C#狀態機Stateless

波多爾斯基發表於2020-06-30
C#

最近在折騰一些控制相關的軟體設計，想起來狀態機這個東西，對解決一些控制系統狀態切換還是挺有用的。

狀態機（有限狀態自動機）網上有很多介紹。簡單理解就是定義一系列狀態，通過一系列的事件，可以使得狀態可以相互之間切換。

如果不使用狀態機的思想來程式設計，那麼針對過程的程式設計方法會使得程式擴充性變差，並且不容易除錯。而狀態機只需要定義好了各種狀態和狀態切換之間的事件，你只管觸發事件，剩下的事情它自己就自動完成了（畢竟名稱叫做有限狀態自動機），這對於很多需要定義各種控制階段的系統簡直是完美適配。瞭解到.NET也有很多庫可以實現這些功能，本文主要介紹一下Stateless的應用。

Stateless介紹

Stateless可以建立極簡的狀態機與對應的工作流。很多專案（包括VisualStudio Extension、AIlab）都有使用到它。

它支援以下特性：

  • 支援各種型別作為狀態和觸發事件
  • 支援狀態繼承
  • 支援狀態進入/離開事件
  • 支援條件狀態轉移
  • 支援狀態/轉移查詢

也有幾點需要注意的：

  • 它支援非同步語法，但是它是單執行緒的，不是執行緒安全的。
  • 可以匯出DOT graph

安裝起來很簡單，直接在nuget中安裝即可：

Install-Package Stateless

Stateless使用

用起來也挺簡單的，以打電話這個事情為例，針對打電話的種種動作和狀態做成一個狀態機。
需要先定義一些狀態和事件/觸發器，電話有撥號、接通、留言等事件，有響鈴、掛起、結束通話等事件：

//程式碼來自官方示例，可以在官方github庫上找到，略有修改以完整展示功能。
enum Trigger
{
    CallDialed,
    CallConnected,
    LeftMessage,
    PlacedOnHold,
    TakenOffHold,
    PhoneHurledAgainstWall,
    MuteMicrophone,
    UnmuteMicrophone,
    SetVolume
}

enum State
{
    OffHook,
    Ringing,
    Connected,
    OnHold,
    PhoneDestroyed
}

然後就是建立一個狀態機了：

_machine = new StateMachine<State, Trigger>(() => _state, s => _state = s);

最後也是最需要詳細解釋的，就是配置狀態機的行為了：

/*
為了解釋儘可能多的功能，以下程式修改了官方的程式碼，可以在官方找可以直接執行的程式碼。
*/

//使用Permit指示發生某個事件後，從一個狀態變換到另外一個狀態。
_machine.Configure(State.OffHook)
    .Permit(Trigger.CallDialed, State.Ringing);

//設定一個帶引數的事件，這個事件是CallDialed的型別
var _setCalleeTrigger = _machine.SetTriggerParameters<string>(Trigger.CallDialed);
_machine.Configure(State.Ringing)
    //允許重新進入當前的狀態，這個過程會觸發進入和退出動作
    .PermitReentry(Trigger.Ringing)
    //使用OnEntryFrom指示在觸發這個狀態的時候，執行某個動作，這裡指定的是一個帶引數的事件
    .OnEntryFrom(_setCalleeTrigger, callee => OnDialed(callee), "Caller number to call")
    .Permit(Trigger.CallConnected, State.Connected);

_machine.Configure(State.OnHold)
    //定義子狀態
    .SubstateOf(State.Connected)
    .Permit(Trigger.TakenOffHold, State.Connected)
    .Permit(Trigger.PhoneHurledAgainstWall, State.PhoneDestroyed);

_machine.Configure(State.Connected)
    //進入狀態的時候執行動作
    .OnEntry(t => StartCallTimer())
    //離開狀態執行動作
    .OnExit(t => StopCallTimer())
    //狀態不變化，但是響應某種事件，和PermitReentry不同，它不會觸發進入和退出的動作
    .InternalTransition(Trigger.MuteMicrophone, t => OnMute())
    .InternalTransition(Trigger.UnmuteMicrophone, t => OnUnmute())
    .InternalTransition<int>(_setVolumeTrigger, (volume, t) => OnSetVolume(volume))
    .Permit(Trigger.LeftMessage, State.OffHook)
    .Permit(Trigger.PlacedOnHold, State.OnHold)
    //指定在發生同一種事件的時候，根據事件的引數不同而決定進入不同的狀態。
    .PermitIf(_setCalleeTrigger, State.Connected, callee => string.IsNullOrWhiteSpace(callee))
    .PermitIf(_setCalleeTrigger, State.Connected, callee => !string.IsNullOrWhiteSpace(callee))
    //如果沒有定義這個事件而發生了這個事件，會彈出異常。通過指定忽略某一類事件，可以避免這個情況。
    .Ignore(Trigger.CallDialled);

//當然也可以使用這個來避免彈出上面說的異常
_machine.OnUnhandledTrigger((state, trigger) => { });

//可以使用非同步呼叫，但是必須要在觸發事件的時候，使用FireAsync
_machine.Configure(State.PhoneDestroyed)
    .OnEntryAsync(async () => await SendEmailToAssignee());

配置好了各狀態之間的轉換，下面就是觸發事件了。

public void Dialed(string callee)
{
    //有引數的觸發
    _machine.Fire(_setCalleeTrigger, callee);
}

public void Connected()
{
    //無引數的觸發
    _machine.Fire(Trigger.CallConnected);
}

public async Task PhoneDestroy()
{
    //非同步觸發
    await _machine.FireAsync(Trigger.PhoneDestroyed);
}

public string ToDotGraph()
{
    //匯出DOT GRAPH
    return UmlDotGraph.Format(_machine.GetInfo());
}

外部呼叫很簡潔：

phoneCall.Dialed("Prameela");
phoneCall.Connected();
phoneCall.SetVolume(2);
phoneCall.Hold();

只需要呼叫事件即可，別的都會按照我們設定好的動作來進行了，非常自動化。

總結

Stateless可以很好地實現狀態機，有點事件驅動的程式設計的感覺，但本質上不同，Stateless核心是各個狀態的遷移。

雖然Stateless很小巧方便，但是還有有很多地方不盡如人意（官方說這就是他們自己的設計目標，維持極簡）：

  • 沒有啟動和停止的說法，一般在建構函式裡面建立就一直有效。
  • 不是執行緒安全的
  • 擴充性有限

還有一個Appccelerate.StateMachine（地址），這個支援四種不同的狀態機實現：

  • Passive State Machine： 同步單執行緒處理狀態轉換
  • Active State Machine： 同步多執行緒處理狀態轉換
  • Async Passive State Machine： 非同步單執行緒處理狀態轉換
  • Async Active State Machine： 非同步多執行緒處理狀態轉換

其中active的是執行緒安安全的。另外，它還支援狀態、事件的持久化，擴充性強。用法差不多，只是配置的關鍵字上面有一點區別，大家可以自行翻文件。

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