ID：邏輯思維
作者：GorgonMeducer

【說在前面的話】

也許從12年前我第一次開始分享狀態(tài)機編寫心得開始，“狀態(tài)機”就像標(biāo)簽一樣緊緊的貼在了“傻孩子”這個網(wǎng)絡(luò)昵稱的額頭上——真是摳都扣不下來。不得不坦白的是，從一開始我介紹狀態(tài)機更多只注重狀態(tài)機這一語言的表現(xiàn)形式，而故意偷懶避開了狀態(tài)機開發(fā)思維的系統(tǒng)性介紹——也許剛開始真的是沒什么自信，覺得自己也沒有能真正領(lǐng)會狀態(tài)機的所謂精髓，所以不敢瞎說；后來慢慢的掌握了所謂的狀態(tài)機思維模式以后，就是真正的懶惰了。

在過去的5年間，盡管那些毛遂自薦參加過我免費遠程培訓(xùn)的人或多或少都學(xué)習(xí)到了一系列使用狀態(tài)機進行開發(fā)的思維方式，但畢竟人數(shù)太少。由阿莫論壇改為付費訂閱模式為契機，我也有機會仔細回看、思考之前所寫過的內(nèi)容。說實話，它們中的很多實在談不上“深入淺出”。

作為公眾號復(fù)更的開端，我覺得有必要系統(tǒng)性的整理我那些所謂的“理論”、把它們寫下來——讓更多的人得以獲得一個討論和交流的起點。雖然我后面要寫的內(nèi)容既不是什么教條、也不是什么標(biāo)準(zhǔn)答案更不會是“金科玉律”，但一定是一個非常好的出發(fā)點——如果能引起大家的思考和討論，真正掌握狀態(tài)機開發(fā)，甚至能發(fā)展出自己的理論和風(fēng)格，那就再好不過了。

(圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Finite-state_machine)

【正文】

說來你不信，有限自動機（Finite State Machine），又叫狀態(tài)機是整個計算機學(xué)科倒數(shù)第二層的基石；倒數(shù)第一層就是大家所熟悉的組合邏輯（Combinational logic）——如果說組合邏輯是沒啥靈魂的細胞的話，有限自動機就是第一種“能夠任意描述思維邏輯”的神獸大烏龜——整個計算機學(xué)科都馱在它的背上。

然而，如同組合邏輯電路如同“阿米巴”一樣的簡單，掌握狀態(tài)機的難度跟“幼稚園”差不了多少。不相信的話，我們先從幾個簡單的概念說起：

怎么理解狀態(tài)？如何才算一個狀態(tài)

很多小伙伴都曾抱怨說“字面意思我都懂”，但“實際中如何理解什么是狀態(tài)”？、“怎樣才算一個狀態(tài)呢？”——我不是第一次遇到這種問題了。答案其實很直接：

【第一種情況】：假設(shè)我們嘗試去做一件事情，但這件事情不是每次去做就一定會成功，而且每次去嘗試都有可能產(chǎn)生至少2種以上的結(jié)果，那么針對這件事情的嘗試就應(yīng)該單獨劃分一個狀態(tài)。舉個例子：

extern?bool?serial_out(uint8_t?chByte);

函數(shù)serial_out()可以用來向某個串行外設(shè)發(fā)送一個字符，比如UART。如果成功了就返回true，如果設(shè)備正忙導(dǎo)致本次發(fā)送失敗則立即返回false。由于外設(shè)的發(fā)送速度相對CPU的運行頻率來說差了好幾個數(shù)量級——在CPU眼中外設(shè)慢得跟蝸牛一樣，所以每次通過serial_out()?發(fā)送字符不一定是成功——很可能外設(shè)還在努力“消化”上一次的字符。這種情況下，如果我們要在狀態(tài)機中描述發(fā)送字符這樣的行為，就值得為其單獨分配一個狀態(tài)，因為它滿足了我們前面說的條件：1）一件事情你要不停的嘗試才有可能成功，而且2）每次做都可能會產(chǎn)生2個以上的結(jié)果。習(xí)慣上，我們會用圖示的方法來描述狀態(tài)，以發(fā)送字符'H'為例：

從圖中很容易注意到：

我們用圓圈來表示一個狀態(tài)；
圓圈中心我們會寫一些注釋性質(zhì)的內(nèi)容用來幫助人們理解這個狀態(tài)是做什么的；
圖中有三個箭頭，最左上角單純“指向”狀態(tài)的箭頭表示從別的什么地方“躍遷”到了當(dāng)前狀態(tài)——我們稱為“扇入”；下方從當(dāng)前狀態(tài)指向別的什么地方的箭頭表示從當(dāng)前狀態(tài)離開；——我們成為“扇出”；右上角從當(dāng)前狀態(tài)“扇出”后又“返回到”當(dāng)前狀態(tài)的情況，我們稱之為“自返”——也就是返回自己的意思。是不是特別簡單。

