有限自動機（Finite Automata Machine）是計算機科學的重要基石，它在軟件開發(fā)領域內(nèi)通常被稱作有限狀態(tài)機（Finite State Machine），是一種應用非常廣泛的軟件設計模式（Design Pattern）。本文介紹如何構建基于狀態(tài)機的軟件系統(tǒng)，以及如何利用Linux下的工具來自動生成實用的狀態(tài)機框架。
一、什么是狀態(tài)機
有限狀態(tài)機是一種用來進行對象行為建模的工具，其作用主要是描述對象在它的生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，以及如何響應來自外界的各種事件。在面向對象的軟件系統(tǒng)中，一個對象無論多么簡單或者多么復雜，都必然會經(jīng)歷一個從開始創(chuàng)建到最終消亡的完整過程，這通常被稱為對象的生命周期。一般說來，對象在其生命期內(nèi)是不可能完全孤立的，它必須通過發(fā)送消息來影響其它對象，或者通過接受消息來改變自身。在大多數(shù)情況下，這些消息都只不過是些簡單的、同步的方法調用而已。例如，在銀行客戶管理系統(tǒng)中，客戶類（Customer）的實例在需要的時候，可能會調用帳戶（Account）類中定義的getBalance()方法。在這種簡單的情況下，類Customer并不需要一個有限狀態(tài)機來描述自己的行為，主要原因在于它當前的行為并不依賴于過去的某個狀態(tài)。
遺憾的是并不是所有情況都會如此簡單，事實上許多實用的軟件系統(tǒng)都必須維護一兩個非常關鍵的對象，它們通常具有非常復雜的狀態(tài)轉換關系，而且需要對來自外部的各種異步事件進行響應。例如，在VoIP電話系統(tǒng)中，電話類（Telephone）的實例必須能夠響應來自對方的隨機呼叫，來自用戶的按鍵事件，以及來自網(wǎng)絡的信令等。在處理這些消息時，類Telephone所要采取的行為完全依賴于它當前所處的狀態(tài)，因而此時使用狀態(tài)機就將是一個不錯的選擇。
游戲引擎是有限狀態(tài)機最為成功的應用領域之一，由于設計良好的狀態(tài)機能夠被用來取代部分的人工智能算法，因此游戲中的每個角色或者器件都有可能內(nèi)嵌一個狀態(tài)機。考慮RPG游戲中城門這樣一個簡單的對象，它具有打開（Opened）、關閉（Closed）、上鎖（Locked）、解鎖（Unlocked）四種狀態(tài)，如圖1所示。當玩家到達一個處于狀態(tài)Locked的門時，如果此時他已經(jīng)找到了用來開門的鑰匙，那么他就可以利用它將門的當前狀態(tài)轉變?yōu)?span lang="EN-US">Unlocked，進一步還可以通過旋轉門上的把手將其狀態(tài)轉變?yōu)?span lang="EN-US">Opened，從而成功地進入城內(nèi)。
圖1 控制城門的狀態(tài)機
在描述有限狀態(tài)機時，狀態(tài)、事件、轉換和動作是經(jīng)常會碰到的幾個基本概念。
狀態(tài)（State） 指的是對象在其生命周期中的一種狀況，處于某個特定狀態(tài)中的對象必然會滿足某些條件、執(zhí)行某些動作或者是等待某些事件。"
事件（Event） 指的是在時間和空間上占有一定位置，并且對狀態(tài)機來講是有意義的那些事情。事件通常會引起狀態(tài)的變遷，促使狀態(tài)機從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)。
轉換（Transition） 指的是兩個狀態(tài)之間的一種關系，表明對象將在第一個狀態(tài)中執(zhí)行一定的動作，并將在某個事件發(fā)生同時某個特定條件滿足時進入第二個狀態(tài)。
動作（Action） 指的是狀態(tài)機中可以執(zhí)行的那些原子操作，所謂原子操作指的是它們在運行的過程中不能被其他消息所中斷，必須一直執(zhí)行下去。
二、手工編寫狀態(tài)機
與其他常用的設計模式有所不同，程序員想要在自己的軟件系統(tǒng)中加入狀態(tài)機時，必須再額外編寫一部分用于邏輯控制的代碼，如果系統(tǒng)足夠復雜的話，這部分代碼實現(xiàn)和維護起來還是相當困難的。在實現(xiàn)有限狀態(tài)機時，使用switch語句是最簡單也是最直接的一種方式，其基本思路是為狀態(tài)機中的每一種狀態(tài)都設置一個case分支，專門用于對該狀態(tài)進行控制。下面的代碼示范了如何運用switch語句，來實現(xiàn)圖1中所示的狀態(tài)機：
switch (state)
{
// 處理狀態(tài)Opened的分支
case (Opened): {
