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什么是狀態(tài)機(jī)？用C語言實(shí)現(xiàn)進(jìn)程5狀態(tài)模型

作者：土豆居士
開發(fā) 后端
狀態(tài)機(jī)在實(shí)際工作開發(fā)中應(yīng)用非常廣泛，在剛進(jìn)入公司的時(shí)候，根據(jù)公司產(chǎn)品做流程圖的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常會(huì)漏了這樣或那樣的狀態(tài)，導(dǎo)致整體流程會(huì)有問題，后來知道了狀態(tài)機(jī)這樣的東西，發(fā)現(xiàn)用這幅圖就可以很清晰的表達(dá)整個(gè)狀態(tài)的流轉(zhuǎn)。

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 前言

狀態(tài)機(jī)在實(shí)際工作開發(fā)中應(yīng)用非常廣泛，在剛進(jìn)入公司的時(shí)候，根據(jù)公司產(chǎn)品做流程圖的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常會(huì)漏了這樣或那樣的狀態(tài)，導(dǎo)致整體流程會(huì)有問題，后來知道了狀態(tài)機(jī)這樣的東西，發(fā)現(xiàn)用這幅圖就可以很清晰的表達(dá)整個(gè)狀態(tài)的流轉(zhuǎn)。

一口君曾經(jīng)做過很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊，很多協(xié)議的開發(fā)都必須用到狀態(tài)機(jī);一個(gè)健壯的狀態(tài)機(jī)可以讓你的程序，不論發(fā)生何種突發(fā)事件都不會(huì)突然進(jìn)入一個(gè)不可預(yù)知的程序分支。

本篇通過C語言實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)程5狀態(tài)模型的狀態(tài)機(jī)，讓大家熟悉一下狀態(tài)機(jī)的魅力。

什么是狀態(tài)機(jī)?

定義

狀態(tài)機(jī)是有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)稱，是現(xiàn)實(shí)事物運(yùn)行規(guī)則抽象而成的一個(gè)數(shù)學(xué)模型。

先來解釋什么是“狀態(tài)”( State )?，F(xiàn)實(shí)事物是有不同狀態(tài)的，例如一個(gè)LED等，就有 亮 和 滅兩種狀態(tài)。我們通常所說的狀態(tài)機(jī)是有限狀態(tài)機(jī)，也就是被描述的事物的狀態(tài)的數(shù)量是有限個(gè)，例如LED燈的狀態(tài)就是兩個(gè) 亮和 滅。

狀態(tài)機(jī)，也就是 State Machine ，不是指一臺(tái)實(shí)際機(jī)器，而是指一個(gè)數(shù)學(xué)模型。說白了，一般就是指一張狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

舉例

以物理課學(xué)的燈泡圖為例，就是一個(gè)最基本的小型狀態(tài)機(jī)

 

可以畫出以下的狀態(tài)機(jī)圖

這里就是兩個(gè)狀態(tài)：①燈泡亮，②燈泡滅 如果打開開關(guān)，那么狀態(tài)就會(huì)切換為 燈泡亮 。燈泡亮 狀態(tài)下如果關(guān)閉開關(guān)，狀態(tài)就會(huì)切換為 燈泡滅。

 

狀態(tài)機(jī)的全稱是有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)，自動(dòng)兩個(gè)字也是包含重要含義的。給定一個(gè)狀態(tài)機(jī)，同時(shí)給定它的當(dāng)前狀態(tài)以及輸入，那么輸出狀態(tài)時(shí)可以明確的運(yùn)算出來的。例如對(duì)于燈泡，給定初始狀態(tài)燈泡滅 ，給定輸入“打開開關(guān)”，那么下一個(gè)狀態(tài)時(shí)可以運(yùn)算出來的。

四大概念

下面來給出狀態(tài)機(jī)的四大概念。

  1. State ，狀態(tài)。一個(gè)狀態(tài)機(jī)至少要包含兩個(gè)狀態(tài)。例如上面燈泡的例子，有 燈泡亮和 燈泡滅兩個(gè)狀態(tài)。
  2. Event ，事件。事件就是執(zhí)行某個(gè)操作的觸發(fā)條件或者口令。對(duì)于燈泡，“打開開關(guān)”就是一個(gè)事件。
  3. Action ，動(dòng)作。事件發(fā)生以后要執(zhí)行動(dòng)作。例如事件是“打開開關(guān)”，動(dòng)作是“開燈”。編程的時(shí)候，一個(gè) Action 一般就對(duì)應(yīng)一個(gè)函數(shù)。
  4. Transition ，變換。也就是從一個(gè)狀態(tài)變化為另一個(gè)狀態(tài)。例如“開燈過程”就是一個(gè)變換。

狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用

狀態(tài)機(jī)是一個(gè)對(duì)真實(shí)世界的抽象，而且是邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)抽象，所以明顯非常適合用在數(shù)字領(lǐng)域?？梢詰?yīng)用到各個(gè)層面上，例如硬件設(shè)計(jì)，編譯器設(shè)計(jì)，以及編程實(shí)現(xiàn)各種具體業(yè)務(wù)邏輯的時(shí)候。

進(jìn)程5狀態(tài)模型

進(jìn)程管理是Linux五大子系統(tǒng)之一，非常重要，實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來非常復(fù)雜，我們來看下進(jìn)程是如何切換狀態(tài)的。

下圖是進(jìn)程的5狀態(tài)模型：

 

 


關(guān)于該圖簡(jiǎn)單介紹如下：

 

 

  1. 可運(yùn)行態(tài)：當(dāng)進(jìn)程正在被CPU執(zhí)行，或已經(jīng)準(zhǔn)備就緒隨時(shí)可由調(diào)度程序執(zhí)行，則稱該進(jìn)程為處于運(yùn)行狀態(tài)(running)。進(jìn)程可以在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行，也可以在用戶態(tài)運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)資源已經(jīng)可用時(shí)，進(jìn)程就被喚醒而進(jìn)入準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，該狀態(tài)稱為就緒態(tài)。
  2. 淺度睡眠態(tài)(可中斷)：進(jìn)程正在睡眠(被阻塞)，等待資源到來是喚醒，也可以通過其他進(jìn)程信號(hào)或時(shí)鐘中斷喚醒，進(jìn)入運(yùn)行隊(duì)列。
  3. 深度睡眠態(tài)(不可中斷)：其和淺度睡眠基本類似，但有一點(diǎn)就是不可由其他進(jìn)程信號(hào)或時(shí)鐘中斷喚醒。只有被使用wake_up()函數(shù)明確喚醒時(shí)才能轉(zhuǎn)換到可運(yùn)行的就緒狀態(tài)。
  4. 暫停狀態(tài)：當(dāng)進(jìn)程收到信號(hào)SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時(shí)就會(huì)進(jìn)入暫停狀態(tài)?？上蚱浒l(fā)送SIGCONT信號(hào)讓進(jìn)程轉(zhuǎn)換到可運(yùn)行狀態(tài)。
  5. 僵死狀態(tài)：當(dāng)進(jìn)程已停止運(yùn)行，但其父進(jìn)程還沒有詢問其狀態(tài)時(shí)，未釋放PCB，則稱該進(jìn)程處于僵死狀態(tài)。

進(jìn)程的狀態(tài)就是按照這個(gè)狀態(tài)圖進(jìn)行切換的。

該狀態(tài)流程有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)槲覀兡繕?biāo)只是實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)，所以我們簡(jiǎn)化一下該狀態(tài)機(jī)如下：

 

要想實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，首先將該狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換成下面的狀態(tài)遷移表。

簡(jiǎn)要說明如下：假設(shè)當(dāng)前進(jìn)程處于running狀態(tài)下，那么只有schedule事件發(fā)生之后，該進(jìn)程才會(huì)產(chǎn)生狀態(tài)的遷移，遷移到owencpu狀態(tài)下，如果在此狀態(tài)下發(fā)生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)的遷移。

 

如上圖所示：

  1. 每一列表示一個(gè)狀態(tài)，每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)事件。
  2. 該表是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的最核心的一個(gè)圖，請(qǐng)讀者詳細(xì)對(duì)比該表和狀態(tài)遷移圖的的關(guān)系。
  3. 實(shí)際場(chǎng)景中，進(jìn)程的切換會(huì)遠(yuǎn)比這個(gè)圖復(fù)雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復(fù)雜的問題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。

實(shí)現(xiàn)

根據(jù)狀態(tài)遷移表，定義該狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)如下：

  1. typedef enum { 
  2.   sta_origin=0, 
  3.   sta_running, 
  4.   sta_owencpu, 
  5.   sta_sleep_int, 
  6.   sta_sleep_unint 
  7. }State; 

