什么是状态机

状态机是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。英文名字叫State Machine ，不是指一台实际机器，一般就是指一张状态转换图。全称是有限状态自动机，自动两个字包含重要含义。给定一个状态机，同时给定它的当前状态以及输入，那么输出状态时可以明确的运算出来的，当输入条件时，能输出下一个状态。

现实事物是有不同状态，例如一个LED等，就有亮和灭两种状态。我们通常所说的状态机是有限状态机，也就是被描述的事物的状态的数量是有限个，例如LED灯的状态就是两个亮和灭。

为什么用状态机

状态机解决的问题就是当某种模型的状态变更比较比较复杂，且状态比较多，那么我们有必要将这些状态变化的逻辑抽象出来，做成一个可以统一调用的算法，这样封装出来的代码就比较好维护，同时可读性也很强。

状态机在实际工作开发中很有用，应用也非常广泛。一个健壮的状态机可以让你的程序，不论发生何种突发事件都不会突然进入一个不可预知的程序分支，可以很清晰的表达整个状态的流转。

在GUI应用程序、Web应用程序等事件驱动型的应用程序，采用状态机的思路来完成程序设计，可以简化设计流程，使程序的可读性、可维护性都得到增加。

使用状态机有哪些好处？

1. 当一个程序有多个状态时，规范了状态机的状态转换，避免了一些引入一些复杂的判断逻辑。

2. 规范了程序在不同状态下所能提供的能力。

3. 在能力上可以进行横向扩展，提供新的状态来完善现有逻辑。

简单状态机的实现

使用switch跳转即可实现一种简单的状态机。如果逻辑不是很复杂，使用switch语句也能达到实现目的。举例如下：

enum state
  {
    nullState_,
    firstState_,
    secondState_,
    thirdState_,
    quitState_,
  };
struct param_t
  {
    int param1;
    int param2;
// ......
  };
int nullStateProc(param_t& param){
    return firstState_;
}
int firstStateProc(param_t& param){
    return secondState_;
}
int secondStateProc(param_t& param){
    return secondState_;
}
int thirdStateProc(param_t& param){
    return secondState_;
}
int quitEvent(){
    return nullState_;
}
int stateMachine(state& state_, param_t& param){
    switch (state_)
  {
    case nullState_:
      state_ = static_cast<state>(nullStateProc(param));
      break;
    case firstState_:
      state_ = static_cast<state>(firstStateProc(param));
      break;
    case secondState_:
      state_ = static_cast<state>(secondStateProc(param));
      break;
    case thirdState_:
      state_ = static_cast<state>(thirdStateProc(param));
      break;
    case quitState_:
      quitEvent();
      return 0;
  }
  return 1;
}
void start()
{
  state state_ = nullState_;
  param_t param{};
  while (true)
  {
    auto stateResult = stateMachine(state_, param);
    if (!stateResult)
    {
      return;
    }
  }
}

另一种简单实现

如果需要管理的状态和事件比较多，需要逻辑清晰和便于维护，使用简单的switch可能无法满足需求。这里介绍一种简单的实现，消除庞大的条件分支语句，从配置表容易看出各个状态的转换图。

/*  statemachine.h*/
#ifndef _STATEMACHINE_H_
#define _STATEMACHINE_H_
#include <iostream>
enum EventActionResult {
    EventFailed, EventProcessedOK
};
template<class T, class P>
class State {
public:
    std::string inputEvent;
    State<T, P> *nextState;
    EventActionResult (T::*action)(const std::string &event, P *param);
    State<T, P> *errorState;
};
template<class T, class P>
class StateMachine {
private:
    State<T, P> *init;
    State<T, P> *current;
    T *target;
public:
    StateMachine() {}
    void Init(T *_target, State<T, P> *initialState) {
        init = current = initialState;
        target = _target;
    }
    void Reset() {
        current = init;
    }
    void ProcessEvent(const std::string &event, P *param) {
        for (State<T, P> *p = this->current; p->nextState != NULL; p++) {
            if (p->inputEvent == event) {
                if (p->action != NULL) {
                    if (EventFailed == (this->target->*(p->action))(event, param)) {
                        if (p->errorState != NULL) {
                            //Only if there's an errorstate defined. Otherwise, just do nothing
                            this->current = p->errorState;
                        }
                        return;
                    }
                }
                this->current = p->nextState;
                return;
            }
        }
        //Event not found. Do nothing
        return;
    }
};

