20140629

普通青年的状态机,纯C语言

我们第一次接触到状态机,是在数字电路课程里。计数器、串行奇偶检校、 检验
三个1连续出现的报错电路 等,都需要状态机作为模型。实现这些功能的电路,与
状态机的状态转换图、状态转换表都是等价的。

后来,我们再接触状态机,是在编译原理课程里。状态机用于描述与正则表达式匹
配的字符串。

再后来,我们在GUI界面设计中,需要设置一些控件在某些条件下 禁用,某些条件
下使能,某些条件下打个对号。这也可以用状态机模型来控制。

1. 不要写成 消息响应/事件处理

状态机和消息响应都是 双层 switch-case 结构。不同的是,状态机的外层是状
态,内层是消息;消息响应外层是消息,内层是状态。

有的同学会说,那又有多大的区别呢?代码只是外在形式而非本质,它所反应的是
你对模型的理解,或者说,对于问题,你使用了哪种模型。

消息响应适合于这样的情形:有很多种消息,对于同一种消息,你的程序总是给出
同一种反应。打个比方,你女朋友喜欢吃冰淇淋,任何时候你给她 买,她都高
兴,或者转怒为喜,或者转悲为喜,总之,会置心情为"喜"。这种情形,适合用消
息响应解决。

而状态机适合于另一种情形,你的程序是"有状态的",它在不同的情况 (状态)
下,会对同一消息做出不同的反应。状态,是一种数据,但是它影响流程的行为。
按面向对象的观点,数据与流程间的这种高内聚关系,非常适合用 类 来实现。这
是题外话,我们回到女朋友和冰淇淋间的关系。你女朋友可能并非在任何情况下吃
了冰淇淋都高兴,比如刚刚吃完十个八个的时候...这与她当前的状 态有关。

状态机中,我们需要掌握的核心的数据是:当前状态,当前消息,将迁移到的状
态,在迁移中发生的动作。

在状态机代码之前,请先看一段消息响应机制,VC生成的win32api代码大抵如此。
我们随便找来一段片断看看:

1 LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam,
LPARAM lParam)
2 {
3 int wmId, wmEvent;
4 PAINTSTRUCT ps;
5 HDC hdc;
6 switch (message)
7 {
8 case WM_COMMAND:
9 wmId = LOWORD(wParam);
10 wmEvent = HIWORD(wParam);
11 case ID_MENU_GO: .... break;
12 case IDM_ABOUT: .... break;
13 case IDM_EXIT: .... break;
14 default:
15 return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
16 }
17 break;
18 case WM_PAINT: .... break;
19 case WM_DESTROY: ... break;
20 case WM_KEYDOWN: ... break;
21 default: return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
22 }
23 return 0;
24 }

第6行开始到第22行结束,对每个消息给出一个响应。没错,win32api也把这个传
进来的东西称为 message。这是很典型的适合消息响应机制的情形,程序对于相同
的消息,处理的方法总是相同的。

我们常常错误地把状态机写成了消息响应,消息这部分处理得不错,但是,由于没
有很好地记录和迁移状态,写起来容易把自己写糊涂了。无他,用错 了工具。拿
螺丝刀打孔,不是工具差,而是工程师选错了工具。

2. 状态机实例,录音机

实例得是相对简单的,不然我们很容易淹没在细节之中,没有足够精力去关注状态
机本身的机制了。假设我们仿真一台录音机...

我们先假设你见过录音机。录音机是一种曾经先进的设备,有一个或两个"卡",可
以放进磁带。"卡"前面有几个按键,这几个按键上的标识因为图 形简单且示意性
强,现在还在广泛使用。它们分别是 播放 > 、暂停 || 、快进 >> 、快退<< 、
录音 O 、停止 []。

这几个按键之间是有一定的"互斥关系"的。比如当播放键按下时,我们不应该能把
快进键按下。当然,淘气的同学可能这样干过,我们会听到"咔咔"的声音,然后是
家长骂败家玩艺的声音。可以就"互斥关系"开始写程序,但是我觉得这样有点 麻烦。

我们认为,这种"互斥关系"是因为录音机是"有状态的"。所以,我们打算用状态机
来实现。状态转换图是这样的。请读图的时候关注这四点:当前 状态,当前消
息,将迁移到的状态,在迁移中发生的动作 (本例中没有) 。

digraph state
{
graph [ nodesep=1.2];
rankdir = LR;