發(fā)生的事件如下：

  1. typedef enum{ 
  2.   evt_fork=0, 
  3.   evt_sched, 
  4.   evt_wait, 
  5.   evt_wait_unint, 
  6.   evt_wake_up, 
  7.   evt_wake,  
  8. }EventID; 

不論是狀態(tài)還是事件都可以根據(jù)實(shí)際情況增加調(diào)整。

定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體用來表示當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息：

  1. typedef struct { 
  2.   State curState;//當(dāng)前狀態(tài) 
  3.   EventID eventId;//事件ID 
  4.   State nextState;//下個(gè)狀態(tài) 
  5.   CallBack action;//回調(diào)函數(shù)，事件發(fā)生后，調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù) 
  6. }StateTransform ;  

事件回調(diào)函數(shù)：實(shí)際應(yīng)用中不同的事件發(fā)生需要執(zhí)行不同的action，就需要定義不同的函數(shù)， 為方便起見，本例所有的事件都統(tǒng)一使用同一個(gè)回調(diào)函數(shù)。功能：打印事件發(fā)生后進(jìn)程的前后狀態(tài)，如果狀態(tài)發(fā)生了變化，就調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

  1. void action_callback(void *arg) 
  2. { 
  3.  StateTransform *statTran = (StateTransform *)arg; 
  4.   
  5.  if(statename[statTran->curState] == statename[statTran->nextState]) 
  6.  { 
  7.   printf("invalid event,state not change\n"); 
  8.  }else{ 
  9.   printf("call back state from %s --> %s\n", 
  10.    statename[statTran->curState], 
  11.    statename[statTran->nextState]); 
  12.  } 
  13. } 

為各個(gè)狀態(tài)定義遷移表數(shù)組：

  1. /*origin*/ 
  2. StateTransform stateTran_0[]={ 
  3.  {sta_origin,evt_fork,        sta_running,action_callback}, 
  4.  {sta_origin,evt_sched,       sta_origin,NULL}, 
  5.  {sta_origin,evt_wait,        sta_origin,NULL}, 
  6.  {sta_origin,evt_wait_unint,  sta_origin,NULL}, 
  7.  {sta_origin,evt_wake_up,     sta_origin,NULL}, 
  8.  {sta_origin,evt_wake,        sta_origin,NULL}, 
  9. };  
  10.  
  11. /*running*/ 
  12. StateTransform stateTran_1[]={ 
  13.  {sta_running,evt_fork,        sta_running,NULL}, 
  14.  {sta_running,evt_sched,       sta_owencpu,action_callback}, 
  15.  {sta_running,evt_wait,        sta_running,NULL}, 
  16.  {sta_running,evt_wait_unint,  sta_running,NULL}, 
  17.  {sta_running,evt_wake_up,     sta_running,NULL}, 
  18.  {sta_running,evt_wake,        sta_running,NULL}, 
  19. };  
  20. /*owencpu*/ 
  21. StateTransform stateTran_2[]={ 
  22.  {sta_owencpu,evt_fork,        sta_owencpu,NULL}, 
  23.  {sta_owencpu,evt_sched,       sta_owencpu,NULL}, 
  24.  {sta_owencpu,evt_wait,        sta_sleep_int,action_callback}, 
  25.  {sta_owencpu,evt_wait_unint,  sta_sleep_unint,action_callback}, 
  26.  {sta_owencpu,evt_wake_up,     sta_owencpu,NULL}, 
  27.  {sta_owencpu,evt_wake,        sta_owencpu,NULL}, 
  28. };  
  29.  
  30. /*sleep_int*/ 
  31. StateTransform stateTran_3[]={ 
  32.  {sta_sleep_int,evt_fork,        sta_sleep_int,NULL}, 
  33.  {sta_sleep_int,evt_sched,       sta_sleep_int,NULL}, 
  34.  {sta_sleep_int,evt_wait,        sta_sleep_int,NULL}, 
  35.  {sta_sleep_int,evt_wait_unint,  sta_sleep_int,NULL}, 
  36.  {sta_sleep_int,evt_wake_up,     sta_sleep_int,NULL}, 
  37.  {sta_sleep_int,evt_wake,        sta_running,action_callback}, 
  38. };  
  39. /*sleep_unint*/ 
  40. StateTransform stateTran_4[]={ 
  41.  {sta_sleep_unint,evt_fork,        sta_sleep_unint,NULL}, 
  42.  {sta_sleep_unint,evt_sched,       sta_sleep_unint,NULL}, 
  43.  {sta_sleep_unint,evt_wait,        sta_sleep_unint,NULL}, 
  44.  {sta_sleep_unint,evt_wait_unint,  sta_sleep_unint,NULL}, 
  45.  {sta_sleep_unint,evt_wake_up,     sta_running,action_callback}, 
  46.  {sta_sleep_unint,evt_wake,        sta_sleep_unint,NULL}, 
  47. };  

