QEP_FSM有限状态机框架
目录
1. 有限状态机框架介绍
有限状态机在C语言或者C++中的典型实现方式主要包含以下几种：
-
嵌套的switch语句
-
状态表
-
面向对象的设计模式
-
基于以上方法的结合变体
典型的实现方法可以参考这篇博客，对嵌套switch和状态表的设计做了详细介绍：
C语言_有限状态机FSM: link
本文介绍一种新的有限状态机的实现方法QEP,是一种基于事件的状态处理方式，QEP是QP框架的一个组件，这里简单介绍一下QP框架。
QP(Quantum Platform, 量子平台，简称QP,)是一个用于实时嵌入式系统的软件框架，QP是轻量级的、开源的、基于层次式状态机的、事件驱动的平台。
QP由一个合乎UML规范的事件处理器（QEP），一个可移植的事件驱动实时框架（QF），一个小型化的运行至完成的内核（QK）和一个软件跟踪系统（QS）组成。
其中，QEP（Quantum Event Processor）是一个合乎UML规范的事件处理器。它使得UML状态机的直接编码（使用UML状态图）成为可能，并能生成高度可维护的C/C++代码。每一个状态机元素都精确无歧义地对应到唯一的代码片段。QEP完全支持层次化状态嵌套，这方便了子状态机的复用而无需重复进行编码。
2. QEP实现原理
QEP结合了状态表的设计方法，但是状态表的设计有一个缺陷，状态表通常是一个二维数组，数组的行和列表示状态和触发事件，数组元素则是事件处理的函数指针，当状态和事件比较多是，将需要大量的函数实现事件的处理。QEP则每个状态需要一个函数，函数中采用switch case结构处理事件。
QEP的创新点在于把状态映射为函数指针，QEP状态机提供给了标准接口init()和dispatch()。其中的核心结构是QFsm，是一个抽象类，不需要直接实例化，而是在创建实例状态的时候继承QFsm父类，派生出实际需要的状态，其中可以添加需要的状态变量。例如本例中，Bomb实例继承了QFsm类，但是有自己的状态便令timeout, code等。QEP事件处理器的结构如下：
2.1 QFsm结构
QStateHandler是QFsm中的核心结构，使用一个函数指针来表示状态，函数指针所指向的函数里面使用一个switch结构处理该状态下所有的事件，处理完事件返回一个状态值，已处理/忽略/需要状态迁移。
Q_TRAN宏中直接在需要状态迁移时改变了实例状态（myBomb）即状态函数指针，并且返回了一个状态值Q_RET_TRAN，dispatch根据这个返回的值判断是否进行状态切换，或者状态不需要切换继续执行当前状态。
这个宏的定义是有技巧的，是一个逗号表达式，return执行了逗号之前的内容，返回了逗号之后的值
这里定义的基本事件，是每一个状态必须有的
typedef U8 QState;
typedef QState (*QStateHandler)(void *me, QEvent const *e);
typedef struct QFsmTag{
QStateHandler state;
}QFsm;
#define QFsm_ctor(me_, initial_) ((me_)->state = (initial_))
void QFsm_init (QFsm *me, QEvent const *e);
void QFsm_dispatch (QFsm *me, QEvent const *e);
#define Q_RET_HANDLED ((QState)0)
#define Q_RET_IGNORED ((QState)1)
#define Q_RET_TRAN ((QState)2)
#define Q_HANDLED() (Q_RET_HANDLED)
#define Q_IGNORED() (Q_RET_IGNORED)
#define Q_TRAN(target_) (((QFsm *)me)->state = (QStateHandler)(target_), Q_RET_TRAN)
#define QEP_EMPTY_SIG 0
enum QReservedSignals{
Q_ENTRY_SIG = 1,
Q_EXIT_SIG,
Q_INIT_SIG,
Q_USER_SIG
};
2.2 状态结构
QFsm状态机不包含层次状态机，不需要处理事件中的dynamic_，这是事件的父类结构，子类事件结构在第一个元素继承这个父类结构
typedef U8 QSignal;
typedef struct QEventTag
{
QSignal sig;
U8 dynamic_;
}QEvent;
2.3 QFsm结构对外提供的方法
QFsm提供标准接口init()和dispatch()两个接口，QFsm_dispatch接口判断当前状态时保持还是需要迁移，并且执行状态函数指针，检查是否有事件触发。如果状态不迁移，直接执行状态函数，如果迁移，则执行前一个状态的退出动作和当前状态的进入动作。
void QFsm_init(QFsm *me, QEvent const *e)
{
(*me->state)(me, e);
(void)(*me->state)(me, &(QEP_reservedEvt_[Q_ENTRY_SIG]));
}
void QFsm_dispatch(QFsm *me, QEvent const *e)
{
QStateHandler s = me->state;
QState r = (*s)(me, e);
if (r == Q_RET_TRAN)
{
(void)(*s)(me, &QEP_reservedEvt_[Q_EXIT_SIG]);
(void)(*me->state)(me, &QEP_reservedEvt_[Q_ENTRY_SIG]);
}
}
3. QFsm的使用
3.1 继承父类QFsm实例化
这里事件信号从Q_USER_SIG开始，因为状态默认有进入/退出/初始化，避免覆盖了这些信号。有三个要点：
- 事件继承
QEvent - 状态继承
QFsm - 状态指针的定义全部在应用层代码中
enum BombSignals { /* all signals for the Bomb FSM */
UP_SIG = Q_USER_SIG,
DOWN_SIG,
ARM_SIG,
TICK_SIG
};
typedef struct TickEvtTag {
QEvent super; /* derive from the QEvent structure */
U8 fine_time; /* the fine 1/10 s counter */
