最近在折腾一些控制相关的软件设计,想起来状态机这个东西,对解决一些控制系统状态切换还是挺有用的。

状态机(有限状态自动机)网上有很多介绍。简单理解就是定义一系列状态,通过一系列的事件,可以使得状态可以相互之间切换。

如果不使用状态机的思想来编程,那么针对过程的编程方法会使得程序拓展性变差,并且不容易调试。而状态机只需要定义好了各种状态和状态切换之间的事件,你只管触发事件,剩下的事情它自己就自动完成了(毕竟名称叫做有限状态自动机),这对于很多需要定义各种控制阶段的系统简直是完美适配。了解到.NET也有很多库可以实现这些功能,本文主要介绍一下Stateless的应用。

Stateless介绍

Stateless可以创建极简的状态机与对应的工作流。很多项目(包括VisualStudio Extension、AIlab)都有使用到它。

它支持以下特性:

  • 支持各种类型作为状态和触发事件
  • 支持状态继承
  • 支持状态进入/离开事件
  • 支持条件状态转移
  • 支持状态/转移查询

也有几点需要注意的:

  • 它支持异步语法,但是它是单线程的,不是线程安全的。
  • 可以导出DOT graph

安装起来很简单,直接在nuget中安装即可:

Install-Package Stateless

Stateless使用

用起来也挺简单的,以打电话这个事情为例,针对打电话的种种动作和状态做成一个状态机。

需要先定义一些状态和事件/触发器,电话有拨号、接通、留言等事件,有响铃、挂起、挂断等事件:

//代码来自官方示例,可以在官方github库上找到,略有修改以完整展示功能。
enum Trigger
{
CallDialed,
CallConnected,
LeftMessage,
PlacedOnHold,
TakenOffHold,
PhoneHurledAgainstWall,
MuteMicrophone,
UnmuteMicrophone,
SetVolume
} enum State
{
OffHook,
Ringing,
Connected,
OnHold,
PhoneDestroyed
}

然后就是创建一个状态机了:

_machine = new StateMachine<State, Trigger>(() => _state, s => _state = s);

最后也是最需要详细解释的,就是配置状态机的行为了:

/*
为了解释尽可能多的功能,以下程序修改了官方的代码,可以在官方找可以直接执行的代码。
*/ //使用Permit指示发生某个事件后,从一个状态变换到另外一个状态。
_machine.Configure(State.OffHook)
.Permit(Trigger.CallDialed, State.Ringing); //设置一个带参数的事件,这个事件是CallDialed的类型
var _setCalleeTrigger = _machine.SetTriggerParameters<string>(Trigger.CallDialed);
_machine.Configure(State.Ringing)
//允许重新进入当前的状态,这个过程会触发进入和退出动作
.PermitReentry(Trigger.Ringing)
//使用OnEntryFrom指示在触发这个状态的时候,运行某个动作,这里指定的是一个带参数的事件
.OnEntryFrom(_setCalleeTrigger, callee => OnDialed(callee), "Caller number to call")
.Permit(Trigger.CallConnected, State.Connected); _machine.Configure(State.OnHold)
//定义子状态
.SubstateOf(State.Connected)
.Permit(Trigger.TakenOffHold, State.Connected)
.Permit(Trigger.PhoneHurledAgainstWall, State.PhoneDestroyed); _machine.Configure(State.Connected)
//进入状态的时候执行动作
.OnEntry(t => StartCallTimer())
//离开状态执行动作
.OnExit(t => StopCallTimer())
//状态不变化,但是响应某种事件,和PermitReentry不同,它不会触发进入和退出的动作
.InternalTransition(Trigger.MuteMicrophone, t => OnMute())
.InternalTransition(Trigger.UnmuteMicrophone, t => OnUnmute())
.InternalTransition<int>(_setVolumeTrigger, (volume, t) => OnSetVolume(volume))
.Permit(Trigger.LeftMessage, State.OffHook)
.Permit(Trigger.PlacedOnHold, State.OnHold)
//指定在发生同一种事件的时候,根据事件的参数不同而决定进入不同的状态。
.PermitIf(_setCalleeTrigger, State.Connected, callee => string.IsNullOrWhiteSpace(callee))
.PermitIf(_setCalleeTrigger, State.Connected, callee => !string.IsNullOrWhiteSpace(callee))
//如果没有定义这个事件而发生了这个事件,会弹出异常。通过指定忽略某一类事件,可以避免这个情况。
.Ignore(Trigger.CallDialled); //当然也可以使用这个来避免弹出上面说的异常
_machine.OnUnhandledTrigger((state, trigger) => { }); //可以使用异步调用,但是必须要在触发事件的时候,使用FireAsync
_machine.Configure(State.PhoneDestroyed)
.OnEntryAsync(async () => await SendEmailToAssignee());

配置好了各状态之间的转换,下面就是触发事件了。

public void Dialed(string callee)
{
//有参数的触发
_machine.Fire(_setCalleeTrigger, callee);
} public void Connected()
{
//无参数的触发
_machine.Fire(Trigger.CallConnected);
} public async Task PhoneDestroy()
{
//异步触发
await _machine.FireAsync(Trigger.PhoneDestroyed);
} public string ToDotGraph()
{
//导出DOT GRAPH
return UmlDotGraph.Format(_machine.GetInfo());
}

外部调用很简洁:

phoneCall.Dialed("Prameela");
phoneCall.Connected();
phoneCall.SetVolume(2);
phoneCall.Hold();

只需要调用事件即可,别的都会按照我们设置好的动作来进行了,非常自动化。

总结

Stateless可以很好地实现状态机,有点事件驱动的编程的感觉,但本质上不同,Stateless核心是各个状态的迁移。

虽然Stateless很小巧方便,但是还有有很多地方不尽如人意(官方说这就是他们自己的设计目标,维持极简):

  • 没有启动和停止的说法,一般在构造函数里面创建就一直有效。
  • 不是线程安全的
  • 拓展性有限

还有一个Appccelerate.StateMachine地址),这个支持四种不同的状态机实现:

  • Passive State Machine: 同步单线程处理状态转换
  • Active State Machine: 同步多线程处理状态转换
  • Async Passive State Machine: 异步单线程处理状态转换
  • Async Active State Machine: 异步多线程处理状态转换

其中active的是线程安安全的。另外,它还支持状态、事件的持久化,拓展性强。用法差不多,只是配置的关键字上面有一点区别,大家可以自行翻文档。

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