狀態機模式是一種行為模式，在《設計模式》這本書中對其有詳細的描述，通過多態實現不同狀態的調轉行為的確是一種很好的方法，只可惜在嵌入式環境下，有時只能寫純C代碼，并且還需要考慮代碼的重入和多任務請求跳轉等情形，因此實現起來著實需要一番考慮。

近日在看了一個開源系統時，看到了一個狀態機的實現，也學著寫了一個，與大家分享。

首先，分析一下一個普通的狀態機究竟要實現哪些內容。

狀態機存儲從開始時刻到現在的變化，并根據當前輸入，決定下一個狀態。這意味著，狀態機要存儲狀態、獲得輸入（我們把它叫做跳轉條件）、做出響應。

如上圖所示，{s1, s2, s3}均為狀態，箭頭c1/a1表示在s1狀態、輸入為c1時，跳轉到s2，并進行a1操作。

最下方為一組輸入，狀態機應做出如下反應：

當某個狀態遇到不能識別的輸入時，就默認進入陷阱狀態，在陷阱狀態中，不論遇到怎樣的輸入都不能跳出。

為了表達上面這個自動機，我們定義它們的狀態和輸入類型：

?

typedef?int?State;
typedef?int?Condition;
?
#define?STATES??????3?+?1
#define?STATE_1?????0
#define?STATE_2?????1
#define?STATE_3?????2
#define?STATE_TRAP??3
?
#define?CONDITIONS???2
#define?CONDITION_1??0
#define?CONDITION_2??1

?

在嵌入式環境中，由于存儲空間比較小，因此把它們全部定義成宏。此外，為了降低執行時間的不確定性，我們使用O(1)的跳轉表來模擬狀態的跳轉。

首先定義跳轉類型：

?

typedef?void(*ActionType)(State?state,?Condition?condition);
?
typedef?struct
{
????State?next;
????ActionType?action;
}?Trasition,?*?pTrasition;

?

然后按照上圖中的跳轉關系，把三個跳轉加一個陷阱跳轉先定義出來：

?

//?(s1,?c1,?s2,?a1)
Trasition?t1?=?{
????STATE_2,
????action_1
};
?
//?(s2,?c2,?s3,?a2)
Trasition?t2?=?{
????STATE_3,
????action_2
};
?
//?(s3,?c1,?s2,?a3)
Trasition?t3?=?{
????STATE_2,
????action_3
};
?
//?(s,?c,?trap,?a1)
Trasition?tt?=?{
????STATE_TRAP,
????action_trap
};

?

其中的動作，由用戶自己完成，在這里僅定義一條輸出語句。

?

void?action_1(State?state,?Condition?condition)
{
????printf("Action?1?triggered.
");
}

?

最后定義跳轉表：

?

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

?

即可表達上文中的跳轉關系。

最后定義狀態機，如果不考慮多任務請求，那么狀態機僅需要存儲當前狀態便行了。例如：

?

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;
}

?

但是考慮到當一個跳轉正在進行的時候，同時又有其他任務請求跳轉，則會出現數據不一致的問題。

舉個例子：task1(s1, c1/a1 –> s2) 和 task2(s2, c2/a2 –> s3) 先后執行，是可以順利到達s3狀態的，但若操作a1運行的時候，執行權限被task2搶占，則task2此時看到的當前狀態還是s1，s1遇到c2就進入陷阱狀態，而不會到達s3了，也就是說，狀態的跳轉發生了不確定，這是不能容忍的。

因此要重新設計狀態機，增加一個“事務中”條件和一個用于存儲輸入的條件隊列。修改后的代碼如下:

?

#define?E_OK?????????0
#define?E_NO_DATA????1
#define?E_OVERFLOW???2
?
typedef?struct
{
????Condition?queue[QMAX];
????int?head;
????int?tail;
????bool?overflow;
}?ConditionQueue,?*?pConditionQueue;
?
?
int?push(ConditionQueue?*?queue,?Condition?c)
{????
????unsigned?int?flags;
????Irq_Save(flags);
????if?((queue->head?==?queue->tail?+?1)?||?((queue->head?==?0)?&&?(queue->tail?==?0)))
????{
????????queue->overflow?=?true;
????????Irq_Restore(flags);
????????return?E_OVERFLOW;
????}
????else
????{
????????queue->queue[queue->tail]?=?c;
????????queue->tail?=?(queue->tail?+?1)?%?QMAX;
????????Irq_Restore(flags);
????}
????return?E_OK;
}
?
int?poll(ConditionQueue?*?queue,?Condition?*?c)
{
????unsigned?int?flags;
????Irq_Save(flags);
????if?(queue->head?==?queue->tail)
????{
????????Irq_Restore(flags);
????????return?E_NO_DATA;
????}
????else
????{
????????*c?=?queue->queue[queue->head];
????????queue->overflow?=?false;
????????queue->head?=?(queue->head?+?1)?%?QMAX;
????????Irq_Restore(flags);
????}
????return?E_OK;
}
?
typedef?struct
{
????State?current;
????bool?inTransaction;
????ConditionQueue?queue;
}?StateMachine,?*?pStateMachine;
?
static?State?__step(pStateMachine?machine,?Condition?condition)
{
????State?current?=?machine?->?current;
????pTrasition?t?=?transition_table[current][condition];
????(*(t->action))(current,?condition);
????current?=?t->next;
????machine->current?=?current;
????return?current;
}
?
State?step(pStateMachine?machine,?Condition?condition)
{
????Condition?next_condition;
????int?status;
????State?current;
????if?(machine->inTransaction)
????{
????????push(&(machine->queue),?condition);
????????return?STATE_INTRANSACTION;
????}
????else
????{
????????machine->inTransaction?=?true;
????????current?=?__step(machine,?condition);
????????status?=?poll(&(machine->queue),?&next_condition);
????????while(status?==?E_OK)
????????{
????????????__step(machine,?next_condition);
????????????status?=?poll(&(machine->queue),?&next_condition);
????????}
????????machine->inTransaction?=?false;
????????return?current;
????}
}
?
void?initialize(pStateMachine?machine,?State?s)
{
????machine->current?=?s;
????machine->inTransaction?=?false;
????machine->queue.head?=?0;
????machine->queue.tail?=?0;
????machine->queue.overflow?=?false;
}

?

?