// 執(zhí)行動作Open
open();
// 檢查是否有CloseDoor事件
if (closeDoor()) {
// 當前狀態(tài)轉換為Closed
changeState(Closed)
}
break;
}
// 處理狀態(tài)Closed的分支
case (Closed): {
// 執(zhí)行動作Close
close();
// 檢查是否有OpenDoor事件
if (openDoor()) {
// 當前狀態(tài)轉換為Opened
changeState(Opened);
}
// 檢查是否有LockDoor事件
if (lockDoor()) {
// 當前狀態(tài)轉換為Locked
changeState(Locked);
}
break;
}
// 處理狀態(tài)Locked的分支
case (Locked): {
// 執(zhí)行動作Lock
lock();
// 檢查是否有UnlockDoor事件
if (unlockDoor()) {
// 當前狀態(tài)轉換為Unlocked
changeState(Unlocked);
}
break;
}
// 處理狀態(tài)Unlocked的分支
case (Unlocked): {
// 執(zhí)行動作Unlock
unlock();
// 檢查是否有LockDoor事件
if (lockDoor()) {
// 當前狀態(tài)轉換為Locked
changeState(Locked)
}
// 檢查是否有OpenDoor事件
if (openDoor()) {
// 當前狀態(tài)轉換為Opened
changeSate(Opened);
}
break;
}
}
使用switch語句實現(xiàn)的有限狀態(tài)機的確能夠很好地工作，但代碼的可讀性并不十分理想，主要原因是在實現(xiàn)狀態(tài)之間的轉換時，檢查轉換條件和進行狀態(tài)轉換都是混雜在當前狀態(tài)中來完成的。例如，當城門處于Opened狀態(tài)時，需要在相應的case中調用closeDoor()函數(shù)來檢查是否有必要進行狀態(tài)轉換，如果是的話則還需要調用changeState()函數(shù)將當前狀態(tài)切換到Closed。顯然，如果在每種狀態(tài)下都需要分別檢查多個不同的轉換條件，并且需要根據(jù)檢查結果讓狀態(tài)機切換到不同的狀態(tài)，那么這樣的代碼將是枯燥而難懂的。從代碼重構的角度來講，此時更好的做法是引入checkStateChange()和performStateChange()兩個函數(shù)，專門用來對轉換條件進行檢查，以及激活轉換時所需要執(zhí)行的各種動作。這樣一來，程序結構將變得更加清晰：
switch (state) {
// 處理狀態(tài)Opened的分支
case (Opened): {
// 執(zhí)行動作Open
open();
// 檢查是否有激發(fā)狀態(tài)轉換的事件產(chǎn)生
if (checkStateChange()) {
// 對狀態(tài)機的狀態(tài)進行轉換
performStateChange();
}
break;
}
// 處理狀態(tài)Closed的分支
case (Closed): {
// 執(zhí)行動作Close
close();
// 檢查是否有激發(fā)狀態(tài)轉換的事件產(chǎn)生
if (checkStateChange()) {
// 對狀態(tài)機的狀態(tài)進行轉換
performStateChange();
}
break;
}
// 處理狀態(tài)Locked的分支
case (Locked): {
// 執(zhí)行動作Lock
lock();
// 檢查是否有激發(fā)狀態(tài)轉換的事件產(chǎn)生
if (checkStateChange()) {
// 對狀態(tài)機的狀態(tài)進行轉換
performStateChange();
}
break;
}
// 處理狀態(tài)Unlocked的分支
case (Unlocked): {
// 執(zhí)行動作Lock
unlock();
// 檢查是否有激發(fā)狀態(tài)轉換的事件產(chǎn)生
if (checkStateChange()) {
// 對狀態(tài)機的狀態(tài)進行轉換
performStateChange();
}
break;
}
}