播放 -> 暂停 [label="按下 || "];
暂停 -> 播放 [label="按下 || "];
暂停 -> 停止 [label="按下 []"];
停止 -> 播放 [label="按下 >"];
播放 -> 停止 [label="按下 []"];
停止 -> 快退 [label="按下 <<"];
停止 -> 快进 [label="按下 >>"];
快进 -> 停止 [label="按下 []"];
快退 -> 停止 [label="按下 []"];
停止 -> 录音 [label="按下 O"];
录音 -> 停止 [label="按下 []"];
}

备注:我实在想不起来 暂停 和 停止 之间的关系了,似乎是这样的,又似乎不
是。反正大概是那么个意思,不影响对状态机的理解,就这么地吧。

接下来是C代码实现。

3. 接口 及 测试

看到以下代码,有的同学会说,你这不就是主程序么,为什么要把小标题叫做接
口。因为,它规定了我们的状态机函数将是什么样子的。

1 enum message { play, stop, forward, backward, record, pause };
2
3 int main(int argc, char *argv[])
4 {
5 char c=0x00;
6 while(1)
7 {
8 c = getchar();
9 switch(c)
10 {
11 case ' ': state_change(pause); break;
12 case 'p': state_change(play); break;
13 case 'r': state_change(record); break;
14 case 's': state_change(stop); break;
15 case 'f': state_change(forward); break;
16 case 'b': state_change(backward); break;
17 case 'q': return EXIT_SUCCESS;
18 }
19 }
20 return EXIT_SUCCESS;
21 }

上述代码规定了,状态机迁移函数的原型/签名是 void state_change(enum
message m)。

测试的时候,我们这样做:./state < test.intest.in的内容是"psfsbspq",测
试时期待看到输出的状态迁移过程。之所以这样做,而不是每次从控制台手动输
入,是因为每 次测试的内容都应该是相同的--相同的输入,程序有相同的反应--
可重现性。或者说,DRY原则。

一个非常值得我们注意的问题。在上述接口中,我们看不到"状态"。事实上,我们
将会定义:

enum state { s_stop, s_play, s_forward, s_backward, s_pause, s_record };

但是,接口以外的代码,是 *不应该* (是不应该,不是 不必要,是一定不要) 知
道状态的,既不应该知道当前状态,也不应该知道将要迁移到哪个状态,也不应该
知道在迁移过程中应该做什么动作。如果接口以外的代码知道了这些,就侵入了
状态机的隐私,子系统的边界就模糊了。而契约的首要任务就是规定边界,规定国
家与个人、个人与个人、个人与集体的边界。

这一原则,早在195X年,软件工程刚刚开始的时候就确立了,是最初确立的原则,
即 信息隐藏。后面的原则,都是它的儿子孙子。有个比喻讲过这个道理。当你在
超市出口付款的时候,你会自己把钱从钱夹里拿出来递给售货员,而不会转过身去
对她 说,"在我屁股兜里,你自己掏吧,别忘了把零钱放回来。"这既增加了假设
--你极端信任她,也增加了她的责任。

接口,最主要的任务就是为了明确责任,把责任分布在子系统边界两侧。其次才是
规定调用的方法,即边界长什么样。

4. 状态迁移

以下是状态机的代码片断。

1 enum state { s_stop, s_play, s_forward, s_backward, s_pause, s_record};
2 void state_change(enum message m)
3 {
4 static enum state s=s_stop;
5 switch (s)
6 {
7 case s_play:
8 if(m==stop)
9 {
10 s = s_stop;
11 printf("stop.\n");
12 }
13 else if (m==pause)
14 {
15 s = s_pause;
16 printf("pause");
17 }
18 break;

我们还是要关注那四个关键点: (1) 当前状态, (2) 当前消息, (3) 将迁移到
哪个状态, (4) 迁移中会做哪些动作。

(1) 当前状态必然是第1行的枚举类型中的一个。我们初始化状态为 停止,见第4行。

在第5行到第7行,我们的双重 switch-case 的外层 按当前状态分类,如下。
5 switch (s)
6 {
7 case s_play:
下面还有很多 case,第1行的枚举类型中的每一个状态,都有一个 case。

