c語言設計模式--狀態模式(狀態機)

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作者：亞索老哥

模式動機

狀態模式(狀態機)是嵌入式開發中最重要、最核心的設計模式之一，毫不誇張的說，是否熟練掌握狀態模式，很大程度上直接決定了嵌入式工程師的代碼掌控能力。在嵌入式開發裏面，幾乎80%以上的程序都有狀態模式(狀態機)的影子。在一個思路清晰而且高效的程序中，必然有狀態模式(狀態機)身影浮現。但是很多嵌入式開發者只是掌握一些很基礎的狀態機編程，對狀態機編程如果提高程序的可維護性和可拓展性並沒有一個深刻的理解。

這裏我通過一個簡單易懂的MP3播放器案例，把自己獨家總結的狀態機六步法分享給大家，幫助大家在啃下狀態機這塊硬骨頭。相信你深度掌握狀態機編程以後，你優雅美觀的代碼會讓同事朋友們眼前一亮，嘖嘖稱讚。

生活中的狀態模式(狀態機)

幾乎在所有的複雜項目裏面，都充斥着各種事物狀態的變化。這是因爲我們身處的物理世界本來就是一個動態多變的環境，自然我們開發的程序也要根據事物不同時刻不同場景的狀態，不斷調整自身的行爲屬性。

比如電影《分裂》裏面，詹姆斯·麥卡沃伊飾演的男主Kevin患有精神分裂，有着多重人格疾病，他被精神病醫生Dr. Fletcher診斷出有23重人格，可以隨時間或境遇切換，一會變成精明聰穎的律師，一會是懦弱的失敗者總是要自殺，一個境遇觸發又是憤怒的殺人暴徒，這人格切換速度，喪心病狂到令人髮指。

想象一下，假如我們要在程序中實現這樣一個角色，就必須要有一個良好的狀態變化設計，才能保證主人公在快速切換狀態的情況下，都能擁有與之匹配的精神狀態和行爲舉止。

場景案例

場景:設計一個簡單的MP3播放器，要求兩個按鍵(播放/暫停、停止)分別控制MP3的播放/停止功能。

如下表所示:

按鍵	功能
[play/pause]	播放/暫停
[stop]	停止

狀態遷移圖

在狀態模式的設計開發中，我們通常藉助狀態遷移圖來進行多個狀態的分析。本案例中的MP3播放器，狀態遷移圖如下圖所示:

雖然圖示很簡單，但是非常有用，因爲各按鍵按下後，MP3播放器的狀態變化一目瞭然，根據狀態遷移圖，我們就可以着手程序的編寫了。

我們先來看一個狀態模式(狀態機)的入門級別的實現--簡單狀態機。其實就是通過大量的switch/case和if/else，在很多項目中經常可以看到類似的代碼:

#include <stdio.h>

void stopPlayer();
void pausePlayer();
void resumePlayer();
void startPlayer();
//按鍵的動作類型
typedef enum {
    EV_STOP,
    EV_PLAY_PAUSE
}EventCode;

//MP3的狀態
enum{
  ST_IDLE,
  ST_PLAY,
  ST_PAUSE
};

//MP3當前狀態
char state;

//MP3狀態初始化
void init()
{
  state = ST_IDLE;
}

//狀態機處理MP3的過程變化
void onEvent(EventCode ec)
{
  switch (state)
  {
  case ST_IDLE:
        if(EV_PLAY_PAUSE == ec)
          startPlayer();
        break;
  case ST_PLAY:
        if(EV_STOP == ec)
          stopPlayer();
        else if(EV_PLAY_PAUSE == ec)
          pausePlayer();
        break;
  case ST_PAUSE:
        if(EV_STOP == ec)
          stopPlayer();
        else if(EV_PLAY_PAUSE == ec)
          resumePlayer();
        break;
  default:
        break;
  }
}

void stopPlayer()
{
  state = ST_IDLE;
  printf("停止播放音樂\n");
}

void pausePlayer()
{
  state = ST_PAUSE;
  printf("暫停播放音樂\n");
}

void resumePlayer()
{
  state = ST_PLAY;
  printf("恢復播放音樂\n");
}

void startPlayer()
{
  state = ST_PLAY;
  printf("開始播放音樂\n");
}
//主程序實現MP3的播放控制
void main()
{
  init();
  onEvent(EV_PLAY_PAUSE);//播放
  onEvent(EV_PLAY_PAUSE);//暫停
  onEvent(EV_PLAY_PAUSE);//繼續播放
  onEvent(EV_STOP);      //停止
}

代碼已經在c在線工具|菜鳥工具中運行驗證，讀者也可以自行驗證。運行結果如下：

開始播放音樂
暫停播放音樂
恢復播放音樂
停止播放音樂

在上面的代碼實現中，主要是在onEvent函數中，以MP3的當前狀態作爲判斷條件進行相應的分支改動，簡單地按照狀態遷移圖，實現了功能。

但是我們觀察onEvent函數，不難發現其中有大量的swith...case這樣的判斷（if...else也是一樣）.對於MP3播放器這樣簡單的例子，這樣的代碼還是不難閱讀和維護的。但是當狀態和事件增加後，onEvent函數就會變得非常龐大，這是因爲該函數的代碼行數與狀態和事件數量的乘積成正比，直接導致代碼行數爆炸增長，代碼會越發變得難以閱讀和維護。

