什么是狀態機？用C語言實現進程5狀態模型
前言
狀態機在實際工作開發中應用非常廣泛，在剛進入公司的時候，根據公司產品做流程圖的時候，發現自己經常會漏了這樣或那樣的狀態，導致整體流程會有問題，后來知道了狀態機這樣的東西，發現用這幅圖就可以很清晰的表達整個狀態的流轉。
一口君曾經做過很多網絡協議模塊，很多協議的開發都必須用到狀態機;一個健壯的狀態機可以讓你的程序，不論發生何種突發事件都不會突然進入一個不可預知的程序分支。
本篇通過C語言實現一個簡單的進程5狀態模型的狀態機，讓大家熟悉一下狀態機的魅力。
什么是狀態機?
定義
狀態機是有限狀態自動機的簡稱，是現實事物運行規則抽象而成的一個數學模型。
先來解釋什么是“狀態”( State )。現實事物是有不同狀態的，例如一個LED等，就有 亮 和 滅兩種狀態。我們通常所說的狀態機是有限狀態機，也就是被描述的事物的狀態的數量是有限個，例如LED燈的狀態就是兩個 亮和 滅。
狀態機，也就是 State Machine ，不是指一臺實際機器，而是指一個數學模型。說白了，一般就是指一張狀態轉換圖。
舉例
以物理課學的燈泡圖為例，就是一個最基本的小型狀態機
可以畫出以下的狀態機圖
這里就是兩個狀態：①燈泡亮，②燈泡滅 如果打開開關，那么狀態就會切換為 燈泡亮 。燈泡亮 狀態下如果關閉開關，狀態就會切換為 燈泡滅。
狀態機的全稱是有限狀態自動機，自動兩個字也是包含重要含義的。給定一個狀態機，同時給定它的當前狀態以及輸入，那么輸出狀態時可以明確的運算出來的。例如對于燈泡，給定初始狀態燈泡滅 ，給定輸入“打開開關”，那么下一個狀態時可以運算出來的。
四大概念
下面來給出狀態機的四大概念。
- State ，狀態。一個狀態機至少要包含兩個狀態。例如上面燈泡的例子，有 燈泡亮和 燈泡滅兩個狀態。
- Event ，事件。事件就是執行某個操作的觸發條件或者口令。對于燈泡，“打開開關”就是一個事件。
- Action ，動作。事件發生以后要執行動作。例如事件是“打開開關”，動作是“開燈”。編程的時候，一個 Action 一般就對應一個函數。
- Transition ，變換。也就是從一個狀態變化為另一個狀態。例如“開燈過程”就是一個變換。
狀態機的應用
狀態機是一個對真實世界的抽象，而且是邏輯嚴謹的數學抽象，所以明顯非常適合用在數字領域。可以應用到各個層面上，例如硬件設計，編譯器設計，以及編程實現各種具體業務邏輯的時候。
進程5狀態模型
進程管理是Linux五大子系統之一，非常重要，實際實現起來非常復雜，我們來看下進程是如何切換狀態的。
下圖是進程的5狀態模型：
關于該圖簡單介紹如下：
- 可運行態：當進程正在被CPU執行，或已經準備就緒隨時可由調度程序執行，則稱該進程為處于運行狀態(running)。進程可以在內核態運行，也可以在用戶態運行。當系統資源已經可用時，進程就被喚醒而進入準備運行狀態，該狀態稱為就緒態。
- 淺度睡眠態(可中斷)：進程正在睡眠(被阻塞)，等待資源到來是喚醒，也可以通過其他進程信號或時鐘中斷喚醒，進入運行隊列。
- 深度睡眠態(不可中斷)：其和淺度睡眠基本類似，但有一點就是不可由其他進程信號或時鐘中斷喚醒。只有被使用wake_up()函數明確喚醒時才能轉換到可運行的就緒狀態。
- 暫停狀態：當進程收到信號SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時就會進入暫停狀態。可向其發送SIGCONT信號讓進程轉換到可運行狀態。
- 僵死狀態：當進程已停止運行，但其父進程還沒有詢問其狀態時，未釋放PCB，則稱該進程處于僵死狀態。
進程的狀態就是按照這個狀態圖進行切換的。
該狀態流程有點復雜，因為我們目標只是實現一個簡單的狀態機，所以我們簡化一下該狀態機如下：
要想實現狀態機，首先將該狀態機轉換成下面的狀態遷移表。
簡要說明如下：假設當前進程處于running狀態下，那么只有schedule事件發生之后，該進程才會產生狀態的遷移，遷移到owencpu狀態下，如果在此狀態下發生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會導致狀態的遷移。
如上圖所示：
- 每一列表示一個狀態，每一行對應一個事件。
- 該表是實現狀態機的最核心的一個圖，請讀者詳細對比該表和狀態遷移圖的的關系。
- 實際場景中，進程的切換會遠比這個圖復雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復雜的問題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。
實現
根據狀態遷移表，定義該狀態機的狀態如下：
- typedef enum {
- sta_origin=0,
- sta_running,
- sta_owencpu,
- sta_sleep_int,
- sta_sleep_unint
- }State;
發生的事件如下：
- typedef enum{
- evt_fork=0,
- evt_sched,
- evt_wait,
- evt_wait_unint,
- evt_wake_up,
- evt_wake,
- }EventID;
不論是狀態還是事件都可以根據實際情況增加調整。
定義一個結構體用來表示當前狀態轉換信息：
- typedef struct {
- State curState;//當前狀態
- EventID eventId;//事件ID
- State nextState;//下個狀態
- CallBack action;//回調函數，事件發生后，調用對應的回調函數
- }StateTransform ;
事件回調函數：實際應用中不同的事件發生需要執行不同的action，就需要定義不同的函數， 為方便起見，本例所有的事件都統一使用同一個回調函數。功能：打印事件發生后進程的前后狀態，如果狀態發生了變化，就調用對應的回調函數。
- void action_callback(void *arg)
- {
- StateTransform *statTran = (StateTransform *)arg;
- if(statename[statTran->curState] == statename[statTran->nextState])
- {
- printf("invalid event,state not change\n");
- }else{
- printf("call back state from %s --> %s\n",
- statename[statTran->curState],
- statename[statTran->nextState]);
- }
- }
為各個狀態定義遷移表數組：
- /*origin*/
- StateTransform stateTran_0[]={
- {sta_origin,evt_fork, sta_running,action_callback},
- {sta_origin,evt_sched, sta_origin,NULL},
- {sta_origin,evt_wait, sta_origin,NULL},
- {sta_origin,evt_wait_unint, sta_origin,NULL},
- {sta_origin,evt_wake_up, sta_origin,NULL},
- {sta_origin,evt_wake, sta_origin,NULL},
- };
- /*running*/
- StateTransform stateTran_1[]={