(2) 当前消息。如果当前状态是第7行了,那么,当前消息由双层 switch-case的
内层,即第8行,第13行的 if...else if 来响应。

(3) 将迁移到哪个状态。在 s_play状态 (第7行) 接收到 stop 消息 (第8行)的
话,将迁移到 s_stop 状态,即第10行。

(4) 在迁移中会做哪些动作,如果还是这个状态这个消息,会做的动作是 第11
行,打印一段文字描述接下来的状态。

在函数 void state_change(enum message m) 中,维护了当前状态,规定了在某
种状态下-接收到某个消息,会迁移到哪个状态,在状态迁移中做哪些动作。

主函数在调用state_change时,是通过这一接口,向状态机发送一个消息;由状态
机对这个消息做出适合自己当前状态的响应--状态迁 移、动作。主函数所看到
的,是一个多彩或善变的女人,而她之所以对同一消息做出不同响应的原因,在她
的内心深入保留着,那是她不会对你说的状 态,以及状态迁移中的波澜壮阔。即
使表面上善变的状态机,也是可以理解和预测的,如果她对你倘开心扉,允许你一
行一行把附录A中的代码读完, 了解所有的 switch-case,了解所有的状态下她将
会如何响应每一种消息。

附录A 完整代码

1 #include <stdlib.h>
2 #include <stdio.h>
3
4
5 //recorder
6
7 enum state { s_stop, s_play, s_forward, s_backward, s_pause, s_record };
8 enum message { play, stop, forward, backward, record, pause };
9
10
11 void state_change(enum message m)
12 {
13 static enum state s=s_stop;
14 switch (s)
15 {
16 case s_play:
17 if(m==stop)
18 {
19 s = s_stop;
20 printf("stop.\n");
21 }
22 else if (m==pause)
23 {
24 s = s_pause;
25 printf("pause");
26 }
27 break;
28 case s_pause:
29 if(m==pause)
30 {
31 s = s_play;
32 printf("play.\n");
33 }
34 else if(m==stop)
35 {
36 s = s_stop;
37 printf("stop.\n");
38 }
39 break;
40 case s_stop:
41 if(m==play)
42 {
43 s = s_play;
44 printf("play.\n");
45 }
46 if(m==backward)
47 {
48 s = s_backward;
49 printf("backward.\n");
50 }
51 if(m==forward)
52 {
53 s = s_forward;
54 printf("forward.\n");
55 }
56 if(m==record)
57 {
58 s = s_record;
59 printf("record.\n");
60 }
61 break;
62 case s_forward:
63 if(m==stop)
64 {
65 s = s_stop;
66 printf("stop.\n");
67 }
68 break;
69 case s_backward:
70 if(m==stop)
71 {
72 s = s_stop;
73 printf("stop.\n");
74 }
75 break;
76 case s_record:
77 if(m==stop)
78 {
79 s = s_stop;
80 printf("stop.\n");
81 }
82 break;
83
84
85 }
86
87 }
88
89
90 int main(int argc, char *argv[])
91 {
92 char c=0x00;
93 while(1)
94 {
95 c = getchar();
96 switch(c)
97 {
98 case ' ': state_change(pause); break;
99 case 'p': state_change(play); break;
100 case 'r': state_change(record); break;
101 case 's': state_change(stop); break;
102 case 'f': state_change(forward); break;
103 case 'b': state_change(backward); break;
104 case 'q': return EXIT_SUCCESS;
105 }
106
107
108 }
109
110 return EXIT_SUCCESS;
111 }

附录B 状态图源代码 in graphviz

digraph state
{
graph [ nodesep=1.2];
rankdir = LR;

播放 -> 暂停 [label="按下 || "];
暂停 -> 播放 [label="按下 || "];
暂停 -> 停止 [label="按下 []"];
停止 -> 播放 [label="按下 >"];
播放 -> 停止 [label="按下 []"];
停止 -> 快退 [label="按下 <<"];
停止 -> 快进 [label="按下 >>"];
快进 -> 停止 [label="按下 []"];
快退 -> 停止 [label="按下 []"];
停止 -> 录音 [label="按下 O"];
录音 -> 停止 [label="按下 []"];

}



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