實(shí)現(xiàn)event發(fā)生函數(shù)：

  1. void event_happen(unsigned int event) 
  2. 功能： 
  3.  根據(jù)發(fā)生的event以及當(dāng)前的進(jìn)程state，找到對(duì)應(yīng)的StateTransform 結(jié)構(gòu)體，并調(diào)用do_action() 
  1. void do_action(StateTransform *statTran) 
  2. 功能： 
  3.  根據(jù)結(jié)構(gòu)體變量StateTransform，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)遷移，并調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。 
  1. #define STATETRANS(n)  (stateTran_##n) 
  2. /*change state & call callback()*/ 
  3. void do_action(StateTransform *statTran) 
  4. { 
  5.  if(NULL == statTran) 
  6.  { 
  7.   perror("statTran is NULL\n"); 
  8.   return; 
  9.  } 
  10.  //狀態(tài)遷移 
  11.  globalState = statTran->nextState; 
  12.  if(statTran->action != NULL) 
  13.  {//調(diào)用回調(diào)函數(shù) 
  14.   statTran->action((void*)statTran); 
  15.  }else{ 
  16.   printf("invalid event,state not change\n"); 
  17.  } 
  18. } 
  19. void event_happen(unsigned int event) 
  20. { 
  21.  switch(globalState) 
  22.  { 
  23.   case sta_origin: 
  24.    do_action(&STATETRANS(0)[event]); 
  25.    break; 
  26.   case sta_running: 
  27.    do_action(&STATETRANS(1)[event]); 
  28.    break; 
  29.   case sta_owencpu: 
  30.    do_action(&STATETRANS(2)[event]);  
  31.    break; 
  32.   case sta_sleep_int: 
  33.    do_action(&STATETRANS(3)[event]);  
  34.    break; 
  35.   case sta_sleep_unint: 
  36.    do_action(&STATETRANS(4)[event]);  
  37.    break; 
  38.   default: 
  39.    printf("state is invalid\n"); 
  40.    break; 
  41.  } 
  42. } 

測(cè)試程序：功能：

  1. 初始化狀態(tài)機(jī)的初始狀態(tài)為sta_origin;
  2. 創(chuàng)建子線程，每隔一秒鐘顯示當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài);
  3. 事件發(fā)生順序?yàn)椋篹vt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake。

讀者可以跟自己的需要，修改事件發(fā)生順序，觀察狀態(tài)的變化。

main.c

  1. /*顯示當(dāng)前狀態(tài)*/ 
  2. void *show_stat(void *arg) 
  3. { 
  4.  int len; 
  5.  char buf[64]={0}; 
  6.   
  7.  while(1) 
  8.  { 
  9.   sleep(1); 
  10.   printf("cur stat:%s\n",statename[globalState]); 
  11.  }  
  12. } 
  13. void main(void) 
  14. { 
  15.  init_machine(); 
  16.  //創(chuàng)建子線程，子線程主要用于顯示當(dāng)前狀態(tài) 
  17.  pthread_create(&pid, NULL,show_stat, NULL); 
  18.  
  19.  sleep(5); 
  20.  event_happen(evt_fork); 
  21.  
  22.  sleep(5); 
  23.  event_happen(evt_sched); 
  24.  sleep(5); 
  25.  event_happen(evt_sched); 
  26.  sleep(5); 
  27.  event_happen(evt_wait); 
  28.  sleep(5); 
  29.  event_happen(evt_wake); 
  30.   
  31. } 

運(yùn)行結(jié)果：

由結(jié)果可知：

  1. evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake 

該事件發(fā)生序列對(duì)應(yīng)的狀態(tài)遷移順序?yàn)椋?/p> 

  1. origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running 

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責(zé)任編輯：武曉燕 來源： 一口Linux
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