C语言 有限状态机

状态存储关于过去的信息，就是说：它反映从系统开始到现在时刻的输入变化。转移指示状态变更，并且用必须满足来确使转移发生的条件来描述它。动作是在给定时刻要进行的活动的描述。有多种类型的动作：

进入动作（entry action）：在进入状态时进行

退出动作：在退出状态时进行

输入动作：依赖于当前状态和输入条件进行

转移动作：在进行特定转移时进行

下面展示最常见的表示：当前状态（B）和条件（Y）的组合指示出下一个状态（C）。完整的动作信息可以只使用脚注来增加。包括完整动作信息的FSM 定义可以使用状态表。

当前状态 →
条件 ↓状态 A状态 B状态 C条件 X………条件 Y…状态 C…条件 Z………

除了建模这里介绍的反应系统之外，有限状态自动机在很多不同领域中是重要的，包括电子工程、 语言学、计算机科学、哲学、生物学、数学和逻辑学。有限状态机是在自动机理论和计算理论中研究的一类自动机。在计算机科学中，有限状态机被广泛用于建模应用行为、硬件电路系统设计、软件工程，编译器、网络协议、和计算与语言的研究。

地位

在数字电路系统中，有限状态机是一种十分重要的时序逻辑电路模块

作用

它对数字系统的设计具有十分重要的作用。

有限状态机是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。一般来说，除了输入部分和输出部分外，有限状态机还含有一组具有“记忆”功能的寄存器，这些寄存器的功能是记忆有限状态机的内部状态，它们常被称为状态寄存器。在有限状态机中，状态寄存器的的下一个状态不仅与输入信号有关，而且还与该寄存器的当前状态有关，因此有限状态机又可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的一种组合。其中，寄存器逻辑的功能是存储有限状态机的内部状态；而组合逻辑又可以分为次态逻辑和输出逻辑两部分，次态逻辑的功能是确定有限状态机的下一个状态，输出逻辑的功能是确定有限状态机的输出。

分类

在实际的应用中，根据有限状态机是否使用输入信号，设计人员经常将其分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机两种类型。1Moore型有限状态机其输出信号仅与当前状态有关，即可以把Moore型有限状态的输出看成是当前状态的函数。2 Mealy型有限状态机其输出信号不仅与当前状态有关，而且还与所有的输入信号有关，即可以把Mealy型有限状态机的输出看成是当前状态和所有输入信号的函数。

编程

有限状态机体现了两点：首先是离散的，然后是有限的。

State：

状态这个词有些难以定义，状态存储关于过去的信息，就是说它反映从系统开始到现在时刻的输入变化。

Actions & Transitions：

转换指示状态变更，并且用必须满足来确使转移发生的条件来描述它。动作是在给定时刻要进行的活动的描述。

Guards:

检测器出现的原因是为了检测是否满足从一个状态切换到另外一个状态的条件。

Event：

事件，又见事件，笼统说来，对系统重要的某件事情被称为事件。

恩，就这些了，有些迷惑么:),恩，我们来理清一下思路：先从事件说起，事件是有生命

的，它经历:

1).被产生(被接受，等待被处理，一般放入事件队列)

2).被分发(从事件队列取出，分发到响应的状态机处理)

3).死亡(当状态机处理了该事件，它随之死亡)

从一个状态切换到另外一个状态被称为状态转换，而引起它的事件称为触发事件.(可以看到，不是所有的事件都会引起状态的转换).

提到状态转换，不能不提及检测器(Guards)，只有当检测器的值为TRUE时候，才能启动转换

应用

常见的计算机就是使用有限状态机作为计算模型的：对于内存的不同状态，CPU通过读取内存值进行计算，更新内存中的状态。CPU还通过消息总线接受外部输入设备（如键盘、鼠标）的指令，计算后更改内存中的状态，计算结果输出到外部显示设备（如显示器），以及持久化存储在硬盘。

电脑游戏设计中也经常使用有限状态机模型。以水果忍者游戏为例，游戏中水果的状态是有限状态，其运行轨迹是由模拟物理运动规律的计算公式运算而成的，一个香蕉抛起来后会按照抛物线运行，其每一帧位置变化都是一个状态的改变，状态改变通过计算公式来决定。当然作为游戏不会仅仅这么简单，如果这么简单就是动画了，游戏还有复杂的人机交互事件，比如用手在屏幕上“切”了水果，水果感知到这个事件后，会按照程序逻辑进入爆炸状态。

1、状态机的要素

状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下：

①现态：是指当前所处的状态。

②条件：又称为“事件”。当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。

③动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。

④次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。

这里需要注意的两个问题：

1、避免把某个“程序动作”当作是一种“状态”来处理。那么如何区分“动作”和“状态”？“动作”是不稳定的，即使没有条件的触发，“动作”一旦执行完毕就结束了；而“状态”是相对稳定的，如果没有外部条件的触发，一个状态会一直持续下去。

