什么是状态机？用C语言实现进程5状态模型

前言

状态机在实际工作开发中应用非常广泛，在刚进入公司的时候，根据公司产品做流程图的时候，发现自己经常会漏了这样或那样的状态，导致整体流程会有问题，后来知道了状态机这样的东西，发现用这幅图就可以很清晰的表达整个状态的流转。

一口君曾经做过很多网络协议模块，很多协议的开发都必须用到状态机；一个健壮的状态机可以让你的程序，不论发生何种突发事件都不会突然进入一个不可预知的程序分支。

本篇通过C语言实现一个简单的进程5状态模型的状态机，让大家熟悉一下状态机的魅力。

什么是状态机？

定义

状态机是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。

先来解释什么是“状态”（ State ）。现实事物是有不同状态的，例如一个LED等，就有 亮 和 灭两种状态。我们通常所说的状态机是有限状态机，也就是被描述的事物的状态的数量是有限个，例如LED灯的状态就是两个 亮和 灭。

状态机，也就是 State Machine ，不是指一台实际机器，而是指一个数学模型。说白了，一般就是指一张状态转换图。

举例

以物理课学的灯泡图为例，就是一个最基本的小型状态机 可以画出以下的状态机图 这里就是两个状态：①灯泡亮，②灯泡灭 如果打开开关，那么状态就会切换为 灯泡亮 。灯泡亮 状态下如果关闭开关，状态就会切换为 灯泡灭。

状态机的全称是有限状态自动机，自动两个字也是包含重要含义的。给定一个状态机，同时给定它的当前状态以及输入，那么输出状态时可以明确的运算出来的。例如对于灯泡，给定初始状态灯泡灭 ，给定输入“打开开关”，那么下一个状态时可以运算出来的。

四大概念

下面来给出状态机的四大概念。

State ，状态。一个状态机至少要包含两个状态。例如上面灯泡的例子，有 灯泡亮和 灯泡灭两个状态。

Event ，事件。事件就是执行某个操作的触发条件或者口令。对于灯泡，“打开开关”就是一个事件。

Action ，动作。事件发生以后要执行动作。例如事件是“打开开关”，动作是“开灯”。编程的时候，一个 Action 一般就对应一个函数。

Transition ，变换。也就是从一个状态变化为另一个状态。例如“开灯过程”就是一个变换。

状态机的应用

状态机是一个对真实世界的抽象，而且是逻辑严谨的数学抽象，所以明显非常适合用在数字领域。可以应用到各个层面上，例如硬件设计，编译器设计，以及编程实现各种具体业务逻辑的时候。

进程5状态模型

进程管理是Linux五大子系统之一，非常重要，实际实现起来非常复杂，我们来看下进程是如何切换状态的。 下图是进程的5状态模型：

关于该图简单介绍如下：

可运行态：当进程正在被CPU执行，或已经准备就绪随时可由调度程序执行，则称该进程为处于运行状态（running）。进程可以在内核态运行，也可以在用户态运行。当系统资源已经可用时，进程就被唤醒而进入准备运行状态，该状态称为就绪态。

浅度睡眠态（可中断）：进程正在睡眠（被阻塞），等待资源到来是唤醒，也可以通过其他进程信号或时钟中断唤醒，进入运行队列。

深度睡眠态(不可中断)：其和浅度睡眠基本类似，但有一点就是不可由其他进程信号或时钟中断唤醒。只有被使用wake_up()函数明确唤醒时才能转换到可运行的就绪状态。 暂停状态：当进程收到信号SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU时就会进入暂停状态。可向其发送SIGCONT信号让进程转换到可运行状态。

僵死状态：当进程已停止运行，但其父进程还没有询问其状态时，未释放PCB，则称该进程处于僵死状态。

进程的状态就是按照这个状态图进行切换的。

该状态流程有点复杂，因为我们目标只是实现一个简单的状态机，所以我们简化一下该状态机如下：

要想实现状态机，首先将该状态机转换成下面的状态迁移表。

简要说明如下：假设当前进程处于running状态下，那么只有schedule事件发生之后，该进程才会产生状态的迁移，迁移到owencpu状态下，如果在此状态下发生了其他的事件，比如wake、wait_event都不会导致状态的迁移。

如上图所示：

每一列表示一个状态，每一行对应一个事件。 该表是实现状态机的最核心的一个图，请读者详细对比该表和状态迁移图的的关系。 实际场景中，进程的切换会远比这个图复杂，好在众多大神都帮我们解决了这些复杂的问题，我们只需要站在巨人的肩膀上就可以了。

实现

根据状态迁移表，定义该状态机的状态如下：

typedef enum { sta_origin=0, sta_running, sta_owencpu, sta_sleep_int, sta_sleep_unint }State;

发生的事件如下：

typedef enum{ evt_fork=0, evt_sched, evt_wait, evt_wait_unint, evt_wake_up, evt_wake, }EventID;

不论是状态还是事件都可以根据实际情况增加调整。

定义一个结构体用来表示当前状态转换信息：

typedef struct { State curState;//当前状态 EventID eventId;//事件ID State nextState;//下个状态 CallBack action;//回调函数，事件发生后，调用对应的回调函数 }StateTransform ;

