C语言_有限状态机（Finite State Machine）

基本介绍

许多小型或复杂的应用程序都使用有限状态机 (FSM)，C 语言中的有限状态机是嵌入式系统的流行设计模式之一，有限状态机使开发变得容易和顺利。

有很多设备使用事件基态，如咖啡机、自动售货机、POS 设备、门锁系统等。一些 POS 设备使用事件表，在事件表中使用事件处理程序注册事件，通过相关条件触发事件的执行。

本文中，使用C语言创建一个简易的ATM状态机。 ATM 机的状态可以通过即将发生的事件进行更改。ATM状态机包含以下几个状态：

Idle State
Card Inserted State
Pin entered State
Option Selected State
Amount Entered State

初始化时，ATM处于闲置状态，之后进入插卡状态，插卡处理完成之后需要用户输入密码，输入密码之后进行相关选项的操作，设置选项完成之后输入金额。创建一个状态机，按照以下步骤进行：

Gather the information which the user wants.
Analyze the all gather information and sketch the state transition diagram.
create a code skeleton of the state machine.
Make sure the transition (changing state) work properly
Implement all the required information in the code skeleton of the state machine.
Test the implemented state machine.

收集需求——>分析需求绘制状态图——>创建代码框架——>确认状态转换是否正确——>编写状态的具体动作——>测试状态机。

实现方法

在C语言中，有两种常用的方式实现基于事件的状态机：一种是通过嵌套的switch case（或者if else）实现，一种是look up table（查表）实现。

look up table 查表法实现有限状态机

结构体数组创建有限状态机是一种比较优雅的方式。状态机的状态和事件封装在一个结构中，并在适当的状态和事件上调用函数指针（事件处理程序），程序的可读性比较好。

#include <stdio.h>
//Different state of ATM machine
typedef enum
{Idle_State,Card_Inserted_State,Pin_Eentered_State,Option_Selected_State,Amount_Entered_State,last_State
} eSystemState;
//Different type events
typedef enum
{Card_Insert_Event,Pin_Enter_Event,Option_Selection_Event,Amount_Enter_Event,Amount_Dispatch_Event,last_Event
} eSystemEvent;
//typedef of function pointer
typedef eSystemState(*pfEventHandler)(void);
//structure of state and event with event handler
typedef struct
{eSystemState eStateMachine;eSystemEvent eStateMachineEvent;pfEventHandler pfStateMachineEvnentHandler;
} sStateMachine;
//function call to dispatch the amount and return the ideal state
eSystemState AmountDispatchHandler(void)
{return Idle_State;
}
//function call to Enter amount and return amount entered state
eSystemState EnterAmountHandler(void)
{return Amount_Entered_State;
}
//function call to option select and return the option selected state
eSystemState OptionSelectionHandler(void)
{return Option_Selected_State;
}
//function call to enter the pin and return pin entered state
eSystemState EnterPinHandler(void)
{return Pin_Eentered_State;
}
//function call to processing track data and return card inserted state
eSystemState InsertCardHandler(void)
{return Card_Inserted_State;
}
//Initialize array of structure with states and event with proper handler
sStateMachine asStateMachine[] =
{{ Idle_State,              Card_Insert_Event,          InsertCardHandler },{ Card_Inserted_State,      Pin_Enter_Event,            EnterPinHandler },{ Pin_Eentered_State,     Option_Selection_Event,     OptionSelectionHandler },{ Option_Selected_State,   Amount_Enter_Event,         EnterAmountHandler },{ Amount_Entered_State,        Amount_Dispatch_Event,      AmountDispatchHandler }
};
//main function
int main(int argc, char *argv[])
{eSystemState eNextState = Idle_State;while (1){//Api read the eventeSystemEvent eNewEvent = read_event();if ((eNextState < last_State) && (eNewEvent < last_Event) &&      (asStateMachine[eNextState].eStateMachineEvent == eNewEvent) && (asStateMachine[eNextState].pfStateMachineEvnentHandler != NULL)){// function call as per the state and event and return the next state of the finite state machineeNextState = (*asStateMachine[eNextState].pfStateMachineEvnentHandler)();}else{//Invalid}}return 0;
}

状态机结构体中包含状态，事件编号，执行状态的动作。执行动作将返回对应的状态值。填写状态机的结构体数组，状态、触发事件和即将执行的动作。状态机运行时，初始化状态机，实践中，通常从外部API读入实践触发动作的执行。执行状态机中的动作，返回下一个状态的状态编号。

switch case实现有限状态机

这是实现状态机的最简单方法。使用 if-else 或 switch case 来检查状态并触发事件。如果状态和触发事件的组合匹配，则执行事件处理程序并更新下一个状态。这取决于检查第一个状态或事件的要求。在下面的示例代码中，首先验证状态，然后检查触发的事件。

