用C語言實現有限狀態自動機FSM

誰不小心的發表於2013-10-10
C語言

摘要：狀態機模式是一種行為模式，在《設計模式》這本書中對其有詳細的描述，通過多型實現不同狀態的調轉行為的確是一種很好的方法，只可惜在嵌入式環境下，有時只能寫純C程式碼，並且還需要考慮程式碼的重入和多工請求跳轉等情形，因此實現起來著實需要一番考慮。本文主要為你實現一個簡單的有限狀態機，沒有考慮程式碼的重入和多工跳轉，為以後複雜的狀態機實現，打下基礎。

 本文來源：用C語言實現有限狀態自動機FSM


一、狀態機實現的要素


首先，分析一下一個普通的狀態機究竟要實現哪些內容。

狀態機儲存從開始時刻到現在的變化，並根據當前輸入，決定下一個狀態。這意味著，狀態機要儲存狀態、獲得輸入（我們把它叫做跳轉條件）、做出響應。

image

如上圖所示，{s1, s2, s3}均為狀態，箭頭c1/a1表示在s1狀態、輸入為c1時，跳轉到s2，並進行a1操作。

最下方為一組輸入，狀態機應做出如下反應：

當前狀態 輸入 下一個狀態 動作
s1 c1 s2 a1
s2 c2 s3 a2
s3 c1 s2 a3
s2 c2 s3 a2
s3 c1 s2 a3
s2 c1 s_trap a_trap
s_trap c1 s_trap a_trap

 

當某個狀態遇到不能識別的輸入時，就預設進入陷阱狀態，在陷阱狀態中，不論遇到怎樣的輸入都不能跳出。

為了表達上面這個自動機，我們定義它們的狀態和輸入型別：

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typedef int state;
typedef int condition;
 
#define STATES 4
#define STATE1 0
#define STATE2 1
#define STATE3 2
#define STATETRAP 3
 
#define CONDITIONS 2
#define CONDITION1 0
#define CONDITION2 1

 總結一下，我們需要定義的有狀態、輸入、行為（動作+下一個狀態），其中，行為的個數是“狀態數*輸入數量”（其中有一些是重複的）；其中動作一般來說可以用一個函式指標來實現。


二、具體設計


       在嵌入式環境中，由於儲存空間比較小，因此把它們全部定義成巨集。此外，為了降低執行時間的不確定性，我們使用O(1)的跳轉表來模擬狀態的跳轉。

首先定義跳轉型別：

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typedef void (*actiontype)(state mystate, condition condition);
 
typedef struct
{
    state next;
    actiontype action;
} trasition, * ptrasition;

 

然後按照上圖中的跳轉關係，把三個跳轉加一個陷阱跳轉先定義出來：

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// (s1, c1, s2, a1)
trasition t1 = {
    STATE2,
    action1
};
 
// (s2, c2, s3, a2)
trasition t2 = {
    STATE3,
    action2
};
 
// (s3, c1, s2, a3)
trasition t3 = {
    STATE2,
    action3
};
 
// (s, c, trap, a1)
trasition tt = {
    STATETRAP,
    actiontrap
};

 

其中的動作，由使用者自己完成，在這裡僅定義一條輸出語句。

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void action1(State state, Condition condition)
{
    printf("Action 1 triggered.\n");
}
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最後定義跳轉表：
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ptrasition transition_table[STATES][CONDITIONS] = {
/*      c1,  c2*/
/* s1 */&t1, &tt,
/* s2 */&tt, &t2,
/* s3 */&t3, &tt,
/* st */&tt, &tt,
};

 

即可表達上文中的跳轉關係。

最後定義狀態機，如果不考慮多工請求，那麼狀態機僅需要儲存當前狀態便行了。例如：

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typedef struct
{
    State current;
} StateMachine, * pStateMachine;
 
State step(pStateMachine machine, Condition condition)
{
    pTrasition t = transition_table[machine->current][condition];
    (*(t->action))(machine->current, condition);
    machine->current = t->next;
    return machine->current;
}

總結：我們現在設計實現好了一個狀態機，然後要給這個狀態機特定的輸入，看看狀態機的運轉情況，以上面圖中的那個狀態機為例，我們輸入的序列是0和1分別代表c1和C2，然後狀態s1，s2分別對應0，1.用程式實現這個內容如下

三、程式實現


程式清單：小型狀態機的實現
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
typedef int state;
typedef int condition;

#define STATENUM 4
#define STATE1 0
#define STATE2 1
#define STATE3 2
#define STATETRAP 3

#define CONDITIONS 2
#define CONDITION1 0
#define CONDITION2 1

typedef void (* actiontype)(state mystate,condition mycondition);
typedef struct{
  state next;
  actiontype action;
}trasition, *ptrasition;

void action1(state mystate,condition myconditon);
void action2(state mystate,condition myconditon);
void action3(state mystate,condition myconditon);
void actiontrap(state mystate,condition myconditon);
trasition t1={
  STATE2,action1
};
trasition t2={
  STATE3,action2
};
trasition t3={
  STATE2,action3
};
trasition tt={
  STATETRAP,actiontrap
};

void action1(state mystate,condition myconditon){
  printf("action1 one triggered\n");
}
void action2(state mystate,condition myconditon){
  printf("action2 one triggered\n");
}
void action3(state mystate,condition myconditon){
  printf("action3 one triggered\n");
}
void actiontrap(state mystate,condition myconditon){
  printf("actiontrap one triggered\n");
}

ptrasition transition_table[STATENUM][CONDITIONS] = {
/*      c1,  c2*/
/* s1 */&t1, &tt,
/* s2 */&tt, &t2,
/* s3 */&t3, &tt,
/* st */&tt, &tt,
};
typedef struct
{
    state current;
} StateMachine, * pStateMachine;
 
state step(pStateMachine machine, condition mycondition)
{
    ptrasition t = transition_table[machine->current][mycondition];
    (*(t->action))(machine->current, mycondition);
    machine->current = t->next;
    printf("the current state is %d\n",t->next );
    return machine->current;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
  StateMachine mymachine;
  mymachine.current=STATE1;
  int mycon;
  char ch;
  while(1){
    scanf("%d",&mycon); 
    step(&mymachine,mycon);
  }
  return 0;
}

程式輸入與輸出結果示例：

四、外部參考

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