什么是狀態(tài)機(jī)？

狀態(tài)機(jī)是有限狀態(tài)自動機(jī)的簡稱，是現(xiàn)實事物運行規(guī)則抽象而成的一個數(shù)學(xué)模型。

先來解釋什么是“狀態(tài)”（ State ）?，F(xiàn)實事物是有不同狀態(tài)的，例如一個LED等，就有 亮 和 滅兩種狀態(tài)。我們通常所說的狀態(tài)機(jī)是有限狀態(tài)機(jī)，也就是被描述的事物的狀態(tài)的數(shù)量是有限個，例如LED燈的狀態(tài)就是兩個 亮和 滅。

狀態(tài)機(jī)，也就是 State Machine ，不是指一臺實際機(jī)器，而是指一個數(shù)學(xué)模型。說白了，一般就是指一張狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

舉例

以物理課學(xué)的燈泡圖為例，就是一個最基本的小型狀態(tài)機(jī)

可以畫出以下的狀態(tài)機(jī)圖

這里就是兩個狀態(tài)：①燈泡亮，②燈泡滅 如果打開開關(guān)，那么狀態(tài)就會切換為 燈泡亮 。燈泡亮 狀態(tài)下如果關(guān)閉開關(guān)，狀態(tài)就會切換為 燈泡滅。

狀態(tài)機(jī)的全稱是有限狀態(tài)自動機(jī)，自動兩個字也是包含重要含義的。給定一個狀態(tài)機(jī)，同時給定它的當(dāng)前狀態(tài)以及輸入，那么輸出狀態(tài)時可以明確的運算出來的。例如對于燈泡，給定初始狀態(tài)燈泡滅 ，給定輸入“打開開關(guān)”，那么下一個狀態(tài)時可以運算出來的。

四大概念

下面來給出狀態(tài)機(jī)的四大概念。

1. State ，狀態(tài)。一個狀態(tài)機(jī)至少要包含兩個狀態(tài)。例如上面燈泡的例子，有 燈泡亮和 燈泡滅兩個狀態(tài)。

2. Event ，事件。事件就是執(zhí)行某個操作的觸發(fā)條件或者口令。對于燈泡，“打開開關(guān)”就是一個事件。

3. Action ，動作。事件發(fā)生以后要執(zhí)行動作。例如事件是“打開開關(guān)”，動作是“開燈”。編程的時候，一個 Action 一般就對應(yīng)一個函數(shù)。

4. Transition ，變換。也就是從一個狀態(tài)變化為另一個狀態(tài)。例如“開燈過程”就是一個變換。

狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用

狀態(tài)機(jī)是一個對真實世界的抽象，而且是邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)抽象，所以明顯非常適合用在數(shù)字領(lǐng)域?？梢詰?yīng)用到各個層面上，例如硬件設(shè)計，編譯器設(shè)計，以及編程實現(xiàn)各種具體業(yè)務(wù)邏輯的時候。

進(jìn)程5狀態(tài)模型

進(jìn)程管理是Linux五大子系統(tǒng)之一，非常重要，實際實現(xiàn)起來非常復(fù)雜，我們來看下進(jìn)程是如何切換狀態(tài)的。

下圖是進(jìn)程的5狀態(tài)模型：

關(guān)于該圖簡單介紹如下：

1. 可運行態(tài)：當(dāng)進(jìn)程正在被CPU執(zhí)行，或已經(jīng)準(zhǔn)備就緒隨時可由調(diào)度程序執(zhí)行，則稱該進(jìn)程為處于運行狀態(tài)（running）。進(jìn)程可以在內(nèi)核態(tài)運行，也可以在用戶態(tài)運行。當(dāng)系統(tǒng)資源已經(jīng)可用時，進(jìn)程就被喚醒而進(jìn)入準(zhǔn)備運行狀態(tài)，該狀態(tài)稱為就緒態(tài)。

2. 淺度睡眠態(tài)（可中斷）：進(jìn)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(jìn)程信號或時鐘中斷喚醒，進(jìn)入運行隊列。

3. 深度睡眠態(tài)(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(jìn)程信號或時鐘中斷喚醒。只有被使用wake_up函數(shù)明確喚醒時才能轉(zhuǎn)換到可運行的就緒狀態(tài)。

4. 暫停狀態(tài)：當(dāng)進(jìn)程收到信號SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時就會進(jìn)入暫停狀態(tài)?？上蚱浒l(fā)送SIGCONT信號讓進(jìn)程轉(zhuǎn)換到可運行狀態(tài)。

5. 僵死狀態(tài)：當(dāng)進(jìn)程已停止運行，但其父進(jìn)程還沒有詢問其狀態(tài)時，未釋放PCB，則稱該進(jìn)程處于僵死狀態(tài)。

進(jìn)程的狀態(tài)就是按照這個狀態(tài)圖進(jìn)行切換的。

該狀態(tài)流程有點復(fù)雜，因為我們目標(biāo)只是實現(xiàn)一個簡單的狀態(tài)機(jī)，所以我們簡化一下該狀態(tài)機(jī)如下：

要想實現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，首先將該狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換成下面的狀態(tài)遷移表。

