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一个有限状态机的C++实现

分类: 文章 • 2024-06-03 19:33:28

女主宣言

有限状态机：表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。它对数字系统的设计具有十分重要的作用。常见的计算机就是使用有限状态机作为计算模型的；电脑游戏设计中也经常使用有限状态机模型。本文就讲讲一个状态机的C++实现。

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有限状态机

 什么是有限状态机？

简单说就是作一件事可能会经过多个不同状态的转换, 转换依赖于在不同时间发生的不同事件来触发, 举个例子,比如 TCP的状态转换图, 在实现上就可以用FSM.

一个有限状态机的C++实现

传统的实现方案

if...else : 搞一大堆if else, 一个函数写很长很长......

swich...case : 也搞一大堆一个函数写很长很长......


FSM的实现方案

根据具体的业务需要, 将业务的处理流程定义为一个状态机, 此状态机中存在以下必要元素

  1. 根据业务需要, 拆解抽象出若干个不同状态 State, 并确定此状态机的初始状态;

  2. 根据实现需要, 抽象出用于触发状态转换的事件 Event;

  3. 为了处理一个Event, 需要定义状态的转换过程Transition;

  4. 状态机要先判断当前所处的状态是否与当前发生的Event匹配(注意: 相同的状态可能同时匹配多个Event)。

用张简图来说明一下

一个有限状态机的C++实现


  1. MachineSet可以同时管理多个Machine;

  2. 外部触发的Event进入到MachineSet的事件队列;

  3. 事件队列里的Event被顺序处理, 被Dispatch到match的Machine;

  4. Machine根据当前的所处的state和Event类型来判断当前Event是否有效;

  5. 如果上面(4)中的Event有效, 则进行状态转换;

  6. 状态转换具体来说涉及到三个回调函数:

            6.1 当前state离开, 是第一个回调,需要使用者根据实际需要处理;

            6.2 trasition这个转换过程, 是第二个回调;
            6.3 新state的进入, 是第三个回调;

一个简单的状态机,差不多就是上面这些内容, 剩下的就是用程序语言把它实现出来了;


FSM的C++ 实现

一个用C++11实现的FSM的代码

https://github.com/DavidLiuXh/kuafu


实现简介:

主要就是按deamo里的思路, 封装了以下几个模块

MachineSet,
Machine,
Event,
Transition,
Predicate

对于Event的处理, 提供两种方案:

  1. 直接使用MachineSet提供的StartBackground, 开启一个work thread, 在这个work thread中不断从存储event的fifo队列中获取event后dispatch到各个machine;

  2. 不使用MachineSet提供的event fifo, 实现自己的MachineSetHandler, 将其实例注册到MachineSet, 从event的派发;

一个具体的实现


我们来使用上面的FSM的实现来模拟一个用户登陆的场景;


定义用到的Event和几种不同的事件类型

一个有限状态机的C++实现


定义用到的状态机, 从 kuafu::StateMachine 继承, 其中包括用过的几种state和transition一个有限状态机的C++实现


在Birth()函数中构造 state和 transition, Birth()是StateMachine的一个虚函数, 每个用户实现的Machine都需要实现它:

一个有限状态机的C++实现


创建MachineSet, 并开始event处理线程

一个有限状态机的C++实现


创建用户定义的Machine, 设置初始状态

一个有限状态机的C++实现


设置state和transition相应的回调

一个有限状态机的C++实现


模拟event发生:

一个有限状态机的C++实现


相关源码：

MachineSet：https://github.com/DavidLiuXh/kuafu/blob/master/fsm/machine_set.h

Machine：https://github.com/DavidLiuXh/kuafu/blob/master/fsm/machine.h

Event:https://github.com/DavidLiuXh/kuafu/blob/master/fsm/event.h

Transition:https://github.com/DavidLiuXh/kuafu/blob/master/fsm/transition.h

Predicate:https://github.com/DavidLiuXh/kuafu/blob/master/fsm/transition_predicate.h

kuafu::StateMachine:https://github.com/DavidLiuXh/kuafu/blob/master/fsm/machine.h

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