使用C++实现一套简单的状态机模型——实例

一般来说，“状态机”是一种表达状态转换变换逻辑的方法。曾经有人和我讨论过为什么不直接用ifelse，而要使用“状态机”去实现一些逻辑，认为使用“状态机”是一种炫技的表现。然而对于大型复杂逻辑的变化和跳转，使用ifelse将带来代码难以阅读等弊端。其实ifelse也是一种状态机实现的方式。

之前我们有个业务和操作系统有着强烈的关联，而我们希望比较清晰地描述整个业务中各个子业务的过程，就引入了状态机描述的方式。可是当时的状态机是使用if else方法描述，显得整个过程比较臃肿，阅读起来也不够清晰。于是我尝试引入第三方的状态机库来重构这块的业务——比如boost里的状态机库。可是使用过程中感觉到了很多不便，索性自己动手实现一套清晰优雅的状态机模型。（转载请指明出于breaksoftware的csdn博客）

编写模型之前，我们需要了解什么是状态机。我在搜索引擎上搜索到了若干结果，但是大部分都显得非常学术化。而实现一个大而全、包罗万象、放之四海而皆适宜的状态机模型也并非我的设计初衷。我设计的状态机具有如下特性：单线程、浅历史。单线程即我们的状态机是在一个线程内部运行的，不受外界其他线程干扰，这样我们在设计时就不用考虑多线程编程的问题。浅历史是状态机中的一个概念，它是指只记录最高一层复合状态的最后离开状态。这个特性如果有不了解的，可以先去搜索下。在实践中，该特性还是非常有用的。

我们以一个简单、可能不恰当的例子来引入我这个状态机。我们先设计一个应用场景：给用户电脑安装软件并运行。这个场景我们可以拆分为如下几个逻辑：

检测是否安装下载安装包解压安装包并安装运行

这四个逻辑并不复杂，我们将其定义为基础状态——一种可以持续一段时间且内部执行逻辑我们不关心的状态。为了让这个逻辑变得稍微有点复杂，我们设计如下要求：

对于未安装该软件的情况：

从A地址下载安装包失败后从B地址下载从B地址下载安装包失败后从C地址下载从C地址下载安装包失败后认为执行失败下载成功后，检测CPU是否繁忙
CPU繁忙则继续检测CPU是否繁忙CPU不繁忙则执行解压解压失败则重新下载。如果之前后A地址下载，则本次从B地址下载；如果之前从B地址下载，则本次从C地址下载解压成功后执行运行失败则重新下载。如果之前后A地址下载，则本次从B地址下载；如果之前从B地址下载，则本次从C地址下载运行成功则认为执行成功 对于已安装该软件的情况： 运行失败则先进行卸载，然后进入“未安装该软件”逻辑运行成功则认为执行成功

我们以状态图来表示：

图中“下载复合状态”是一个具有浅历史特性的复合状态；“安装后运行状态”是一个状态组合集，它让一组复杂的状态转换关系缩变成一种状态。这样如果其他地方需要复用该组合时，只要引入该组合状态名即可。

我们从该模型使用者的角度去看如何去设计和编写代码，至于代码中的模板和函数可以先忽略掉，我们先了解其大概使用。

从上图中我们可以确定有如下输出条件

/* CondDefine.h */ #pragma once // 是否安装 #define CONDITION_EXIST "CONDITION_EXIST" #define CONDITION_NOEXIST "CONDITION_NOEXIST" // 下载是否成功 #define CONDITION_DOWNLOAD_SUC "CONDITION_DONWLOAD_SUC" #define CONDITION_DOWNLOAD_FAI "CONDITION_DONWLOAD_FAI" // CPU是否繁忙 #define CONDITION_BUSY "CONDITION_BUSY" #define CONDITION_NOBUSY "CONDITION_NOBUSY" // 解压是否成功 #define CONIDTION_UNZIP_SUC "CONIDTION_UNZIP_SUC" #define CONDITION_UNZIP_FAI "CONDITION_UNZIP_FAI" // 运行是否成功 #define CONDITION_RUN_SUC "CONDITION_RUN_SUC" #define CONDITION_RUN_FAI "CONDITION_RUN_FAI" // 安装是否成功 #define CONDITION_INSTALL_SUC "CONDITION_INSTALL_SUC" #define CONDITION_INSTALL_FAI "CONDITION_INSTALL_FAI"

整个状态跳转具有如下基础状态

基础状态 类 检测是否安装 CSimpleState_CheckExist 从A地址下载 CSimpleState_Download_From_A 从B地址下载 CSimpleState_Download_From_B 从C地址下载 CSimpleState_Download_From_C 检测CPU占用率 CSimpleState_CheckCPU 解压 CSimpleState_Unzip 安装 CSimpleState_Install 卸载 CSimpleState_Uninstall 执行成功 CSimpleState_Success 执行失败 CSimpleState_Failed 运行 CSimpleState_Run 我们以“从A地址下载”为例，查看该状态的基础代码

