状态机有哪几类（让你全面了解状态机模式的应用原理）

工作中应用到了状态机，使用过程中发现，如果状态机使用得当，那么就会事半功倍。中间也陆陆续续学习研究了状态机的相关知识。所以，在这里做个总结，同时也分享出来。

本文首先简单介绍状态机的基本知识（建议找专门介绍状态机的书籍进行学习），然后基于十字转门的例子，以迁移表的方式来实现有限状态机的功能，接着再介绍经典的状态机模式，最后重点介绍boost startchart的相关知识点。

boost startchart是boost实现的状态机库，它几乎支持了所有的UML中状态机的特性，主要学习的途径就是官网提供的指南，该指南信息量很大，但是学习起来有点费劲，而且例子也不够完整，所以，本文也会基于它提供的例子，比如hello world、秒表、数码相机，重新梳理总结它的应用方式，至于高级议题，需要以后再花时间进行研究。

一、状态机基本知识

一般状态机由三个元素组成：状态、事件、反应。而反应在boost startchart包括转移、动作等。一个状态可以对应一个或者多个反应。

当前状态收到事件后，执行反应，然后转变为新的状态。该流程会使用下图的方式来表示。

状态机通常都需要有历史状态，可以用来恢复，它分为浅历史和深历史两类。

历史状态是伪状态, 其目的是记住从组合状态中退出时所处的子状态, 当再次进入组合状态时, 可以直接进入子状态, 而不是再从组合状态的初态开始。

浅历史状态, 只记住最外层组合状态的历史，使用大写H来表示。深历史状态, 可以记住任意深度的组合状态的历史，使用大写H和星号组合来表示。

二、迁移表

进出地铁的时候，有时候设置的是一个十字转门，十字转门默认是锁的状态，当投入硬币之后，当前十字转门就会变成解锁状态，当人通过之后，十字转门又会变成锁的状态。当十字转门是锁的状态，但是强行通过，就会发出警告信息。其状态的转换如下图所示。

接下来，我们通过迁移表的方式来说实现上图的状态机图。

首先定义实现动作类接口和实现，即unlock/lock/alarm/thanks。这里定义十字转门的控制接口JTurnstileControlInterface，主要是依据开闭原则，当动作类的功能改变的时候，只需要继承JTurnstileControlInterface接口类，然后重新实现对应的接口函数。

然后定义状态和事件，LOCKED和UNLOCKED表示的是十字转门的状态，COIN和PASS表示的是十字转门收到的事件。

有了上面的基础之后，最后就可以用迁移表的方式来实现十字转门的状态机。

定义十字转门类，构造函数接受动作类，event接收事件，Transition是存储状态转移关系的内部类。

实现十字转门类，event是处理接收到事件的函数，该函数会遍历vector向量中存储的状态迁移表，如果匹配到对应的事件，那么修改当前的状态，并且执行对应的动作。

实现完成十字转门之后，现在就来验证下效果，首先创建十字转门的动作对象指针，将其传入十字转门对象的构造函数，然后调用event函数，传入事件COIN, 执行完成之后，再传入事件PASS，来查看当前动作的执行是否正确。

最后运行程序，输出的信息如下，从中可以看到，接收到COIN事件，执行了unlock动作，接收到PASS事件，执行了lock动作，这个符合预期。

三、状态机模式

上面通过迁移表的方式来实现状态机图，接下来就来介绍状态机模式，该设计模式也是比较经典的。它将状态逻辑与动作解耦，context是上下文对象，它主要实现动作功能，该状态机的模式的主要关键点是，状态对象持有context上下文对象的指针。

定义状态基类、状态A和状态B

接着实现定义状态基类、状态A和状态B

最后关键是定义上下文对象context, 其中声明State为Context的友元类，这表明在State类中可以访问 Context 类的 private 字段。

实现上下文对象context

实现完成所有状态机相关的代码之后，现在就来验证下状态的转移效果。

运行输出的打印信息如下，状态的转移从A到B，再到A。

四、boost startchart

boost startchart是boost实现的状态机库，它几乎支持了所有的UML中状态机的特性。

首先来看下一个简单的实现，初步了解其使用方法和机制。boost::statechart的状态机，它大量使用了CRTP, 基本思想要点是：派生类要作为基类的模版参数。更详细的原理可以参考《学会了这么神奇的模版模式，让你C 模版编程之路事半功倍》。首先需要实现继承state_machine的类Machine，其初始状态为Greeting。然后再实现继承simple_state的状态Greeting。

