基于C++有限状态机的实现技术
有限狀態機是一種用來進行對象行為建模的工具，其作用主要是描述對象在它的生命周期內所經歷的狀態序列，以及如何響應來自外界的各種事件。在面向對象的軟件系統中，一個對象無論多么簡單或者多么復雜，都必然會經歷一個從開始創建到最終消亡的完整過程，這通常被稱為對象的生命周期。一般說來，對象在其生命期內是不可能完全孤立的，它必須通過發送消息來影響其它對象，或者通過接受消息來改變自身。在大多數情況下，這些消息都只不過是些簡單的、同步的方法調用而已。例如，在銀行客戶管理系統中，客戶類（Customer）的實例在需要的時候，可能會調用帳戶（Account）類中定義的getBalance()方法。在這種簡單的情況下，類Customer并不需要一個有限狀態機來描述自己的行為，主要原因在于它當前的行為并不依賴于過去的某個狀態。[1]
遺憾的是并不是所有情況都會如此簡單，事實上許多實用的軟件系統都必須維護一兩個非常關鍵的對象，它們通常具有非常復雜的狀態轉換關系，而且需要對來自外部的各種異步事件進行響應。例如，在VoIP電話系統中，電話類（Telephone）的實例必須能夠響應來自對方的隨機呼叫，來自用戶的按鍵事件，以及來自網絡的信令等。在處理這些消息時，類Telephone所要采取的行為完全依賴于它當前所處的狀態，因而此時使用狀態機就將是一個不錯的選擇。[1]
游戲引擎是有限狀態機最為成功的應用領域之一，由于設計良好的狀態機能夠被用來取代部分的人工智能算法，因此游戲中的每個角色或者器件都有可能內嵌一個狀態機。考慮RPG游戲中城門這樣一個簡單的對象，它具有打開（Opened）、關閉（Closed）、上鎖（Locked）、解鎖（Unlocked）四種狀態，如圖1所示。當玩家到達一個處于狀態Locked的門時，如果此時他已經找到了用來開門的鑰匙，那么他就可以利用它將門的當前狀態轉變為Unlocked，進一步還可以通過旋轉門上的把手將其狀態轉變為Opened，從而成功地進入城內。[1]
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圖1控制城門的狀態機
在描述有限狀態機時，狀態、事件、轉換和動作是經常會碰到的幾個基本概念。
狀態（State）指的是對象在其生命周期中的一種狀況，處于某個特定狀態中的對象必然會滿足某些條件、執行某些動作或者是等待某些事件。
事件（Event）指的是在時間和空間上占有一定位置，并且對狀態機來講是有意義的那些事情。事件通常會引起狀態的變遷，促使狀態機從一種狀態切換到另一種狀態。
轉換（Transition）指的是兩個狀態之間的一種關系，表明對象將在第一個狀態中執行一定的動作，并將在某個事件發生同時某個特定條件滿足時進入第二個狀態。
?? 動作（Action）指的是狀態機中可以執行的那些原子操作，所謂原子操作指的是它們在運行的過程中不能被其他消息所中斷，必須一直執行下去。
二、基于傳統C語言的FSM實現技術
2.1、基于switch（狀態）的實現
在實現有限狀態機時，使用switch語句是最簡單也是最直接的一種方式，其基本思路是為狀態機中的每一種狀態都設置一個case分支，專門用于對該狀態進行控制。下面的代碼示范了如何運用switch語句，來實現圖1中所示的狀態機：
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| ? switch (state)? { ? // 處理狀態Opened的分支 ? case (Opened): { ??? // 執行動作Open ??? open(); ??? // 檢查是否有CloseDoor事件 ??? if (closeDoor()) { ??????// 當前狀態轉換為Closed ????? changeState(Closed) ??? } ??? break; ? }? ? // 處理狀態Closed的分支 ? case (Closed): { ??? // 執行動作Close ??? close(); ??? // 檢查是否有OpenDoor事件 ??? if (openDoor()) { ????? // 當前狀態轉換為Opened ????? changeState(Opened); ??? } ??? // 檢查是否有LockDoor事件 ??? if (lockDoor()) { ????? // 當前狀態轉換為Locked ????? changeState(Locked); ??? } ??? break; ? } ? ? // 處理狀態Locked的分支 ? case (Locked): { ??? // 執行動作Lock ??? lock(); ??? // 檢查是否有UnlockDoor事件 ??? if (unlockDoor()) { ????? // 當前狀態轉換為Unlocked ????? changeState(Unlocked); ??? } ??? break; ? } ? ? // 處理狀態Unlocked的分支 ? case (Unlocked): { ??? // 執行動作Unlock ??? unlock(); ??? // 檢查是否有LockDoor事件 ??? if (lockDoor()) { ????? // 當前狀態轉換為Locked??? ??????changeState(Locked) ??? } ??? // 檢查是否有OpenDoor事件??? ????if (openDoor()) { ????? // 當前狀態轉換為Opened ????? changeSate(Opened); ??? } ??? break; ? }? } |
使用switch語句實現的有限狀態機的確能夠很好地工作，但代碼的可讀性并不十分理想，主要原因是在實現狀態之間的轉換時，檢查轉換條件和進行狀態轉換都是混雜在當前狀態中來完成的。例如，當城門處于Opened狀態時，需要在相應的case中調用closeDoor()函數來檢查是否有必要進行狀態轉換，如果是的話則還需要調用changeState()函數將當前狀態切換到Closed。顯然，如果在每種狀態下都需要分別檢查多個不同的轉換條件，并且需要根據檢查結果讓狀態機切換到不同的狀態，那么這樣的代碼將是枯燥而難懂的。從代碼重構的角度來講，此時更好的做法是引入checkStateChange()和performStateChange()兩個函數，專門用來對轉換條件進行檢查，以及激活轉換時所需要執行的各種動作。這樣一來，程序結構將變得更加清晰：
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| ? switch (state)? { ? ? // 處理狀態Opened的分支 ? case (Opened): { ??? // 執行動作Open ??? open(); ??? // 檢查是否有激發狀態轉換的事件產生 ??? if (checkStateChange()) { ????? // 對狀態機的狀態進行轉換 ????? performStateChange(); ??? } ??? break; ? }? ? // 處理狀態Closed的分支 ? case (Closed): { ??? // 執行動作Close ??? close(); ??? // 檢查是否有激發狀態轉換的事件產生 ??? if (checkStateChange()) { ????? // 對狀態機的狀態進行轉換 ????? performStateChange(); ??? } ??? break; ? } ? ? // 處理狀態Locked的分支 ? case (Locked): { ??? // 執行動作Lock ??? lock(); ??? // 檢查是否有激發狀態轉換的事件產生 ??? if (checkStateChange()) { ????? // 對狀態機的狀態進行轉換 ????? performStateChange(); ??? } ??? break; ? } ? ? // 處理狀態Unlocked的分支 ? case (Unlocked): { ??? // 執行動作Lock ??? unlock(); ??? // 檢查是否有激發狀態轉換的事件產生 ??? if (checkStateChange()) { ????? // 對狀態機的狀態進行轉換 ????? performStateChange(); ??? } ??? break; ? }? } |
