *alpha = "0123456789" "ABCDE" "FGHIJ" "KLMNO" "PQRST" "UVWXYZ";
#define EQ(a,b) a==b
#define WITHIN(a,b) strchr(a,b)!=NULL
int israd  (int c) {
    if (EQ('#',c)) { setrad(); return true; }
    return false;
}
int israddig(int c) {
    return strchrnul(alpha,toupper(c))-alpha <= currentrad;
}
int isdot  (int c) {return EQ('.',c);}
int ise    (int c) {return WITHIN("eE",c);}
int issign (int c) {return WITHIN("+-",c);}
int isdel  (int c) {return WITHIN("()<>[]{}/%",c);}
int isreg  (int c) {return c!=EOF && !isspace(c) && !isdel(c);}
#undef WITHIN
#undef EQ

/*
   the automaton type
 */
typedef struct { int (*pred)(int); int y, n; } test;

/*
   automaton to match a simple decimal number
 */
/* /^[+-]?[0-9]+$/ */
test fsm_dec[] = {
/* 0*/ { issign,  1,  1 },
/* 1*/ { isdigit, 2, -1 },
/* 2*/ { isdigit, 2, -1 },
};
int acc_dec(int i) { return i==2; }

/*
   automaton to match a radix number
 */
/* /^[0-9]+[#][a-Z0-9]+$/ */
test fsm_rad[] = {
/* 0*/ { isdigit,  1, -1 },
/* 1*/ { isdigit,  1,  2 },
/* 2*/ { israd,    3, -1 },
/* 3*/ { israddig, 4, -1 },
/* 4*/ { israddig, 4, -1 },
};
int acc_rad(int i) { return i==4; }

/*
   automaton to match a real number
 */
/* /^[+-]?(d+(.d*)?)|(d*.d+)([eE][+-]?d+)?$/ */
/* represents the merge of these (simpler) expressions
   [+-]?[0-9]+\.[0-9]*([eE][+-]?[0-9]+)?
   [+-]?[0-9]*\.[0-9]+([eE][+-]?[0-9]+)?
   The complexity comes from ensuring at least one
   digit in the integer or the fraction with optional
   sign and optional optionally-signed exponent.
   So passing isdot in state 3 means at least one integer digit has been found
   but passing isdot in state 4 means we must find at least one fraction digit
   via state 5 or the whole thing is a bust.
 */
test fsm_real[] = {
/* 0*/ { issign,  1,   1 },
/* 1*/ { isdigit, 2,   4 },
/* 2*/ { isdigit, 2,   3 },
/* 3*/ { isdot,   6,   7 },
/* 4*/ { isdot,   5,  -1 },
/* 5*/ { isdigit, 6,  -1 },
/* 6*/ { isdigit, 6,   7 },
/* 7*/ { ise,     8,  -1 },
/* 8*/ { issign,  9,   9 },
/* 9*/ { isdigit, 10, -1 },
/*10*/ { isdigit, 10, -1 },
};
int acc_real(int i) {
    switch(i) {
        case 2: /* integer */
        case 6: /* real */
        case 10: /* real with exponent */
            return true;
    }
    return false;
}

/*
   Helper function for grok.
   Execute automaton against the buffer,
   applying test to each character:
       on success, consume character and follow 'y' transition.
       on failure, do not consume but follow 'n' transition.
   Call yes function to determine if the ending state
   is considered an acceptable final state.
   A transition to -1 represents rejection by the automaton
 */
int czek (char *s, test *fsm, int (*yes)(int)) {
    int sta = 0;
    currentstr = s;
    while (sta!=-1 && *s) {
        if (fsm[sta].pred((int)*s)) {
            sta=fsm[sta].y;
            s++;
        } else {
            sta=fsm[sta].n;
        }
    }
    return yes(sta);
}

/*
   Helper function for toke.
   Interpret the contents of the buffer,
   trying automatons to match number formats;
   and falling through to a switch for special characters.
   Any token consisting of all regular characters
   that cannot be interpreted as a number is an executable name
 */
object grok (state *st, char *s, int ns,
    object *src,
    int (*next)(state *,object *),
    void (*back)(state *,int, object *)) {

    if (czek(s, fsm_dec, acc_dec)) {
        long num;
        num = strtol(s,NULL,10);
        if ((num==LONG_MAX || num==LONG_MIN) && errno==ERANGE) {
            error(st,limitcheck);
/*       } else if (num > INT_MAX || num < INT_MIN) { */
/*           error(limitcheck, OP_token); */
        } else {
            return consint(num);
        }
    }

    else if (czek(s, fsm_rad, acc_rad)) {
        long ra,num;
        ra = (int)strtol(s,NULL,10);
        if (ra > 36 || ra < 2) {
            error(st,limitcheck);
        }
        num = strtol(strchr(s,'#')+1, NULL, (int)ra);
        if ((num==LONG_MAX || num==LONG_MIN) && errno==ERANGE) {
            error(st,limitcheck);
/*       } else if (num > INT_MAX || num < INT_MAX) { */
/*           error(limitcheck, OP_token); */
        } else {
            return consint(num);
        }
    }

    else if (czek(s, fsm_real, acc_real)) {
        double num;
        num = strtod(s,NULL);
        if ((num==HUGE_VAL || num==-HUGE_VAL) && errno==ERANGE) {
            error(st,limitcheck);
        } else {
            return consreal(num);
        }
    }

