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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。
很多协议(例如网络协议)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。
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 State Machine 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(状态、事件、动作、变换)
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。
状态机图怎么画
基本元素
当你需要描述一个对象或系统的行为状态时相比于直接的语言描述更推荐使用状态机表或状态机图的形式。
首先我们看一下基本元素 状态机图
做需求时需要了解以下六种元素起始、终止、现态、次态目标状态、动作、条件我们就可以完成一个状态机图了 ①现态是指当前所处的状态。 ②条件又称为“事件”当一个条件被满足将会触发一个动作或者执行一次状态的迁移。 ③动作条件满足后执行的动作。动作执行完毕后可以迁移到新的状态也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的当条件满足后也可以不执行任何动作直接迁移到新状态。 ④次态条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的“次态”一旦被激活就转变成新的“现态”了。 注意事项
1、避免把某个“程序动作”当作是一种“状态”来处理。那么如何区分“动作”和“状态”“动作”是不稳定的即使没有条件的触发“动作”一旦执行完毕就结束了而“状态”是相对稳定的如果没有外部条件的触发一个状态会一直持续下去。
2、状态划分时漏掉一些状态导致跳转逻辑不完整。所以在设计状态机时我们需要反复的查看设计的状态图或者状态表最终达到一种牢不可破的设计方案。
我们看下面这张状态机图展示了一张简单的单审批人文件的状态流转情况。
状态机表
那么如何把他写成状态机表呢这里有多种写法区别于纵坐标的不同我们举两种 左侧的纵坐标为初始状态横坐标为终止状态。 右侧的纵坐标为动作条件横坐标为终止状态。 那么对于动作比较多且复杂的情况下可以考虑采用右侧的表格这样会比较一目了然。 状态机图经常应用在程序的设计过程中使用清晰明了的状态机图设计代码逻辑架构再使用编程语言去实现。当然也可以画一个状态机图来展示某岗位的工作 在另一篇博文中将介绍使用C语言来实现状态机的设计。 C语言状态机模块实现_智小星的博客-CSDN博客_c语言状态机
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
typedef enum { //上图 5 列sta_origin0,sta_running,sta_owencpu,sta_sleep_int,sta_sleep_unint
}State;发生的事件如下
typedef enum{ //上图 6 行evt_fork0,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即状态迁移表
typedef struct {State curState; //当前状态EventID eventId;//事件IDState nextState;//下个状态CallBack action;//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。
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]);}
}为各个状态定义状态迁移表数组
/*origin*/
StateTransform stateTran_0[]{状态 事件 状态{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},
}; 实现event发生函数
void event_happen(unsigned int event)
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()void do_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。#define STATETRANS(n) (stateTran_##n)void do_action(StateTransform *statTran)
{if(NULL statTran){perror(statTran is NULL\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(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;}
}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)
{int len;char buf[64]{0};while(1){sleep(1);printf(cur stat:%s\n,statename[globalState]);}
}
void main(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 由结果可知前后发生的事件分别为
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完整代码请关注公众号一口Linux回复statmachine
