状态机编程.docx

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状态机编程

状态机编程（转）

【转载1】有限状态机的实现

有限状态机（FiniteStateMachine或者FiniteStateAutomata）是软件领域中一种重要的工具，很多东西的模型实际上就是有限状态机。

最近看了一些游戏编程AI的材料，感觉游戏中的AI，第一要说的就是有限状态机来实现精灵的AI，然后才是A*寻路，其他学术界讨论比较多的神经网络、模糊控制等问

题还不是很热。

FSM的实现方式：

1）switch/case或者if/else

这无意是最直观的方式，使用一堆条件判断，会编程的人都可以做到，对简单小巧的状态机来说最合适，但是毫无疑问，这样的方式比较原始，对庞大的状态机难以维护。

2）状态表

维护一个二维状态表，横坐标表示当前状态，纵坐标表示输入，表中一个元素存储下一个状态和对应的操作。

这一招易于维护，但是运行时间和存储空间的代价较大。

3）使用StatePattern

使用StatePattern使得代码的维护比switch/case方式稍好，性能上也不会有很多的影响，但是也不是100％完美。

不过RobertC.Martin做了两个自动产生FSM代码的

工具，forjava和forC++各一个，在

Pattern的代码，这样developer的工作只需要维护状态机的文本描述，每必要冒引入bug的风险去维护code。

4）使用宏定义描述状态机

一般来说，C++编程中应该避免使用#define，但是这主要是因为如果用宏来定义函数的话，很容易产生这样那样的问题，但是巧妙的使用,还是能够产生奇妙的效果。

MFC就是使用宏定义来实现大的架构的。

在实现FSM的时候，可以把一些繁琐无比的if/else还有花括号的组合放在宏中，这样，在代码中可以3）中状态机描述文本一样写，通过编译器的预编译处理产生1）一

样的效果，我见过产生C代码的宏，如果要产生C++代码，己软MFC可以，那么理论上也是可行的。

【评】：

状态表的实现方法，《C专家编程》第8章有具体说明，转载【6】

☆──────────────────────传说中的分隔符──────────────────────────────☆

来源2：

【转载2】有限状态机的c实现

2007-05-1115:

12

網絡上可以搜索到很多有限狀態機的代碼和理論分析，這兒僅僅是做一個簡單的例子，僅供入門參考。

这儿以四位密码校验作为状态机的例子，连续输入2479就可以通过密码测试。

一个非常简单的例子，在实际的状态机实例中，状态转移表要更復雜一些，不過方式非常

類似。

在狀態查詢的地方可以做優化，同時對于輸入量也可以做有效性優化。

具體代碼如下：

viewplaincopytoclipboardprint?

c.h  

typedefenum{  

STATE1=1,  

STATE2,  

STATE3,  

STATE4,  

STATE5,//passwordpass  

//...ADDhere  

}STATE;  

typedefenum{  

INPUT1='2',  

INPUT2='4',  

INPUT3='7',  

INPUT4='9',  

}INPUT;  

typedefstruct 

{  

STATEcur_state;  

INPUTinput;  

STATEnext_state;  

}STATE_TRANS; 

c.h

typedefenum{

STATE1=1,

STATE2,

STATE3,

STATE4,

STATE5,//passwordpass

//...ADDhere

}STATE;

typedefenum{

INPUT1='2',

INPUT2='4',

INPUT3='7',

INPUT4='9',

}INPUT;

typedefstruct

{

STATEcur_state;

INPUTinput;

STATEnext_state;

}STATE_TRANS;

c.c 

#include     

#include"c.h"  

STATE_TRANSstate_trans_arry[]=   

{  

{STATE1,INPUT1,STATE2},  

{STATE2,INPUT2,STATE3},  

{STATE3,INPUT3,STATE4},  

{STATE4,INPUT4,STATE5},  

}; 

#defineSTATE_TRANS_CNT（sizeof（state_trans_arry）/sizeof（state_trans_arry[0]））  

intmain（）    

{  

inti;  

charch;  

STATEstate_machine=STATE1;  

while（ch!

='e'）  

{  

  ch=getchar（）;  

  if（（ch>='0'）&&（ch<='9'））//fordigitpasswordinputonly  

  {  

   for（i=0;i

   {  

    if（（ch==state_trans_arry[i].input）&&（state_machine==state_trans_arry[i].cur_state））  

    {  

     state_machine=state_trans_arry[i].next_state;  

     continue;  

    }  

    elseif（i==（STATE_TRANS_CNT-1））//notransfermatch,resetstate  

    {  

     state_machine=STATE1;  

    }  

   }  

   if（state_machine==STATE5）  

    printf（"Passwordcorrect,statetransfermachinepass!

