C语言状态机

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前言

状态机的好处不用多说，自己百度去，但传统的编程模式，无论是C语言，或是硬件FPGA的Verilog都是采用switch-case结构，硬件的还好说，是并行的，但如果是C语言实现状态机则可能需要对每个case进行判断，状态少比如几个可能没什么效率之类的问题，但状态多几十个上百个呢，那么就需要进行上百次的判断是否匹配，毫无疑问效率很低，切每次的状态切换时间也不确定。那么有没有一种好的实现模式不用switch-case结构呢？下面我来为C语言状态机的实现建立一个最优模式。

实现

大家写状态机常用的是switch-case结构，switch-case其实可以看做一种查找的跳转，我们知道C语言中goto可以实现跳转，那么还有什么可以实现跳转呢，答案是函数调用，但是又需要如何实现指定的函数调用呢，难道要用if判断，显然没什么意义，那么又没有比if判断（如果上百次判断）更高效的东西呢？有人已经想到是查表，如果将查表和函数调用结合，那么就是函数指针数组的应用了！

上代码！首先定义一个函数指针类型，为什么要带void *的参数后面会说：

typedef unsigned char State;
typedef State(*Procedure)(void *);

这样就可以方便地定义一个函数指针数组：

Procedure Steps[] = { step_init, step_count, step_done, step_default };

step_init，step_count等是函数名，再定义状态：

enum states{ s_init, s_count, s_done, s_default };

枚举定义对应着{0,1,2,3}，有了这些再状态机联系那么可以想到，数组的索引就是状态定义，上核心代码，两行：

void BestStateMachine(void * invar)
{
    static State NS = s_init;    NS = Steps[NS](invar);}

static的变量NS在每次BestStateMachine调用会得到维护，我们只需再每Steps返回下一个状态并保存到NS中可以实现状态的保存和切换。再说说为什么要加个void*的参数，状态机一般有很多自身变量的维护，而且对于mealy状态机还需根据输入判断，因为函数调用返回是不保留局部变量的，那么就需要将变量传递来实现更改和保存，之所以只用了一个void*参数是因为，如果需要保存和传递的变量很多，直接传递会在调用函数是浪费大量的栈空间，且效率低下，采用这种模式，你可以将变量用一个结构体封装，然后将结构体指针传递给void *的形参，再函数内部再强制转换即可使用结构体内部的变量。好上实例代码，就是一个简单的计数器（以前学状态机都从计数器开始），在计数完成打印信息：

#include<stdio.h>
typedef unsigned char State;
typedef State(*Procedure)(void *);
enum states{ s_init, s_count, s_done, s_default };//状态定义
typedef struct _SM_VAR  //对状态机参数封装
{
    int cnt;
}SM_VAR;
State step_init(void * arg)//初始化
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    p->cnt = 0;
    printf("CS:init ;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt);
    return s_count;
}
State step_count(void * arg)//计数
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    if (p->cnt < 3){
        p->cnt+=1;
        printf("CS:count;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt);
        return s_count;
    }
    else{
        printf("CS:count;cnt=%d;NS:done\n", p->cnt);
        return s_done;
    }
}
State step_done(void * arg)//计数完成
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    printf("CS:done ;cnt=%d;NS:init\n", p->cnt);
    return s_init;
}
State step_default(void * arg)//错误过程
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    printf("Wrong State\n");
    return s_init;
}
Procedure Steps[] = { step_init, step_count, step_done, step_default };

void BestStateMachine(void * invar)
{
    static State NS = s_init;
    NS = Steps[NS](invar);
}
int main(void)
{
    SM_VAR var;
    int i;
    for (i = 0; i <8; i++){//给状态机8个周期的时钟驱动
        BestStateMachine(&var);
    }
    return 0;
}

最后在VS2013上调试如下：

CS:init ;cnt=0;NS:count
CS:count;cnt=1;NS:count
CS:count;cnt=2;NS:count
CS:count;cnt=3;NS:count
CS:count;cnt=3;NS:done
CS:done ;cnt=3;NS:init
CS:init ;cnt=0;NS:count
CS:count;cnt=1;NS:count
请按任意键继续. . .

总结

以这种模式不仅可以实现上面的Moore型状态机，还可根据实际实现Mealy型状态机，结构清晰易懂。