    else switch(*s) {
        case '(': {
            int c, defer=1;
            char *sp = s;

            while (defer && (c=next(st,src)) != EOF ) {
                switch(c) {
                    case '(': defer++; break;
                    case ')': defer--;
                        if (!defer) goto endstring;
                        break;
                    case '\\': c=next(st,src);
                        switch(c) {
                            case '\n': continue;
                            case 'a': c = '\a'; break;
                            case 'b': c = '\b'; break;
                            case 'f': c = '\f'; break;
                            case 'n': c = '\n'; break;
                            case 'r': c = '\r'; break;
                            case 't': c = '\t'; break;
                            case 'v': c = '\v'; break;
                            case '\'': case '\"':
                            case '(': case ')':
                            default: break;
                        }
                }
                if (sp-s>ns) error(st,limitcheck);
                else *sp++ = c;
            }
endstring:  *sp=0;
            return cvlit(consstring(st,s,sp-s));
        }

        case '<': {
            int c;
            char d, *x = "0123456789abcdef", *sp = s;
            while (c=next(st,src), c!='>' && c!=EOF) {
                if (isspace(c)) continue;
                if (isxdigit(c)) c = strchr(x,tolower(c)) - x;
                else error(st,syntaxerror);
                d = (char)c << 4;
                while (isspace(c=next(st,src))) /*loop*/;
                if (isxdigit(c)) c = strchr(x,tolower(c)) - x;
                else error(st,syntaxerror);
                d |= (char)c;
                if (sp-s>ns) error(st,limitcheck);
                *sp++ = d;
            }
            *sp = 0;
            return cvlit(consstring(st,s,sp-s));
        }

        case '{': {
            object *a;
            size_t na = 100;
            size_t i;
            object proc;
            object fin;

            fin = consname(st,"}");
            (a = malloc(na * sizeof(object))) || (fatal("failure to malloc"),0);
            for (i=0 ; objcmp(st,a[i]=toke(st,src,next,back),fin) != 0; i++) {
                if (i == na-1)
                (a = realloc(a, (na+=100) * sizeof(object))) || (fatal("failure to malloc"),0);
            }
            proc = consarray(st,i);
            { size_t j;
                for (j=0; j<i; j++) {
                    a_put(st, proc, j, a[j]);
                }
            }
            free(a);
            return proc;
        }

        case '/': {
            s[1] = (char)next(st,src);
            puff(st, s+2, ns-2, src, next, back);
            if (s[1] == '/') {
                Push(consname(st,s+2));
                opexec(st, op_cuts.load);
                return pop();
            }
            return cvlit(consname(st,s+1));
        }

        default: return consname(st,s);
    }
    return null; /* should be unreachable */
}

/*
   Helper function for toke.
   Read into buffer any regular characters.
   If we read one too many characters, put it back
   unless it's whitespace.
 */
int puff (state *st, char *buf, int nbuf,
    object *src,
    int (*next)(state *,object *),
    void (*back)(state *,int, object *)) {
    int c;
    char *s = buf;
    while (isreg(c=next(st,src))) {
        if (s-buf >= nbuf-1) return false;
        *s++ = c;
    }
    *s = 0;
    if (!isspace(c) && c != EOF) back(st,c,src); /* eat interstice */
    return true;
}

/*
   Helper function for Stoken Ftoken.
   Read a token from src using next and back.
   Loop until having read a bona-fide non-whitespace non-comment character.
   Call puff to read into buffer up to next delimiter or space.
   Call grok to figure out what it is.
 */
#define NBUF MAXLINE
object toke (state *st, object *src,
        int (*next)(state *, object *),
        void (*back)(state *, int, object *)) {
    char buf[NBUF] = "", *s=buf;
    int c,sta = 1;
    object o;

    do {
        c=next(st,src);
        //if (c==EOF) return null;
        if (c=='%') {
            if (DUMPCOMMENTS) fputc(c, stdout);
            do {
                c=next(st,src);
                if (DUMPCOMMENTS) fputc(c, stdout);
            } while (c!='\n' && c!='\f' && c!=EOF);
        }
    } while (c!=EOF && isspace(c));
    if (c==EOF) return null;
    *s++ = c;
    *s = 0;
    if (!isdel(c)) sta=puff(st, s,NBUF-1,src,next,back);

    if (sta) {
        o=grok(st,buf,NBUF-1,src,next,back);
        return o;
    } else {
        return null;
    }
}
3
luser droog

boost.org поставляется с 2 различными реализациями диаграмм состояний:

Как всегда, boost перенесет вас в адский шаблон.

Первая библиотека предназначена для более критичных к производительности машин состояния. Вторая библиотека дает вам прямой путь перехода от диаграммы состояний UML к коду.

Вот вопрос SO, требующий сравнения между двумя где оба автора отвечают.

3
Roland Wolf

Приходя к этому поздно (как обычно), но просматривая ответы на сегодняшний день, я думаю, что чего-то важного не хватает;

Я обнаружил в своих собственных проектах, что может быть очень полезно не иметь функцию для каждой допустимой комбинации состояния/события. Мне нравится идея эффективно иметь 2D таблицу состояний/событий. Но мне нравится, что элементы таблицы больше, чем простой указатель на функцию. Вместо этого я пытаюсь организовать свой дизайн так, чтобы в его основе было множество простых атомарных элементов или действий. Таким образом, я могу перечислить эти простые атомарные элементы на каждом пересечении моей таблицы состояний/событий. Идея состоит в том, что вы не должны определять массу из N квадратов (обычно очень простых) функций. Почему вы называете это чем-то таким подверженным ошибкам, трудоемким, трудным для написания, трудным для чтения?

