什么是状态机?

嵌入式大杂烩 2020-10-23

前言

状态机在实际工作开发中应用非常广泛,在刚进入公司的时候,根据公司产品做流程图的时候,发现自己经常会漏了这样或那样的状态,导致整体流程会有问题,后来知道了状态机这样的东西,发现用这幅图就可以很清晰的表达整个状态的流转。

一口君曾经做过很多网络协议模块,很多协议的开发都必须用到状态机;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。

本篇通过C语言实现一个简单的进程5状态模型的状态机,让大家熟悉一下状态机的魅力。

什么是状态机?

定义

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。

先来解释什么是“状态”( State )。现实事物是有不同状态的,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。

状态机,也就是 State Machine ,不是指一台实际机器,而是指一个数学模型。说白了,一般就是指一张状态转换图。

举例

以物理课学的灯泡图为例,就是一个最基本的小型状态机

可以画出以下的状态机图

这里就是两个状态:①灯泡亮,②灯泡灭 如果打开开关,那么状态就会切换为 灯泡亮 。灯泡亮 状态下如果关闭开关,状态就会切换为 灯泡灭。

状态机的全称是有限状态自动机,自动两个字也是包含重要含义的。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。例如对于灯泡,给定初始状态灯泡灭 ,给定输入“打开开关”,那么下一个状态时可以运算出来的。

四大概念

下面来给出状态机的四大概念。

  1. State ,状态。一个状态机至少要包含两个状态。例如上面灯泡的例子,有 灯泡亮和 灯泡灭两个状态。

  2. Event ,事件。事件就是执行某个操作的触发条件或者口令。对于灯泡,“打开开关”就是一个事件。

  3. Action ,动作。事件发生以后要执行动作。例如事件是“打开开关”,动作是“开灯”。编程的时候,一个 Action 一般就对应一个函数。

  4. Transition ,变换。也就是从一个状态变化为另一个状态。例如“开灯过程”就是一个变换。

状态机的应用

状态机是一个对真实世界的抽象,而且是逻辑严谨的数学抽象,所以明显非常适合用在数字领域。可以应用到各个层面上,例如硬件设计,编译器设计,以及编程实现各种具体业务逻辑的时候。

进程5状态模型

进程管理是Linux五大子系统之一,非常重要,实际实现起来非常复杂,我们来看下进程是如何切换状态的。

下图是进程的5状态模型:

关于该图简单介绍如下:

  1. 可运行态:当进程正在被CPU执行,或已经准备就绪随时可由调度程序执行,则称该进程为处于运行状态(running)。进程可以在内核态运行,也可以在用户态运行。当系统资源已经可用时,进程就被唤醒而进入准备运行状态,该状态称为就绪态。
  2. 浅度睡眠态(可中断):进程正在睡眠(被阻塞),等待资源到来是唤醒,也可以通过其他进程信号或时钟中断唤醒,进入运行队列。
  3. 深度睡眠态(不可中断):其和浅度睡眠基本类似,但有一点就是不可由其他进程信号或时钟中断唤醒。只有被使用wake_up()函数明确唤醒时才能转换到可运行的就绪状态。
  4. 暂停状态:当进程收到信号SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU时就会进入暂停状态。可向其发送SIGCONT信号让进程转换到可运行状态。
  5. 僵死状态:当进程已停止运行,但其父进程还没有询问其状态时,未释放PCB,则称该进程处于僵死状态。

进程的状态就是按照这个状态图进行切换的。

该状态流程有点复杂,因为我们目标只是实现一个简单的状态机,所以我们简化一下该状态机如下:

要想实现状态机,首先将该状态机转换成下面的状态迁移表。简要说明如下:假设当前进程处于running状态下,那么只有schedule事件发生之后,该进程才会产生状态的迁移,迁移到owencpu状态下,如果在此状态下发生了其他的事件,比如wake、wait_event都不会导致状态的迁移。

如上图所示:

  1. 每一列表示一个状态,每一行对应一个事件。
  2. 该表是实现状态机的最核心的一个图,请读者详细对比该表和状态迁移图的的关系。
  3. 实际场景中,进程的切换会远比这个图复杂,好在众多大神都帮我们解决了这些复杂的问题,我们只需要站在巨人的肩膀上就可以了。

实现

根据状态迁移表,定义该状态机的状态如下:

typedef enum {
  sta_origin=0,
  sta_running,
  sta_owencpu,
  sta_sleep_int,
  sta_sleep_unint
}State;

发生的事件如下:

typedef enum{
  evt_fork=0,
  evt_sched,
  evt_wait,
  evt_wait_unint,
  evt_wake_up,
  evt_wake, 
}EventID;

不论是状态还是事件都可以根据实际情况增加调整。

定义一个结构体用来表示当前状态转换信息:

typedef struct {
  State curState;//当前状态
  EventID eventId;//事件ID
  State nextState;//下个状态
  CallBack action;//回调函数,事件发生后,调用对应的回调函数
}StateTransform ; 

事件回调函数:实际应用中不同的事件发生需要执行不同的action,就需要定义不同的函数, 为方便起见,本例所有的事件都统一使用同一个回调函数。功能:打印事件发生后进程的前后状态,如果状态发生了变化,就调用对应的回调函数。

void action_callback(void *arg)
{
 StateTransform *statTran = (StateTransform *)arg;
 
 if(statename[statTran->curState] == statename[statTran->nextState])
 {
  printf("invalid event,state not change\n");
 }else{
  printf("call back state from %s --> %s\n",
   statename[statTran->curState],
   statename[statTran->nextState]);
 }
}