#include <stdio.h>
//Different state of ATM machine
typedef enum
{Idle_State,Card_Inserted_State,Pin_Eentered_State,Option_Selected_State,Amount_Entered_State,
} eSystemState;
//Different type events
typedef enum
{Card_Insert_Event,Pin_Enter_Event,Option_Selection_Event,Amount_Enter_Event,Amount_Dispatch_Event
} eSystemEvent;
//Prototype of eventhandlers
eSystemState AmountDispatchHandler(void)
{return Idle_State;
}
eSystemState EnterAmountHandler(void)
{return Amount_Entered_State;
}
eSystemState OptionSelectionHandler(void)
{return Option_Selected_State;
}
eSystemState EnterPinHandler(void)
{return Pin_Eentered_State;
}
eSystemState InsertCardHandler(void)
{return Card_Inserted_State;
}
int main(int argc, char *argv[])
{eSystemState eNextState = Idle_State;eSystemEvent eNewEvent;while (1){//Read system EventseSystemEvent eNewEvent = ReadEvent();switch (eNextState){case Idle_State:{if (Card_Insert_Event == eNewEvent){eNextState = InsertCardHandler();}}break;case Card_Inserted_State:{if (Pin_Enter_Event == eNewEvent){eNextState = EnterPinHandler();}}break;case Pin_Eentered_State:{if (Option_Selection_Event == eNewEvent){eNextState = OptionSelectionHandler();}}break;case Option_Selected_State:{if (Amount_Enter_Event == eNewEvent){eNextState = EnterAmountHandler();}}break;case Amount_Entered_State:{if (Amount_Dispatch_Event == eNewEvent){eNextState = AmountDispatchHandler();}}break;default:break;}}return 0;
}

使用switch case 和if else实现上面的状态切换和动作执行，导致程序很长，不利于后期的维护和修改。可否对上面的程序进行优化，避免这种嵌套的结构呢？

使用二维数组指针精简switch case嵌套结构

答案是肯定得，我们在上面的程序中，首先是用switch case进行了状态的判断，然后使用if else判断是否有事件触发动作。那么相当于这段代码包含两层判断，第一层大的状态判断后面跟随着一层判断。基于这个认知，自然就想到，可否使用一个二维数组，行代表一层判断，列代表这一层判断下面的子状态判断呢！

下面，使用一个二维数组替代以上switch case的嵌套，实现代码的精简：

# include <stdio.h>
typedef enum
{Idle_State,Card_Inserted_State,Pin_Eentered_State,Option_Selected_State,Amount_Entered_State,last_State
} eSystemState;
//Different type events
typedef enum
{Card_Insert_Event,Pin_Enter_Event,Option_Selection_Event,Amount_Enter_Event,Amount_Dispatch_Event,last_Event
} eSystemEvent;
//typedef of 2d array
typedef eSystemState (*const afEventHandler[last_State][last_Event])(void);
//function call to dispatch the amount and return the ideal state
eSystemState AmountDispatchHandler(void)
{return Idle_State;
}
//function call to Enter amount and return amount enetered state
eSystemState EnterAmountHandler(void)
{return Amount_Entered_State;
}
//function call to option select and return the option selected state
eSystemState OptionSelectionHandler(void)
{return Option_Selected_State;
}
//function call to enter the pin and return pin entered state
eSystemState EnterPinHandler(void)
{return Pin_Eentered_State;
}
//function call to processing track data and return card inserted state
eSystemState InsertCardHandler(void)
{return Card_Inserted_State;
}
int main(int argc, char *argv[])
{eSystemState eNextState = Idle_State;eSystemEvent eNewEvent;// Table to define valid states and event of finite state machinestatic afEventHandler StateMachine ={[Idle_State] = { [Card_Insert_Event] = InsertCardHandler },[Card_Inserted_State] = { [Pin_Enter_Event] = EnterPinHandler },[Pin_Eentered_State] = { [Option_Selection_Event] = OptionSelectionHandler },[Option_Selected_State] = { [Amount_Enter_Event] = EnterAmountHandler },[Amount_Entered_State] = { [Amount_Dispatch_Event] = AmountDispatchHandler },};while (1){// assume api to read the next eventeSystemEvent eNewEvent = ReadEvent();//Check NULL pointer and array boundaryif ((eNextState < last_State) && (eNewEvent < last_Event) && StateMachine[eNextState][eNewEvent] != NULL){// function call as per the state and event and return the next state of the finite state machineeNextState = (*StateMachine[eNextState][eNewEvent])();}else{//Invalid}}return 0;
}

在上面这段代码中，使用typedef定义函数指针，返回值正是执行动作返回的状态值。二维数组返回event，是一个执行动作的过程。这样的话，在有限状态机的实现中，定义行为state，列里面我们放置event，每一列对应一个action，就可以实现根据前一次的state和event，执行当前与之对应的action，而返回当前执行动作的state，使状态机正确转移到下一个状态。

在上面的实现方法中，一个嵌套的 switch case 替换为一个指向函数的指针数组。精简了代码，但是同时也并降低代码的可读性。当状态很多，触发动作的条件也很多时，会造成内存大量的浪费，因为在二维数组中，每一行里面并非所有的event都是这一行的state必须的。

以上是状态机的常见实现方法，针对嵌入式的手写代码编程，常常希望有一种简单又不需要占用太多资源的方法，并且能够有效复用。这里推荐一种基于事件驱动的有限状态机框架，QEP框架，使用函数指针映射为状态，将状态机的描述进行标准化处理，接口简单，占用资源极少。

QEP有限状态机框架

博主会长期更新关于有限状态机设计的方法与思想，欢迎关注。

reference：
https://aticleworld.com/state-machine-using-c/

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