#pragma once #include "AutoStateChart.h" #include "StoreMachine.h" // 引入输出宏 #include "CondDefine.h" // 引入业务基类 #include "Business_Random.h" class CMachine_Download_Run_App; // 前置申明状态机类 class CSimpleState_Download_From_A : public AutoStateChart::CAutoStateChartBase { public: CSimpleState_Download_From_A(void) {}; ~CSimpleState_Download_From_A(void){}; public: void Entry() { }; std::string Exit() { return CONDITION_DOWNLOAD_SUC; }; }; 可以发现，该类非常简单。我们只要用模板申明好类（模板参数：自己、状态机类、存储类），并实现Entry和Exit两个函数就行了。我们再看下下载的复合状态类

#pragma once #include "AutoStateChart.h" #include "StoreMachine.h" // 引入输出宏 #include "CondDefine.h" // 引入子状态 #include "SimpleState_Download_From_A.h" #include "SimpleState_Download_From_B.h" #include "SimpleState_Download_From_C.h" class CMachine_Download_Run_App; // 前置申明状态机类 // 该类将产生两种输出CONDITION_DONWLOAD_SUC、CONDITION_DONWLOAD_FAI class CCompositeState_Download: public AutoStateChart::CCompositeStates { public: CCompositeState_Download(void) {}; ~CCompositeState_Download(void) {}; public: REGISTERSTATECONVERTBEGIN(CSimpleState_Download_From_A) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Download_From_A, CONDITION_DOWNLOAD_FAI, CSimpleState_Download_From_B) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Download_From_B, CONDITION_DOWNLOAD_FAI, CSimpleState_Download_From_C) REGISTERSTATECONVERTEND() }; 这个类也非常简单，它对应于图中的

其中REGISTERSTATECONVERTBEGIN宏指定了该复合状态的起始状态（状态类），REGISTERSTATECONVERT指定了状态翻转逻辑（前状态类，条件，后状态类）。

我们再看下“安装后运行状态”这个组合状态的类

#pragma once #include "AutoStateChart.h" #include "StoreMachine.h" // 引入输出宏 #include "CondDefine.h" // 引入子状态 #include "CompositeState_Download.h" #include "SimpleState_Failed.h" #include "SimpleState_CheckCPU.h" #include "SimpleState_Unzip.h" #include "SimpleState_Install.h" #include "SimpleState_Run.h" #include "SimpleState_Uninstall.h" #include "SimpleState_Success.h" class CMachine_Download_Run_App; // 前置申明状态机类 class CCollectionState_Install_Run: public AutoStateChart::CCollectionStates { public: CCollectionState_Install_Run(void){}; ~CCollectionState_Install_Run(void){}; public: REGISTERSTATECONVERTBEGIN(CCompositeState_Download) REGISTERSTATECONVERT(CCompositeState_Download, CONDITION_DOWNLOAD_SUC, CSimpleState_CheckCPU) REGISTERSTATECONVERT(CCompositeState_Download, CONDITION_DOWNLOAD_FAI, CSimpleState_Failed) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_CheckCPU, CONDITION_BUSY, CSimpleState_CheckCPU) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_CheckCPU, CONDITION_NOBUSY, CSimpleState_Unzip) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Unzip, CONIDTION_UNZIP_SUC, CSimpleState_Install) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Unzip, CONDITION_UNZIP_FAI, CCompositeState_Download) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Install, CONDITION_INSTALL_SUC, CSimpleState_Run) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Install, CONDITION_INSTALL_FAI, CCompositeState_Download) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Run, CONDITION_RUN_SUC, CSimpleState_Success) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Run, CONDITION_RUN_FAI, CSimpleState_Uninstall) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Uninstall, "", CCompositeState_Download) REGISTERSTATECONVERTEND() }; 该类的写法也很简单REGISTERSTATECONVERTBEGIN、REGISTERSTATECONVERT和REGISTERSTATECONVERTEND三个宏构成了整个状态跳转图

最后我们再看下状态机的类

#pragma once #include "AutoStateChart.h" #include "StoreMachine.h" // 引入输出宏 #include "CondDefine.h" // 引入子状态 #include "SimpleState_CheckExist.h" #include "CollectionState_Install_Run.h" #include "SimpleState_Run.h" #include "SimpleState_Uninstall.h" #include "SimpleState_Success.h" class CMachine_Download_Run_App : public AutoStateChart::CAutoStateChartMachine { public: CMachine_Download_Run_App(void) {}; ~CMachine_Download_Run_App(void) {}; public: REGISTERSTATECONVERTBEGIN(CSimpleState_CheckExist) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_CheckExist, CONDITION_NOEXIST, CCollectionState_Install_Run) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_CheckExist, CONDITION_EXIST, CSimpleState_Run) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Run, CONDITION_RUN_FAI, CSimpleState_Uninstall) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Run, CONDITION_RUN_SUC, CSimpleState_Success) REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Uninstall, "", CCollectionState_Install_Run) REGISTERSTATECONVERTEND() }; 它也是通过三个宏构成了整个逻辑跳转。

在模块独立的前提下，该状态机还算是比较优雅简洁的展现了整个状态跳转的流程。当然在这个简洁的背后还是隐藏了很多背后的秘密。我们将在下节介绍其实现。

我们最终通过如下代码，让整个状态机运行起来：

boost::shared_ptr spc = boost::make_shared(); spc->StartMachine();