- {sta_running,evt_fork, sta_running,NULL},
- {sta_running,evt_sched, sta_owencpu,action_callback},
- {sta_running,evt_wait, sta_running,NULL},
- {sta_running,evt_wait_unint, sta_running,NULL},
- {sta_running,evt_wake_up, sta_running,NULL},
- {sta_running,evt_wake, sta_running,NULL},
- };
- /*owencpu*/
- StateTransform stateTran_2[]={
- {sta_owencpu,evt_fork, sta_owencpu,NULL},
- {sta_owencpu,evt_sched, sta_owencpu,NULL},
- {sta_owencpu,evt_wait, sta_sleep_int,action_callback},
- {sta_owencpu,evt_wait_unint, sta_sleep_unint,action_callback},
- {sta_owencpu,evt_wake_up, sta_owencpu,NULL},
- {sta_owencpu,evt_wake, sta_owencpu,NULL},
- };
- /*sleep_int*/
- StateTransform stateTran_3[]={
- {sta_sleep_int,evt_fork, sta_sleep_int,NULL},
- {sta_sleep_int,evt_sched, sta_sleep_int,NULL},
- {sta_sleep_int,evt_wait, sta_sleep_int,NULL},
- {sta_sleep_int,evt_wait_unint, sta_sleep_int,NULL},
- {sta_sleep_int,evt_wake_up, sta_sleep_int,NULL},
- {sta_sleep_int,evt_wake, sta_running,action_callback},
- };
- /*sleep_unint*/
- StateTransform stateTran_4[]={
- {sta_sleep_unint,evt_fork, sta_sleep_unint,NULL},
- {sta_sleep_unint,evt_sched, sta_sleep_unint,NULL},
- {sta_sleep_unint,evt_wait, sta_sleep_unint,NULL},
- {sta_sleep_unint,evt_wait_unint, sta_sleep_unint,NULL},
- {sta_sleep_unint,evt_wake_up, sta_running,action_callback},
- {sta_sleep_unint,evt_wake, sta_sleep_unint,NULL},
- };
實現event發生函數：
- void event_happen(unsigned int event)
- 功能：
- 根據發生的event以及當前的進程state，找到對應的StateTransform 結構體，并調用do_action()
- void do_action(StateTransform *statTran)
- 功能：
- 根據結構體變量StateTransform，實現狀態遷移，并調用對應的回調函數。
- #define STATETRANS(n) (stateTran_##n)
- /*change state & call callback()*/
- void do_action(StateTransform *statTran)
- {
- if(NULL == statTran)
- {
- perror("statTran is NULL\n");
- return;
- }
- //狀態遷移
- globalState = statTran->nextState;
- if(statTran->action != NULL)
- {//調用回調函數
- statTran->action((void*)statTran);
- }else{
- printf("invalid event,state not change\n");
- }
- }
- void event_happen(unsigned int event)
- {
- switch(globalState)
- {
- case sta_origin:
- do_action(&STATETRANS(0)[event]);
- break;
- case sta_running:
- do_action(&STATETRANS(1)[event]);
- break;
- case sta_owencpu:
- do_action(&STATETRANS(2)[event]);
- break;
- case sta_sleep_int:
- do_action(&STATETRANS(3)[event]);
- break;
- case sta_sleep_unint:
- do_action(&STATETRANS(4)[event]);
- break;
- default:
- printf("state is invalid\n");
- break;
- }
- }
測試程序：功能：
- 初始化狀態機的初始狀態為sta_origin;
- 創建子線程，每隔一秒鐘顯示當前進程狀態;
- 事件發生順序為：evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake。
讀者可以跟自己的需要，修改事件發生順序，觀察狀態的變化。
main.c
- /*顯示當前狀態*/
- void *show_stat(void *arg)
- {
- int len;
- char buf[64]={0};
- while(1)
- {
- sleep(1);
- printf("cur stat:%s\n",statename[globalState]);
- }
- }
- void main(void)
- {
- init_machine();
- //創建子線程，子線程主要用于顯示當前狀態
- pthread_create(&pid, NULL,show_stat, NULL);
- sleep(5);
- event_happen(evt_fork);
- sleep(5);
- event_happen(evt_sched);
- sleep(5);
- event_happen(evt_sched);
- sleep(5);
- event_happen(evt_wait);
- sleep(5);
- event_happen(evt_wake);
- }
運行結果：
由結果可知：
- evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake
該事件發生序列對應的狀態遷移順序為：
- origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running
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