在很長一段時期內(nèi)，使用switch語句一直是實現(xiàn)有限狀態(tài)機的唯一方法，甚至像編譯器這樣復雜的軟件系統(tǒng)，大部分也都直接采用這種實現(xiàn)方式。但之后隨著狀態(tài)機應用的逐漸深入，構造出來的狀態(tài)機越來越復雜，這種方法也開始面臨各種嚴峻的考驗，其中最令人頭痛的是如果狀態(tài)機中的狀態(tài)非常多，或者狀態(tài)之間的轉換關系異常復雜，那么簡單地使用switch語句構造出來的狀態(tài)機將是不可維護的。
三、自動生成狀態(tài)機
為實用的軟件系統(tǒng)編寫狀態(tài)機并不是一件十分輕松的事情，特別是當狀態(tài)機本身比較復雜的時候尤其如此，許多有過類似經(jīng)歷的程序員往往將其形容為"毫無創(chuàng)意"的過程，因為他們需要將大量的時間與精力傾注在如何管理好狀態(tài)機中的各種狀態(tài)上，而不是程序本身的運行邏輯。作為一種通用的軟件設計模式，各種軟件系統(tǒng)的狀態(tài)機之間肯定會或多或少地存在著一些共性，因此人們開始嘗試開發(fā)一些工具來自動生成有限狀態(tài)機的框架代碼，而在Linux下就有一個挺不錯的選擇──FSME（Finite State Machine Editor）。
圖2 可視化的FSME
FSME是一個基于Qt的有限狀態(tài)機工具，它能夠讓用戶通過圖形化的方式來對程序中所需要的狀態(tài)機進行建模，并且還能夠自動生成用C++或者Python實現(xiàn)的狀態(tài)機框架代碼。下面就以圖1中城門的狀態(tài)機為例，來介紹如何利用FSME來自動生成程序中所需要的狀態(tài)機代碼。
3.1狀態(tài)機建模
首先運行fsme命令來啟動狀態(tài)機編輯器，然后單擊工具欄上" "New"按鈕來創(chuàng)建一個新的狀態(tài)機。FSME中用于構建狀態(tài)機的基本元素一共有五種：事件（Event）、輸入（Input）、輸出（Output）、狀態(tài)（State）和轉換（Transition），在界面左邊的樹形列表中可以找到其中的四種。
狀態(tài)建模
在FSME界面左邊的樹形列表中選擇"States"項，然后按下鍵盤上的Insert鍵來插入一個新的狀態(tài)，接著在右下方的"Name"文本框中輸入狀態(tài)的名稱，再在右上方的繪圖區(qū)域單擊該狀態(tài)所要放置的位置，一個新的狀態(tài)就創(chuàng)建好了。用同樣的辦法可以添加狀態(tài)機所需要的所有狀態(tài)。
圖3 狀態(tài)建模
事件建模
在FSME界面左邊的樹形列表中選" "Events"項，然后按下鍵盤上的Insert鍵來添加一個新的事件，接著在右下方的"Name"文本框中輸入事件的名稱，再單擊"Apply"按鈕，一個新的事件就創(chuàng)建好了。用同樣的辦法可以添加狀態(tài)機所需要的所有事件。
圖4 事件建模
狀態(tài)轉換是整個建模過程中最重要的一個部分，它用來定義有限狀態(tài)機中的一個狀態(tài)是如何切換到另一個狀態(tài)的。例如，當用來控制城門的狀態(tài)機處于Opened狀態(tài)時，如果此時有Close事件產(chǎn)生，那么狀態(tài)機的當前狀態(tài)將切換到Closed狀態(tài)，這樣一個完整的過程在狀態(tài)機模型中可以用closeDoor這樣一個轉換來進行描述。
要在FSME中添加這樣一個轉換，首先需要在界面左邊的樹形列表中選" "States"下的"Opened"項，然后按下鍵盤上的Insert鍵來添加一個新的轉換，接著在右下角的"Name"文本框中輸入轉換的名字"closeDoor"，在"Condition"文本框中輸入"Close"表明觸發(fā)該轉換的條件是事件Close的產(chǎn)生，在"Target"下拉框中選擇"Closed"項表明該轉換發(fā)生后狀態(tài)機將被切換到Closed狀態(tài)，最后再單擊"Apply"按鈕，一個新的狀態(tài)轉換關系就定義好了，如圖5所示。用同樣的辦法可以添加狀態(tài)機所需要的所有轉換。
圖5 轉換建模
3.2 生成狀態(tài)機框架
使用FSME不僅能夠進行可視化的狀態(tài)機建模，更重要的是它還可以根據(jù)得到的模型自動生成用C++或者Python實現(xiàn)的狀態(tài)機框架。首先在FSME界面左邊的樹形列表中選擇"Root"項，然后在右下角的"Name"文本框中輸入狀態(tài)機的名字"DoorFSM"，再從"Initial State"下拉列表中選擇狀態(tài)"Opened"作為狀態(tài)機的初始化狀態(tài)。
圖6 設置初始屬性
在將狀態(tài)機模型保存為door.fsm文件之后，使用下面的命令可以生成包含有狀態(tài)機定義的頭文件：
[xiaowp@linuxgam" code]$ fsmc door.fsm -d -o DoorFSM.
