C语言状态机学习

出处：http://www.cnblogs.com/tangerious/p/4565833.html

状态机的好处不用多说，自己百度去，但传统的编程模式，无论是C语言，或是硬件FPGA的Verilog都是采用switch-case
结构，硬件的还好说，是并行的，但如果是C语言实现状态机则可能需要对每个case进行判断，状态少比如几个可能没什
么效率之类的问题，但状态多几十个上百个呢，那么就需要进行上百次的判断是否匹配，毫无疑问效率很低，切每次的
状态切换时间也不确定。那么有没有一种好的实现模式不用switch-case结构呢？下面我来为C语言状态机的实现建立一
个最优模式。
实现
前面说了一堆装bi的废话，下面进入正题，前段时间研究了下函数式编程，发现C语言的循环结构完全可以用尾递归（不
懂百度）实现，最后C就只剩下唯有if和switch还不能用函数式编程实现，而今天要讲的状态机模式就是用函数式编程实
现switch-case，那么switch-case其实可以看做一种查找的跳转，我们知道C语言中goto可以实现跳转，那么还有什么可
以实现跳转呢，答案是函数调用，但是又需要如何实现指定的函数调用呢，难道要用if判断，显然没什么意义，那么又
没有比if判断（如果上百次判断）更高效的东西呢？有人已经想到是查表，如果将查表和函数调用结合，那么就是函数
指针数组的应用了！ 
上代码！首先定义一个函数指针类型，为什么要带void *的参数后面会说：

typedef unsigned char State;
typedef State(*Procedure)(void *);
这样就可以方便地定义一个函数指针数组：

Procedure Steps[] = { step_init, step_count, step_done, step_default };

step_init，step_count等是函数名，再定义状态：

enum states{ s_init, s_count, s_done, s_default };

枚举定义对应着{0,1,2,3}，有了这些再状态机联系那么可以想到，数组的索引就是状态定义，上核心代码，两行（简单吧！关键是想到）：

void BestStateMachine(void * invar)
{
    static State NS = s_init; //定义下一状态
    NS = Steps[NS](invar);
}

static的变量NS在每次BestStateMachine调用会得到维护，我们只需再每Steps返回下一个状态并保存到NS中可以实现状

态的保存和切换。再说说为什么要加个void*的参数，状态机一般有很多自身变量的维护，而且对于mealy状态机还需根

据输入判断，因为函数调用返回是不保留局部变量的，那么就需要将变量传递来实现更改和保存，之所以只用了一个

void*参数是因为，如果需要保存和传递的变量很多，直接传递会在调用函数是浪费大量的栈空间，且效率低下，采用这

种模式，你可以将变量用一个结构体封装，然后将结构体指针传递给void *的形参，再函数内部再强制转换即可使用结

构体内部的变量。现在你已经在嘀咕这作者真啰嗦，好上实例代码，就是一个简单的计数器（以前学状态机都从计数器

开始），在计数完成打印信息：
#include<stdio.h>
typedef unsigned char State;
typedef State(*Procedure)(void *);
enum states{ s_init, s_count, s_done, s_default };//状态定义
typedef struct _SM_VAR  //对状态机参数封装
{
    int cnt;
}SM_VAR;
State step_init(void * arg)//初始化
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    p->cnt = 0;
    printf("CS:init ;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt);
    return s_count;
}
State step_count(void * arg)//计数
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    if (p->cnt < 3){
        p->cnt+=1;
        printf("CS:count;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt);
        return s_count;
    }
    else{
        printf("CS:count;cnt=%d;NS:done\n", p->cnt);
        return s_done;
    }
}
State step_done(void * arg)//计数完成
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    printf("CS:done ;cnt=%d;NS:init\n", p->cnt);
    return s_init;
}
State step_default(void * arg)//错误过程
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    printf("Wrong State\n");
    return s_init;
}
Procedure Steps[] = { step_init, step_count, step_done, step_default };




void BestStateMachine(void * invar)
{
    static State NS = s_init; //定义下一状态
    NS = Steps[NS](invar);
}
int main(void)
{
    SM_VAR var;
    int i;
    for (i = 0; i <8; i++){//给状态机8个周期的时钟驱动
        BestStateMachine(&var);
    }
    return 0;
}