實際使用的時候，如果單憑一個狀態(tài)圓圈里面的注釋文字，我們?nèi)匀徊荒芾斫膺@個狀態(tài)實際做了什么事情；或者說我們非常好奇這個狀態(tài)實際嘗試做了什么動作，就可以通過以下的標(biāo)注方法追加更多的信息，比如：

你看，是不是更加清晰了？同樣的情況還可以推廣到“調(diào)用一個函數(shù)而函數(shù)有多個不同的返回值”的情況；或者是“我們通過調(diào)用函數(shù)做了一件事情，雖然函數(shù)沒有返回值，但是我們可以通過多種其它手段來獲得這件事情的多個不同結(jié)果”的情況等等——領(lǐng)會精神，以此類推。

【第二種情況】：假設(shè)我們只是單純的在等待某一個事情發(fā)生；或者等待某個一結(jié)果——這個結(jié)果由2個以上的返回值組成等等，那么這個等待行為就需要分配一個獨立的狀態(tài)。舉個例子：

int32_t?get_sensor_voltage(void);

函數(shù)get_sensor_volatage()可以返回某個傳感器的電壓值；我們設(shè)置了上下兩個門限，一旦電壓超過了任何一個門限，我們就切換到其它狀態(tài)，對應(yīng)的狀態(tài)圖示如下：

在這里，HIGH_THRESHOLD和LOW_THRESHOLD是兩個宏表示上下兩個門限。可以看到，這個狀態(tài)表示：如果傳感器的電壓值在兩個門限之間，我們就留在當(dāng)前狀態(tài)（通過自返回）；如果任意門限被超過，我們就相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)到別的狀態(tài)去。

所有的神奇都在狀態(tài)躍遷上

在前面的圖示中，所有的箭頭我們都稱之為“躍遷”，表示從當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到箭頭所指向的目標(biāo)狀態(tài)（自返的躍遷就是自己跳回自己）。躍遷不是無條件的，也不允許無條件——換句話說，每個躍遷都必須有一個條件：例如第一個例子中的true和false就是對應(yīng)躍遷的條件；后面例子中與門限值的比較也是對應(yīng)的條件。

需要特別強調(diào)的是：1）一個狀態(tài)所有的躍遷條件必須是彼此“互斥”的、唯一的；2）所有的躍遷必須能覆蓋一個狀態(tài)機所有可能的情況——絕不允許出現(xiàn)漏網(wǎng)之魚，否則一旦沒有被覆蓋的情況出現(xiàn)就有可能導(dǎo)致整個狀態(tài)機的行為存在“不確定性”——如果狀態(tài)機描述的是一個機器人的行為的話，這就是導(dǎo)致機器人邏輯故障的嚴(yán)重Bug；3）躍遷是個瞬間的行為，你只能認(rèn)為當(dāng)條件滿足時躍遷的行為就像白駒過隙一樣一下就做完了——這點很重要，我們馬上就要細說。

前面說過，當(dāng)某個躍遷的條件得到了滿足，我們就要沿著箭頭的方向從當(dāng)前狀態(tài)調(diào)轉(zhuǎn)到箭頭所指向的目標(biāo)狀態(tài)。實際上，在躍遷的過程中我們還可以執(zhí)行一些動作。需要注意的是，正如前面3）說的那樣，“躍遷是個瞬間行為”，所以這里的動作也只會被執(zhí)行一次。習(xí)慣上，如果某個躍遷存在動作，我們就在躍遷的條件下面加一個橫線，并在橫線的下方按順序列舉所有要執(zhí)行的動作。

比如，我們可以通過一個專門的狀態(tài)來實現(xiàn)一個計數(shù)器延時的效果：

在這個例子中，我們注意到：

雖然左上角扇入Delay狀態(tài)的躍遷條件我們并不知道，但在此時復(fù)位計數(shù)器s_wCounter是再好不過了。所以我們空出了躍遷條件，并在橫線的下方寫下了計數(shù)器的初始化代碼；
右上角的躍遷條件是：“如果計數(shù)器的值小于延時1s所需的最大值”，那么對應(yīng)的動作就是讓計數(shù)器自增；
右下角躍遷的條件是：“計數(shù)器的值超過了規(guī)定的最大值”，因此直接跳到目標(biāo)狀態(tài)而無需做其它動作。

