模式動機(jī)

狀態(tài)模式(狀態(tài)機(jī))是嵌入式開發(fā)中最重要、最核心的設(shè)計模式之一，毫不夸張的說，是否熟練掌握狀態(tài)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(fā)里面，幾乎80%以上的程序都有狀態(tài)模式(狀態(tài)機(jī))的影子。在一個思路清晰而且高效的程序中，必然有狀態(tài)模式(狀態(tài)機(jī))身影浮現(xiàn)。但是很多嵌入式開發(fā)者只是掌握一些很基礎(chǔ)的狀態(tài)機(jī)編程，對狀態(tài)機(jī)編程如果提高程序的可維護(hù)性和可拓展性并沒有一個深刻的理解。

這里我通過一個簡單易懂的MP3播放器案例，把自己獨家總結(jié)的狀態(tài)機(jī)六步法分享給大家，幫助大家在啃下狀態(tài)機(jī)這塊硬骨頭。相信你深度掌握狀態(tài)機(jī)編程以后，你優(yōu)雅美觀的代碼會讓同事朋友們眼前一亮，嘖嘖稱贊。

生活中的狀態(tài)模式(狀態(tài)機(jī))

幾乎在所有的復(fù)雜項目里面，都充斥著各種事物狀態(tài)的變化。這是因為我們身處的物理世界本來就是一個動態(tài)多變的環(huán)境，自然我們開發(fā)的程序也要根據(jù)事物不同時刻不同場景的狀態(tài)，不斷調(diào)整自身的行為屬性。

比如電影《分裂》里面，詹姆斯·麥卡沃伊飾演的男主Kevin患有精神分裂，有著多重人格疾病，他被精神病醫(yī)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(fā)又是憤怒的殺人暴徒，這人格切換速度，喪心病狂到令人發(fā)指。

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

場景案例

場景:設(shè)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:

狀態(tài)遷移圖

在狀態(tài)模式的設(shè)計開發(fā)中，我們通常借助狀態(tài)遷移圖來進(jìn)行多個狀態(tài)的分析。本案例中的MP3播放器，狀態(tài)遷移圖如下圖所示:

雖然圖示很簡單，但是非常有用，因為各按鍵按下后，MP3播放器的狀態(tài)變化一目了然，根據(jù)狀態(tài)遷移圖，我們就可以著手程序的編寫了。

我們先來看一個狀態(tài)模式(狀態(tài)機(jī))的入門級別的實現(xiàn)--簡單狀態(tài)機(jī)。其實就是通過大量的switch/case和if/else，在很多項目中經(jīng)?？梢钥吹筋愃频拇a:

#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(tài)
enum{
  ST_IDLE,
  ST_PLAY,
  ST_PAUSE
};

//MP3當(dāng)前狀態(tài)
char state;

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

//狀態(tài)機(jī)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(fù)播放音樂\n");
}

void startPlayer()
{
  state = ST_PLAY;
  printf("開始播放音樂\n");
}
//主程序?qū)崿F(xiàn)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(xù)播放
  onEvent(EV_STOP);      //停止
}

代碼已經(jīng)在c在線工具|菜鳥工具中運(yùn)行驗證，讀者也可以自行驗證。運(yùn)行結(jié)果如下：

開始播放音樂
暫停播放音樂
恢復(fù)播放音樂
停止播放音樂

在上面的代碼實現(xiàn)中，主要是在onEvent函數(shù)中，以MP3的當(dāng)前狀態(tài)作為判斷條件進(jìn)行相應(yīng)的分支改動，簡單地按照狀態(tài)遷移圖，實現(xiàn)了功能。

但是我們觀察onEvent函數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)其中有大量的swith...case這樣的判斷（if...else也是一樣）.對于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(hù)的。但是當(dāng)狀態(tài)和事件增加后，onEvent函數(shù)就會變得非常龐大，這是因為該函數(shù)的代碼行數(shù)與狀態(tài)和事件數(shù)量的乘積成正比，直接導(dǎo)致代碼行數(shù)爆炸增長，代碼會越發(fā)變得難以閱讀和維護(hù)。

