什么是状态机？用C语言实现进程5状态模型

上山打老虎

　　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