進一步還可以生成包含有狀態(tài)機實現(xiàn)的框架代碼：
[xiaowp@linuxgam code]$ fsmc door.fsm -d -impl DoorFSM.h -o DoorFSM.cpp
如果想對生成的狀態(tài)機進行驗證，只需要再手工編寫一段用于測試的代碼就可以了：
/*
* TestFSM.cpp
* 測試生成的狀態(tài)機框架
*/
#include "DoorFSM.h"
int main()
{
DoorFSM door;
door.A(DoorFSM::Close);
door.A(DoorFSM::Lock);
door.A(DoorFSM::Unlock);
door.A(DoorFSM::Open);
}
有限狀態(tài)機是由事件來進行驅動的，在FSME生成的狀態(tài)機框架代碼中，方法A()可以被用來向狀態(tài)機發(fā)送相應的事件，從而提供狀態(tài)機正常運轉所需要的"動力"。狀態(tài)機負責在其內(nèi)部維護一個事件隊列，所有到達的事件都會先被放到事件隊列中進行等候，從而能夠保證它們將按照到達的先后順序被依次處理。在處理每一個到達的事件時，狀態(tài)機都會根據(jù)自己當前所處的狀態(tài)，檢查與該狀態(tài)對應的轉換條件是否已經(jīng)被滿足，如果滿足的話則激活相應的狀態(tài)轉換過程。
使用下面的命令能夠將生成的狀態(tài)機框架和測試代碼編譯成一個可執(zhí)行文件：
[xiaowp@linuxgam code]$ g++ DoorFSM.cpp TestFSM.cpp -o fsm
由于之前在用fsmc命令生成狀態(tài)機代碼時使用了-d選項，生成的狀態(tài)機框架中會包含一定的調試信息，包括狀態(tài)機中每次狀態(tài)轉換時的激活事件、轉換前的狀態(tài)、所經(jīng)歷的轉換、轉換后的狀態(tài)等，如下所示：
[xiaowp@linuxgam code]$ ./fsm
DoorFSM:event:'Close'
DoorFSM:state:'Opened'
DoorFSM:transition:'closeDoor'
DoorFSM:new state:'Closed'
DoorFSM:event:'Lock'
DoorFSM:state:'Closed'
DoorFSM:transition:'lockDoor'
DoorFSM:new state:'Locked'
DoorFSM:event:'Unlock'
DoorFSM:state:'Locked'
DoorFSM:transition:'unlockDoor'
DoorFSM:new state:'Unlocked'
DoorFSM:event:'Open'
DoorFSM:state:'Unlocked'
DoorFSM:transition:'openDoor'
DoorFSM:new state:'Opened'
3.3 定制狀態(tài)機
目前得到的狀態(tài)機已經(jīng)能夠響應來自外部的各種事件，并適當?shù)卣{整自己當前所處的狀態(tài)，也就是說已經(jīng)實現(xiàn)了狀態(tài)機引擎的功能，接下來要做的就是根據(jù)應用的具體需求來進行定制，為狀態(tài)機加入與軟件系統(tǒng)本身相關的那些處理邏輯。在FSME中，與具體應用相關的操作稱為輸出（Output），它們實際上就是一些需要用戶給出具體實現(xiàn)的虛函數(shù)，自動生成的狀態(tài)機引擎負責在進入或者退出某個狀態(tài)時調用它們。
仍然以控制城門的那個狀態(tài)機為例，假設我們希望在進入每個狀態(tài)時都添加一部分處理邏輯。首在FSME界面左邊的樹形列表選擇"Outputs"項，然后按下鍵盤上的Insert鍵來添加一個新的輸出，接著在右下方的"Name"文本框中輸入相應的名稱，再單擊"Apply"按鈕，一個新的輸出就創(chuàng)建好了，如圖7所示。用同樣的辦法可以添加狀態(tài)機所需要的所有輸出。
圖7 添加輸出
當所有的輸出都定義好之后，接下來就可以為狀態(tài)機中的每個狀態(tài)綁定相應的輸出。首先在FSME界面左側的"States"項中選擇相應的狀態(tài)，然后從右下角的"Available"列表框中選擇與該狀態(tài)對應的輸出，再單擊"<"按鈕將其添加到"In"列表中。用同樣的辦法可以為狀態(tài)機中的所有狀態(tài)設置相應的輸出，同一個狀態(tài)可以對應有多個輸出，其中In列表中的輸出會在進入該狀態(tài)時被調用，而Out列表中的輸出則會在退出該狀態(tài)時被調用，輸出調用的順序是與其在In或者Out列表中的順序相一致的。
