用C语言实现有限状态自动机FSM

摘要：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。本文主要为你实现一个简单的有限状态机，没有考虑代码的重入和多任务跳转，为以后复杂的状态机实现，打下基础。

 本文来源：用C语言实现有限状态自动机FSM

一、状态机实现的要素

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。

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s1c1s2a1s2c2s3a2s3c1s2a3s2c2s3a2s3c1s2a3s2c1s_trapa_traps_trapc1s_trapa_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：

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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

 总结一下，我们需要定义的有状态、输入、行为（动作+下一个状态），其中，行为的个数是“状态数*输入数量”（其中有一些是重复的）；其中动作一般来说可以用一个函数指针来实现。

二、具体设计

       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：

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typedef void (*actiontype)(state mystate, 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：

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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

};

 

其中的动作，由用户自己完成，在这里仅定义一条输出语句。

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void action1(State state, Condition condition)

{

    printf("Action 1 triggered.\n");

}

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最后定义跳转表：

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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：

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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;

}

总结：我们现在设计实现好了一个状态机，然后要给这个状态机特定的输入，看看状态机的运转情况，以上面图中的那个状态机为例，我们输入的序列是0和1分别代表c1和C2，然后状态s1，s2分别对应0，1.用程序实现这个内容如下

三、程序实现

程序清单：小型状态机的实现

#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 1typedef 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;}

程序输入与输出结果示例：

四、外部参考

【1】嵌入式设计模式：有限状态自动机的C语言实现 http://www.cnblogs.com/autosar/archive/2012/06/22/2558604.html