然后看下如何启动和使用上面实现的”hello world”的功能。状态机Machine构建完成之后，需要调用initiate让它运行，并且进入初始状态Greeting。

下面来实现稍微复杂的秒表功能，该秒表有两个按钮：开始/接收(Start/Stop) 和 重置（Reset）, 对应两个状态Stopped和Running。其状态图如下所示。

首先定义两个事件EvStartStop和EvReset，所有事件都要继承event

然后实现继承state_machine的秒表StopWatch状态机，其初始状态为Active。

接着实现Active状态，m_dElapsedTime是记录当前秒表走的时长，simple_state接受四个参数，第一个参数当然就是Active本身，第二个参数因为Active是最外层的状态，所以要设置它所属的状态机为StopWatch，第三个参数则是设置Active的初始状态为Stopped。注意“typedef boost::statechart::transition< EvReset, Active > reactions; 的格式是固定的，表示如果收到EvReset事件，那么转移到Active状态。

定义IElapsedTime接口类，它由Running和Stopped两个状态来继承和实现

接着实现Stopped状态类，它指定Active为它的context, 这样它就会嵌套到Active中，这里实现的ElapsedTime函数，主要用于在Stopped状态下，StopWatch可以获取当前秒表的值。

然后再实现Running状态类，同样的，它也指定Active为它的context, 这样它就会嵌套到Active中。注意Running状态下使用context<Active>则直接访问Running的直接外层状态Active。

完成秒表的所有实现之后，现在就可以编写测试代码来测试状态的转移情况。

编译运行之后的打印信息如下，可以看出开始秒表的时长是0，发布EvStartStop事件之后，秒表的时长就不为0，当发布EvReset事件之后，秒表的时长再次变成0，说明重新进入了Active状态，m_dElapsedTime变量重置为0。

因为一个状态的context必须是一个完整的类型（即不可以是前向声明），所以状态机必须是由外而内进行定义，比如，上面秒表的总是从状态机（StopWatch）开始，接下来是外层的状态(Active), 最后才是外层状态的直接内层状态(Running/Stopped)。

秒表的功能已经介绍完成了，如果掌握了，就可以编写由几个状态组成的简单应用。对于稍多的状态，就需要“数码相机”登场了。一个状态可以由同一个事件触发的多个反应。这个就需要定制化反应。

假设一个数码相机有以下两个控制键，快门键和配置键。快门键分为快按和半按，对应事件为EvShutterHalf, EvShutterFull 和 EvShutterReleased；配置键对应事件为EvConfig。状态机图如下所示：

首先定义基本的事件，EvShutterHalf/EvShutterFull/EvShutterRelease/EvConfig/EvInFocus

实现数码相机的状态机Camera, 其初始状态为NotShooting

然后实现NotShooting状态，其初始内层状态为Idle, 注意我们这里使用了定制化反应custom_reaction, 这里只需指定事件，而实际的反应在react成员函数中实现。

实现Idle状态，其外层状态为NotShooting

实现Configuring状态，其外层状态为NotShooting。

实现Shooting状态，其属于状态机Camera, Shooting的初始状态为Focusing。

实现Focusing状态，其外层状态为Shooting。

实现Focused状态，其外层状态为Shooting。

实现Storing状态，其外层状态为Shooting。

完成数码相机的所有实现之后，现在就可以开始进行验证效果。

运行输出的信息如下，发布不同的事件，就会执行不同的反应，并且切换到其他状态。

五、总结

至此，已经将基于迁移表实现的状态机，状态机设计模式以及boost statechart中的秒表和数码相机的功能介绍完毕。

迁移表实现的状态机关键点就是状态迁移关系正确存入映射表中，状态机设计模式则关键在于context上下文，其状态会持有该context对象指针，而boost statechart的状态机的实现，关键是要画出正确的状态图，然后依据状态图来定义事件、实现状态机、再实现外层状态，接着再实现内层状态。

这里介绍的状态机相关知识，只能说算是一个入门知识总结，更深入的议题还需要不断学习和实践来加深理解，比如异步状态机、历史、异常处理等。

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