前言

狀态機在實際工作開發中應用非常廣泛，在剛進入公司的時候，根據公司産品做流程圖的時候，發現自己經常會漏了這樣或那樣的狀态，導緻整體流程會有問題，後來知道了狀态機這樣的東西，發現用這幅圖就可以很清晰的表達整個狀态的流轉。

一口君曾經做過很多網絡協定子產品，很多協定的開發都必須用到狀态機；一個健壯的狀态機可以讓你的程式，不論發生何種突發事件都不會突然進入一個不可預知的程式分支。

本篇通過C語言實作一個簡單的程序5狀态模型的狀态機，讓大家熟悉一下狀态機的魅力。

什麼是狀态機？

定義

狀态機是有限狀态自動機的簡稱，是現實事物運作規則抽象而成的一個數學模型。

先來解釋什麼是“狀态”（ State ）。現實事物是有不同狀态的，例如一個LED等，就有亮和滅兩種狀态。我們通常所說的狀态機是有限狀态機，也就是被描述的事物的狀态的數量是有限個，例如LED燈的狀态就是兩個亮和滅。

狀态機，也就是 State Machine ，不是指一台實際機器，而是指一個數學模型。說白了，一般就是指一張狀态轉換圖。

舉例

以實體課學的燈泡圖為例，就是一個最基本的小型狀态機

可以畫出以下的狀态機圖

這裡就是兩個狀态：①燈泡亮，②燈泡滅

如果打開開關，那麼狀态就會切換為燈泡亮。燈泡亮狀态下如果關閉開關，狀态就會切換為燈泡滅。

狀态機的全稱是有限狀态自動機，自動兩個字也是包含重要含義的。給定一個狀态機，同時給定它的目前狀态以及輸入，那麼輸出狀态時可以明确的運算出來的。例如對于燈泡，給定初始狀态燈泡滅，給定輸入“打開開關”，那麼下一個狀态時可以運算出來的。

四大概念

下面來給出狀态機的四大概念。

State ，狀态。一個狀态機至少要包含兩個狀态。例如上面燈泡的例子，有燈泡亮和燈泡滅兩個狀态。
Event ，事件。事件就是執行某個操作的觸發條件或者密碼。對于燈泡，“打開開關”就是一個事件。
Action ，動作。事件發生以後要執行動作。例如事件是“打開開關”，動作是“開燈”。程式設計的時候，一個 Action 一般就對應一個函數。
Transition ，變換。也就是從一個狀态變化為另一個狀态。例如“開燈過程”就是一個變換。

狀态機的應用

狀态機是一個對真實世界的抽象，而且是邏輯嚴謹的數學抽象，是以明顯非常适合用在數字領域。可以應用到各個層面上，例如硬體設計，編譯器設計，以及程式設計實作各種具體業務邏輯的時候。

程序5狀态模型

程序管理是Linux五大子系統之一，非常重要，實際實作起來非常複雜，我們來看下程序是如何切換狀态的。

下圖是程序的5狀态模型：

關于該圖簡單介紹如下：

可運作态：當程序正在被CPU執行，或已經準備就緒随時可由排程程式執行，則稱該程序為處于運作狀态（running）。程序可以在核心态運作，也可以在使用者态運作。當系統資源已經可用時，程序就被喚醒而進入準備運作狀态，該狀态稱為就緒态。
淺度睡眠态（可中斷）：程序正在睡眠（被阻塞），等待資源到來是喚醒，也可以通過其他程序信号或時鐘中斷喚醒，進入運作隊列。
深度睡眠态(不可中斷)：其和淺度睡眠基本類似，但有一點就是不可由其他程序信号或時鐘中斷喚醒。隻有被使用wake_up()函數明确喚醒時才能轉換到可運作的就緒狀态。
暫停狀态：當程序收到信号SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時就會進入暫停狀态。可向其發送SIGCONT信号讓程序轉換到可運作狀态。
僵死狀态：當程序已停止運作，但其父程序還沒有詢問其狀态時，未釋放PCB，則稱該程序處于僵死狀态。

程序的狀态就是按照這個狀态圖進行切換的。

該狀态流程有點複雜，因為我們目标隻是實作一個簡單的狀态機，是以我們簡化一下該狀态機如下：

要想實作狀态機，首先将該狀态機轉換成下面的狀态遷移表。

簡要說明如下：

假設目前程序處于running狀态下，那麼隻有schedule事件發生之後，該程序才會産生狀态的遷移，遷移到owencpu狀态下，如果在此狀态下發生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會導緻狀态的遷移。

如上圖所示：

每一清單示一個狀态，每一行對應一個事件。
該表是實作狀态機的最核心的一個圖，請讀者詳細對比該表和狀态遷移圖的的關系。
實際場景中，程序的切換會遠比這個圖複雜，好在衆多大神都幫我們解決了這些複雜的問題，我們隻需要站在巨人的肩膀上就可以了。

實作

根據狀态遷移表，定義該狀态機的狀态如下：

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

發生的事件如下：

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

不論是狀态還是事件都可以根據實際情況增加調整。

定義一個結構體用來表示目前狀态轉換資訊：

typedef struct {
  State curState;//目前狀态
  EventID eventId;//事件ID
  State nextState;//下個狀态
  CallBack action;//回調函數，事件發生後，調用對應的回調函數
}StateTransform ;

事件回調函數：

實際應用中不同的事件發生需要執行不同的action，就需要定義不同的函數，

為友善起見，本例所有的事件都統一使用同一個回調函數。

功能：

列印事件發生後程序的前後狀态，如果狀态發生了變化，就調用對應的回調函數。

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]);
	}
}

為各個狀态定義遷移表數組：

/*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},
};

實作event發生函數：

void event_happen(unsigned int event)
功能：
	根據發生的event以及目前的程序state，找到對應的StateTransform 結構體，并調用do_action()

void do_action(StateTransform *statTran)
功能：
	根據結構體變量StateTransform，實作狀态遷移，并調用對應的回調函數。

#define STATETRANS(n)  (stateTran_##n)
/*change state & call callback()*/
void do_action(StateTransform *statTran)
{
	if(NULL == statTran)
	{
		perror("statTran is NULL\n");
		return;
	}
	//狀态遷移
	globalState = statTran->nextState;
	if(statTran->action != NULL)
	{//調用回調函數
		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;
	}
}

測試程式：

初始化狀态機的初始狀态為sta_origin；
建立子線程，每隔一秒鐘顯示目前程序狀态；
事件發生順序為：evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake。

讀者可以跟自己的需要，修改事件發生順序，觀察狀态的變化。

main.c

/*顯示目前狀态*/
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();
	//建立子線程，子線程主要用于顯示目前狀态
	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);
	
}

運作結果：

由結果可知：

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

該事件發生序列對應的狀态遷移順序為：

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

完整代碼請關注公衆号：一口Linux，回複statmachine

歡迎關注公衆号：一口Linux

什麼是狀态機？用C語言實作程序5狀态模型

前言

什麼是狀态機？

定義

舉例

四大概念

狀态機的應用

程序5狀态模型

實作

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