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状态机模式是一种行为模式,在《设计模式》这本书中对其有详细的描述,通过多态实现不同状态的调转行为的确是一种很好的方法,只可惜在嵌入式环境下,有时只能写纯C代码,并且还需要考虑代码的重入和多任务请求跳转等情形,因此实现起来着实需要一番考虑。

近日在看了一个开源系统时,看到了一个状态机的实现,也学着写了一个,与大家分享。

 

首先,分析一下一个普通的状态机究竟要实现哪些内容。

状态机存储从开始时刻到现在的变化,并根据当前输入,决定下一个状态。这意味着,状态机要存储状态、获得输入(我们把它叫做跳转条件)、做出响应。

image

如上图所示,{s1, s2, s3}均为状态,箭头c1/a1表示在s1状态、输入为c1时,跳转到s2,并进行a1操作。

最下方为一组输入,状态机应做出如下反应:

当前状态 输入 下一个状态 动作
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

 

当某个状态遇到不能识别的输入时,就默认进入陷阱状态,在陷阱状态中,不论遇到怎样的输入都不能跳出。

为了表达上面这个自动机,我们定义它们的状态和输入类型:

typedef int State;
typedef int Condition;

#define STATES 3 + 1
#define STATE_1 0
#define STATE_2 1
#define STATE_3 2
#define STATE_TRAP 3

#define CONDITIONS 2
#define CONDITION_1 0
#define CONDITION_2 1

 

在嵌入式环境中,由于存储空间比较小,因此把它们全部定义成宏。此外,为了降低执行时间的不确定性,我们使用O(1)的跳转表来模拟状态的跳转。

首先定义跳转类型:

typedef void (*ActionType)(State state, Condition condition);

typedef struct
{
	State next;
	ActionType action;
} Trasition, * pTrasition;

 

然后按照上图中的跳转关系,把三个跳转加一个陷阱跳转先定义出来:

// (s1, c1, s2, a1)
Trasition t1 = {
	STATE_2,
	action_1
};

// (s2, c2, s3, a2)
Trasition t2 = {
	STATE_3,
	action_2
};

// (s3, c1, s2, a3)
Trasition t3 = {
	STATE_2,
	action_3
};

// (s, c, trap, a1)
Trasition tt = {
	STATE_TRAP,
	action_trap
};

 

其中的动作,由用户自己完成,在这里仅定义一条输出语句。

void action_1(State state, Condition condition)
{
	printf("Action 1 triggered.\n");
}
最后定义跳转表:
pTrasition transition_table[STATES][CONDITIONS] = {
/*		c1,  c2*/
/* s1 */&t1, &tt,
/* s2 */&tt, &t2,
/* s3 */&t3, &tt,
/* st */&tt, &tt,
};

 

即可表达上文中的跳转关系。

最后定义状态机,如果不考虑多任务请求,那么状态机仅需要存储当前状态便行了。例如:

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;
}

 

但是考虑到当一个跳转正在进行的时候,同时又有其他任务请求跳转,则会出现数据不一致的问题。

举个例子:task1(s1, c1/a1 –> s2)和task2(s2, c2/a2 –> s3)先后执行,是可以顺利到达s3状态的,但若操作a1运行的时候,执行权限被task2抢占,则task2此时看到的当前状态还是s1,s1遇到c2就进入陷阱状态,而不会到达s3了,也就是说,状态的跳转发生了不确定,这是不能容忍的。

 

因此要重新设计状态机,增加一个“事务中”条件和一个用于存储输入的条件队列。修改后的代码如下:

#define E_OK		0
#define E_NO_DATA	1
#define E_OVERFLOW	2

typedef struct
{
	Condition queue[QMAX];
	int head;
	int tail;
	bool overflow;
} ConditionQueue, * pConditionQueue;


int push(ConditionQueue * queue, Condition c)
{	
	unsigned int flags;
	Irq_Save(flags);
	if ((queue->head == queue->tail + 1) || ((queue->head == 0) && (queue->tail == 0)))
    {
        queue->overflow = true;
		Irq_Restore(flags);
        return E_OVERFLOW;
    }
    else
    {
        queue->queue[queue->tail] = c;
        queue->tail = (queue->tail + 1) % QMAX;
		Irq_Restore(flags);
    }
	return E_OK;
}

int poll(ConditionQueue * queue, Condition * c)
{
	unsigned int flags;
	Irq_Save(flags);
	if (queue->head == queue->tail)
    {
		Irq_Restore(flags);
        return E_NO_DATA;
    }
    else
    {
        *c = queue->queue[queue->head];
        queue->overflow = false;
        queue->head = (queue->head + 1) % QMAX;
		Irq_Restore(flags);
    }
	return E_OK;
}

typedef struct
{
	State current;
	bool inTransaction;
	ConditionQueue queue;
} StateMachine, * pStateMachine;

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

State step(pStateMachine machine, Condition condition)
{
	Condition next_condition;
	int status;
	State current;
	if (machine->inTransaction)
	{
		push(&(machine->queue), condition);
		return STATE_INTRANSACTION;
	}
	else
	{
		machine->inTransaction = true;
		current = __step(machine, condition);
		status = poll(&(machine->queue), &next_condition);
		while(status == E_OK)
		{
			__step(machine, next_condition);
			status = poll(&(machine->queue), &next_condition);
		}
		machine->inTransaction = false;
		return current;
	}
}

void initialize(pStateMachine machine, State s)
{
	machine->current = s;
	machine->inTransaction = false;
	machine->queue.head = 0;
	machine->queue.tail = 0;
	machine->queue.overflow = false;
}

 

 

 
posted on 2012-06-22 12:17  chrihop  阅读(14889)  评论(2编辑  收藏