使用C++实现一套简单的状态机模型——实例

一般来说，“状态机”是一种表达状态转换变换逻辑的方法。曾经有人和我讨论过为什么不直接用ifelse，而要使用“状态机”去实现一些逻辑，认为使用“状态机”是一种炫技的表现。然而对于大型复杂逻辑的变化和跳转，使用ifelse将带来代码难以阅读等弊端。其实ifelse也是一种状态机实现的方式。

之前我们有个业务和操作系统有着强烈的关联，而我们希望比较清晰地描述整个业务中各个子业务的过程，就引入了状态机描述的方式。可是当时的状态机是使用if else方法描述，显得整个过程比较臃肿，阅读起来也不够清晰。于是我尝试引入第三方的状态机库来重构这块的业务——比如boost里的状态机库。可是使用过程中感觉到了很多不便，索性自己动手实现一套清晰优雅的状态机模型。（转载请指明出于breaksoftware的csdn博客）

编写模型之前，我们需要了解什么是状态机。我在搜索引擎上搜索到了若干结果，但是大部分都显得非常学术化。而实现一个大而全、包罗万象、放之四海而皆适宜的状态机模型也并非我的设计初衷。我设计的状态机具有如下特性：单线程、浅历史。单线程即我们的状态机是在一个线程内部运行的，不受外界其他线程干扰，这样我们在设计时就不用考虑多线程编程的问题。浅历史是状态机中的一个概念，它是指只记录最高一层复合状态的最后离开状态。这个特性如果有不了解的，可以先去搜索下。在实践中，该特性还是非常有用的。

我们以一个简单、可能不恰当的例子来引入我这个状态机。我们先设计一个应用场景：给用户电脑安装软件并运行。这个场景我们可以拆分为如下几个逻辑：

1. 检测是否安装
2. 下载安装包
3. 解压安装包并安装
4. 运行

这四个逻辑并不复杂，我们将其定义为基础状态——一种可以持续一段时间且内部执行逻辑我们不关心的状态。为了让这个逻辑变得稍微有点复杂，我们设计如下要求：

对于未安装该软件的情况：

• 从A地址下载安装包失败后从B地址下载
• 从B地址下载安装包失败后从C地址下载
• 从C地址下载安装包失败后认为执行失败
• 下载成功后，检测CPU是否繁忙
• CPU繁忙则继续检测CPU是否繁忙
• CPU不繁忙则执行解压
• 解压失败则重新下载。如果之前后A地址下载，则本次从B地址下载；如果之前从B地址下载，则本次从C地址下载
• 解压成功后执行
• 运行失败则重新下载。如果之前后A地址下载，则本次从B地址下载；如果之前从B地址下载，则本次从C地址下载
• 运行成功则认为执行成功

对于已安装该软件的情况：

• 运行失败则先进行卸载，然后进入“未安装该软件”逻辑
• 运行成功则认为执行成功

我们以状态图来表示：

图中“下载复合状态”是一个具有浅历史特性的复合状态；“安装后运行状态”是一个状态组合集，它让一组复杂的状态转换关系缩变成一种状态。这样如果其他地方需要复用该组合时，只要引入该组合状态名即可。

我们从该模型使用者的角度去看如何去设计和编写代码，至于代码中的模板和函数可以先忽略掉，我们先了解其大概使用。

从上图中我们可以确定有如下输出条件

/* CondDefine.h
*/
#pragma once// 是否安装
#define CONDITION_EXIST "CONDITION_EXIST"
#define CONDITION_NOEXIST "CONDITION_NOEXIST"// 下载是否成功
#define CONDITION_DOWNLOAD_SUC "CONDITION_DONWLOAD_SUC"
#define CONDITION_DOWNLOAD_FAI "CONDITION_DONWLOAD_FAI"// CPU是否繁忙
#define CONDITION_BUSY "CONDITION_BUSY"
#define CONDITION_NOBUSY "CONDITION_NOBUSY"// 解压是否成功
#define CONIDTION_UNZIP_SUC "CONIDTION_UNZIP_SUC"
#define CONDITION_UNZIP_FAI "CONDITION_UNZIP_FAI"// 运行是否成功
#define CONDITION_RUN_SUC "CONDITION_RUN_SUC"
#define CONDITION_RUN_FAI "CONDITION_RUN_FAI"// 安装是否成功
#define CONDITION_INSTALL_SUC "CONDITION_INSTALL_SUC"
#define CONDITION_INSTALL_FAI "CONDITION_INSTALL_FAI"

整个状态跳转具有如下基础状态

我们以“从A地址下载”为例，查看该状态的基础代码

#pragma once
#include "AutoStateChart.h"
#include "StoreMachine.h"// 引入输出宏
#include "CondDefine.h"// 引入业务基类
#include "Business_Random.h"class CMachine_Download_Run_App;     // 前置申明状态机类class CSimpleState_Download_From_A :public AutoStateChart::CAutoStateChartBase<CSimpleState_Download_From_A, CMachine_Download_Run_App, CStoreofMachine>
{
public:CSimpleState_Download_From_A(void) {};~CSimpleState_Download_From_A(void){};
public:void Entry() {};std::string Exit() {return CONDITION_DOWNLOAD_SUC;};
};