Я также включаю необязательное новое состояние и необязательный указатель функции для каждой ячейки в таблице. Указатель на функцию существует для тех исключительных случаев, когда вы не хотите просто запускать список атомарных действий.

Вы знаете, что делаете это правильно, когда вы можете выразить множество различных функций, просто редактируя свою таблицу, без необходимости писать новый код.

3
Bill Forster

Эта серия постов Ars OpenForum о некотором сложном кусочке логики управления включает в себя очень простую реализацию в качестве конечного автомата в C.

2
Steven Huwig

Видел это где-то

#define FSM
#define STATE(x)      s_##x :
#define NEXTSTATE(x)  goto s_##x

FSM {
  STATE(x) {
    ...
    NEXTSTATE(y);
  }

  STATE(y) {
    ...
    if (x == 0)
      NEXTSTATE(y);
    else
      NEXTSTATE(x);
  }
}
2
pixelbeat

Учитывая, что вы подразумеваете, что вы можете использовать C++ и, следовательно, OO код, я бы предложил оценить 'GoF'state pattern (GoF = Gang of Four, ребята, которые написали книгу по шаблонам дизайна, которая вывела шаблоны дизайна в центр внимания) ,.

Он не особенно сложен, широко используется и обсуждается, поэтому легко увидеть примеры и объяснения в режиме онлайн.

Он также, скорее всего, будет узнаваем кем-либо еще, кто будет поддерживать ваш код позднее.

Если проблема заключается в эффективности, стоило бы провести сравнительный анализ, чтобы убедиться, что подход без OO более эффективен, так как множество факторов влияет на производительность, и это не всегда просто OO плохой, функциональный код хороший. Точно так же, если использование памяти является для вас ограничением, снова стоит провести несколько тестов или вычислений, чтобы увидеть, действительно ли это будет проблемой для вашего конкретного приложения, если вы используете шаблон состояния. 

Ниже приведены некоторые ссылки на шаблон состояния «Gof», как предлагает Крейг:

2
Mick

Ваш вопрос довольно общий,
Вот две справочные статьи, которые могут быть полезны, 

  1. Внедрение конечного автомата

    В этой статье описывается простой подход к реализации конечного автомата для встроенной системы. Для целей этой статьи конечный автомат определяется как алгоритм, который может находиться в одном из небольшого числа состояний. Состояние - это состояние, которое вызывает предписанное отношение входов к выходам и входов к следующим состояниям.
    Опытный читатель быстро заметит, что конечные автоматы, описанные в этой статье, являются машинами Мили. Машина Мили - это конечный автомат, в котором выходы являются функцией как текущего состояния, так и ввода, в отличие от машины Мура, в которой выходы являются функцией только состояния.

    • Машины состояний кодирования на C и C++

      В этой статье я занимаюсь основами конечного автомата и некоторыми простыми рекомендациями по программированию для конечных автоматов на C или C++. Я надеюсь, что эти простые методы могут стать более распространенными, чтобы вы (и другие) могли легко увидеть структуру конечного автомата прямо из исходного кода. 

1
nik

Это старый пост с множеством ответов, но я подумал, что добавлю свой собственный подход к конечному автомату в C. Я сделал скрипт на Python, чтобы создать скелетный C-код для любого количества состояний. Этот скрипт задокументирован на GituHub по адресу FsmTemplateC

Этот пример основан на других подходах, о которых я читал. Он не использует операторы goto или switch, но вместо этого имеет функции перехода в матрице указателей (справочная таблица). Код опирается на большой многострочный макрос инициализатора и функции C99 (обозначенные инициализаторы и составные литералы), поэтому, если вам не нравятся эти вещи, вам может не понравиться такой подход. 

Вот скрипт Python примера турникета , который генерирует C-код скелета, используя FsmTemplateC :

# dict parameter for generating FSM
fsm_param = {
    # main FSM struct type string
    'type': 'FsmTurnstile',
    # struct type and name for passing data to state machine functions
    # by pointer (these custom names are optional)
    'fopts': {
        'type': 'FsmTurnstileFopts',
        'name': 'fopts'
    },
    # list of states
    'states': ['locked', 'unlocked'],
    # list of inputs (can be any length > 0)
    'inputs': ['coin', 'Push'],
    # map inputs to commands (next desired state) using a transition table
    # index of array corresponds to 'inputs' array
    # for this example, index 0 is 'coin', index 1 is 'Push'
    'transitiontable': {
        # current state |  'coin'  |  'Push'  |
        'locked':       ['unlocked',        ''],
        'unlocked':     [        '',  'locked']
    }
}

# folder to contain generated code
folder = 'turnstile_example'
# function prefix
prefix = 'fsm_turnstile'

# generate FSM code
code = fsm.Fsm(fsm_param).genccode(folder, prefix)

Сгенерированный выходной заголовок содержит typedefs:

/* function options (EDIT) */
typedef struct FsmTurnstileFopts {
    /* define your options struct here */
} FsmTurnstileFopts;

/* transition check */
typedef enum eFsmTurnstileCheck {
    EFSM_TURNSTILE_TR_RETREAT,
    EFSM_TURNSTILE_TR_ADVANCE,
    EFSM_TURNSTILE_TR_CONTINUE,
    EFSM_TURNSTILE_TR_BADINPUT
} eFsmTurnstileCheck;