为各个状态定义迁移表数组:

/*origin*/
StateTransform stateTran_0[]={
 {sta_origin,evt_fork,        sta_running,action_callback},
 {sta_origin,evt_sched,       sta_origin,NULL},
 {sta_origin,evt_wait,        sta_origin,NULL},
 {sta_origin,evt_wait_unint,  sta_origin,NULL},
 {sta_origin,evt_wake_up,     sta_origin,NULL},
 {sta_origin,evt_wake,        sta_origin,NULL},
}; 

/*running*/
StateTransform stateTran_1[]={
 {sta_running,evt_fork,        sta_running,NULL},
 {sta_running,evt_sched,       sta_owencpu,action_callback},
 {sta_running,evt_wait,        sta_running,NULL},
 {sta_running,evt_wait_unint,  sta_running,NULL},
 {sta_running,evt_wake_up,     sta_running,NULL},
 {sta_running,evt_wake,        sta_running,NULL},
}; 
/*owencpu*/
StateTransform stateTran_2[]={
 {sta_owencpu,evt_fork,        sta_owencpu,NULL},
 {sta_owencpu,evt_sched,       sta_owencpu,NULL},
 {sta_owencpu,evt_wait,        sta_sleep_int,action_callback},
 {sta_owencpu,evt_wait_unint,  sta_sleep_unint,action_callback},
 {sta_owencpu,evt_wake_up,     sta_owencpu,NULL},
 {sta_owencpu,evt_wake,        sta_owencpu,NULL},
}; 

/*sleep_int*/
StateTransform stateTran_3[]={
 {sta_sleep_int,evt_fork,        sta_sleep_int,NULL},
 {sta_sleep_int,evt_sched,       sta_sleep_int,NULL},
 {sta_sleep_int,evt_wait,        sta_sleep_int,NULL},
 {sta_sleep_int,evt_wait_unint,  sta_sleep_int,NULL},
 {sta_sleep_int,evt_wake_up,     sta_sleep_int,NULL},
 {sta_sleep_int,evt_wake,        sta_running,action_callback},
}; 
/*sleep_unint*/
StateTransform stateTran_4[]={
 {sta_sleep_unint,evt_fork,        sta_sleep_unint,NULL},
 {sta_sleep_unint,evt_sched,       sta_sleep_unint,NULL},
 {sta_sleep_unint,evt_wait,        sta_sleep_unint,NULL},
 {sta_sleep_unint,evt_wait_unint,  sta_sleep_unint,NULL},
 {sta_sleep_unint,evt_wake_up,     sta_running,action_callback},
 {sta_sleep_unint,evt_wake,        sta_sleep_unint,NULL},
}; 

实现event发生函数:

void event_happen(unsigned int event)
功能:
 根据发生的event以及当前的进程state,找到对应的StateTransform 结构体,并调用do_action()
void do_action(StateTransform *statTran)
功能:
 根据结构体变量StateTransform,实现状态迁移,并调用对应的回调函数。
#define STATETRANS(n)  (stateTran_##n)
/*change state & call callback()*/
void do_action(StateTransform *statTran)
{
 if(NULL == statTran)
 {
  perror("statTran is NULL\n");
  return;
 }
 //状态迁移
 globalState = statTran->nextState;
 if(statTran->action != NULL)
 {//调用回调函数
  statTran->action((void*)statTran);
 }else{
  printf("invalid event,state not change\n");
 }
}
void event_happen(unsigned int event)
{
 switch(globalState)
 {
  case sta_origin:
   do_action(&STATETRANS(0)[event]);
   break;
  case sta_running:
   do_action(&STATETRANS(1)[event]);
   break;
  case sta_owencpu:
   do_action(&STATETRANS(2)[event]); 
   break;
  case sta_sleep_int:
   do_action(&STATETRANS(3)[event]); 
   break;
  case sta_sleep_unint:
   do_action(&STATETRANS(4)[event]); 
   break;
  default:
   printf("state is invalid\n");
   break;
 }
}

测试程序:功能:

  1. 初始化状态机的初始状态为sta_origin;
  2. 创建子线程,每隔一秒钟显示当前进程状态;
  3. 事件发生顺序为:evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake。

读者可以跟自己的需要,修改事件发生顺序,观察状态的变化。

main.c

/*显示当前状态*/
void *show_stat(void *arg)
{
 int len;
 char buf[64]={0};
 
 while(1)
 {
  sleep(1);
  printf("cur stat:%s\n",statename[globalState]);
 } 
}
void main(void)
{
 init_machine();
 //创建子线程,子线程主要用于显示当前状态
 pthread_create(&pid, NULL,show_stat, NULL);

 sleep(5);
 event_happen(evt_fork);

 sleep(5);
 event_happen(evt_sched);
 sleep(5);
 event_happen(evt_sched);
 sleep(5);
 event_happen(evt_wait);
 sleep(5);
 event_happen(evt_wake);
 
}

运行结果:由结果可知:

evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake

该事件发生序列对应的状态迁移顺序为:

origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running
 

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