\n"）;  

  }  

}  

return0;  

} 

c.c

#include   

#include"c.h"

STATE_TRANSstate_trans_arry[]=

{

{STATE1,INPUT1,STATE2},

{STATE2,INPUT2,STATE3},

{STATE3,INPUT3,STATE4},

{STATE4,INPUT4,STATE5},

};

#defineSTATE_TRANS_CNT（sizeof（state_trans_arry）/sizeof（state_trans_arry[0]））

intmain（） 

{

inti;

charch;

STATEstate_machine=STATE1;

while（ch!

='e'）

{

  ch=getchar（）;

  if（（ch>='0'）&&（ch<='9'））//fordigitpasswordinputonly

  {

   for（i=0;i

   {

    if（（ch==state_trans_arry[i].input）&&（state_machine==state_trans_arry[i].cur_state））

    {

     state_machine=state_trans_arry[i].next_state;

   //continue;

    break;     //做了修改在vc上可以实现

    }

    elseif（i==（STATE_TRANS_CNT-1））//notransfermatch,resetstate

    {

     state_machine=STATE1;

    }

   }

   if（state_machine==STATE5）

    printf（"Passwordcorrect,statetransfermachinepass!

\n"）;

  }

}

return0;

}

☆──────────────────────传说中的分隔符──────────────────────────────☆

来源3：

【转载3】有限状态机自动机

状态图－－一个图的数据结构！

1.while+switch;

2.状态机：

就是指定系统的所有可能的状态及状态间跳转的条件，然后设一个初始状态输入给这台机器，机器就会自动运转，或最后处于终止状态，或在某一个状态不

断循环。

游戏中状态切换是很频繁的。

可能以前要切换状态就是if~else，或者设标志，但这些都不太结构化，如果把它严格的设为一种标准的状态机，会清楚的多。

比如控制一扇门的运动，初始时门是关的，当有力作用在门上时，门开始慢慢打开，力的作用完后，门渐渐停止不动，当有反向的力时，门又渐渐关上，知道回

到初始关的状态。

这个你会怎么来编程实现呢。

似乎很麻烦，的确，没有状态机的思想时会很烦，设很多标志，一堆if条件。

用状态机的话，不只是代码更清晰，关键是更符合逻辑和自然规律，不同状态不同处理，满足条件则跳转到相关状态。

伪码如下：

enum 

{  

 CLOSED,//关上状态  

 CLOSING,//正在关状态  

 OPENED,//打开状态  

 OPENING,//正在开的状态  

}doorState=CLOSED;//初始为关  

Update（）  

{  

    switch（doorState）  

    caseCLOSED:

         if（有人推门）  

              doorState=OPENING;//跳转到正在开状态  

    break;  

    caseOPENING:

         door.Rotation+=DeltaAngle;//门的旋转

量递增  

         if（门的速度为零）//力的作用已去  

              doorState=OPENED;//跳转到开状态  

   break;  

   caseOPENED:

        if（有人关门）  

             doorState=CLOSING;  

  break;  

  caseCLOSING:

        door.Rotation-=DeltaAngle;//门的旋转量递减  

        if（门的旋转角度减为零）  

             doorState=CLOSED;//门已关上  

   break;   

}  

//而绘制代码几乎不用怎么变,门就是会严格按照状态机的指示去运动，该停就会停  

Render（）  

{  

    RotateView（door.Rotation）;  

    DrawDoor（door.Position）;  

} 

enum

{

 CLOSED,//关上状态

 CLOSING,//正在关状态

 OPENED,//打开状态

 OPENING,//正在开的状态

}doorState=CLOSED;//初始为关

Update（）

{

    switch（doorState）

    caseCLOSED:

         if（有人推门）

              doorState=OPENING;//跳转到正在开状态

    break;

    caseOPENING:

         door.Rotation+=DeltaAngle;//门的旋转量递增

         if（门的速度为零）//力的作用已去

              doorState=OPENED;//跳转到开状态

   break;

   caseOPENED:

        if（有人关门）

             doorState=CLOSING;

  break;

  caseCLOSING:

        door.Rotation-=DeltaAngle;//门的旋转量递减

        if（门的旋转角度减为零）

             doorState=CLOSED;//门已关上

   break;

}

//而绘制代码几乎不用怎么变,门就是会严格按照状态机的指示去运动，该停就会停

Render（）

{

    RotateView（door.Rotation）;

    DrawDoor（door.Position）;

}

这是一个简单但很典型的例子，状态机的应用太多了。

就说一个基本游戏的运转:

（用到了一个状态然后还有子状态）

UpdateGame（）  

BEGIN;  

  switch（gameState）  

  case等待选择菜单:

//它有三个子状态。

  if（选择菜单项＝＝开始）  

  {  

      游戏初始；  

     gameState=开始游戏  

  }  

  if（选择菜单项＝＝选项）  

     gameState=设置  

  if（选择菜单项＝＝退出）  

      gameState=退出  

 case开始：

 游戏运行；  

 if（用户按退出键）  

 gameState=等待选择菜单;  

 ...其他的状态跳转处理;  

 case退出:

 释放资源；  

 退出；  

 case设置:

 分别处理不同的选项，跳转不同的子状态；  

 case....//其他状态的处理  

END; 

