用C语言实现有限状态自动机FSM

摘要：状态机模式是一种行为模式，在《设计模式》这本书中对其有详细的描述，通过多态实现不同状态的调转行为的确是一种很好的方法，只可惜在嵌入式环境下，有时只能写纯C代码，并且还需要考虑代码的重入和多任务请求跳转等情形，因此实现起来着实需要一番考虑。本文主要为你实现一个简单的有限状态机，没有考虑代码的重入和多任务跳转，为以后复杂的状态机实现，打下基础。

本文来源：用C语言实现有限状态自动机FSM

一、状态机实现的要素

首先，分析一下一个普通的状态机究竟要实现哪些内容。

状态机存储从开始时刻到现在的变化，并根据当前输入，决定下一个状态。这意味着，状态机要存储状态、获得输入（我们把它叫做跳转条件）、做出响应。

如上图所示，{s1, s2, s3}均为状态，箭头c1/a1表示在s1状态、输入为c1时，跳转到s2，并进行a1操作。

最下方为一组输入，状态机应做出如下反应：

当前状态	输入	下一个状态	动作
s1	c1	s2	a1
s2	c2	s3	a2
s3	c1	s2	a3
s2	c2	s3	a2
s3	c1	s2	a3
s2	c1	s_trap	a_trap
s_trap	c1	s_trap	a_trap

当某个状态遇到不能识别的输入时，就默认进入陷阱状态，在陷阱状态中，不论遇到怎样的输入都不能跳出。

为了表达上面这个自动机，我们定义它们的状态和输入类型：

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typedef  int s tate; typedef  int c ondition;   #define STATES 4 #define STATE1 0 #define STATE2 1 #define STATE3 2 #define STATETRAP 3   #define CONDITIONS 2 #define CONDITION1 0 #define CONDITION2 1

总结一下，我们需要定义的有状态、输入、行为（动作+下一个状态），其中，行为的个数是“状态数*输入数量”（其中有一些是重复的）；其中动作一般来说可以用一个函数指针来实现。

二、具体设计

在嵌入式环境中，由于存储空间比较小，因此把它们全部定义成宏。此外，为了降低执行时间的不确定性，我们使用O(1)的跳转表来模拟状态的跳转。

首先定义跳转类型：

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typedef  void  (*actiontype)(state mystate, condition condition);   typedef  struct {     s tate next;     a ctiontype action; } trasition, * ptrasition;

然后按照上图中的跳转关系，把三个跳转加一个陷阱跳转先定义出来：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

// (s1, c1, s2, a1) trasition t1 = {      STATE2,      action1 };   // (s2, c2, s3, a2) trasition t2 = {      STATE3,      action2 };   // (s3, c1, s2, a3) trasition t3 = {      STATE2,      action3 };   // (s, c, trap, a1) trasition tt = {      STATETRAP,      actiontrap };

其中的动作，由用户自己完成，在这里仅定义一条输出语句。

1 2 3 4

void  action1(State state, Condition condition) {      printf ( "Action 1 triggered.\n" ); }

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最后定义跳转表：

1 2 3 4 5 6 7

pt rasition transition_table[STATES][CONDITIONS] = { /*      c1,  c2*/ /* s1 */ &t1, &tt, /* s2 */ &tt, &t2, /* s3 */ &t3, &tt, /* st */ &tt, &tt, };

即可表达上文中的跳转关系。

最后定义状态机，如果不考虑多任务请求，那么状态机仅需要存储当前状态便行了。例如：

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typedef  struct {      State current; } StateMachine, * pStateMachine;   State step(pStateMachine machine, Condition condition) {      pTrasition t = transition_table[machine->current][condition];      (*(t->action))(machine->current, condition);      machine->current = t->next;      return  machine->current; }

总结：我们现在设计实现好了一个状态机，然后要给这个状态机特定的输入，看看状态机的运转情况，以上面图中的那个状态机为例，我们输入的序列是0和1分别代表c1和C2，然后状态s1，s2分别对应0，1.用程序实现这个内容如下

三、程序实现

程序清单：小型状态机的实现

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
typedef int state;
typedef int condition;

#define STATENUM 4
#define STATE1 0
#define STATE2 1
#define STATE3 2
#define STATETRAP 3

#define CONDITIONS 2
#define CONDITION1 0
#define CONDITION2 1

typedef void (* actiontype)(state mystate,condition mycondition);
typedef struct{
  state next;
  actiontype action;
}trasition, *ptrasition;

void action1(state mystate,condition myconditon);
void action2(state mystate,condition myconditon);
void action3(state mystate,condition myconditon);
void actiontrap(state mystate,condition myconditon);
trasition t1={
  STATE2,action1
};
trasition t2={
  STATE3,action2
};
trasition t3={
  STATE2,action3
};
trasition tt={
  STATETRAP,actiontrap
};

void action1(state mystate,condition myconditon){
  printf("action1 one triggered\n");
}
void action2(state mystate,condition myconditon){
  printf("action2 one triggered\n");
}
void action3(state mystate,condition myconditon){
  printf("action3 one triggered\n");
}
void actiontrap(state mystate,condition myconditon){
  printf("actiontrap one triggered\n");
}

ptrasition transition_table[STATENUM][CONDITIONS] = {
/*      c1,  c2*/
/* s1 */&t1, &tt,
/* s2 */&tt, &t2,
/* s3 */&t3, &tt,
/* st */&tt, &tt,
};
typedef struct
{
    state current;
} StateMachine, * pStateMachine;

state step(pStateMachine machine, condition mycondition)
{
    ptrasition t = transition_table[machine->current][mycondition];
    (*(t->action))(machine->current, mycondition);
    machine->current = t->next;
    printf("the current state is %d\n",t->next );
    return machine->current;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
  StateMachine mymachine;
  mymachine.current=STATE1;
  int mycon;
  char ch;
  while(1){
    scanf("%d",&mycon);
    step(&mymachine,mycon);
  }
  return 0;
}

程序输入与输出结果示例：

四、外部参考

【1】
嵌入式设计模式：有限状态自动机的C语言实现 
http://www.cnblogs.com/autosar/archive/2012/06/22/2558604.html