ID：邏輯思維
作者：GorgonMeducer
【說(shuō)在前面的話】
也許從12年前我第一次開始分享狀態(tài)機(jī)編寫心得開始，“狀態(tài)機(jī)”就像標(biāo)簽一樣緊緊的貼在了“傻孩子”這個(gè)網(wǎng)絡(luò)昵稱的額頭上——真是摳都扣不下來(lái)。不得不坦白的是，從一開始我介紹狀態(tài)機(jī)更多只注重狀態(tài)機(jī)這一語(yǔ)言的表現(xiàn)形式，而故意偷懶避開了狀態(tài)機(jī)開發(fā)思維的系統(tǒng)性介紹——也許剛開始真的是沒(méi)什么自信，覺(jué)得自己也沒(méi)有能真正領(lǐng)會(huì)狀態(tài)機(jī)的所謂精髓，所以不敢瞎說(shuō)；后來(lái)慢慢的掌握了所謂的狀態(tài)機(jī)思維模式以后，就是真正的懶惰了。在過(guò)去的5年間，盡管那些毛遂自薦參加過(guò)我免費(fèi)遠(yuǎn)程培訓(xùn)的人或多或少都學(xué)習(xí)到了一系列使用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行開發(fā)的思維方式，但畢竟人數(shù)太少。由阿莫論壇改為付費(fèi)訂閱模式為契機(jī)，我也有機(jī)會(huì)仔細(xì)回看、思考之前所寫過(guò)的內(nèi)容。說(shuō)實(shí)話，它們中的很多實(shí)在談不上“深入淺出”。作為公眾號(hào)復(fù)更的開端，我覺(jué)得有必要系統(tǒng)性的整理我那些所謂的“理論”、把它們寫下來(lái)——讓更多的人得以獲得一個(gè)討論和交流的起點(diǎn)。雖然我后面要寫的內(nèi)容既不是什么教條、也不是什么標(biāo)準(zhǔn)答案更不會(huì)是“金科玉律”，但一定是一個(gè)非常好的出發(fā)點(diǎn)——如果能引起大家的思考和討論，真正掌握狀態(tài)機(jī)開發(fā)，甚至能發(fā)展出自己的理論和風(fēng)格，那就再好不過(guò)了。
(圖片來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Finite-state_machine)
【正文】
說(shuō)來(lái)你不信，有限自動(dòng)機(jī)（Finite State Machine），又叫狀態(tài)機(jī)是整個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科倒數(shù)第二層的基石；倒數(shù)第一層就是大家所熟悉的組合邏輯（Combinational logic）——如果說(shuō)組合邏輯是沒(méi)啥靈魂的細(xì)胞的話，有限自動(dòng)機(jī)就是第一種“能夠任意描述思維邏輯”的神獸大烏龜——整個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科都馱在它的背上。
然而，如同組合邏輯電路如同“阿米巴”一樣的簡(jiǎn)單，掌握狀態(tài)機(jī)的難度跟“幼稚園”差不了多少。不相信的話，我們先從幾個(gè)簡(jiǎn)單的概念說(shuō)起：
很多小伙伴都曾抱怨說(shuō)“字面意思我都懂”，但“實(shí)際中如何理解什么是狀態(tài)”？、“怎樣才算一個(gè)狀態(tài)呢？”——我不是第一次遇到這種問(wèn)題了。答案其實(shí)很直接：
【第一種情況】：假設(shè)我們嘗試去做一件事情，但這件事情不是每次去做就一定會(huì)成功，而且每次去嘗試都有可能產(chǎn)生至少2種以上的結(jié)果，那么針對(duì)這件事情的嘗試就應(yīng)該單獨(dú)劃分一個(gè)狀態(tài)。舉個(gè)例子：extern?bool?serial_out(uint8_t?chByte);