/* states (enum) */
typedef enum eFsmTurnstileState {
    EFSM_TURNSTILE_ST_LOCKED,
    EFSM_TURNSTILE_ST_UNLOCKED,
    EFSM_TURNSTILE_NUM_STATES
} eFsmTurnstileState;

/* inputs (enum) */
typedef enum eFsmTurnstileInput {
    EFSM_TURNSTILE_IN_COIN,
    EFSM_TURNSTILE_IN_Push,
    EFSM_TURNSTILE_NUM_INPUTS,
    EFSM_TURNSTILE_NOINPUT
} eFsmTurnstileInput;

/* finite state machine struct */
typedef struct FsmTurnstile {
    eFsmTurnstileInput input;
    eFsmTurnstileCheck check;
    eFsmTurnstileState cur;
    eFsmTurnstileState cmd;
    eFsmTurnstileState **transition_table;
    void (***state_transitions)(struct FsmTurnstile *, FsmTurnstileFopts *);
    void (*run)(struct FsmTurnstile *, FsmTurnstileFopts *, const eFsmTurnstileInput);
} FsmTurnstile;

/* transition functions */
typedef void (*pFsmTurnstileStateTransitions)(struct FsmTurnstile *, FsmTurnstileFopts *);
  • enum eFsmTurnstileCheck используется для определения, был ли переход заблокирован с помощью EFSM_TURNSTILE_TR_RETREAT, разрешен ли переход с EFSM_TURNSTILE_TR_ADVANCE, или вызову функции не предшествовал переход с EFSM_TURNSTILE_TR_CONTINUE.
  • enum eFsmTurnstileState - это просто список состояний.
  • enum eFsmTurnstileInput - это просто список входных данных.
  • Структура FsmTurnstile является сердцем конечного автомата с проверкой перехода, таблицей поиска функций, текущим состоянием, заданным состоянием и псевдонимом основной функции, которая запускает машину.
  • Каждый указатель функции (псевдоним) в FsmTurnstile должен вызываться только из структуры и должен иметь свой первый вход в качестве указателя на себя, чтобы поддерживать постоянное состояние, объектно-ориентированный стиль.

Теперь для объявлений функций в заголовке:

/* fsm declarations */
void fsm_turnstile_locked_locked (FsmTurnstile *fsm, FsmTurnstileFopts *fopts);
void fsm_turnstile_locked_unlocked (FsmTurnstile *fsm, FsmTurnstileFopts *fopts);
void fsm_turnstile_unlocked_locked (FsmTurnstile *fsm, FsmTurnstileFopts *fopts);
void fsm_turnstile_unlocked_unlocked (FsmTurnstile *fsm, FsmTurnstileFopts *fopts);
void fsm_turnstile_run (FsmTurnstile *fsm, FsmTurnstileFopts *fopts, const eFsmTurnstileInput input);

Имена функций имеют формат {prefix}_{from}_{to}, где {from} - предыдущее (текущее) состояние, а {to} - следующее состояние. Обратите внимание, что если таблица переходов не допускает определенные переходы, вместо указателя функции будет установлен указатель NULL. Наконец, волшебство происходит с макросом. Здесь мы строим таблицу переходов (матрицу перечислений состояний) и таблицу поиска функций перехода состояний (матрицу указателей функций):

/* creation macro */
#define FSM_TURNSTILE_CREATE() \
{ \
    .input = EFSM_TURNSTILE_NOINPUT, \
    .check = EFSM_TURNSTILE_TR_CONTINUE, \
    .cur = EFSM_TURNSTILE_ST_LOCKED, \
    .cmd = EFSM_TURNSTILE_ST_LOCKED, \
    .transition_table = (eFsmTurnstileState * [EFSM_TURNSTILE_NUM_STATES]) { \
        (eFsmTurnstileState [EFSM_TURNSTILE_NUM_INPUTS]) { \
            EFSM_TURNSTILE_ST_UNLOCKED, \
            EFSM_TURNSTILE_ST_LOCKED \
        }, \
        (eFsmTurnstileState [EFSM_TURNSTILE_NUM_INPUTS]) { \
            EFSM_TURNSTILE_ST_UNLOCKED, \
            EFSM_TURNSTILE_ST_LOCKED \
        } \
    }, \
    .state_transitions = (pFsmTurnstileStateTransitions * [EFSM_TURNSTILE_NUM_STATES]) { \
        (pFsmTurnstileStateTransitions [EFSM_TURNSTILE_NUM_STATES]) { \
            fsm_turnstile_locked_locked, \
            fsm_turnstile_locked_unlocked \
        }, \
        (pFsmTurnstileStateTransitions [EFSM_TURNSTILE_NUM_STATES]) { \
            fsm_turnstile_unlocked_locked, \
            fsm_turnstile_unlocked_unlocked \
        } \
    }, \
    .run = fsm_turnstile_run \
}

При создании автомата необходимо использовать макрос FSM_EXAMPLE_CREATE()

Теперь в исходном коде должны быть указаны все функции перехода состояний, объявленные выше. Структура FsmTurnstileFopts может использоваться для передачи данных в/из конечного автомата. Каждый переход должен устанавливать fsm->check равным либо EFSM_EXAMPLE_TR_RETREAT, чтобы заблокировать его переход, либо EFSM_EXAMPLE_TR_ADVANCE, чтобы разрешить переход в заданное состояние. Рабочий пример можно найти по адресу (FsmTemplateC) [ https://github.com/ChisholmKyle/FsmTemplateC] .

