设计模式--状态模式(C语言实现)

2023-05-16

原创亚索老哥 embed linux share

模式动机

状态模式(状态机)是嵌入式开发中最重要、最核心的设计模式之一，毫不夸张的说，是否熟练掌握状态模式，很大程度上直接决定了嵌入式工程师的代码掌控能力。在嵌入式开发里面，几乎80%以上的程序都有状态模式(状态机)的影子。在一个思路清晰而且高效的程序中，必然有状态模式(状态机)身影浮现。但是很多嵌入式开发者只是掌握一些很基础的状态机编程，对状态机编程如果提高程序的可维护性和可拓展性并没有一个深刻的理解。

这里我通过一个简单易懂的MP3播放器案例，把自己独家总结的状态机六步法分享给大家，帮助大家在啃下状态机这块硬骨头。相信你深度掌握状态机编程以后，你优雅美观的代码会让同事朋友们眼前一亮，啧啧称赞。

生活中的状态模式(状态机)

几乎在所有的复杂项目里面，都充斥着各种事物状态的变化。这是因为我们身处的物理世界本来就是一个动态多变的环境，自然我们开发的程序也要根据事物不同时刻不同场景的状态，不断调整自身的行为属性。

比如电影《分裂》里面，詹姆斯·麦卡沃伊饰演的男主Kevin患有精神分裂，有着多重人格疾病，他被精神病医生Dr. Fletcher诊断出有23重人格，可以随时间或境遇切换，一会变成精明聪颖的律师，一会是懦弱的失败者总是要自杀，一个境遇触发又是愤怒的杀人暴徒，这人格切换速度，丧心病狂到令人发指。

想象一下，假如我们要在程序中实现这样一个角色，就必须要有一个良好的状态变化设计，才能保证主人公在快速切换状态的情况下，都能拥有与之匹配的精神状态和行为举止。

场景案例

场景:设计一个简单的MP3播放器，要求两个按键(播放/暂停、停止)分别控制MP3的播放/停止功能。

如下表所示:

按键	功能
[play/pause]	播放/暂停
[stop]	停止

状态迁移图

在状态模式的设计开发中，我们通常借助状态迁移图来进行多个状态的分析。本案例中的MP3播放器，状态迁移图如下图所示:

虽然图示很简单，但是非常有用，因为各按键按下后，MP3播放器的状态变化一目了然，根据状态迁移图，我们就可以着手程序的编写了。

我们先来看一个状态模式(状态机)的入门级别的实现--简单状态机。其实就是通过大量的switch/case和if/else，在很多项目中经常可以看到类似的代码:

#include <stdio.h>

void stopPlayer();
void pausePlayer();
void resumePlayer();
void startPlayer();
//按键的动作类型
typedef enum {
    EV_STOP,
    EV_PLAY_PAUSE
}EventCode;

//MP3的状态
enum{
  ST_IDLE,
  ST_PLAY,
  ST_PAUSE
};

//MP3当前状态
char state;

//MP3状态初始化
void init()
{
  state = ST_IDLE;
}

//状态机处理MP3的过程变化
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("停止播放音乐\n");
}

void pausePlayer()
{
  state = ST_PAUSE;
  printf("暂停播放音乐\n");
}

void resumePlayer()
{
  state = ST_PLAY;
  printf("恢复播放音乐\n");
}

void startPlayer()
{
  state = ST_PLAY;
  printf("开始播放音乐\n");
}
//主程序实现MP3的播放控制
void main()
{
  init();
  onEvent(EV_PLAY_PAUSE);//播放
  onEvent(EV_PLAY_PAUSE);//暂停
  onEvent(EV_PLAY_PAUSE);//继续播放
  onEvent(EV_STOP);      //停止
}

代码已经在c在线工具|菜鸟工具中运行验证，读者也可以自行验证。运行结果如下：

开始播放音乐
暂停播放音乐
恢复播放音乐
停止播放音乐

在上面的代码实现中，主要是在onEvent函数中，以MP3的当前状态作为判断条件进行相应的分支改动，简单地按照状态迁移图，实现了功能。

但是我们观察onEvent函数，不难发现其中有大量的swith...case这样的判断（if...else也是一样）.对于MP3播放器这样简单的例子，这样的代码还是不难阅读和维护的。但是当状态和事件增加后，onEvent函数就会变得非常庞大，这是因为该函数的代码行数与状态和事件数量的乘积成正比，直接导致代码行数爆炸增长，代码会越发变得难以阅读和维护。

