狀態機到底是什么

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

　　一口君曾經做過很多網絡協議模塊，很多協議的開發都必須用到狀態機；一個健壯的狀態機可以讓你的程序，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序分支。

　　本篇通過C語言實現一個簡單的進程5狀態模型的狀態機，讓大家熟悉一下狀態機的魅力。

　　什么是狀態機？

　　定義

　　狀態機是有限狀態自動機的簡稱，是現實事物運行規則抽象而成的一個數學模型。

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

　　狀態機，也就是 State Machine ，不是指一臺實際機器，而是指一個數學模型。說白了，一般就是指一張狀態轉換圖。

　　舉例

　　以物理課學的燈泡圖為例，就是一個最基本的小型狀態機

　　可以畫出以下的狀態機圖

　　這里就是兩個狀態：①燈泡亮，②燈泡滅如果打開開關，那么狀態就會切換為燈泡亮。燈泡亮狀態下如果關閉開關，狀態就會切換為燈泡滅。

　　狀態機的全稱是有限狀態自動機，自動兩個字也是包含重要含義的。給定一個狀態機，同時給定它的當前狀態以及輸入，那么輸出狀態時可以明確的運算出來的。例如對于燈泡，給定初始狀態燈泡滅，給定輸入“打開開關”，那么下一個狀態時可以運算出來的。

　　四大概念

　　下面來給出狀態機的四大概念。

　　State ，狀態。一個狀態機至少要包含兩個狀態。例如上面燈泡的例子，有燈泡亮和燈泡滅兩個狀態。

　　Event ，事件。事件就是執行某個操作的觸發條件或者口令。對于燈泡，“打開開關”就是一個事件。

　　Ac tion ，動作。事件發生以后要執行動作。例如事件是“打開開關”，動作是“開燈”。編程的時候，一個 Action 一般就對應一個函數。

　　Transition ，變換。也就是從一個狀態變化為另一個狀態。例如“開燈過程”就是一個變換。

　　狀態機的應用

　　狀態機是一個對真實世界的抽象，而且是邏輯嚴謹的數學抽象，所以明顯非常適合用在數字領域。可以應用到各個層面上，例如硬件設計，編譯器設計，以及編程實現各種具體業務邏輯的時候。

　　進程5狀態模型

　　進程管理是Linux五大子系統之一，非常重要，實際實現起來非常復雜，我們來看下進程是如何切換狀態的。

　　下圖是進程的5狀態模型：

關于該圖簡單介紹如下：

　　可運行態：當進程正在被CPU執行，或已經準備就緒隨時可由調度程序執行，則稱該進程為處于運行狀態（running）。進程可以在內核態運行，也可以在用戶態運行。當系統資源已經可用時，進程就被喚醒而進入準備運行狀態，該狀態稱為就緒態。

　　淺度睡眠態（可中斷）：進程正在睡眠（被阻塞），等待資源到來是喚醒，也可以通過其他進程信號或時鐘中斷喚醒，進入運行隊列。

　　深度睡眠態（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進程信號或時鐘中斷喚醒。只有被使用wake_up（）函數明確喚醒時才能轉換到可運行的就緒狀態。

　　暫停狀態：當進程收到信號SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時就會進入暫停狀態?？上蚱浒l送SIGCONT信號讓進程轉換到可運行狀態。

　　僵死狀態：當進程已停止運行，但其父進程還沒有詢問其狀態時，未釋放PCB，則稱該進程處于僵死狀態。

　　進程的狀態就是按照這個狀態圖進行切換的。

　　該狀態流程有點復雜，因為我們目標只是實現一個簡單的狀態機，所以我們簡化一下該狀態機如下：

　　要想實現狀態機，首先將該狀態機轉換成下面的狀態遷移表。簡要說明如下：假設當前進程處于running狀態下，那么只有schedule事件發生之后，該進程才會產生狀態的遷移，遷移到owencpu狀態下，如果在此狀態下發生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會導致狀態的遷移。

　　如上圖所示：

　　每一列表示一個狀態，每一行對應一個事件。

　　該表是實現狀態機的最核心的一個圖，請讀者詳細對比該表和狀態遷移圖的的關系。

　　實際場景中，進程的切換會遠比這個圖復雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復雜的問題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。

　　實現

　　根據狀態遷移表，定義該狀態機的狀態如下：

　　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;

　　不論是狀態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當前狀態轉換信息：

　　typedef struct { State curState;//當前狀態 EventID eventId;//事件ID State nextState;//下個狀態 CallBack action;//回調函數，事件發生后，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，為方便起見，本例所有的事件都統一使用同一個回調函數。功能：打印事件發生后進程的前后狀態，如果狀態發生了變化，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］）; }}

　　為各個狀態定義遷移表數組：

　　/*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}，};

　　實現event發生函數：

　　void event_happen（unsigned int event）功能：根據發生的event以及當前的進程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，實現狀態遷移，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; } //狀態遷移 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; }}

　　測試程序：功能：

　　初始化狀態機的初始狀態為sta_origin；

　　創建子線程，每隔一秒鐘顯示當前進程狀態；

　　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，觀察狀態的變化。

　　main.c

　　/*顯示當前狀態*/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（）; //創建子線程，子線程主要用于顯示當前狀態 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）; }

　　運行結果：由結果可知：