C语言中的状态机设计深入讲解

什么是状态机

状态机(State Machine)，也称状态自动机，是一种抽象的数学模型，是一种对事物变化过程进行描述的工具。状态机可分为两类：有限状态机和无限状态机。

有限状态机（FSM, Finite State Machine）是一种计算模型。有限状态机由有限个状态及在这些状态之间的转移和动作组成，其中一个状态是我们所关心的状态，称作接受状态。

状态机设计的步骤

状态机设计的步骤如下：

1. 定义状态：什么时候需要改变状态，才可以对状态机进行设计。
2. 定义事件：状态在什么条件下会发生改变，需要定义事件来触发状态变化。
3. 定义转移：从一个状态到另一个状态的转移规则，需要对状态和事件进行匹配分析，定义转移规则。
4. 定义动作：在状态转移的过程中，如果需要进行某些操作，可以在动作中定义。

状态机的实现

状态机实现的五个步骤：

1. 定义状态机的状态：一般使用枚举类型来定义状态。
2. 定义事件：触发状态变化的条件，一般使用枚举类型来定义。
3. 定义状态转移图：由状态及事件构成的图，一般使用二维数组来表示，每一行表示一个状态，每一列表示一个事件。
4. 定义状态动作：在状态转移过程中需要进行的操作。
5. 定义状态机调度函数：通过事件和当前状态，在状态转移图中查找对应的下一个状态，并执行对应的动作，实现状态机的转移。

以下是一个简单的状态机转换示例来说明如何用C语言实现状态机。

假定我们有一个控制机器人走直线的程序，并有三种状态：前进、左转、右转。

首先定义状态枚举类型：

typedef enum {
    STATE_GO_AHEAD,
    STATE_TURN_LEFT,
    STATE_TURN_RIGHT
}state_e;

其次定义事件枚举类型：

typedef enum {
    EVENT_FROM_SENSOR,
    EVENT_FROM_USER
} event_e;

接下来定义状态转移表，用二维数组来实现：

state_e state_table[3][2] = {
//  SENSOR  USER
    { STATE_TURN_LEFT, STATE_TURN_RIGHT },  // STATE_GO_AHEAD
    { STATE_GO_AHEAD, STATE_TURN_RIGHT },   // STATE_TURN_LEFT
    { STATE_TURN_LEFT, STATE_GO_AHEAD }     // STATE_TURN_RIGHT
};

最后定义状态机调度函数：

state_e state = STATE_GO_AHEAD;

void state_machine(event_e event)
{
    state_e next_state = state_table[state][event];

    switch (next_state) {
        case STATE_GO_AHEAD:
            printf("go ahead\n");
            break;
        case STATE_TURN_LEFT:
            printf("turn left\n");
            break;
        case STATE_TURN_RIGHT:
            printf("turn right\n");
            break;
        default:
            break;
    }

    state = next_state;
}

现在，我们可以通过调用state_machine函数来触发状态变化了，示例用法如下：

int main()
{
    state_machine(EVENT_FROM_SENSOR);
    state_machine(EVENT_FROM_USER);
    state_machine(EVENT_FROM_USER);
    state_machine(EVENT_FROM_SENSOR);
    return 0;
}

输出结果：

turn left
turn right
turn right
go ahead

通过这个简单示例，我们可以看到，状态机可以很清晰地表达出程序的状态变化情况，大大增强了程序的可读性和可维护性。