C语言状态机最优模式(转)

前言

近来思绪有点停不下来,构思了一个GUI的框架(用在Cotex-M平台上,很小),期待以后有时间去实现,里面有一个对触摸屏的检测,自然想到使用状态机进行消息的生成和分发,于是想着实现一个状态机实现的模型,以后再其他项目上应用也方便。 
状态机的好处不用多说,自己百度去,但传统的编程模式,无论是C语言,或是硬件FPGA的Verilog都是采用switch-case结构,硬件的还好说,是并行的,但如果是C语言实现状态机则可能需要对每个case进行判断,状态少比如几个可能没什么效率之类的问题,但状态多几十个上百个呢,那么就需要进行上百次的判断是否匹配,毫无疑问效率很低,切每次的状态切换时间也不确定。那么有没有一种好的实现模式不用switch-case结构呢?下面我来为C语言状态机的实现建立一个最优模式。

实现

前面说了一堆***i的废话,下面进入正题,前段时间研究了下函数式编程,发现C语言的循环结构完全可以用尾递归(不懂百度)实现,最后C就只剩下唯有if和switch还不能用函数式编程实现,而今天要讲的状态机模式就是用函数式编程实现switch-case,那么switch-case其实可以看做一种查找的跳转,我们知道C语言中goto可以实现跳转,那么还有什么可以实现跳转呢,答案是函数调用,但是又需要如何实现指定的函数调用呢,难道要用if判断,显然没什么意义,那么又没有比if判断(如果上百次判断)更高效的东西呢?有人已经想到是查表,如果将查表和函数调用结合,那么就是函数指针数组的应用了!

上代码!首先定义一个函数指针类型,为什么要带void *的参数后面会说:

typedef unsigned char State;
typedef State(*Procedure)(void *); 

这样就可以方便地定义一个函数指针数组:

Procedure Steps[] = { step_init, step_count, step_done, step_default };

step_init,step_count等是函数名,再定义状态:

enum states{ s_init, s_count, s_done, s_default };

枚举定义对应着{0,1,2,3},有了这些再状态机联系那么可以想到,数组的索引就是状态定义,上核心代码,两行(简单吧!关键是想到):

void BestStateMachine(void * invar)
{ static State NS = s_init; //定义下一状态
    NS = Steps[NS](invar);
} static的变量NS在每次BestStateMachine调用会得到维护,我们只需再每Steps返回下一个状态并保存到NS中可以实现状态的保存和切换。再说说为什么要加个void*的参数,状态机一般有很多自身变量的维护,而且对于mealy状态机还需根据输入判断,因为函数调用返回是不保留局部变量的,那么就需要将变量传递来实现更改和保存,之所以只用了一个void*参数是因为,如果需要保存和传递的变量很多,直接传递会在调用函数是浪费大量的栈空间,且效率低下,采用这种模式,你可以将变量用一个结构体封装,然后将结构体指针传递给void *的形参,再函数内部再强制转换即可使用结构体内部的变量。现在你已经在嘀咕这作者真啰嗦,好上实例代码,就是一个简单的计数器(以前学状态机都从计数器开始),在计数完成打印信息:
#include<stdio.h> typedef unsigned char State; typedef State(*Procedure)(void *); enum states{ s_init, s_count, s_done, s_default };//状态定义 typedef struct _SM_VAR //对状态机参数封装
{ int cnt;
}SM_VAR;
State step_init(void * arg)//初始化
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg;
    p->cnt = 0; printf("CS:init ;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt); return s_count;
}
State step_count(void * arg)//计数
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg; if (p->cnt < 3){
        p->cnt+=1; printf("CS:count;cnt=%d;NS:count\n", p->cnt); return s_count;
    } else{ printf("CS:count;cnt=%d;NS:done\n", p->cnt); return s_done;
    }
}
State step_done(void * arg)//计数完成
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg; printf("CS:done ;cnt=%d;NS:init\n", p->cnt); return s_init;
}
State step_default(void * arg)//错误过程
{
    SM_VAR *p = (SM_VAR *)arg; printf("Wrong State\n"); return s_init;
}
Procedure Steps[] = { step_init, step_count, step_done, step_default }; void BestStateMachine(void * invar)
{ static State NS = s_init; //定义下一状态
    NS = Steps[NS](invar);
} int main(void)
{
    SM_VAR var; int i; for (i = 0; i <8; i++){//给状态机8个周期的时钟驱动
        BestStateMachine(&var);
    } return 0;
} 

最后在VS2013上调试如下:

CS:init ;cnt=0;NS:count CS:count;cnt=1;NS:count CS:count;cnt=2;NS:count CS:count;cnt=3;NS:count CS:count;cnt=3;NS:done CS:done ;cnt=3;NS:init CS:init ;cnt=0;NS:count CS:count;cnt=1;NS:count
请按任意键继续. . .

总结

以这种模式不仅可以实现上面的Moore型状态机,还可根据实际实现Mealy型状态机,结构清晰易懂,在这里我敢说最优,是因为这是C函数式编程的极限了,如果你有更好的想法联系我,邮箱:869119842@qq.com,唐童鞋。如果你对嵌入式GUI感兴趣,我们可以一起探讨写出我们自己的GUI。

注意!此信息未认证,请谨慎判断信息的真实性!

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2022-12-31 20:32
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