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状态机到底是什么

高工
2020-10-29 22:11:34     打赏

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StateMachine,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。

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。

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。

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。

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:

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。

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。

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。

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。

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:

每一列表示一个状态,每一行对应一个事件。

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。

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:

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

发生的事件如下:

typedefenum{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:

typedefstruct{StatecurState;//当前状态EventIDeventId;//事件IDStatenextState;//下个状态CallBackaction;//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。

voidaction_callback(void*arg){StateTransform*statTran=(StateTransform*)arg;if(statename[statTran-》curState]==statename[statTran-》nextState]){printf(“invalidevent,statenotchange\n”);}else{printf(“callbackstatefrom%s--》%s\n”,statename[statTran-》curState],statename[statTran-》nextState]);}}

为各个状态定义迁移表数组:

/*origin*/StateTransformstateTran_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*/StateTransformstateTran_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*/StateTransformstateTran_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*/StateTransformstateTran_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*/StateTransformstateTran_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:

voidevent_happen(unsignedintevent)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()

voiddo_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。

#defineSTATETRANS(n)(stateTran_##n)/*changestate&callcallback()*/voiddo_action(StateTransform*statTran){if(NULL==statTran){perror(“statTranisNULL\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(“invalidevent,statenotchange\n”);}}voidevent_happen(unsignedintevent){switch(globalState){casesta_origin:do_action(&STATETRANS(0)[event]);break;casesta_running:do_action(&STATETRANS(1)[event]);break;casesta_owencpu:do_action(&STATETRANS(2)[event]);break;casesta_sleep_int:do_action(&STATETRANS(3)[event]);break;casesta_sleep_unint:do_action(&STATETRANS(4)[event]);break;default:printf(“stateisinvalid\n”);break;}}

测试程序:功能:

初始化状态机的初始状态为sta_origin;

创建子线程,每隔一秒钟显示当前进程状态;

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){intlen;charbuf[64]={0};while(1){sleep(1);printf(“curstat:%s\n”,statename[globalState]);}}voidmain(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




工程师
2020-10-29 22:55:57     打赏
2楼

学到了


工程师
2020-10-31 23:14:35     打赏
3楼

学到了


院士
2020-11-02 09:22:18     打赏
4楼

状态机是一种编程思想了。



高工
2020-11-02 09:38:51     打赏
5楼

感谢楼主分享


菜鸟
2020-11-04 17:36:07     打赏
6楼

学到了,感谢楼主分享


工程师
2020-11-05 22:32:15     打赏
7楼

学明白了


高工
2020-11-06 17:56:00     打赏
8楼

学到了


工程师
2020-11-09 18:05:32     打赏
9楼

学到了


工程师
2020-11-09 18:19:06     打赏
10楼

明白了


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