函數(shù)serial_out()可以用來(lái)向某個(gè)串行外設(shè)發(fā)送一個(gè)字符，比如UART。如果成功了就返回true，如果設(shè)備正忙導(dǎo)致本次發(fā)送失敗則立即返回false。由于外設(shè)的發(fā)送速度相對(duì)CPU的運(yùn)行頻率來(lái)說(shuō)差了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)——在CPU眼中外設(shè)慢得跟蝸牛一樣，所以每次通過(guò)serial_out()?發(fā)送字符不一定是成功——很可能外設(shè)還在努力“消化”上一次的字符。這種情況下，如果我們要在狀態(tài)機(jī)中描述發(fā)送字符這樣的行為，就值得為其單獨(dú)分配一個(gè)狀態(tài)，因?yàn)樗鼭M足了我們前面說(shuō)的條件：1）一件事情你要不停的嘗試才有可能成功，而且2）每次做都可能會(huì)產(chǎn)生2個(gè)以上的結(jié)果。習(xí)慣上，我們會(huì)用圖示的方法來(lái)描述狀態(tài)，以發(fā)送字符'H'為例：
從圖中很容易注意到：
我們用圓圈來(lái)表示一個(gè)狀態(tài)；
圓圈中心我們會(huì)寫一些注釋性質(zhì)的內(nèi)容用來(lái)幫助人們理解這個(gè)狀態(tài)是做什么的；
圖中有三個(gè)箭頭，最左上角單純“指向”狀態(tài)的箭頭表示從別的什么地方“躍遷”到了當(dāng)前狀態(tài)——我們稱為“扇入”；下方從當(dāng)前狀態(tài)指向別的什么地方的箭頭表示從當(dāng)前狀態(tài)離開；——我們成為“扇出”；右上角從當(dāng)前狀態(tài)“扇出”后又“返回到”當(dāng)前狀態(tài)的情況，我們稱之為“自返”——也就是返回自己的意思。是不是特別簡(jiǎn)單。
實(shí)際使用的時(shí)候，如果單憑一個(gè)狀態(tài)圓圈里面的注釋文字，我們?nèi)匀徊荒芾斫膺@個(gè)狀態(tài)實(shí)際做了什么事情；或者說(shuō)我們非常好奇這個(gè)狀態(tài)實(shí)際嘗試做了什么動(dòng)作，就可以通過(guò)以下的標(biāo)注方法追加更多的信息，比如：
你看，是不是更加清晰了？同樣的情況還可以推廣到“調(diào)用一個(gè)函數(shù)而函數(shù)有多個(gè)不同的返回值”的情況；或者是“我們通過(guò)調(diào)用函數(shù)做了一件事情，雖然函數(shù)沒(méi)有返回值，但是我們可以通過(guò)多種其它手段來(lái)獲得這件事情的多個(gè)不同結(jié)果”的情況等等——領(lǐng)會(huì)精神，以此類推。
【第二種情況】：假設(shè)我們只是單純的在等待某一個(gè)事情發(fā)生；或者等待某個(gè)一結(jié)果——這個(gè)結(jié)果由2個(gè)以上的返回值組成等等，那么這個(gè)等待行為就需要分配一個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)。舉個(gè)例子：
int32_t?get_sensor_voltage(void);
函數(shù)get_sensor_volatage()可以返回某個(gè)傳感器的電壓值；我們?cè)O(shè)置了上下兩個(gè)門限，一旦電壓超過(guò)了任何一個(gè)門限，我們就切換到其它狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)圖示如下：
在這里，HIGH_THRESHOLD和LOW_THRESHOLD是兩個(gè)宏表示上下兩個(gè)門限。可以看到，這個(gè)狀態(tài)表示：如果傳感器的電壓值在兩個(gè)門限之間，我們就留在當(dāng)前狀態(tài)（通過(guò)自返回）；如果任意門限被超過(guò)，我們就相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)到別的狀態(tài)去。