事件回调函数：实际应用中不同的事件发生需要执行不同的action，就需要定义不同的函数， 为方便起见，本例所有的事件都统一使用同一个回调函数。功能：打印事件发生后进程的前后状态，如果状态发生了变化，就调用对应的回调函数。

void action_callback(void arg) { StateTransform statTran = (StateTransform *)arg;

if(statename[statTran->curState] == statename[statTran->nextState]) { printf(“invalid event,state not change\n”); }else{ printf(“call back state from %s –> %s\n”, statename[statTran->curState], statename[statTran->nextState]); } }

为各个状态定义迁移表数组：

/origin/ StateTransform stateTran_0[]={ {sta_origin,evt_fork, sta_running,action_callback}, {sta_origin,evt_sched, sta_origin,NULL}, {sta_origin,evt_wait, sta_origin,NULL}, {sta_origin,evt_wait_unint, sta_origin,NULL}, {sta_origin,evt_wake_up, sta_origin,NULL}, {sta_origin,evt_wake, sta_origin,NULL}, };

/running/ StateTransform stateTran_1[]={ {sta_running,evt_fork, sta_running,NULL}, {sta_running,evt_sched, sta_owencpu,action_callback}, {sta_running,evt_wait, sta_running,NULL}, {sta_running,evt_wait_unint, sta_running,NULL}, {sta_running,evt_wake_up, sta_running,NULL}, {sta_running,evt_wake, sta_running,NULL}, }; /owencpu/ StateTransform stateTran_2[]={ {sta_owencpu,evt_fork, sta_owencpu,NULL}, {sta_owencpu,evt_sched, sta_owencpu,NULL}, {sta_owencpu,evt_wait, sta_sleep_int,action_callback}, {sta_owencpu,evt_wait_unint, sta_sleep_unint,action_callback}, {sta_owencpu,evt_wake_up, sta_owencpu,NULL}, {sta_owencpu,evt_wake, sta_owencpu,NULL}, };

/sleep_int/ StateTransform stateTran_3[]={ {sta_sleep_int,evt_fork, sta_sleep_int,NULL}, {sta_sleep_int,evt_sched, sta_sleep_int,NULL}, {sta_sleep_int,evt_wait, sta_sleep_int,NULL}, {sta_sleep_int,evt_wait_unint, sta_sleep_int,NULL}, {sta_sleep_int,evt_wake_up, sta_sleep_int,NULL}, {sta_sleep_int,evt_wake, sta_running,action_callback}, }; /sleep_unint/ StateTransform stateTran_4[]={ {sta_sleep_unint,evt_fork, sta_sleep_unint,NULL}, {sta_sleep_unint,evt_sched, sta_sleep_unint,NULL}, {sta_sleep_unint,evt_wait, sta_sleep_unint,NULL}, {sta_sleep_unint,evt_wait_unint, sta_sleep_unint,NULL}, {sta_sleep_unint,evt_wake_up, sta_running,action_callback}, {sta_sleep_unint,evt_wake, sta_sleep_unint,NULL}, };

实现event发生函数：

void event_happen(unsigned int event) 功能： 根据发生的event以及当前的进程state，找到对应的StateTransform 结构体，并调用do_action() void do_action(StateTransform *statTran) 功能： 根据结构体变量StateTransform，实现状态迁移，并调用对应的回调函数。

define STATETRANS(n) (stateTran_##n)

/change state & call callback()/ void do_action(StateTransform statTran) { if(NULL == statTran) { perror(“statTran is NULL\n”); return; } //状态迁移 globalState = statTran->nextState; if(statTran->action != NULL) {//调用回调函数 statTran->action((void)statTran); }else{ printf(“invalid event,state not change\n”); } } void event_happen(unsigned int event) { switch(globalState) { case sta_origin: do_action(&STATETRANS(0)[event]); break; case sta_running: do_action(&STATETRANS(1)[event]); break; case sta_owencpu: do_action(&STATETRANS(2)[event]); break; case sta_sleep_int: do_action(&STATETRANS(3)[event]); break; case sta_sleep_unint: do_action(&STATETRANS(4)[event]); break; default: printf(“state is invalid\n”); break; } } 测试程序：功能：

初始化状态机的初始状态为sta_origin； 创建子线程，每隔一秒钟显示当前进程状态； 事件发生顺序为：evt_fork–>evt_sched–>evt_sched–>evt_wait–>evt_wake。 读者可以跟自己的需要，修改事件发生顺序，观察状态的变化。

main.c

/显示当前状态/ void show_stat(void arg) { int len; char buf[64]={0};

while(1) { sleep(1); printf(“cur stat:%s\n”,statename[globalState]); } } void main(void) { init_machine(); //创建子线程，子线程主要用于显示当前状态 pthread_create(&pid, NULL,show_stat, NULL);

sleep(5); event_happen(evt_fork);

sleep(5); event_happen(evt_sched); sleep(5); event_happen(evt_sched); sleep(5); event_happen(evt_wait); sleep(5); event_happen(evt_wake);

}

运行结果：

由结果可知：

evt_fork–>evt_sched–>evt_sched–>evt_wait–>evt_wake 该事件发生序列对应的状态迁移顺序为：

origen–>running–>owencpu–>owencpu–>sleep_int–>running

来自：AIOT人人都是极客