狀態(tài)機模式是一種行為模式，通過多態(tài)實現(xiàn)不同狀態(tài)的調(diào)轉(zhuǎn)行為的確是一種很好的方法，只可惜在嵌入式環(huán)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(wù)請求跳轉(zhuǎn)等情形，因此實現(xiàn)起來著實需要一番考慮。

近日在看到了一個狀態(tài)機的實現(xiàn)，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(tài)機究竟要實現(xiàn)哪些內(nèi)容。

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

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

最下方為一組輸入，狀態(tài)機應(yīng)做出如下反應(yīng)：

當某個狀態(tài)遇到不能識別的輸入時，就默認進入陷阱狀態(tài)，在陷阱狀態(tài)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(tài)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(huán)境中，由于存儲空間比較小，因此把它們?nèi)慷x成宏。此外，為了降低執(zhí)行時間的不確定性，我們使用O(1)的跳轉(zhuǎn)表來模擬狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。

首先定義跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)關(guān)系，把三個跳轉(zhuǎn)加一個陷阱跳轉(zhuǎn)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.\\n");
}

最后定義跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)關(guān)系。

最后定義狀態(tài)機，如果不考慮多任務(wù)請求，那么狀態(tài)機僅需要存儲當前狀態(tài)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(zhuǎn)正在進行的時候，同時又有其他任務(wù)請求跳轉(zhuǎn)，則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問題。

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

因此要重新設(shè)計狀態(tài)機，增加一個“事務(wù)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;
}