簡要說明如下：假設(shè)當(dāng)前進(jìn)程處于running狀態(tài)下，那么只有schedule事件發(fā)生之后，該進(jìn)程才會產(chǎn)生狀態(tài)的遷移，遷移到owencpu狀態(tài)下，如果在此狀態(tài)下發(fā)生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會導(dǎo)致狀態(tài)的遷移。

如上圖所示：

1. 每一列表示一個狀態(tài)，每一行對應(yīng)一個事件。

2. 該表是實現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的最核心的一個圖，請讀者詳細(xì)對比該表和狀態(tài)遷移圖的的關(guān)系。

3. 實際場景中，進(jìn)程的切換會遠(yuǎn)比這個圖復(fù)雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復(fù)雜的問題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。

實現(xiàn)

根據(jù)狀態(tài)遷移表，定義該狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)如下：

typedef enum {
sta_origin=0,
sta_running,sta_owencpu,sta_sleep_int,sta_sleep_unint}State;

發(fā)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(tài)還是事件都可以根據(jù)實際情況增加調(diào)整。

定義一個結(jié)構(gòu)體用來表示當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息：

typedef struct {
State curState;//當(dāng)前狀態(tài)
EventID eventId;//事件ID
State nextState;//下個狀態(tài)
CallBack action;//回調(diào)函數(shù)，事件發(fā)生后，調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)
}StateTransform ;

事件回調(diào)函數(shù)：實際應(yīng)用中不同的事件發(fā)生需要執(zhí)行不同的action，就需要定義不同的函數(shù)， 為方便起見，本例所有的事件都統(tǒng)一使用同一個回調(diào)函數(shù)。功能：打印事件發(fā)生后進(jìn)程的前后狀態(tài)，如果狀態(tài)發(fā)生了變化，就調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

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(tài)定義遷移表數(shù)組：

/*origin*/
StateTransform stateTran_0={{sta_origin,evt_fork, sta_running,action_callback},{sta_origin,evt_sched, sta_origin,},{sta_origin,evt_wait, sta_origin,},{sta_origin,evt_wait_unint, sta_origin,},{sta_origin,evt_wake_up, sta_origin,},{sta_origin,evt_wake, sta_origin,},};/*running*/
StateTransform stateTran_1={{sta_running,evt_fork, sta_running,},{sta_running,evt_sched, sta_owencpu,action_callback},{sta_running,evt_wait, sta_running,},{sta_running,evt_wait_unint, sta_running,},{sta_running,evt_wake_up, sta_running,},{sta_running,evt_wake, sta_running,},};/*owencpu*/
StateTransform stateTran_2={{sta_owencpu,evt_fork, sta_owencpu,},{sta_owencpu,evt_sched, sta_owencpu,},{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,},{sta_owencpu,evt_wake, sta_owencpu,},};/*sleep_int*/
StateTransform stateTran_3={{sta_sleep_int,evt_fork, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_sched, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_wait, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_wait_unint, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_wake_up, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_wake, sta_running,action_callback},};/*sleep_unint*/
StateTransform stateTran_4={{sta_sleep_unint,evt_fork, sta_sleep_unint,},{sta_sleep_unint,evt_sched, sta_sleep_unint,},{sta_sleep_unint,evt_wait, sta_sleep_unint,},{sta_sleep_unint,evt_wait_unint, sta_sleep_unint,},{sta_sleep_unint,evt_wake_up, sta_running,action_callback},{sta_sleep_unint,evt_wake, sta_sleep_unint,},};

實現(xiàn)event發(fā)生函數(shù)：

void event_happen(unsigned int event)
功能：
根據(jù)發(fā)生的event以及當(dāng)前的進(jìn)程state，找到對應(yīng)的StateTransform 結(jié)構(gòu)體，并調(diào)用do_action

void do_action(StateTransform *statTran)
功能：
根據(jù)結(jié)構(gòu)體變量StateTransform，實現(xiàn)狀態(tài)遷移，并調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

#define STATETRANS(n) (stateTran_##n)
/*change state & call callback*/voiddo_action(StateTransform *statTran)
{if( == statTran)
{perror("statTran is \n");
return;
}//狀態(tài)遷移globalState = statTran->nextState;if(statTran->action != )
{//調(diào)用回調(diào)函數(shù)statTran->action((void*)statTran);}else{
printf("invalid event,state not change\n");
}}voidevent_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：

1. 初始化狀態(tài)機(jī)的初始狀態(tài)為sta_origin；

2. 創(chuàng)建子線程，每隔一秒鐘顯示當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)；

3. 事件發(fā)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(fā)生順序，觀察狀態(tài)的變化。

main.c

/*顯示當(dāng)前狀態(tài)*/
void *show_stat(void *arg)
{int len;
char buf[64]={0};
while(1)
{sleep(1);
printf("cur stat:%s\n",statename[globalState]);
}}voidmain(void)
{init_machine;//創(chuàng)建子線程，子線程主要用于顯示當(dāng)前狀態(tài)
pthread_create(&pid, ,show_stat, );
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(jié)果：

由結(jié)果可知：

evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake

該事件發(fā)生序列對應(yīng)的狀態(tài)遷移順序為：

origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running