其次，程序的扩展性非常差，无论是我们新增一种状态，还是新增一种按键动作，onEvent函数都要大改特改，极难保障程序的稳定性。

解决方案

核心思路:我们可以利用C语言的多态特性来分解复杂的条件分支(关于c语言多态的实现，请查看c语言面向对象基础)。这样一来可以就避免大量的swith...case和 if...else等条件分支语句，提高程序的可维护性和可扩展性。

下面我将使用独家总结的六步法，帮助大家轻松掌握状态模式(状态机)的编程诀窍。

#include <stdio.h>

/***********************************************
1、定义状态接口，以MP3的状态接口为例，每种状态下都可能发生
两种按键动作。
************************************************/

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


/***********************************************
2、定义系统当前状态指针，保存系统的当前状态
************************************************/

State * pCurrentState;


/***********************************************
3、定义具体状态，根据状态迁移图来实现具体功能和状态切换。
************************************************/

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

//空闲状态时，stop键操作无效，play/pause会开始播放音乐
State IDLE = {
  ignore,
  startPlay
};

//播放状态时，stop键会停止播放音乐，play/pause会暂停播放音乐
State PLAY = {
  stopPlay,
  pausePlay
};

//暂停状态时，stop键会停止播放音乐，play/pause会恢复播放音乐
State PAUSE = {
  stopPlay,
  resumePlay
};

void ignore()
{
  //空函数，不进行操作
}

void startPlay()
{
  //实现具体功能
  printf("开始播放音乐\n");
  //进入播放状态
  pCurrentState = &PLAY;
}
void stopPlay()
{
  //实现具体功能
  printf("停止播放音乐\n");
  //进入空闲状态
  pCurrentState = &IDLE;
}

void pausePlay()
{
  //实现具体功能
  printf("暂停播放音乐\n");
  //进入暂停状态
  pCurrentState = &PAUSE;
}

void resumePlay()
{
  //实现具体功能
  printf("恢复播放音乐\n");
  //进入播放状态
  pCurrentState = &PLAY;
}


/***********************************************
4、定义主程序上下文操作接口，主程序只关心当前状态，不关心状态之间
是怎么变化的。
************************************************/

void onStop();
void onPlayOrPause();

State context = {
  onStop,
  onPlayOrPause
};

void onStop(State *pThis)
{
  pCurrentState->stop(pThis);
}

void onPlayOrPause(State *pThis)
{
  pCurrentState->palyOrPause(pThis);
}


/***********************************************
5、初始化系统当前状态指针，其实就是指定系统的起始状态
************************************************/

void init()
{
  pCurrentState = &IDLE;
}

/***********************************************
6、主程序通过上下文操作接口来控制系统当前状态的变化
************************************************/
void main()
{
  init();
  context.palyOrPause();//播放
  context.palyOrPause();//暂停
  context.palyOrPause();//播放
  context.stop();//停止
}

代码已经在c在线工具|菜鸟工具中运行验证，读者也可以自行验证。运行结果如下：

开始播放音乐
暂停播放音乐
恢复播放音乐
停止播放音乐

对比前后两份代码，六步法实现的状态机比简单状态机明显有以下几方面的优点：

代码结构要更加清晰，避免了过多的switch...case或者if...else语句的使用。
很好地体现了开闭原则和单一职责原则，每个状态都是一个子结构体，你要增加状态就要增加子结构体，你要修改状态，你只修改一个子结构体就可以了。
封装性非常好，状态变换放置到子结构体的内部来实现，外部的调用不用知道子结构体的内部如何实现状态和行为的变换。

最后跟大家总计一下状态机六步法:

(1)、定义状态接口。
(2)、定义系统当前状态指针。
(3)、定义具体状态，根据状态迁移图来实现具体功能和状态切换。
(4)、定义主程序上下文操作接口。
(5)、初始化系统当前状态指针。
(6)、主程序通过上下文操作接口来控制系统当前状态的变化。

一般来说，熟练使用状态机六步法的嵌入式开发者，大都是两年软件开发经验以上的老鸟了。所以，如果你还是个嵌入式新手，请在实际开发中多多运用它，以后你的代码才能越来越优雅美观。而且掌握状态机编程对理解其他更复杂的设计模式也是大有裨益的。

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