在前面的圖示中，所有的箭頭我們都稱之為“躍遷”，表示從當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到箭頭所指向的目標(biāo)狀態(tài)（自返的躍遷就是自己跳回自己）。躍遷不是無(wú)條件的，也不允許無(wú)條件——換句話說(shuō)，每個(gè)躍遷都必須有一個(gè)條件：例如第一個(gè)例子中的true和false就是對(duì)應(yīng)躍遷的條件；后面例子中與門限值的比較也是對(duì)應(yīng)的條件。需要特別強(qiáng)調(diào)的是：1）一個(gè)狀態(tài)所有的躍遷條件必須是彼此“互斥”的、唯一的；2）所有的躍遷必須能覆蓋一個(gè)狀態(tài)機(jī)所有可能的情況——絕不允許出現(xiàn)漏網(wǎng)之魚，否則一旦沒(méi)有被覆蓋的情況出現(xiàn)就有可能導(dǎo)致整個(gè)狀態(tài)機(jī)的行為存在“不確定性”——如果狀態(tài)機(jī)描述的是一個(gè)機(jī)器人的行為的話，這就是導(dǎo)致機(jī)器人邏輯故障的嚴(yán)重Bug；3）躍遷是個(gè)瞬間的行為，你只能認(rèn)為當(dāng)條件滿足時(shí)躍遷的行為就像白駒過(guò)隙一樣一下就做完了——這點(diǎn)很重要，我們馬上就要細(xì)說(shuō)。前面說(shuō)過(guò)，當(dāng)某個(gè)躍遷的條件得到了滿足，我們就要沿著箭頭的方向從當(dāng)前狀態(tài)調(diào)轉(zhuǎn)到箭頭所指向的目標(biāo)狀態(tài)。實(shí)際上，在躍遷的過(guò)程中我們還可以執(zhí)行一些動(dòng)作。需要注意的是，正如前面3）說(shuō)的那樣，“躍遷是個(gè)瞬間行為”，所以這里的動(dòng)作也只會(huì)被執(zhí)行一次。習(xí)慣上，如果某個(gè)躍遷存在動(dòng)作，我們就在躍遷的條件下面加一個(gè)橫線，并在橫線的下方按順序列舉所有要執(zhí)行的動(dòng)作。
比如，我們可以通過(guò)一個(gè)專門的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)數(shù)器延時(shí)的效果：
在這個(gè)例子中，我們注意到：
雖然左上角扇入Delay狀態(tài)的躍遷條件我們并不知道，但在此時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器s_wCounter是再好不過(guò)了。所以我們空出了躍遷條件，并在橫線的下方寫下了計(jì)數(shù)器的初始化代碼；
右上角的躍遷條件是：“如果計(jì)數(shù)器的值小于延時(shí)1s所需的最大值”，那么對(duì)應(yīng)的動(dòng)作就是讓計(jì)數(shù)器自增；
右下角躍遷的條件是：“計(jì)數(shù)器的值超過(guò)了規(guī)定的最大值”，因此直接跳到目標(biāo)狀態(tài)而無(wú)需做其它動(dòng)作。
一個(gè)狀態(tài)機(jī)可以沒(méi)有終點(diǎn)，但一定有一個(gè)起點(diǎn)，我們稱之為 start。圖示上，習(xí)慣用一個(gè)實(shí)心小圓點(diǎn)來(lái)表示。start 不僅是狀態(tài)機(jī)的起點(diǎn)，由一個(gè)躍遷來(lái)連接它和第一個(gè)狀態(tài)；start 還是“兼任”?這一躍遷的條件，例如：
容易看出，這里 start?不僅是整個(gè)狀態(tài)機(jī)的起點(diǎn)，還兼任了扇入Delay狀態(tài)的躍遷的條件——從圖上來(lái)看，很容易理解成：“當(dāng)狀態(tài)機(jī)開始時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器s_wCounter”——可謂一目了然。
與 start 類似，狀態(tài)機(jī)的終點(diǎn)也是一個(gè)實(shí)心小圓點(diǎn)，以 cpl 來(lái)標(biāo)記；cpl?是 complete的縮寫。值得強(qiáng)調(diào)的是，雖然每個(gè)狀態(tài)機(jī)只有一個(gè)start點(diǎn)，但卻可以擁有0個(gè)或多個(gè)cpl點(diǎn)。一旦狀態(tài)機(jī)躍遷到了cpl點(diǎn)，這就意味著當(dāng)前狀態(tài)機(jī)結(jié)束了，下次再執(zhí)行狀態(tài)機(jī)就自動(dòng)從start點(diǎn)開始了。