Вот очень простое фактическое использование в вашем коде: 

/* create fsm */
FsmTurnstile fsm = FSM_TURNSTILE_CREATE();
/* create fopts */
FsmTurnstileFopts fopts = {
    .msg = ""
};
/* initialize input */
eFsmTurnstileInput input = EFSM_TURNSTILE_NOINPUT;

/* main loop */
for (;;) {
    /* wait for timer signal, inputs, interrupts, whatever */
    /* optionally set the input (my_input = EFSM_TURNSTILE_IN_Push for example) */
    /* run state machine */
    my_fsm.run(&my_fsm, &my_fopts, my_input);
}

Весь этот бизнес заголовков и все эти функции только для того, чтобы иметь простой и быстрый интерфейс, стоит того, чтобы я думал.

1
ChisholmKyle

Я успешно использовал State Machine Compiler в проектах Java и Python.

1
user177800
void (* StateController)(void); 
void state1(void);
void state2(void);

void main()
{
 StateController=&state1;
 while(1)
 {
  (* StateController)();
 }
}

void state1(void)
{
 //do something in state1
 StateController=&state2;
}

void state2(void)
{
 //do something in state2
 //Keep changing function direction based on state transition
 StateController=&state1;
}
0
Akshay Immanuel D

Вы можете использовать библиотеку с открытым исходным кодом OpenFST .

OpenFst - это библиотека для конструирования, объединения, оптимизации и поиска весовых преобразователей в конечных состояниях (FST). Взвешенные конечные преобразователи представляют собой автоматы, в которых каждый переход имеет входную метку, выходную метку и вес. Более знакомый конечный акцептор представлен в виде преобразователя с равными метками входа и выхода каждого перехода. Акцепторы конечного состояния используются для представления наборов строк (в частности, регулярных или рациональных наборов); преобразователи конечного состояния используются для представления бинарных отношений между парами строк (в частности, рациональных преобразований). Веса могут использоваться, чтобы представить стоимость принятия определенного перехода.

0
Vicky Chijwani

Лично я использую структуры самоссылки в сочетании с массивами указателей Некоторое время назад я загрузил учебник на github, ссылка: 

https://github.com/mmelchger/polling_state_machine_c

Примечание: я понимаю, что этот поток довольно старый, но я надеюсь получить информацию и соображения по поводу дизайна конечного автомата, а также предоставить пример возможного проекта конечного автомата в C.

0
mmoment

Вот пример конечного автомата для Linux, который использует очереди сообщений в качестве событий. События помещаются в очередь и обрабатываются по порядку. Состояние меняется в зависимости от того, что происходит для каждого события.

Это пример подключения к данным с такими состояниями, как:

  • Uninitialized
  • Initialized
  • Связано
  • MTU Договорная
  • Заверенные

Одна небольшая дополнительная функция, которую я добавил, была отметка времени для каждого сообщения/события. Обработчик событий будет игнорировать слишком старые события (срок их действия истек). Это может случиться много в реальном мире, где вы можете неожиданно застрять в состоянии.

Этот пример работает на Linux, используйте Makefile ниже, чтобы скомпилировать его и поэкспериментировать с ним.

state_machine.c

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>   // sysconf()
#include <errno.h>    // errno
#include <string.h>   // strerror()
#include <sys/time.h> // gettimeofday()
#include <fcntl.h>    // For O_* constants
#include <sys/stat.h> // For mode constants

#include <mqueue.h>
#include <poll.h>

//------------------------------------------------
// States
//------------------------------------------------
typedef enum
{
    ST_UNKNOWN = 0,
    ST_UNINIT,
    ST_INIT,
    ST_CONNECTED,
    ST_MTU_NEGOTIATED,
    ST_AUTHENTICATED,
    ST_ERROR,
    ST_DONT_CHANGE,
    ST_TERM,
} fsmState_t;

//------------------------------------------------
// Events
//------------------------------------------------
typedef enum
{
    EV_UNKNOWN = 0,
    EV_INIT_SUCCESS,
    EV_INIT_FAIL,
    EV_MASTER_CMD_MSG,
    EV_CONNECT_SUCCESS,
    EV_CONNECT_FAIL,
    EV_MTU_SUCCESS,
    EV_MTU_FAIL,
    EV_AUTH_SUCCESS,
    EV_AUTH_FAIL,
    EV_TX_SUCCESS,
    EV_TX_FAIL,
    EV_DISCONNECTED,
    EV_DISCON_FAILED,
    EV_LAST_ENTRY,
} fsmEvName_t;

typedef struct fsmEvent_type
{
    fsmEvName_t name;
    struct timeval genTime; // Time the event was generated.
                            // This allows us to see how old the event is.
} fsmEvent_t;

// Finite State Machine Data Members
typedef struct fsmData_type
{
    int  connectTries;
    int  MTUtries;
    int  authTries;
    int  txTries;
} fsmData_t;

// Each row of the state table
typedef struct stateTable_type {
    fsmState_t  st;             // Current state
    fsmEvName_t evName;         // Got this event
    int (*conditionfn)(void *);  // If this condition func returns TRUE
    fsmState_t nextState;       // Change to this state and
    void (*fn)(void *);          // Run this function
} stateTable_t;

