C++有限狀態機實現詳解

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前提：因為最近打算學設計模式的狀態模式，但不是很明白有限狀態機和狀態模式之間的關系，索性用C++實現瞭一個簡單案例復習瞭一下FSM，如果有更好的實現方法，歡迎留言

有限狀態機四大要素

  • 現態：當前所處狀態
  • 次態：當條件滿足後，即將轉移的下一個狀態
  • 動作：當滿足某個事件時執行的動作；動作執行完畢後可以轉移到另一個狀態或保持原有狀態
  • 條件：轉移狀態所需的條件，當滿足條件時，會觸發一個動作或進行狀態轉移

C++函數指針實現

案例：學生的日常生活。

  • 學生的日常生活包含以下幾個狀態：起床、上學、吃午飯、做作業、睡覺；
  • 每個狀態之間進行轉移需要執行相應的事件。

我分為以下幾個步驟來實現：

  • （1）繪制狀態轉移圖
  • （2）創建狀態轉移的FSMItem類
    • 枚舉：所有狀態State、所有事件Event；
    • 成員變量：現態_curState、事件_event、次態_nextState
    • 成員函數：動作函數
  • （3）創建有限狀態機FSM類
    • 成員變量：狀態轉移表vector<FSMItem*> _fsmTable
    • 成員函數：初始化狀態轉移表、狀態轉移、根據事件執行相應動作
  • （4）測試FSM

（1）繪制狀態轉移圖

在這裡插入圖片描述

（2）FSMItem類

//FSM狀態項
class FSMItem
{
    friend class FSM;
private:
   	//動作函數
    static void getUp()
    {
        cout << "student is getting up!" << endl;
    }
    static void go2School()
    {
        cout << "student is going to school!" << endl;
    }
    static void haveLunch()
    {
        cout << "student is having lunch!" << endl;
    }
    static void doHomework()
    {
        cout << "student is doing homework!" << endl;
    }
    static void sleeping()
    {
        cout << "student is sleeping!" << endl;
    }
public:
    //枚舉所有狀態
    enum State
    {
        GETUP = 0,
        GOTOSCHOOL,
        HAVELUNCH,
        DOHOMEWORK,
        SLEEP
    };
    //枚舉所有事件
    enum Events
    {
        EVENT1 = 0,
        EVENT2,
        EVENT3
    };
public:
    //初始化構造函數
    FSMItem(State curState, Events event, void(*action)(), State nextState)
        :_curState(curState), _event(event), _action(action), _nextState(nextState) {}
private:
    State   _curState;      //現態
    Events  _event;         //條件
    void    (*_action)();   //動作
    State   _nextState;     //次態
};

（3）FSM類

class FSM
{
public:
    //初始化狀態機
    FSM(FSMItem::State curState= FSMItem::GETUP):_curState(curState)
    {
        initFSMTable();
    }
    //狀態轉移
    void transferState(FSMItem::State nextState)
    {
        _curState = nextState;
    }
    //根據當前狀態和發生的事件，執行相應的動作，並進行狀態轉移
    void handleEvent(FSMItem::Events event)
    {
        FSMItem::State  curState = _curState;   //現態
        void (*action)() = nullptr;//動作
        FSMItem::State nextState;  //次態
        bool flag = false;
        for (int i = 0; i < _fsmTable.size(); i++)
        {
            if (event == _fsmTable[i]->_event && curState == _fsmTable[i]->_curState)
            {
                flag = true;
                action = _fsmTable[i]->_action;
                nextState = _fsmTable[i]->_nextState;
                break;
            }
        }
        //找到對應的狀態項，執行動作，轉移狀態
        if (flag)
        {
            if (action)
            {
                action();
            }
            transferState(nextState);
        }
    }
private:
    //根據畫的狀態轉移圖初始化狀態轉移表
    void initFSMTable()
    {
        _fsmTable.push_back(new FSMItem(FSMItem::GETUP, FSMItem::EVENT1, &FSMItem::getUp, FSMItem::GOTOSCHOOL));
        _fsmTable.push_back(new FSMItem(FSMItem::GOTOSCHOOL, FSMItem::EVENT2, &FSMItem::go2School, FSMItem::HAVELUNCH));
        _fsmTable.push_back(new FSMItem(FSMItem::HAVELUNCH, FSMItem::EVENT3, &FSMItem::haveLunch, FSMItem::DOHOMEWORK));
        _fsmTable.push_back(new FSMItem(FSMItem::DOHOMEWORK, FSMItem::EVENT1, &FSMItem::doHomework, FSMItem::SLEEP));
        _fsmTable.push_back(new FSMItem(FSMItem::SLEEP, FSMItem::EVENT2, &FSMItem::sleeping, FSMItem::GETUP));
    }
public:
    FSMItem::State _curState;  //現態
private:
    vector<FSMItem*> _fsmTable;  //狀態轉移表
};

（4）測試FSM

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
//測試事件變換
void testEvent(FSMItem::Events& event)
{
    switch (event)
    {
    case FSMItem::EVENT1:
        event = FSMItem::EVENT2;
        break;
    case FSMItem::EVENT2:
        event = FSMItem::EVENT3;
        break;
    case FSMItem::EVENT3:
        event = FSMItem::EVENT1;
        break;
    }
}
int main()
{
    FSM *fsm = new FSM();
    auto event = FSMItem::EVENT1;
    while (1)
    {
        cout << "event " << event << " is coming..." << endl;
        fsm->handleEvent(event);
        cout << "fsm current state is " << fsm->_curState << endl;
        testEvent(event);
    }
    return 0;
}

執行效果：

在這裡插入圖片描述

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容！

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