2、状态划分时漏掉一些状态，导致跳转逻辑不完整。

所以维护上述一张状态表就非常必要，而且有意义了。从表中可以直观看出那些状态直接存在跳转路径，那些状态直接不存在。如果不存在，就把对应的单元格置灰。每次写代码之前先把表格填写好，并且对置灰的部分重点review，看看是否有“漏态”，然后才是写代码。QA拿到这张表格之后，写测试用例也是手到擒来。

有限状态机FSM

思想广泛应用于硬件控制电路设计，也是软件上常用的一种处理方法(软件上称为FMM--有限消息机)。它把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态，在每个状态上判断事件，变连续处理为离散数字处理，符合计算机的工作特点。同时，因为有限状态机具有有限个状态，所以可以在实际的工程上实现。但这并不意味着其只能进行有限次的处理，相反，有限状态机是闭环系统，有限无穷，可以用有限的状态，处理无穷的事务。

有限状态机的工作原理如图1所示，发生事件(event)后，根据当前状态(cur_state)，决定执行的动作(action)，并设置下一个状态号(nxt_state)。

-------------

| |-------->执行动作action

发生事件event ----->| cur_state |

| |-------->设置下一状态号nxt_state

-------------

当前状态

图1 有限状态机工作原理

e0/a0

--->--

| |

-------->----------

e0/a0 | | S0 |-----

| -<------------ | e1/a1

| | e2/a2 V

---------- ----------

| S2 |-----<-----| S1 |

---------- e2/a2 ----------

图2 一个有限状态机实例

--------------------------------------------

当前状态 s0 s1 s2 | 事件

--------------------------------------------

a0/s0 -- a0/s0 | e0

--------------------------------------------

a1/s1 -- -- | e1

--------------------------------------------

a2/s2 a2/s2 -- | e2

--------------------------------------------

表1 图2状态机实例的二维表格表示(动作/下一状态)

图2为一个状态机实例的状态转移图，它的含义是：

在s0状态，如果发生e0事件，那么就执行a0动作，并保持状态不变；

如果发生e1事件，那么就执行a1动作，并将状态转移到s1态；

如果发生e2事件，那么就执行a2动作，并将状态转移到s2态；

在s1状态，如果发生e2事件，那么就执行a2动作，并将状态转移到s2态；

在s2状态，如果发生e0事件，那么就执行a0动作，并将状态转移到s0态；

有限状态机不仅能够用状态转移图表示，还可以用二维的表格代表。一般将当前状态号写在横行上，将事件写在纵列上，如表1所示。其中“--”表示空(不执行动作，也不进行状态转移)，“an/sn”表示执行动作an,同时将下一状态设置为sn。表1和图2表示 的含义是完全相同的。

观察表1可知，状态机可以用两种方法实现：竖着写(在状态中判断事件)和横着写(在事件中判断状态)。这两种实现在本质上是完全等效的，但在实际操作中，效果却截然 不同。

竖着写C代码片段

cur_state = nxt_state;

switch(cur_state){ //在当前状态中判断事件

case s0: //在s0状态

if(e0_event){ //如果发生e0事件，那么就执行a0动作，

并保持状态不变；

执行a0动作;

//nxt_state = s0; //因为状态号是自身，所以可以删除此句

，以提高运行速度。

}

else if(e1_event){ //如果发生e1事件，那么就执行a1动作，

并将状态转移到s1态；

执行a1动作;

nxt_state = s1;

}

else if(e2_event){ //如果发生e2事件，那么就执行a2动作，

并将状态转移到s2态；

执行a2动作;

nxt_state = s2;

}

break;

case s1: //在s1状态

if(e2_event){ //如果发生e2事件，那么就执行a2动作，

并将状态转移到s2态；

执行a2动作;

nxt_state = s2;

}

break;

case s2: //在s2状态

if(e0_event){ //如果发生e0事件，那么就执行a0动作，

并将状态转移到s0态；

执行a0动作;

nxt_state = s0;

}

}

横着写(在事件中判断状态)C代码片段

//e0事件发生时，执行的函数

void e0_event_function(int * nxt_state)

{

int cur_state;

cur_state = *nxt_state;

switch(cur_state){

case s0: //观察表1，在e0事件发生时，s1处为空

case s2:

执行a0动作;

*nxt_state = s0;

}

}

//e1事件发生时，执行的函数

void e1_event_function(int * nxt_state)

{

int cur_state;

cur_state = *nxt_state;

switch(cur_state){

case s0: //观察表1，在e1事件发生时，s1和s2处为

空

执行a1动作;

*nxt_state = s1;

}

}

//e2事件发生时，执行的函数

void e2_event_function(int * nxt_state)

{

int cur_state;

cur_state = *nxt_state;

switch(cur_state){

case s0: //观察表1，在e2事件发生时，s2处为空

case s1:

执行a2动作;

*nxt_state = s2;

}

}