// Finite State Machine state structure
typedef struct fsm_type
{
    const stateTable_t *pStateTable; // Pointer to state table
    int        numStates;            // Number of entries in the table
    fsmState_t currentState;         // Current state
    fsmEvent_t currentEvent;         // Current event
    fsmData_t *fsmData;              // Pointer to the data attributes
    mqd_t      mqdes;                // Message Queue descriptor
    mqd_t      master_cmd_mqdes;     // Master command message queue
} fsm_t;

// Wildcard events and wildcard state
#define   EV_ANY    -1
#define   ST_ANY    -1
#define   TRUE     (1)
#define   FALSE    (0)

// Maximum priority for message queues (see "man mq_overview")
#define FSM_PRIO  (sysconf(_SC_MQ_PRIO_MAX) - 1)

static void addev                              (fsm_t *fsm, fsmEvName_t ev);
static void doNothing                          (void *fsm) {addev(fsm, EV_MASTER_CMD_MSG);}
static void doInit                             (void *fsm) {addev(fsm, EV_INIT_SUCCESS);}
static void doConnect                          (void *fsm) {addev(fsm, EV_CONNECT_SUCCESS);}
static void doMTU                              (void *fsm) {addev(fsm, EV_MTU_SUCCESS);}
static void reportFailConnect                  (void *fsm) {addev(fsm, EV_ANY);}
static void doAuth                             (void *fsm) {addev(fsm, EV_AUTH_SUCCESS);}
static void reportDisConnect                   (void *fsm) {addev(fsm, EV_ANY);}
static void doDisconnect                       (void *fsm) {addev(fsm, EV_ANY);}
static void doTransaction                      (void *fsm) {addev(fsm, EV_TX_FAIL);}
static void fsmError                           (void *fsm) {addev(fsm, EV_ANY);}

static int currentlyLessThanMaxConnectTries    (void *fsm) {
    fsm_t *l = (fsm_t *)fsm;
    return (l->fsmData->connectTries < 5 ? TRUE : FALSE);
}
static int        isMoreThanMaxConnectTries    (void *fsm) {return TRUE;}
static int currentlyLessThanMaxMTUtries        (void *fsm) {return TRUE;}
static int        isMoreThanMaxMTUtries        (void *fsm) {return TRUE;}
static int currentyLessThanMaxAuthTries        (void *fsm) {return TRUE;}
static int       isMoreThanMaxAuthTries        (void *fsm) {return TRUE;}
static int currentlyLessThanMaxTXtries         (void *fsm) {return FALSE;}
static int        isMoreThanMaxTXtries         (void *fsm) {return TRUE;}
static int didNotSelfDisconnect                (void *fsm) {return TRUE;}

static int  waitForEvent                       (fsm_t *fsm);
static void runEvent                           (fsm_t *fsm);
static void runStateMachine(fsm_t *fsm);
static int newEventIsValid(fsmEvent_t *event);
static void getTime(struct timeval *time);
void printState(fsmState_t st);
void printEvent(fsmEvName_t ev);

// Global State Table
const stateTable_t GST[] = {
    // Current state         Got this event          If this condition func returns TRUE     Change to this state and    Run this function
    { ST_UNINIT,             EV_INIT_SUCCESS,        NULL,                                   ST_INIT,                    &doNothing              },
    { ST_UNINIT,             EV_INIT_FAIL,           NULL,                                   ST_UNINIT,                  &doInit                 },
    { ST_INIT,               EV_MASTER_CMD_MSG,      NULL,                                   ST_INIT,                    &doConnect              },
    { ST_INIT,               EV_CONNECT_SUCCESS,     NULL,                                   ST_CONNECTED,               &doMTU                  },
    { ST_INIT,               EV_CONNECT_FAIL,        &currentlyLessThanMaxConnectTries,      ST_INIT,                    &doConnect              },
    { ST_INIT,               EV_CONNECT_FAIL,        &isMoreThanMaxConnectTries,             ST_INIT,                    &reportFailConnect      },
    { ST_CONNECTED,          EV_MTU_SUCCESS,         NULL,                                   ST_MTU_NEGOTIATED,          &doAuth                 },
    { ST_CONNECTED,          EV_MTU_FAIL,            &currentlyLessThanMaxMTUtries,          ST_CONNECTED,               &doMTU                  },
    { ST_CONNECTED,          EV_MTU_FAIL,            &isMoreThanMaxMTUtries,                 ST_CONNECTED,               &doDisconnect           },
    { ST_CONNECTED,          EV_DISCONNECTED,        &didNotSelfDisconnect,                  ST_INIT,                    &reportDisConnect       },
    { ST_MTU_NEGOTIATED,     EV_AUTH_SUCCESS,        NULL,                                   ST_AUTHENTICATED,           &doTransaction          },
    { ST_MTU_NEGOTIATED,     EV_AUTH_FAIL,           &currentyLessThanMaxAuthTries,          ST_MTU_NEGOTIATED,          &doAuth                 },
    { ST_MTU_NEGOTIATED,     EV_AUTH_FAIL,           &isMoreThanMaxAuthTries,                ST_MTU_NEGOTIATED,          &doDisconnect           },
    { ST_MTU_NEGOTIATED,     EV_DISCONNECTED,        &didNotSelfDisconnect,                  ST_INIT,                    &reportDisConnect       },
    { ST_AUTHENTICATED,      EV_TX_SUCCESS,          NULL,                                   ST_AUTHENTICATED,           &doDisconnect           },
    { ST_AUTHENTICATED,      EV_TX_FAIL,             &currentlyLessThanMaxTXtries,           ST_AUTHENTICATED,           &doTransaction          },
    { ST_AUTHENTICATED,      EV_TX_FAIL,             &isMoreThanMaxTXtries,                  ST_AUTHENTICATED,           &doDisconnect           },
    { ST_AUTHENTICATED,      EV_DISCONNECTED,        &didNotSelfDisconnect,                  ST_INIT,                    &reportDisConnect       },
    { ST_ANY,                EV_DISCON_FAILED,       NULL,                                   ST_DONT_CHANGE,             &doDisconnect           },
    { ST_ANY,                EV_ANY,                 NULL,                                   ST_UNINIT,                  &fsmError               }    // Wildcard state for errors
};

