C语言最优状态机规范

前言

近来思绪有点停不下来，构思了一个GUI的框架(用在Cotex-M平台上，很小)，期待以后有时间去实现，里面有一个对触摸屏的检测，自然想到使用状态机进行消息的生成和分发，于是想着实现一个状态机实现的模型，以后再其他项目上应用也方便。

状态机的好处不用多说，自己百度去，但传统的编程模式，无论是C语言，或是硬件FPGA的Verilog都是采用switch-case结构，硬件的还好说，是并行的，但如果是C语言实现状态机则可能需要对每个case进行判断，状态少比如几个可能没什么效率之类的问题，但状态多几十个上百个呢，那么就需要进行上百次的判断是否匹配，毫无疑问效率很低，切每次的状态==切换时间==也不确定。那么有没有一种好的实现模式不用switch-case结构呢？下面我来为C语言状态机的实现建立一个最优规范。

实现

前面说了一堆装bi的废话，下面进入正题，前段时间研究了下函数式编程，发现C语言的循环结构完全可以用尾递归(不懂百度)实现，最后C就只剩下唯有if和switch还不能用函数式编程实现，而今天要讲的状态机模式就是用函数式编程实现switch-case，那么switch-case其实可以看做一种查找的跳转，我们知道C语言中goto可以实现跳转，那么还有什么可以实现跳转呢，答案是函数调用，但是又需要如何实现指定的函数调用呢，难道要用if判断，显然没什么意义，那么又没有比if判断(如果上百次判断)更高效的东西呢？有人已经想到是查表，如果将查表和函数调用结合，那么就是函数指针数组的应用了！

上代码！首先定义一个函数指针类型，为什么要带void *的参数后面会说：

typedef unsigned char State; typedef State(*Procedure)(void *);

这样就可以方便地定义一个函数指针数组：

ProcedureSteps[] ={ step_init, step_count, step_done, step_default };

step_init，step_count等是函数名，再定义状态：

enumstates{ s_init, s_count, s_done, s_default };

枚举定义对应着{0,1,2,3}，有了这些再状态机联系那么可以想到，数组的索引就是状态定义，上核心代码，两行(简单吧！关键是想到)：

voidBestStateMachine(void* invar) {

staticState NS = s_init;//定义下一状态

NS = Steps[NS](invar);

}

static的变量NS在每次BestStateMachine调用会得到维护，我们只需再每Steps返回下一个状态并保存到NS中可以实现状态的保存和切换。再说说为什么要加个void*的参数，状态机一般有很多自身变量的维护，而且对于mealy状态机还需根据输入判断，因为函数调用返回是不保留局部变量的，那么就需要将变量传递来实现更改和保存，之所以只用了一个void*参数是因为，如果需要保存和传递的变量很多，直接传递会在调用函数是浪费大量的栈空间，且效率低下，采用这种模式，你可以将变量用一个结构体封装，然后将结构体指针传递给void *的形参，再函数内部再强制转换即可使用结构体内部的变量。现在你已经在嘀咕这作者真啰嗦，好上实例代码，就是一个简单的计数器(以前学状态机都从计数器开始)，在计数完成打印信息：

#include

typedef unsigned char State;

typedef State(*Procedure)(void *);

enum states{ s_init, s_count, s_done, s_default };//状态定义

typedef struct _SM_VAR //对状态机参数封装

{

int cnt;

}SM_VAR;

State step_init(void * arg)//初始化

{

SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;

p->cnt = 0;

printf("CS:init ;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt);

return s_count;

}

State step_count(void * arg)//计数

{

SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;

if (p->cnt < 3){

p->cnt+=1;

printf("CS:count;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt);

return s_count;

}

else{

printf("CS:count;cnt=%d;NS:done\n", p->cnt);

return s_done;

}

}

State step_done(void * arg)//计数完成

{

SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;

printf("CS:done ;cnt=%d;NS:init\n", p->cnt);

return s_init;

}

State step_default(void * arg)//错误过程

{

SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;

printf("Wrong State\n");

return s_init;

}

Procedure Steps[] = { step_init, step_count, step_done, step_default };

void BestStateMachine(void * invar)

{

static State NS = s_init; //定义下一状态

NS = Steps[NS](invar);

}

int main(void)

{

SM_VAR var;

int i;

for (i = 0; i <8; i++){//给状态机8个周期的时钟驱动

BestStateMachine(&var);

}

return 0;

}

最后在VS2013上调试如下：

CS:init ;cnt=0;NS:count

CS:count;cnt=1;NS:count

CS:count;cnt=2;NS:count

CS:count;cnt=3;NS:count

CS:count;cnt=3;NS:done

CS:done ;cnt=3;NS:init

CS:init ;cnt=0;NS:count

CS:count;cnt=1;NS:count

请按任意键继续. . .

总结

以这种模式不仅可以实现上面的Moore型状态机，还可根据实际实现Mealy型状态机，结构清晰易懂，在这里我敢说最优，是因为这是C函数式编程的极限了，如果你有更好的想法联系我,邮箱：869119842@qq.com，唐童鞋。如果你对嵌入式GUI感兴趣，我们可以一起探讨写出我们自己的GUI。