C语言实现的状态机与层次状态机解析

"C语言状态机深入浅出介绍" 在软件设计中，状态机是一种强大的工具，尤其在嵌入式系统和复杂逻辑控制中扮演着重要角色。本文将深入探讨有限状态机（FSM）和层次状态机（HSM）的概念，并结合C语言详细阐述其设计方法。 ### 有限状态机(FSM)概念 **FSM定义**：有限状态机是一种数学模型，用于描述一个系统在特定时刻可能处于的离散状态，以及在不同外部事件触发下如何从一个状态转换到另一个状态。 **FSM要素**： 1. **状态(State)**：系统可以存在的各种条件或行为模式。 2. **条件(Guard)**：决定何时允许从一个状态转换到另一个状态的布尔表达式。 3. **事件(Event)**：引发状态转换的外部输入或内部定时器等。 4. **动作(Action)**：在状态转换前后执行的代码，如数据处理、输出等。 5. **迁移(Transition)**：表示状态之间的转变规则，通常由事件和条件共同决定。 ### FSM设计方法 文章通过两个例子展示了FSM的设计过程，分别是CParser（注释分析程序）和Calc（计算器）程序。CParser可能涉及解析C语言源码中的不同注释类型，而Calc程序则可能包括加减乘除等运算，每个运算符对应一种状态，用户输入的数字或运算符触发状态转移。 ### 层次状态机(HSM)概念 **HSM**引入了状态的层次结构，允许更复杂的系统建模。它提倡**programming-by-difference**，即在设计时关注不同状态之间的差异，而不是详述每个状态的所有细节。 **HSM图示**：HSM用树状结构表示状态的层次关系，顶层状态称为顶级状态，子状态可以包含自己的子状态，形成多级嵌套。 **HSM与OOP分析**： 1. **状态继承和类继承**：状态的层次结构映射为类的继承关系，子状态是父状态的特例。 2. **进入/退出动作和构造/析构类**：在状态切换时执行的特殊操作，类似于类的构造函数和析构函数。 3. **按照差异编程**：利用继承特性，仅在子状态中实现与父状态不同的行为。 4. **抽象**：通过抽象状态，可以定义通用行为，减少代码重复。 ### HSM设计方法 在继续Calc设计的例子中，文章讨论了如何利用HSM的继承关系来优化状态转换。比如，对于加减乘除这些运算符，可以有一个通用的“运算”状态作为父状态，然后让具体运算符状态继承自它，这样可以复用通用的行为，同时又能灵活地添加新的运算符。 此外，文章还强调了评估继承关系合理性的重要性。如果过渡过于复杂，可能需要重新审视状态的划分，确保设计遵循Liskov替换原则（LSP），保证子类能够被父类替代而不会破坏程序的正确性。 本文提供了一种理解并应用C语言状态机的清晰途径，无论是简单的FSM还是复杂的HSM，都能帮助开发者更好地设计和实现具有动态行为的软件系统。