UpdateGame（）

BEGIN;

  switch（gameState）

  case等待选择菜单:

//它有三个子状态。

  if（选择菜单项＝＝开始）

  {

      游戏初始；

     gameState=开始游戏

  }

  if（选择菜单项＝＝选项）

     gameState=设置

  if（选择菜单项＝＝退出）

      gameState=退出

 case开始：

 游戏运行；

 if（用户按退出键）

 gameState=等待选择菜单;

 ...其他的状态跳转处理;

 case退出:

 释放资源；

 退出；

 case设置:

 分别处理不同的选项，跳转不同的子状态；

 case....//其他状态的处理

END;

某一个状态可以包含更多的子状态，这样最好是同一层次的状态设为一个枚举,并分到另一个switch处理

如enumSTATES{state1,state2,state3};state2又包含若干状态

则再定义enumSUB_STATE2{sub_state2_1,sub_state2_2,sub_state2_3,};

想很多基本的渲染效果，如淡入淡出，闪烁等等，用状态的思想会事半功倍，思路也更清晰。

其实像Opengl,Direct3D这样的渲染引擎本身就是状态机，当你设置渲染的状态，这台机器就保持这个状态进行渲染工作，如保持光照位置，保持片元颜色，直到

你再次改变它的状态。

状态机的应用实在太广，相关理论也很多，最近上课学的随机过程里也讲到一些，数字电路里的时序逻辑器件也是用状态机来描述。

这些不必多说了。

总之，用状态机的角度去看待问题，往往能把比较复杂的系统分解为能单独处理的众多子状态，处理也会得心应手。

希望大家多用它，很好的东西。

二、

推荐这个：

[程序员杂志2004.8月刊_state模式和composite模式实现的状态机引擎]

个人感觉状态机的几个不同实现阶段：

1、switch/case最原始的实现方式,是很多的c程序员习惯采用的方式。

2、查找表[状态、事件、动作],稍微做了一点改进。

有点类似MFC的雏形。

3、在以上基础上做的一些改进或者变体。

[比如用一个栈结构，激活的状态位于栈顶，自动的映射事件和动作的对应，再或者通过一些巧妙的宏等手段进行包装。

但是线性结构在实际中使用比较受限、过于技

巧性的宏比较难于理解...]

4、面向对象的设计下、灵活运用模式。

如上面给出的链接。

重用性和灵活性方面都有不错的表现。

沿袭类似的设计思路、根据实际开发内容进行改造后利用。

【评】：

伪代码部分，可以帮助很好的理解【转载1】文章中叙述的FSM的实现方法1；查找表[状态、事件、动作],稍微做了一点改进。

有点类似MFC的雏形类似于【转

载1】文章中叙述的FSM的实现方法2（状态表）

☆──────────────────────传说中的分隔符──────────────────────────────☆

【转载4】fsmimplementedinCcode（FSM状态机用C实现）

用C语言实现一个状态机，很简单，和大家分享

这是我做毕业设计时，用nRF24L01组建了一个简单的网络，做的一个小的状态机，网络中三个节点，开始拓扑为网状，后来为星型。

#include 

#include 

#include  

//Finitestatemachinedeclaration  

//statedeclaration 

#defineIDLE                 0//idlestateinrxmode 

#defineM_BROADCAST          1//broadcaststateintxmode,broadcasttobeamasterpoint 

#defineM_WAIT_BROADCAST_ACK 2//waitforbroadcastackstateinrxmode,waitforthepointackinaspecifictimewindow 

#defineM_WAIT_COMMAND       3//waitforcommandstate,waitforPCcommandviaUART 

#defineM_BROADCAST_CANCEL   4//broadcastcancelstate,broadcasttocancelmasterpoint 

#defineS_BROADCAST_ACK      5//slavemode,sendbackselfphysicaladdress 

#defineS_WAIT_COMMAND       6//slavemode,waitforcommandfromthemasterpoint  

//statetransitiontrig  

//usedinmastermode  

intisReqBeMaster=0;        //IsPCrequestthepointtobemaster?

intisTimeout=0;            //Istimeout?

intisReqCancelMaster=0;    //Isrequesttocancelmaster?

//usedinslavemode  

intisRxBroadcast=0;        //Isthereapointbroadcasttobemaster?

intisRxBroadcastCancel=0;  //Isreceivebroadcastcancelmaster?

typedefstructfsmtag  

{  

   intstate;//state  

   inttimeouttime;        //timeouttimeinmilliseconds  

}fsm;  

//functionprototype  

intmain（）  

{  

   fsmf;  

   f.state=IDLE;  

   f.timeouttime=0;  

   while

（1）  

   {  

       switch（f.state）  

       {  

       caseIDLE:

           puts（"IDLE\nWaitforisReqBeMaster（1/0）isRxBroadcast（1/0）:

"）;  

           scanf（"%d%d",&isReqBeMaster,&isRxBroadcast）;  

           if（isR