狀態機模式是一種行為模式，在《設計模式》這本書中對其有詳細的描述，通過多態實現不同狀態的調轉行為的確是一種很好的方法，只可惜在嵌入式環境下，有時只能寫純C代碼，並且還需要考慮代碼的重入和多任務請求跳轉等情形，因此實現起來着實需要一番考慮。
近日在看了一個開源系統時，看到了一個狀態機的實現，也學着寫了一個，與大家分享。
首先，分析一下一個普通的狀態機究竟要實現哪些內容。
狀態機存儲從開始時刻到現在的變化，並根據當前輸入，決定下一個狀態。這意味着，狀態機要存儲狀態、獲得輸入（我們把它叫做跳轉條件）、做出響應。
如上圖所示，{s1, s2, s3}均為狀態，箭頭c1/a1表示在s1狀態、輸入為c1時，跳轉到s2，並進行a1操作。
最下方為一組輸入，狀態機應做出如下反應：
| 當前狀態 | 輸入 | 下一個狀態 | 動作 |
| s1 | c1 | s2 | a1 |
| s2 | c2 | s3 | a2 |
| s3 | c1 | s2 | a3 |
| s2 | c2 | s3 | a2 |
| s3 | c1 | s2 | a3 |
| s2 | c1 | s_trap | a_trap |
| s_trap | c1 | s_trap | a_trap |
當某個狀態遇到不能識別的輸入時，就默認進入陷阱狀態，在陷阱狀態中，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
在嵌入式環境中，由於存儲空間比較小，因此把它們全部定義成宏。此外，為了降低執行時間的不確定性，我們使用O(1)的跳轉表來模擬狀態的跳轉。
首先定義跳轉類型：
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關系，把三個跳轉加一個陷阱跳轉先定義出來：
// (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關系。
最后定義狀態機，如果不考慮多任務請求，那么狀態機僅需要存儲當前狀態便行了。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正在進行的時候，同時又有其他任務請求跳轉，則會出現數據不一致的問題。
舉個例子：task1(s1, c1/a1 –> s2)和task2(s2, c2/a2 –> s3)先后執行，是可以順利到達s3狀態的，但若操作a1運行的時候，執行權限被task2搶占，則task2此時看到的當前狀態還是s1，s1遇到c2就進入陷阱狀態，而不會到達s3了，也就是說，狀態的跳轉發生了不確定，這是不能容忍的。
因此要重新設計狀態機，增加一個“事務中”條件和一個用於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;
}