狀態(tài)機的起點和終點

一個狀態(tài)機可以沒有終點，但一定有一個起點，我們稱之為 start。圖示上，習(xí)慣用一個實心小圓點來表示。start 不僅是狀態(tài)機的起點，由一個躍遷來連接它和第一個狀態(tài)；start 還是“兼任”?這一躍遷的條件，例如：

容易看出，這里 start?不僅是整個狀態(tài)機的起點，還兼任了扇入Delay狀態(tài)的躍遷的條件——從圖上來看，很容易理解成：“當(dāng)狀態(tài)機開始時復(fù)位計數(shù)器s_wCounter”——可謂一目了然。

與 start 類似，狀態(tài)機的終點也是一個實心小圓點，以 cpl 來標(biāo)記；cpl?是 complete的縮寫。值得強調(diào)的是，雖然每個狀態(tài)機只有一個start點，但卻可以擁有0個或多個cpl點。一旦狀態(tài)機躍遷到了cpl點，這就意味著當(dāng)前狀態(tài)機結(jié)束了，下次再執(zhí)行狀態(tài)機就自動從start點開始了。

狀態(tài)機有多簡單

至此，借助前面介紹的概念和圖式方法，我們已經(jīng)可以輕松的繪制一個狀態(tài)機（圖）了。其實前面的例子中，我們已經(jīng)看到了一個完整的Delay狀態(tài)機，盡管它只有一個狀態(tài)但已麻雀雖小五臟俱全。接下來，我們再展示一個更直接的例子——如何使用serial_out()發(fā)送字符串“hello”：

還有另外一種更為通用的方法：

“不要問，問就是子狀態(tài)機”

如果狀態(tài)機不能調(diào)用子狀態(tài)機，那它跟咸魚有什么兩樣？那么如何用圖示表示子狀態(tài)機呢？廢話少說，直接上圖：

如圖所示：

子狀態(tài)機是被圓角矩形包裹的
子狀態(tài)機的右上角有一個自反的狀態(tài)遷移，條件是“on going”意味子狀態(tài)機正在執(zhí)行，還未得出一個結(jié)果；
子狀態(tài)機的右下角（或者別的什么位置）需要有一個標(biāo)記有cpl條件的狀態(tài)遷移，表示當(dāng)子狀態(tài)機內(nèi)部達到了終點cpl以后，子狀態(tài)機從這里退出并躍遷到指定的狀態(tài)；
子狀態(tài)機有一個標(biāo)題欄，里面分別列舉了狀態(tài)機的名稱以及傳遞給當(dāng)前子狀態(tài)機的形參列表。（狀態(tài)機的返回值只能是類似cpl, on-going這樣的狀態(tài)，所以不需要特別標(biāo)記）

通過子狀態(tài)機調(diào)用，我們很容易用已有的狀態(tài)機實現(xiàn)搭積木的功能，比如假設(shè)我們將此前Delay的狀態(tài)機也做成子狀態(tài)機，配合這個已有的print_hello子狀態(tài)機，就可以輕松實現(xiàn)一個“打印hello然后延時1秒”的狀態(tài)機：

（這里需要注意，當(dāng)子狀態(tài)機被調(diào)用時，它使用圓角矩形替代了普通狀態(tài)的圓圈。）

考慮到任何一個狀態(tài)機其實都可以在未來被其它狀態(tài)機調(diào)用，我們實際操作上會把每一個狀態(tài)機都按照子狀態(tài)機的格式進行繪制，因此上面的狀態(tài)機正確的畫法應(yīng)該是：

怎么樣，是不是很簡單？

【后記】

請不要懷疑，狀態(tài)機本身是一種編程語言；狀態(tài)圖是描述狀態(tài)機的最常見方式之一；繪制狀態(tài)圖的圖例規(guī)范有很多種，比如UML規(guī)范等等。本文以及后續(xù)其它文章使用的是一種筆者自己結(jié)合狀態(tài)機的常見畫法并針對嵌入式軟件開發(fā)習(xí)慣簡化后的圖例規(guī)范，簡單、明確、有效，并且可以毫無歧義的嚴(yán)格且無腦的翻譯成包括switch狀態(tài)機在內(nèi)的多種C語言實現(xiàn)。在下一篇文章里，我們將以switch狀態(tài)機為例，介紹狀態(tài)圖的無腦翻譯方式，盡情期待。

從零開始，漫談狀態(tài)機

ID：邏輯思維作者：GorgonMeducer

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作者：GorgonMeducer