可以发现，该类非常简单。我们只要用模板申明好类（模板参数：自己、状态机类、存储类），并实现Entry和Exit两个函数就行了。我们再看下下载的复合状态类

#pragma once
#include "AutoStateChart.h"
#include "StoreMachine.h"// 引入输出宏
#include "CondDefine.h"// 引入子状态
#include "SimpleState_Download_From_A.h"
#include "SimpleState_Download_From_B.h"
#include "SimpleState_Download_From_C.h"class CMachine_Download_Run_App;     // 前置申明状态机类// 该类将产生两种输出CONDITION_DONWLOAD_SUC、CONDITION_DONWLOAD_FAI
class CCompositeState_Download:public AutoStateChart::CCompositeStates<CCompositeState_Download, CMachine_Download_Run_App, CStoreofMachine>
{
public:CCompositeState_Download(void) {};~CCompositeState_Download(void) {};
public:REGISTERSTATECONVERTBEGIN(CSimpleState_Download_From_A)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Download_From_A, CONDITION_DOWNLOAD_FAI, CSimpleState_Download_From_B)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Download_From_B, CONDITION_DOWNLOAD_FAI, CSimpleState_Download_From_C)REGISTERSTATECONVERTEND()
};

这个类也非常简单，它对应于图中的

        其中REGISTERSTATECONVERTBEGIN宏指定了该复合状态的起始状态（状态类），REGISTERSTATECONVERT指定了状态翻转逻辑（前状态类，条件，后状态类）。

我们再看下“安装后运行状态”这个组合状态的类

#pragma once
#include "AutoStateChart.h"
#include "StoreMachine.h"// 引入输出宏
#include "CondDefine.h"// 引入子状态
#include "CompositeState_Download.h"
#include "SimpleState_Failed.h"
#include "SimpleState_CheckCPU.h"
#include "SimpleState_Unzip.h"
#include "SimpleState_Install.h"
#include "SimpleState_Run.h"
#include "SimpleState_Uninstall.h"
#include "SimpleState_Success.h"class CMachine_Download_Run_App;     // 前置申明状态机类class CCollectionState_Install_Run:public AutoStateChart::CCollectionStates<CCollectionState_Install_Run, CMachine_Download_Run_App, CStoreofMachine>
{
public:CCollectionState_Install_Run(void){};~CCollectionState_Install_Run(void){};
public:REGISTERSTATECONVERTBEGIN(CCompositeState_Download)REGISTERSTATECONVERT(CCompositeState_Download, CONDITION_DOWNLOAD_SUC, CSimpleState_CheckCPU)REGISTERSTATECONVERT(CCompositeState_Download, CONDITION_DOWNLOAD_FAI, CSimpleState_Failed)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_CheckCPU, CONDITION_BUSY, CSimpleState_CheckCPU)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_CheckCPU, CONDITION_NOBUSY, CSimpleState_Unzip)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Unzip, CONIDTION_UNZIP_SUC, CSimpleState_Install)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Unzip, CONDITION_UNZIP_FAI, CCompositeState_Download)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Install, CONDITION_INSTALL_SUC, CSimpleState_Run)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Install, CONDITION_INSTALL_FAI, CCompositeState_Download)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Run, CONDITION_RUN_SUC, CSimpleState_Success)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Run, CONDITION_RUN_FAI, CSimpleState_Uninstall)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Uninstall, "", CCompositeState_Download)REGISTERSTATECONVERTEND()
};

该类的写法也很简单REGISTERSTATECONVERTBEGIN、REGISTERSTATECONVERT和REGISTERSTATECONVERTEND三个宏构成了整个状态跳转图

        最后我们再看下状态机的类

#pragma once
#include "AutoStateChart.h"
#include "StoreMachine.h"// 引入输出宏
#include "CondDefine.h"// 引入子状态
#include "SimpleState_CheckExist.h"
#include "CollectionState_Install_Run.h"
#include "SimpleState_Run.h"
#include "SimpleState_Uninstall.h"
#include "SimpleState_Success.h"class CMachine_Download_Run_App :public AutoStateChart::CAutoStateChartMachine<CMachine_Download_Run_App, CStoreofMachine>
{
public:CMachine_Download_Run_App(void) {};~CMachine_Download_Run_App(void) {};
public:REGISTERSTATECONVERTBEGIN(CSimpleState_CheckExist)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_CheckExist, CONDITION_NOEXIST, CCollectionState_Install_Run)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_CheckExist, CONDITION_EXIST, CSimpleState_Run)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Run, CONDITION_RUN_FAI, CSimpleState_Uninstall)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Run, CONDITION_RUN_SUC, CSimpleState_Success)REGISTERSTATECONVERT(CSimpleState_Uninstall, "", CCollectionState_Install_Run)REGISTERSTATECONVERTEND()
};

它也是通过三个宏构成了整个逻辑跳转。

在模块独立的前提下，该状态机还算是比较优雅简洁的展现了整个状态跳转的流程。当然在这个简洁的背后还是隐藏了很多背后的秘密。我们将在下节介绍其实现。

我们最终通过如下代码，让整个状态机运行起来：

    boost::shared_ptr<CMachine_Download_Run_App> spc = boost::make_shared<CMachine_Download_Run_App>();spc->StartMachine();