但checkStateChange()和performStateChange()這兩個函數本身依然會在面對很復雜的狀態機時，內部邏輯變得異常臃腫，甚至可能是難以實現。
在很長一段時期內，使用switch語句一直是實現有限狀態機的唯一方法，甚至像編譯器這樣復雜的軟件系統，大部分也都直接采用這種實現方式。但之后隨著狀態機應用的逐漸深入，構造出來的狀態機越來越復雜，這種方法也開始面臨各種嚴峻的考驗，其中最令人頭痛的是如果狀態機中的狀態非常多，或者狀態之間的轉換關系異常復雜，那么簡單地使用switch語句構造出來的狀態機將是不可維護的。三、基于面向對象的FSM實現技術
3.1、用一個類實現FSM
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?
class DoorFSM {
private:
??States __Y;
??std::queue<Event> __events;
??void __processEvent( Event e );
?
protected:
??virtual void enterOpened() = 0;
??virtual void enterLocked() = 0;
??virtual void enterUnlocked() = 0;
??virtual void enterClosed() = 0;
public:
/* States */
??enum States { Closed, Unlocked, Locked, Opened?? }; // states
/*Events*/
??enum Event { Lock, Unlock, Open, Close?? };
??/// Constructor
??DoorFSM() { __Y = Opened; }
??/// Destructor
??virtual ~DoorFSM() {}
?
??/** Get current FSM state
??????@returns current FSM state
???*/
??States currentState() { return __Y; }
?
??/** Send event to FSM
??????Use this function to send event to DoorFSM After you call it given event will be handled, and, if some of transition conditions match, appropriate transition will be triggered, and currentState() will be changed. If this function is called during existing event handling process, given event will be added to pending event queue, and will be handled after current transition. See examples for details.
??*/
??void A( Event e );
};
void DoorFSM::__processEvent( Event e )
{
??States yOld = __Y;
??bool pass = false;
??switch( __Y ) { //transitions
??case Closed:
?????if( e == Open ) {
????????//outcome actions
????????__Y = Opened;
????????pass = true;
?????}
?????else if( e == Lock ) {
????????//outcome actions
????????__Y = Locked;
????????pass = true;
?????}
?????break;
??case Unlocked:
?????if( e == Lock ) {
????????//outcome actions
????????__Y = Locked;
????????pass = true;
?????}
?????else if( e == Open ) {
????????//outcome actions
????????__Y = Opened;
????????pass = true;
?????}
?????break;
??case Locked:
?????if( e == Unlock ) {
????????//outcome actions
????????__Y = Unlocked;
????????pass = true;
?????}
?????break;
??case Opened:
?????if( e == Close ) {
????????//outcome actions
????????__Y = Closed;
????????pass = true;
?????}
?????break;
??}
?
??if( yOld == __Y && !pass ) { return; }
?
??switch( __Y ) { // income actions
??case Closed:
????????enterClosed();
?????break;
??case Unlocked:
????????enterUnlocked();
?????break;
??case Locked:
????????enterLocked();
?????break;
??case Opened:
????????enterOpened();
?????break;
??}
}
?
void DoorFSM::A( Event e )
{
??bool __empty = __events.empty();
??__events.push( e );
??if( __empty ) {
?????while( !__events.empty() ) {
????????__processEvent( __events.front() );
????????__events.pop();
?????}
??}
}
?
?
class DoorFSMLogic : public DoorFSM
{
?protected:
? virtual void enterOpened(){std::cout << "Enter Opened state." << std::endl;}
?virtual void enterLocked() {std::cout << "Enter Closed state." << std::endl;}
?virtual void enterUnlocked() {std::cout << "Enter Locked state." << std::endl;}
?virtual void enterClosed() {std::cout << "Enter Unlocked state." << std::endl;}
};
測試程序
int main()
{
?DoorFSMLogic door;
?door.A(DoorFSM::Close);
?door.A(DoorFSM::Lock);
?door.A(DoorFSM::Unlock);
?door.A(DoorFSM::Open);
}
總結
以上是生活随笔為你收集整理的基于C++有限状态机的实现技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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