至此，借助前面介紹的概念和圖式方法，我們已經(jīng)可以輕松的繪制一個(gè)狀態(tài)機(jī)（圖）了。其實(shí)前面的例子中，我們已經(jīng)看到了一個(gè)完整的Delay狀態(tài)機(jī)，盡管它只有一個(gè)狀態(tài)但已麻雀雖小五臟俱全。接下來(lái)，我們?cè)僬故疽粋€(gè)更直接的例子——如何使用serial_out()發(fā)送字符串“hello”：
- “不要問(wèn)，問(wèn)就是子狀態(tài)機(jī)”
如果狀態(tài)機(jī)不能調(diào)用子狀態(tài)機(jī)，那它跟咸魚有什么兩樣？那么如何用圖示表示子狀態(tài)機(jī)呢？廢話少說(shuō)，直接上圖：
如圖所示：
子狀態(tài)機(jī)是被圓角矩形包裹的
子狀態(tài)機(jī)的右上角有一個(gè)自反的狀態(tài)遷移，條件是“on going”意味子狀態(tài)機(jī)正在執(zhí)行，還未得出一個(gè)結(jié)果；
子狀態(tài)機(jī)的右下角（或者別的什么位置）需要有一個(gè)標(biāo)記有cpl條件的狀態(tài)遷移，表示當(dāng)子狀態(tài)機(jī)內(nèi)部達(dá)到了終點(diǎn)cpl以后，子狀態(tài)機(jī)從這里退出并躍遷到指定的狀態(tài)；
子狀態(tài)機(jī)有一個(gè)標(biāo)題欄，里面分別列舉了狀態(tài)機(jī)的名稱以及傳遞給當(dāng)前子狀態(tài)機(jī)的形參列表。（狀態(tài)機(jī)的返回值只能是類似cpl, on-going這樣的狀態(tài)，所以不需要特別標(biāo)記）
通過(guò)子狀態(tài)機(jī)調(diào)用，我們很容易用已有的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)搭積木的功能，比如假設(shè)我們將此前Delay的狀態(tài)機(jī)也做成子狀態(tài)機(jī)，配合這個(gè)已有的print_hello子狀態(tài)機(jī)，就可以輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)“打印hello然后延時(shí)1秒”的狀態(tài)機(jī)：
（這里需要注意，當(dāng)子狀態(tài)機(jī)被調(diào)用時(shí)，它使用圓角矩形替代了普通狀態(tài)的圓圈。）
考慮到任何一個(gè)狀態(tài)機(jī)其實(shí)都可以在未來(lái)被其它狀態(tài)機(jī)調(diào)用，我們實(shí)際操作上會(huì)把每一個(gè)狀態(tài)機(jī)都按照子狀態(tài)機(jī)的格式進(jìn)行繪制，因此上面的狀態(tài)機(jī)正確的畫法應(yīng)該是：
怎么樣，是不是很簡(jiǎn)單？
【后記】
請(qǐng)不要懷疑，狀態(tài)機(jī)本身是一種編程語(yǔ)言；狀態(tài)圖是描述狀態(tài)機(jī)的最常見方式之一；繪制狀態(tài)圖的圖例規(guī)范有很多種，比如UML規(guī)范等等。本文以及后續(xù)其它文章使用的是一種筆者自己結(jié)合狀態(tài)機(jī)的常見畫法并針對(duì)嵌入式軟件開發(fā)習(xí)慣簡(jiǎn)化后的圖例規(guī)范，簡(jiǎn)單、明確、有效，并且可以毫無(wú)歧義的嚴(yán)格且無(wú)腦的翻譯成包括switch狀態(tài)機(jī)在內(nèi)的多種C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在下一篇文章里，我們將以switch狀態(tài)機(jī)為例，介紹狀態(tài)圖的無(wú)腦翻譯方式，盡情期待。