#define GST_COUNT (sizeof(GST)/sizeof(stateTable_t))

int main()
{
    int ret = 0;
    fsmData_t dataAttr;
    dataAttr.connectTries = 0;
    dataAttr.MTUtries     = 0;
    dataAttr.authTries    = 0;
    dataAttr.txTries      = 0;

    fsm_t lfsm;
    memset(&lfsm, 0, sizeof(fsm_t));
    lfsm.pStateTable       = GST;
    lfsm.numStates         = GST_COUNT;
    lfsm.currentState      = ST_UNINIT;
    lfsm.currentEvent.name = EV_ANY;
    lfsm.fsmData           = &dataAttr;

    struct mq_attr attr;
    attr.mq_maxmsg = 30;
    attr.mq_msgsize = sizeof(fsmEvent_t);

    // Dev info
    //printf("Size of fsmEvent_t [%ld]\n", sizeof(fsmEvent_t));

    ret = mq_unlink("/abcmq");
    if (ret == -1) {
        fprintf(stderr, "Error on mq_unlink(), errno[%d] strerror[%s]\n",
                errno, strerror(errno));
    }

    lfsm.mqdes = mq_open("/abcmq", O_CREAT | O_RDWR, S_IWUSR | S_IRUSR, &attr);
    if (lfsm.mqdes == (mqd_t)-1) {
        fprintf(stderr, "Error on mq_open(), errno[%d] strerror[%s]\n",
                errno, strerror(errno));
        return -1;
    }

    doInit(&lfsm);  // This will generate the first event
    runStateMachine(&lfsm);

    return 0;
}


static void runStateMachine(fsm_t *fsm)
{
    int ret = 0;

    if (fsm == NULL) {
        fprintf(stderr, "[%s] NULL argument\n", __func__);
        return;
    }

    // Cycle through the state machine
    while (fsm->currentState != ST_TERM) {
        printf("current state [");
        printState(fsm->currentState);
        printf("]\n");

        ret = waitForEvent(fsm);
        if (ret == 0) {
            printf("got event [");
            printEvent(fsm->currentEvent.name);
            printf("]\n");

            runEvent(fsm);
        }
        sleep(2);
    }
}


static int waitForEvent(fsm_t *fsm)
{
    //const int numFds = 2;
    const int numFds = 1;
    struct pollfd fds[numFds];
    int timeout_msecs = -1; // -1 is forever
    int ret = 0;
    int i = 0;
    ssize_t num = 0;
    fsmEvent_t newEv;

    if (fsm == NULL) {
        fprintf(stderr, "[%s] NULL argument\n", __func__);
        return -1;
    }

    fsm->currentEvent.name = EV_ANY;

    fds[0].fd     = fsm->mqdes;
    fds[0].events = POLLIN;
    //fds[1].fd     = fsm->master_cmd_mqdes;
    //fds[1].events = POLLIN;
    ret = poll(fds, numFds, timeout_msecs);

    if (ret > 0) {
        // An event on one of the fds has occurred
        for (i = 0; i < numFds; i++) {
            if (fds[i].revents & POLLIN) {
                // Data may be read on device number i
                num = mq_receive(fds[i].fd, (void *)(&newEv),
                                 sizeof(fsmEvent_t), NULL);
                if (num == -1) {
                    fprintf(stderr, "Error on mq_receive(), errno[%d] "
                            "strerror[%s]\n", errno, strerror(errno));
                    return -1;
                }

                if (newEventIsValid(&newEv)) {
                    fsm->currentEvent = newEv;
                } else {
                    return -1;
                }
            }
        }
    } else {
        fprintf(stderr, "Error on poll(), ret[%d] errno[%d] strerror[%s]\n",
                ret, errno, strerror(errno));
        return -1;
    }

    return 0;
}


static int newEventIsValid(fsmEvent_t *event)
{
    if (event == NULL) {
        fprintf(stderr, "[%s] NULL argument\n", __func__);
        return FALSE;
    }

    printf("[%s]\n", __func__);

    struct timeval now;
    getTime(&now);

    if ( (event->name < EV_LAST_ENTRY) &&
         ((now.tv_sec - event->genTime.tv_sec) < (60*5))
       )
    {
        return TRUE;
    } else {
        return FALSE;
    }
}


//------------------------------------------------
// Performs event handling on the FSM (finite state machine).
// Make sure there is a wildcard state at the end of
// your table, otherwise; the event will be ignored.
//------------------------------------------------
static void runEvent(fsm_t *fsm)
{
    int i;
    int condRet = 0;

    if (fsm == NULL) {
        fprintf(stderr, "[%s] NULL argument\n", __func__);
        return;
    }

    printf("[%s]\n", __func__);