以下是使用举例：

class MyStateMachine {
public:
    struct param_t {
        int param;
        int param1;
        int param2;
    };
    StateMachine<MyStateMachine, param_t> stMachine;
    EventActionResult HandleEvent1(const std::string &e, param_t *param);
    EventActionResult HandleEvent2(const std::string &e, param_t *param);
    EventActionResult HandleEventA(const std::string &e, param_t *param);
    EventActionResult HandleEventB(const std::string &e, param_t *param);
    EventActionResult HandleThree(const std::string &e, param_t *param);
    void HandleEvent(const std::string &e, param_t *param);
    void Init();
    void Start();
};

#include "statemachine.h"
#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <stdio.h>
typedef State<MyStateMachine, MyStateMachine::param_t> STATE;
extern STATE Idle[];
extern STATE One[];
extern STATE Two[];
STATE Idle[] =
        {
                //EVENT,NEXT,  ACTION,   ERRORSTATE (where to land if there's an error)
                {"event1", One, &MyStateMachine::HandleEvent1, Idle},
                {"event2", Two, &MyStateMachine::HandleEvent2, Idle},
                {"", NULL, NULL, NULL}, //End of table
        };
STATE One[] =
        {
                {"eventA", Idle, &MyStateMachine::HandleEventA, Idle},
                {"eventB", Idle, &MyStateMachine::HandleEventB, Idle},
                {"", NULL, NULL, NULL},
        };
STATE Two[] =
        {
                {"eventC", Idle, NULL, NULL},
                {"", NULL,  NULL, NULL},
        };
EventActionResult MyStateMachine::HandleEvent1(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleEvent1,param:" << param->param << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}
EventActionResult MyStateMachine::HandleEvent2(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleEvent2,param:" << param->param << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}
EventActionResult MyStateMachine::HandleEventA(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleEventA,param:" << param->param << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}
EventActionResult MyStateMachine::HandleEventB(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleEventB,param:" << param->param << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}
EventActionResult MyStateMachine::HandleThree(const std::string &e, param_t *param) {
    std::cout << "HandleThree" << std::endl;
    return EventProcessedOK;
}
void MyStateMachine::HandleEvent(const std::string &e, param_t *param) {
    stMachine.ProcessEvent(e, param);
}
void MyStateMachine::Init() {
    stMachine.Init(this, Idle);
}
void MyStateMachine::Start() {
    while (1) {
        char c[255];
        // 模拟输入event
        std::cin.getline(c,255);
        std::string event{c};
        MyStateMachine::param_t param;
        param.param = 1;
        this->HandleEvent(event, &param);
    }
}

以上示例在单线程下没问题，但若考虑多线程并发，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，则可能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，用上队列，把触发事件加入到队列中依次出队和执行。

#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <queue>
/** Multiple producer, multiple consumer thread safe queue
 * Since 'return by reference' is used this queue won't throw */
template <typename T>
class shared_queue
{
  std::queue<T> queue_;
  mutable std::mutex m_;
  std::condition_variable data_cond_;
public:
  shared_queue() = default;
  shared_queue &operator=(const shared_queue &) = delete;
  shared_queue(const shared_queue &other) = delete;
  void push(T item)
  {
    {
      std::lock_guard<std::mutex> lock(m_);
      queue_.push(std::move(item));
    }
    data_cond_.notify_one();
  }
  /// Try to retrieve, if no items, wait till an item is available and try again
  void wait_and_pop(T &popped_item)
  {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_);
    while (queue_.empty())
    {
      data_cond_.wait(lock);
      //  This 'while' loop is equal to
      //  data_cond_.wait(lock, [](bool result){return !queue_.empty();});
    }
    popped_item = std::move(queue_.front());
    queue_.pop();
  }
  bool wait_and_pop_timed(T &popped_item, std::int64_t duration)
  {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_);
    while (queue_.empty())
    {
      auto timeout = data_cond_.wait_for(lock, std::chrono::microseconds(duration));
      if (timeout == std::cv_status::timeout)
      {
        return true;
      }
    }
    popped_item = std::move(queue_.front());
    queue_.pop();
    return false;
  }
};