前言
狀態(tài)機(jī)在實(shí)際工作開發(fā)中應(yīng)用非常廣泛，在剛進(jìn)入公司的時(shí)候，根據(jù)公司產(chǎn)品做流程圖的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常會(huì)漏了這樣或那樣的狀態(tài)，導(dǎo)致整體流程會(huì)有問(wèn)題，后來(lái)知道了狀態(tài)機(jī)這樣的東西，發(fā)現(xiàn)用這幅圖就可以很清晰的表達(dá)整個(gè)狀態(tài)的流轉(zhuǎn)。
一口君曾經(jīng)做過(guò)很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊，很多協(xié)議的開發(fā)都必須用到狀態(tài)機(jī)；一個(gè)健壯的狀態(tài)機(jī)可以讓你的程序，不論發(fā)生何種突發(fā)事件都不會(huì)突然進(jìn)入一個(gè)不可預(yù)知的程序分支。
本篇通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)程5狀態(tài)模型的狀態(tài)機(jī)，讓大家熟悉一下狀態(tài)機(jī)的魅力。
什么是狀態(tài)機(jī)？
定義
狀態(tài)機(jī)是有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)稱，是現(xiàn)實(shí)事物運(yùn)行規(guī)則抽象而成的一個(gè)數(shù)學(xué)模型。
先來(lái)解釋什么是“狀態(tài)”（ State ）。現(xiàn)實(shí)事物是有不同狀態(tài)的，例如一個(gè)LED等，就有 亮 和 滅兩種狀態(tài)。我們通常所說(shuō)的狀態(tài)機(jī)是有限狀態(tài)機(jī)，也就是被描述的事物的狀態(tài)的數(shù)量是有限個(gè)，例如LED燈的狀態(tài)就是兩個(gè) 亮和 滅。
狀態(tài)機(jī)，也就是 State Machine ，不是指一臺(tái)實(shí)際機(jī)器，而是指一個(gè)數(shù)學(xué)模型。說(shuō)白了，一般就是指一張狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
舉例
以物理課學(xué)的燈泡圖為例，就是一個(gè)最基本的小型狀態(tài)機(jī)
可以畫出以下的狀態(tài)機(jī)圖
這里就是兩個(gè)狀態(tài)：①燈泡亮，②燈泡滅 如果打開開關(guān)，那么狀態(tài)就會(huì)切換為 燈泡亮 。燈泡亮 狀態(tài)下如果關(guān)閉開關(guān)，狀態(tài)就會(huì)切換為 燈泡滅。
狀態(tài)機(jī)的全稱是有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)，自動(dòng)兩個(gè)字也是包含重要含義的。給定一個(gè)狀態(tài)機(jī)，同時(shí)給定它的當(dāng)前狀態(tài)以及輸入，那么輸出狀態(tài)時(shí)可以明確的運(yùn)算出來(lái)的。例如對(duì)于燈泡，給定初始狀態(tài)燈泡滅 ，給定輸入“打開開關(guān)”，那么下一個(gè)狀態(tài)時(shí)可以運(yùn)算出來(lái)的。
四大概念
下面來(lái)給出狀態(tài)機(jī)的四大概念。
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State ，狀態(tài)。一個(gè)狀態(tài)機(jī)至少要包含兩個(gè)狀態(tài)。例如上面燈泡的例子，有 燈泡亮和 燈泡滅兩個(gè)狀態(tài)。
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Event ，事件。事件就是執(zhí)行某個(gè)操作的觸發(fā)條件或者口令。對(duì)于燈泡，“打開開關(guān)”就是一個(gè)事件。
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Action ，動(dòng)作。事件發(fā)生以后要執(zhí)行動(dòng)作。例如事件是“打開開關(guān)”，動(dòng)作是“開燈”。編程的時(shí)候，一個(gè) Action 一般就對(duì)應(yīng)一個(gè)函數(shù)。
-
Transition ，變換。也就是從一個(gè)狀態(tài)變化為另一個(gè)狀態(tài)。例如“開燈過(guò)程”就是一個(gè)變換。
狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用
狀態(tài)機(jī)是一個(gè)對(duì)真實(shí)世界的抽象，而且是邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)抽象，所以明顯非常適合用在數(shù)字領(lǐng)域。可以應(yīng)用到各個(gè)層面上，例如硬件設(shè)計(jì)，編譯器設(shè)計(jì)，以及編程實(shí)現(xiàn)各種具體業(yè)務(wù)邏輯的時(shí)候。
進(jìn)程5狀態(tài)模型
進(jìn)程管理是Linux五大子系統(tǒng)之一，非常重要，實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜，我們來(lái)看下進(jìn)程是如何切換狀態(tài)的。
下圖是進(jìn)程的5狀態(tài)模型：
關(guān)于該圖簡(jiǎn)單介紹如下：
- 可運(yùn)行態(tài)：當(dāng)進(jìn)程正在被CPU執(zhí)行，或已經(jīng)準(zhǔn)備就緒隨時(shí)可由調(diào)度程序執(zhí)行，則稱該進(jìn)程為處于運(yùn)行狀態(tài)（running）。進(jìn)程可以在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行，也可以在用戶態(tài)運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)資源已經(jīng)可用時(shí)，進(jìn)程就被喚醒而進(jìn)入準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，該狀態(tài)稱為就緒態(tài)。
- 淺度睡眠態(tài)（可中斷）：進(jìn)程正在睡眠（被阻塞），等待資源到來(lái)是喚醒，也可以通過(guò)其他進(jìn)程信號(hào)或時(shí)鐘中斷喚醒，進(jìn)入運(yùn)行隊(duì)列。
- 深度睡眠態(tài)(不可中斷)：其和淺度睡眠基本類似，但有一點(diǎn)就是不可由其他進(jìn)程信號(hào)或時(shí)鐘中斷喚醒。只有被使用wake_up()函數(shù)明確喚醒時(shí)才能轉(zhuǎn)換到可運(yùn)行的就緒狀態(tài)。
- 暫停狀態(tài)：當(dāng)進(jìn)程收到信號(hào)SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時(shí)就會(huì)進(jìn)入暫停狀態(tài)。可向其發(fā)送SIGCONT信號(hào)讓進(jìn)程轉(zhuǎn)換到可運(yùn)行狀態(tài)。
