C语言最佳实践：状态机

作者：wlai
发布：2022-08-04
更新：2025-02-09

一、状态机要解决的问题

状态机所要解决的问题：

（1）计算机最擅长处理重复性的工作

（2）现实世界中大量事物的工作流程取决于其他事物的状态

（3）状态机是针对多种状态之间的迁移而建立的一个简单数学模型

（4）状态机可用来指导硬件模块或者软件模块的设计

状态机的概念：

（1）一个硬件或者一个软件模块

（2）我们给状态机一个初始状态

（3）然后给状态机一个事件

（4）状态机依据事件和当前状态完成一个动作或者转换到另一个状态

（5）终止执行或者等待下一个事件 如此，状态机就成了一个可重复工作的机器

二、状态机相关理论

术语：

• 状态（state）：可分为当前状态（现态）和迁移后的新状态（次态）

• 事件（Event）：又称为条件

• 动作（Action）

• 迁移、转换或者变换

分类：

• Moore状态机：次态和事件无关（极其简单的状态机）

• Mealy状态机：次态和现态及事件有关

三、正确理解状态机

所有含有条件分支代码的程序或者函数都可以看成一个状态机

• 简单的事件驱动代码，并不构成状态机

• 状态机里必须存在状态迁移

四、状态机的软件实现

确定性状态机

（1）有限的状态

（2）有限的输入事件

（3）有确定的状态迁移规则

自定义状态机

（1）自定义状态

（2）有限的输入事件

（3）某种确定的状态迁移规则

确定性状态机实现步骤

（1）使用状态迁移图/表清理迁移关系

（2）状态数量较少时，一个包含上下文信息的函数搞定，内部使用条件分支代码

（3）状态数量较多时，为每个状态定义回调函数，在回调函数中实现对这个状态的处理

状态机举例：判断立即数

（1）前缀0x表示十六进制、前缀0表示八进制，其他表示十进制

（2）状态：为止、零前缀、八进制、十六进制、十进制、错误

enum {
    SSM_UNKNOWN = 0,
    SSM_PREFIX_ZERO,
    SSM_RESULT_FIRST,

    SSM_OCT = SSM_RESULT_FIRST,
    SSM_HEX,
    SSM_DEC,
    SSM_ERR,
};

struct _scale_state_machine {
    int state;
};

static int init_scale_state_machine(struct _scale_state_machine *sm)
{
    sm->state = SSM_UNKNOWN;
}

static int scale_sm_check_scale(struct _scale_state_machine *sm, char ch)
{
    switch (sm->state) {
        case SSM_UNKNOWN:
            if (ch == '0')
                sm->state = SSM_PREFIX_ZERO;
            else if (ch >= '1' && ch <= '9') {
                sm->state = SSM_DEC;
            } else {
                sm->state = SSM_ERR;
            }
            break;
        case SSM_PREFIX_ZERO:
            if (ch == 'x' || ch == 'X') {
                sm->state = SSM_HEX;
            } else if (ch >= '0' || ch <= '7') {
                sm->state = SSM_OCT;
            } else {
                sm->state = SSM_ERR;
            }
            break;
    }

    return sm->state;
}

int check_scale(const char *literal)
{
    struct _scale_state_machine sm;

    init_scale_state_machine(&sm);

    while (*literal) {
        int scale = scale_sm_check_scale(&sm, *literal);
        if (scale >= SSM_RESULT_FIRST)
            return scale;
        
        literal++;
    }

    return SSM_ERR;
}

复杂案例：Lexbor实现HTML规范解析器

略

自定义状态机

（1）事件是确定的、有限的

（2）状态是一种抽象对象而不是一个简单的枚举变量；状态被组织为链表或者树形数据结构

（3）每个状态可根据输入事件构造一个抽象的迁移对象

（4）迁移对象实现动作及状态迁移；通常，状态迁移发生在相邻的状态节点之间

（5）状态机构造状态数据结构，并根据状态返回的迁移函数运行，直到停止

应用场景

（1）轨迹生成器

• 状态是代表不同轨迹的时间曲线方程（如线性、贝塞尔曲线等）

• 事件是定时器

（2）动画控制器

• 状态是不同的动画效果

• 事件是定时器或者用户输入