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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(fù)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(shè)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）。

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。

下面就以下圖中城門的狀態(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。

控制城門的狀態(tài)機

1狀態(tài)機建模

首先運行fsme命令來啟動狀態(tài)機編輯器，然后單擊工具欄上的"New"按鈕來創(chuàng)建一個新的狀態(tài)機。FSME中用于構(gòu)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(zhuǎn)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)，如下圖所示。

狀態(tài)建模

事件建模

在FSME界面左邊的樹形列表中選擇"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，如下圖所示。

轉(zhuǎn)換建模

狀態(tài)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換來進行描述。

要在FSME中添加這樣一個轉(zhuǎn)換，首先需要在界面左邊的樹形列表中選擇"States"下的"Opened"項，然后按下鍵盤上的Insert鍵來添加一個新的轉(zhuǎn)換，接著在右下角的"Name"文本框中輸入轉(zhuǎn)換的名字"closeDoor"，在"Condition"文本框中輸入"Close"表明觸發(fā)該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換關(guān)系就定義好了，如下圖所示。用同樣的辦法可以添加狀態(tài)機所需要的所有轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換建模

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)，如圖6所示。

設(shè)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.h
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(qū)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(yīng)的事件，從而提供狀態(tài)機正常運轉(zhuǎn)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(yīng)的轉(zhuǎn)換條件是否已經(jīng)被滿足，如果滿足的話則激活相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

使用下面的命令能夠?qū)⑸傻臓顟B(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(diào)試信息，包括狀態(tài)機中每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的激活事件、轉(zhuǎn)換前的狀態(tài)、所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)等，如下所示：

[xiaowp@linuxgam code]$ ./fsm DoorFSM'Close' DoorFSM'Opened' DoorFSM'closeDoor' DoorFSM:new state:'Closed' DoorFSM'Lock' DoorFSM'Closed' DoorFSM'lockDoor' DoorFSM:new state:'Locked' DoorFSM'Unlock' DoorFSM'Locked' DoorFSM'unlockDoor' DoorFSM:new state:'Unlocked' DoorFSM'Open' DoorFSM'Unlocked' DoorFSM'openDoor' DoorFSM:new state:'Opened'

3定制狀態(tài)機

目前得到的狀態(tài)機已經(jīng)能夠響應(yīng)來自外部的各種事件，并適當?shù)卣{(diào)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(yīng)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(guān)的那些處理邏輯。在FSME中，與具體應(yīng)用相關(guān)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(diào)用它們。

仍然以控制城門的那個狀態(tài)機為例，假設(shè)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(yīng)的名稱，再單擊"Apply"按鈕，一個新的輸出就創(chuàng)建好了，如圖所示。用同樣的辦法可以添加狀態(tài)機所需要的所有輸出。

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(yīng)的輸出。首先在FSME界面左側(cè)的"States"項中選擇相應(yīng)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(yīng)的輸出，再單擊"<"按鈕將其添加到"In"列表中，如圖所示。用同樣的辦法可以為狀態(tài)機中的所有狀態(tài)設(shè)置相應(yīng)的輸出，同一個狀態(tài)可以對應(yīng)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(diào)用，而Out列表中的輸出則會在退出該狀態(tài)時被調(diào)用，輸出調(diào)用的順序是與其在In或者Out列表中的順序相一致的。

圖為狀態(tài)設(shè)置輸出

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(yīng)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?qū)⑸傻臓顟B(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(jié)果如下所示：

[xiaowp@linuxgam code]$ ./logic Enter Closed state. Enter Locked state. Enter Unlocked state. Enter Opened state.

審核編輯：湯梓紅

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