最后在VS2013上调试如下：

CS:init ;cnt=0;NS:count
CS:count;cnt=1;NS:count
CS:count;cnt=2;NS:count
CS:count;cnt=3;NS:count
CS:count;cnt=3;NS:done
CS:done ;cnt=3;NS:init
CS:init ;cnt=0;NS:count
CS:count;cnt=1;NS:count

探讨了一种非swtich-case结构的状态机写法，但是个人感觉写起来比较麻烦，如果增加一个状态，需要手动地在函数指针数组中添加相应的功能函数，而且状态函数的也必须写在函数指针数组前面导致代码结构较差，如果写在后面，又要在前面声明，就更麻烦了，总之，不易维护，想到Adam Dunkels在LwIP中逆天的宏定义用法，使得代码有自动更新的功能，于是也尝试着套用下其写法，现在这段代码更易维护，可做模板使用。
实现
还是上一篇博客的例子，只是多了些宏定义，这次先定义个状态列表：
#define STATE_LIST(_) \
_(init)\
_(count)\
_(done)\
_(dft)
可能你觉得奇怪，那么先别急，看下一段定义：
#define DEFINE_STATE(state) State##_##state,
enum States {
    STATE_LIST(DEFINE_STATE)
    State_Nums
};
#undef DEFINE_STATE
对于初学者可能已经晕了，其实你只需记住宏就是替换，就能理解，下面我先展开States中第一层(注意逗号不可少)：
enum States {
    DEFINE_STATE(init)，
    DEFINE_STATE(count)，
    DEFINE_STATE(done)，
    DEFINE_STATE(dft)，
    State_Nums
};
接下来根据DEFINE_STATE展开宏(##起连接Token的作用)，则有：
enum States {
    State_init，
    State_count，
    State_stop，
    State_dft，
    State_Nums
};
这样我们得到了一个完整的状态枚举，运用此方法可声明状态函数，并将声明的状态函数存入函数指针数组中，你的状态函数也不会有位置限制，完整代码如下：


#include<stdio.h>
typedef unsigned char State;
typedef State(*Procedure)(void *);
//状态列表，状态增减只在此处按格式写入
#define STATE_LIST(_) \
_(init)\
_(count)\
_(done)\
_(dft)
#define Step_NULL ((void *)0)
//状态执行函数声明，你的函数必须遵循如Step_init的格式
//并必须返回下一状态如State_init
#define STATEMENT_STEP(state) \
State Step##_##state(void * arg);
STATE_LIST(STATEMENT_STEP)
#undef STATEMENT_STEP
//状态枚举
#define DEFINE_STATE(state) State##_##state,
enum States {
    STATE_LIST(DEFINE_STATE)
    State_Nums
};
#undef DEFINE_STATE
//状态执行函数查找表
#define STATE_PROCEDURE(State) Step##_##State,
Procedure Steps[] = {
    STATE_LIST(STATE_PROCEDURE)
    Step_NULL
};
#undef STATE_PROCEDURE
typedef struct _SM_VAR  //对状态机参数封装
{
    int cnt;
}SM_VAR;
void BestStateMachine(void * invar)
{
    static State NS = State_init; //定义下一状态
    NS = Steps[NS](invar);
}
int main(void)
{
    SM_VAR var;
    int i;
    for (i = 0; i <= 8; i++){
        BestStateMachine(&var);
    }
    return 0;
}
State Step_init(void * arg)//初始化
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    p->cnt = 0;
    printf("CS:init ;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt);
    return State_count;
}
State Step_count(void * arg)//计数
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    if (p->cnt < 3){
        p->cnt += 1;
        printf("CS:count;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt);
        return State_count;
    }
    else{
        printf("CS:count;cnt=%d;NS:done\n", p->cnt);
        return State_done;
    }
}
State Step_done(void * arg)//计数完成
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    printf("CS:done ;cnt=%d;NS:init\n", p->cnt);
    return State_init;
}
State Step_dft(void * arg)//错误过程
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    printf("Wrong State\n");
    return State_init;
}
在VS2013调试，输出结果和上一篇博客一样，你现在一定会发现代码修改变得异常简单，你只需在STATE_LIST定中增减状态，宏就会帮你完成后面一切，而且你的状态函数可以放在任意位置，唯一需要注意的是函数名必须遵循定义个格式，且状态引用名也必须遵循定义个格式，不过既然是模板就有相应格式，遵循即可。