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

解決方案

核心思路:我們可以利用C語言的多態(tài)特性來分解復(fù)雜的條件分支(關(guān)于c語言多態(tài)的實現(xiàn)，請查看c語言面向?qū)ο蠡A(chǔ))。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(hù)性和可擴(kuò)展性。

下面我將使用獨家總結(jié)的六步法，幫助大家輕松掌握狀態(tài)模式(狀態(tài)機(jī))的編程訣竅。

#include <stdio.h>

/***********************************************
1、定義狀態(tài)接口，以MP3的狀態(tài)接口為例，每種狀態(tài)下都可能發(fā)生
兩種按鍵動作。
************************************************/

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


/***********************************************
2、定義系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)指針，保存系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)
************************************************/

State * pCurrentState;


/***********************************************
3、定義具體狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)遷移圖來實現(xiàn)具體功能和狀態(tài)切換。
************************************************/

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

//空閑狀態(tài)時，stop鍵操作無效，play/pause會開始播放音樂
State IDLE = {
  ignore,
  startPlay
};

//播放狀態(tài)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(tài)時，stop鍵會停止播放音樂，play/pause會恢復(fù)播放音樂
State PAUSE = {
  stopPlay,
  resumePlay
};

void ignore()
{
  //空函數(shù)，不進(jìn)行操作
}

void startPlay()
{
  //實現(xiàn)具體功能
  printf("開始播放音樂\n");
  //進(jìn)入播放狀態(tài)
  pCurrentState = &PLAY;
}
void stopPlay()
{
  //實現(xiàn)具體功能
  printf("停止播放音樂\n");
  //進(jìn)入空閑狀態(tài)
  pCurrentState = &IDLE;
}

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

void resumePlay()
{
  //實現(xiàn)具體功能
  printf("恢復(fù)播放音樂\n");
  //進(jìn)入播放狀態(tài)
  pCurrentState = &PLAY;
}


/***********************************************
4、定義主程序上下文操作接口，主程序只關(guān)心當(dāng)前狀態(tài)，不關(guān)心狀態(tài)之間
是怎么變化的。
************************************************/

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(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)指針，其實就是指定系統(tǒng)的起始狀態(tài)
************************************************/

void init()
{
  pCurrentState = &IDLE;
}

/***********************************************
6、主程序通過上下文操作接口來控制系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)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(jīng)在c在線工具|菜鳥工具中運(yùn)行驗證，讀者也可以自行驗證。運(yùn)行結(jié)果如下：

開始播放音樂
暫停播放音樂
恢復(fù)播放音樂
停止播放音樂

對比前后兩份代碼，六步法實現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)比簡單狀態(tài)機(jī)明顯有以下幾方面的優(yōu)點：

• 代碼結(jié)構(gòu)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(xiàn)了開閉原則和單一職責(zé)原則，每個狀態(tài)都是一個子結(jié)構(gòu)體，你要增加狀態(tài)就要增加子結(jié)構(gòu)體，你要修改狀態(tài)，你只修改一個子結(jié)構(gòu)體就可以了。

• 封裝性非常好，狀態(tài)變換放置到子結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部來實現(xiàn)，外部的調(diào)用不用知道子結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部如何實現(xiàn)狀態(tài)和行為的變換。

最后跟大家總計一下狀態(tài)機(jī)六步法:

(1)、定義狀態(tài)接口。
(2)、定義系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)指針。
(3)、定義具體狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)遷移圖來實現(xiàn)具體功能和狀態(tài)切換。
(4)、定義主程序上下文操作接口。
(5)、初始化系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)指針。
(6)、主程序通過上下文操作接口來控制系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的變化。

一般來說，熟練使用狀態(tài)機(jī)六步法的嵌入式開發(fā)者，大都是兩年軟件開發(fā)經(jīng)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(fā)中多多運(yùn)用它，以后你的代碼才能越來越優(yōu)雅美觀。而且掌握狀態(tài)機(jī)編程對理解其他更復(fù)雜的設(shè)計模式也是大有裨益的。

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