其次，程序的擴展性非常差，無論是我們新增一種狀態，還是新增一種按鍵動作，onEvent函數都要大改特改，極難保障程序的穩定性。

解決方案

核心思路:我們可以利用C語言的多態特性來分解複雜的條件分支(關於c語言多態的實現，請查看c語言面向對象基礎)。這樣一來可以就避免大量的swith...case和 if...else等條件分支語句，提高程序的可維護性和可擴展性。

下面我將使用獨家總結的六步法，幫助大家輕鬆掌握狀態模式(狀態機)的編程訣竅。

#include <stdio.h>

/***********************************************
1、定義狀態接口，以MP3的狀態接口爲例，每種狀態下都可能發生
兩種按鍵動作。
************************************************/

typedef struct State{
  void (* stop)();
  void (* palyOrPause)();
}State;


/***********************************************
2、定義系統當前狀態指針，保存系統的當前狀態
************************************************/

State * pCurrentState;


/***********************************************
3、定義具體狀態，根據狀態遷移圖來實現具體功能和狀態切換。
************************************************/

void ignore();
void startPlay();
void stopPlay();
void pausePlay();
void resumePlay();

//空閒狀態時，stop鍵操作無效，play/pause會開始播放音樂
State IDLE = {
  ignore,
  startPlay
};

//播放狀態時，stop鍵會停止播放音樂，play/pause會暫停播放音樂
State PLAY = {
  stopPlay,
  pausePlay
};

//暫停狀態時，stop鍵會停止播放音樂，play/pause會恢復播放音樂
State PAUSE = {
  stopPlay,
  resumePlay
};

void ignore()
{
  //空函數，不進行操作
}

void startPlay()
{
  //實現具體功能
  printf("開始播放音樂\n");
  //進入播放狀態
  pCurrentState = &PLAY;
}
void stopPlay()
{
  //實現具體功能
  printf("停止播放音樂\n");
  //進入空閒狀態
  pCurrentState = &IDLE;
}

void pausePlay()
{
  //實現具體功能
  printf("暫停播放音樂\n");
  //進入暫停狀態
  pCurrentState = &PAUSE;
}

void resumePlay()
{
  //實現具體功能
  printf("恢復播放音樂\n");
  //進入播放狀態
  pCurrentState = &PLAY;
}


/***********************************************
4、定義主程序上下文操作接口，主程序只關心當前狀態，不關心狀態之間
是怎麼變化的。
************************************************/

void onStop();
void onPlayOrPause();

State context = {
  onStop,
  onPlayOrPause
};

void onStop(State *pThis)
{
  pCurrentState->stop(pThis);
}

void onPlayOrPause(State *pThis)
{
  pCurrentState->palyOrPause(pThis);
}


/***********************************************
5、初始化系統當前狀態指針，其實就是指定系統的起始狀態
************************************************/

void init()
{
  pCurrentState = &IDLE;
}

/***********************************************
6、主程序通過上下文操作接口來控制系統當前狀態的變化
************************************************/
void main()
{
  init();
  context.palyOrPause();//播放
  context.palyOrPause();//暫停
  context.palyOrPause();//播放
  context.stop();//停止
}

代碼已經在c在線工具|菜鳥工具中運行驗證，讀者也可以自行驗證。運行結果如下：

開始播放音樂
暫停播放音樂
恢復播放音樂
停止播放音樂

對比前後兩份代碼，六步法實現的狀態機比簡單狀態機明顯有以下幾方面的優點：

• 代碼結構要更加清晰，避免了過多的switch...case或者if...else語句   的使用。

• 很好地體現了開閉原則和單一職責原則，每個狀態都是一個子結構體，你要增加狀態就要增加子結構體，你要修改狀態，你只修改一個子結構體就可以了。

• 封裝性非常好，狀態變換放置到子結構體的內部來實現，外部的調用不用知道子結構體的內部如何實現狀態和行爲的變換。

最後跟大家總計一下狀態機六步法:

(1)、定義狀態接口。
(2)、定義系統當前狀態指針。
(3)、定義具體狀態，根據狀態遷移圖來實現具體功能和狀態切換。
(4)、定義主程序上下文操作接口。
(5)、初始化系統當前狀態指針。
(6)、主程序通過上下文操作接口來控制系統當前狀態的變化。

一般來說，熟練使用狀態機六步法的嵌入式開發者，大都是兩年軟件開發經驗以上的老鳥了。所以，如果你還是個嵌入式新手，請在實際開發中多多運用它，以後你的代碼才能越來越優雅美觀。而且掌握狀態機編程對理解其他更復雜的設計模式也是大有裨益的。

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