由于對狀態(tài)機模型進行了修改，我們需要再次生成狀態(tài)機的框架代碼，不過這次不需要加上-d參數(shù)：
[xiaowp@linuxgam" code]$ fsmc door.fsm -o DoorFSM.h
[xiaowp@linuxgam code]$ fsmc door.fsm -d -impl DoorFSM.h -o DoorFSM.cpp
我們在新的狀態(tài)機模型中添加了enterOpend、enterClosed、enterLocked和enterUnlocked四個輸出，因此生成的類DoorFSM中會包含如下幾個純虛函數(shù)
virtual void enterOpened() = 0;
virtual void enterLocked() = 0;
virtual void enterUnlocked() = 0;
virtual void enterClosed() = 0;
顯然，此時生成的狀態(tài)機框架不能夠再被直接編譯了，我們必須從類DoorFSM派生出一個子類，并提供對這幾個純虛函數(shù)的具體實現(xiàn)：
/*
* DoorFSMLogic.h
* 狀態(tài)機控制邏輯的頭文件
*/
#include "DoorFSM.h"
class DoorFSMLogic : public DoorFSM
{
protected:
virtual void enterOpened();
virtual void enterLocked();
virtual void enterUnlocked();
virtual void enterClosed();
};
正如前面所提到過的，這幾個函數(shù)實際上代表的正是應用系統(tǒng)的處理邏輯，作為例子我們只是簡單地輸出一些提示信息：
/*
* DoorFSMLogic.cpp
* 狀態(tài)機控制邏輯的實現(xiàn)文件
*/
#include "DoorFSMLogic.h"
#include
void DoorFSMLogic::enterOpened()
{
std::cout << "Enter Opened state." << std::endl;
}
void DoorFSMLogic::enterClosed()
{
std::cout << "Enter Closed state." << std::endl;
}
void DoorFSMLogic::enterLocked()
{
std::cout << "Enter Locked state." << std::endl;
}
void DoorFSMLogic::enterUnlocked()
{
std::cout << "Enter Unlocked state." << std::endl;
}
同樣，為了對生成的狀態(tài)機進行驗證，我們還需要手工編寫一段測試代碼：
/*
* TestFSM.cpp
* 測試狀態(tài)機邏輯
*/
#include "DoorFSMLogic.h"
int main()
{
DoorFSMLogic door;
door.A(DoorFSM::Close);
door.A(DoorFSM::Lock);
door.A(DoorFSM::Unlock);
door.A(DoorFSM::Open);
}
使用下面的命令能夠將生成的狀態(tài)機框架和測試代碼編譯成一個可執(zhí)行文件：
[xiaowp@linuxgam code]$ g++ DoorFSM.cpp DoorFSMLogic.cpp TestLogic.cpp -o logic
運行結果如下所示：
[xiaowp@linuxgam code]$ ./logic
Enter Closed state.
Enter Locked state.
Enter Unlocked state.
Enter Opened state.
四、小結
在面向對象的軟件系統(tǒng)中，有些對象具有非常復雜的生命周期模型，使用有限狀態(tài)機是描述這類對象最好的方法。作為一種軟件設計模式，有限狀態(tài)機的概念雖然不算復雜，實現(xiàn)起來也并不困難，但它的問題是當狀態(tài)機的模型復雜到一定的程度之后，會帶來實現(xiàn)和維護上的困難。Linux下的FSME是一個可視化的有限狀態(tài)機建模工具，而且支持狀態(tài)機框架代碼的自動生成，借助它可以更加輕松地構建基于有限狀態(tài)機的應用系統(tǒng)。