    // Find a relevant entry for this state and event
    for (i = 0; i < fsm->numStates; i++) {
        // Look in the table for our current state or ST_ANY
        if (  (fsm->pStateTable[i].st == fsm->currentState) ||
              (fsm->pStateTable[i].st == ST_ANY)
           )
        {
            // Is this the event we are looking for?
            if ( (fsm->pStateTable[i].evName == fsm->currentEvent.name) ||
                 (fsm->pStateTable[i].evName == EV_ANY)
               )
            {
                if (fsm->pStateTable[i].conditionfn != NULL) {
                    condRet = fsm->pStateTable[i].conditionfn(fsm->fsmData);
                }

                // See if there is a condition associated
                // or we are not looking for any condition
                //
                if ( (condRet != 0) || (fsm->pStateTable[i].conditionfn == NULL))
                {
                    // Set the next state (if applicable)
                    if (fsm->pStateTable[i].nextState != ST_DONT_CHANGE) {
                        fsm->currentState = fsm->pStateTable[i].nextState;
                        printf("new state [");
                        printState(fsm->currentState);
                        printf("]\n");
                    }

                    // Call the state callback function
                    fsm->pStateTable[i].fn(fsm);
                    break;
                }
            }
        }
    }
}


//------------------------------------------------
//               EVENT HANDLERS
//------------------------------------------------
static void getTime(struct timeval *time)
{
    if (time == NULL) {
        fprintf(stderr, "[%s] NULL argument\n", __func__);
        return;
    }

    printf("[%s]\n", __func__);

    int ret = gettimeofday(time, NULL);
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "gettimeofday() failed: errno [%d], strerror [%s]\n",
                errno, strerror(errno));
        memset(time, 0, sizeof(struct timeval));
    }
}


static void addev (fsm_t *fsm, fsmEvName_t ev)
{
    int ret = 0;

    if (fsm == NULL) {
        fprintf(stderr, "[%s] NULL argument\n", __func__);
        return;
    }

    printf("[%s] ev[%d]\n", __func__, ev);

    if (ev == EV_ANY) {
        // Don't generate a new event, just return...
        return;
    }

    fsmEvent_t newev;
    getTime(&(newev.genTime));
    newev.name = ev;

    ret = mq_send(fsm->mqdes, (void *)(&newev), sizeof(fsmEvent_t), FSM_PRIO);
    if (ret == -1) {
        fprintf(stderr, "[%s] mq_send() failed: errno [%d], strerror [%s]\n",
                __func__, errno, strerror(errno));
    }
}
//------------------------------------------------
//           end EVENT HANDLERS
//------------------------------------------------

void printState(fsmState_t st)
{
    switch(st) {
        case    ST_UNKNOWN:
        printf("ST_UNKNOWN");
            break;
        case    ST_UNINIT:
        printf("ST_UNINIT");
            break;
        case    ST_INIT:
        printf("ST_INIT");
            break;
        case    ST_CONNECTED:
        printf("ST_CONNECTED");
            break;
        case    ST_MTU_NEGOTIATED:
        printf("ST_MTU_NEGOTIATED");
            break;
        case    ST_AUTHENTICATED:
        printf("ST_AUTHENTICATED");
            break;
        case    ST_ERROR:
        printf("ST_ERROR");
            break;
        case    ST_TERM:
        printf("ST_TERM");
            break;
        default:
        printf("unknown state");
            break;
    }
}

void printEvent(fsmEvName_t ev)
{
    switch (ev) {
        case    EV_UNKNOWN:
        printf("EV_UNKNOWN");
            break;
        case    EV_INIT_SUCCESS:
        printf("EV_INIT_SUCCESS");
            break;
        case    EV_INIT_FAIL:
        printf("EV_INIT_FAIL");
            break;
        case    EV_MASTER_CMD_MSG:
        printf("EV_MASTER_CMD_MSG");
            break;
        case    EV_CONNECT_SUCCESS:
        printf("EV_CONNECT_SUCCESS");
            break;
        case    EV_CONNECT_FAIL:
        printf("EV_CONNECT_FAIL");
            break;
        case    EV_MTU_SUCCESS:
        printf("EV_MTU_SUCCESS");
            break;
        case    EV_MTU_FAIL:
        printf("EV_MTU_FAIL");
            break;
        case    EV_AUTH_SUCCESS:
        printf("EV_AUTH_SUCCESS");
            break;
        case    EV_AUTH_FAIL:
        printf("EV_AUTH_FAIL");
            break;
        case    EV_TX_SUCCESS:
        printf("EV_TX_SUCCESS");
            break;
        case    EV_TX_FAIL:
        printf("EV_TX_FAIL");
            break;
        case    EV_DISCONNECTED:
        printf("EV_DISCONNECTED");
            break;
        case    EV_LAST_ENTRY:
        printf("EV_LAST_ENTRY");
            break;
        default:
        printf("unknown event");
            break;
    }
}

Makefile

CXX = gcc
COMPFLAGS = -c -Wall -g

state_machine: state_machine.o
    $(CXX) -lrt state_machine.o -o state_machine

state_machine.o: state_machine.c
    $(CXX) $(COMPFLAGS) state_machine.c

clean:
    rm state_machine state_machine.o
0
Brad Grissom