- 僵死狀態(tài)：當(dāng)進(jìn)程已停止運(yùn)行，但其父進(jìn)程還沒(méi)有詢問(wèn)其狀態(tài)時(shí)，未釋放PCB，則稱該進(jìn)程處于僵死狀態(tài)。
進(jìn)程的狀態(tài)就是按照這個(gè)狀態(tài)圖進(jìn)行切換的。
該狀態(tài)流程有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)槲覀兡繕?biāo)只是實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)，所以我們簡(jiǎn)化一下該狀態(tài)機(jī)如下：
要想實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，首先將該狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換成下面的狀態(tài)遷移表。
簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：假設(shè)當(dāng)前進(jìn)程處于running狀態(tài)下，那么只有schedule事件發(fā)生之后，該進(jìn)程才會(huì)產(chǎn)生狀態(tài)的遷移，遷移到owencpu狀態(tài)下，如果在此狀態(tài)下發(fā)生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)的遷移。
如上圖所示：
- 每一列表示一個(gè)狀態(tài)，每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)事件。
- 該表是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的最核心的一個(gè)圖，請(qǐng)讀者詳細(xì)對(duì)比該表和狀態(tài)遷移圖的的關(guān)系。
- 實(shí)際場(chǎng)景中，進(jìn)程的切換會(huì)遠(yuǎn)比這個(gè)圖復(fù)雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復(fù)雜的問(wèn)題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。
實(shí)現(xiàn)
根據(jù)狀態(tài)遷移表，定義該狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)如下：
typedef enum { sta_origin=0, sta_running, sta_owencpu, sta_sleep_int, sta_sleep_unint}State;發(fā)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(tài)還是事件都可以根據(jù)實(shí)際情況增加調(diào)整。
定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體用來(lái)表示當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息：
typedef struct { State curState;//當(dāng)前狀態(tài) EventID eventId;//事件ID State nextState;//下個(gè)狀態(tài) CallBack action;//回調(diào)函數(shù)，事件發(fā)生后，調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)}StateTransform ; 事件回調(diào)函數(shù)：實(shí)際應(yīng)用中不同的事件發(fā)生需要執(zhí)行不同的action，就需要定義不同的函數(shù)， 為方便起見，本例所有的事件都統(tǒng)一使用同一個(gè)回調(diào)函數(shù)。功能：打印事件發(fā)生后進(jìn)程的前后狀態(tài)，如果狀態(tài)發(fā)生了變化，就調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。
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(gè)狀態(tài)定義遷移表數(shù)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(shí)現(xiàn)event發(fā)生函數(shù)：
void event_happen(unsigned int event)功能： 根據(jù)發(fā)生的event以及當(dāng)前的進(jìn)程state，找到對(duì)應(yīng)的StateTransform 結(jié)構(gòu)體，并調(diào)用do_action()void do_action(StateTransform *statTran)功能： 根據(jù)結(jié)構(gòu)體變量StateTransform，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)遷移，并調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。#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(tài)遷移 globalState = statTran->nextState; if(statTran->action != NULL) {//調(diào)用回調(diào)函數(shù) 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(cè)試程序：功能：
- 初始化狀態(tài)機(jī)的初始狀態(tài)為sta_origin；
- 創(chuàng)建子線程，每隔一秒鐘顯示當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)；
- 事件發(fā)生順序?yàn)椋篹vt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake。
讀者可以跟自己的需要，修改事件發(fā)生順序，觀察狀態(tài)的變化。
main.c
/*顯示當(dāng)前狀態(tài)*/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(chuàng)建子線程，子線程主要用于顯示當(dāng)前狀態(tài) 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(yùn)行結(jié)果：
由結(jié)果可知：
evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake該事件發(fā)生序列對(duì)應(yīng)的狀態(tài)遷移順序?yàn)椋?/p>
origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running