} TickEvt;
typedef struct BombTag {
QFsm super; /* derive from QFsm */
U8 timeout; /* number of seconds till explosion */
U8 code; /* currently entered code to disarm the bomb */
U8 defuse; /* secret defuse code to disarm the bomb */
} Bomb;
void Bomb_ctor(Bomb *me, U8 defuse);
QState Bomb_initial(Bomb *me, QEvent const *e);
QState Bomb_setting(Bomb *me, QEvent const *e);
QState Bomb_timing(Bomb *me, QEvent const *e);
初始化状态对象，Bomb_ctor用于构建和父类的状态关系：
void Bomb_ctor(Bomb *me, U8 defuse) {
QFsm_ctor(&me->super, (QStateHandler)&Bomb_initial);
me->defuse = defuse; /* the defuse code is assigned at instantiation */
}
3.2 状态函数的定义
QFsm的核心思想即在于使用一个函数指针来表示状态，本例中有三个状态，初始化/设置状态/定时状态
/*....................................................................*/
QState Bomb_initial(Bomb *me, QEvent const *e) {
(void)e;
me->timeout = INIT_TIMEOUT;
return Q_TRAN(&Bomb_setting);
}
/*....................................................................*/
QState Bomb_setting(Bomb *me, QEvent const *e)
{
switch (e->sig)
{
case UP_SIG:
{
if (me->timeout < 60) {
++me->timeout;
printf("timeout is %d:\n", me->timeout);
}
return Q_HANDLED();
}
case DOWN_SIG:
{
if (me->timeout > 1) {
--me->timeout;
printf("timeout is %d:\n", me->timeout);
}
return Q_HANDLED();
}
case ARM_SIG:
{
return Q_TRAN(&Bomb_timing); /* transition to "timing" */
}
default:
{
return Q_IGNORED();
}
}
return Q_IGNORED();
}
/*....................................................................*/
QState Bomb_timing(Bomb *me, QEvent const *e)
{
switch (e->sig)
{
case Q_ENTRY_SIG:
{
me->code = 0; /* clear the defuse code */
return Q_HANDLED();
}
case UP_SIG:
{
me->code <<= 1;
me->code |= 1;
return Q_HANDLED();
}
case DOWN_SIG:
{
me->code <<= 1;
return Q_HANDLED();
}
case ARM_SIG:
{
if (me->code == me->defuse) {
return Q_TRAN(&Bomb_setting);
}
return Q_HANDLED();
}
case TICK_SIG:
{
if (((TickEvt const *)e)->fine_time == 0) {
--me->timeout;
printf("timeout is %d:\n", me->timeout);
if (me->timeout == 0) {
printf("boom boom boom!\n");
}
}
return Q_HANDLED();
}
}
return Q_IGNORED();
}
3.3 注意事项
在QFsm_dispatch接口中使用了QEP_reservedEvt_, 定义了基本事件，进入/退出/初始化
//如果状态需要进行初始化，状态迁移后执行，需要注意的是s是dispatch中的局部变量，状态更新时更新的是me，此时s是没有更新的
(void)(*s)(me, &QEP_reservedEvt_[Q_EXIT_SIG]);
//这两句合在一起，先执行前一个状态退出时的动作，然后执行状态迁移之后的进入动作
(void)(*s)(me, &QEP_reservedEvt_[Q_EXIT_SIG]);
(void)(*me->state)(me, &QEP_reservedEvt_[Q_ENTRY_SIG]);
基本事件的定义
QEvent const QEP_reservedEvt_[4] = {
{ (QSignal)QEP_EMPTY_SIG, (U8)0 },
{ (QSignal)Q_ENTRY_SIG, (U8)0 },
{ (QSignal)Q_EXIT_SIG, (U8)0 },
{ (QSignal)Q_INIT_SIG, (U8)0 }
};
4. 小结
QFsm状态机的设计时十分巧妙的，通过函数指针来表达一个状态。提供了两个非常简单的接口，接口中操作的状态和事件都是父状态下定义的结构，所有的应用层状态和事件在应用层代码中定义，接口中我们只关心状态是否发生迁移，而不用关心状态中的事件处理。
- QFsm简单，容易通过C语言来实现
- 将状态中事件触发的动作放在状态函数中实现，具备合适的函数粒度，不向普通二维状态表一样，函数粒度太小
- 状态的扩展是方便有效的，不需要改变状态结构
- 使用一个函数指针来表示状态，RAM资源占用少
- 需要枚举事件，不需要枚举状态，不是层次式的状态，但是也可以很好的扩展为层次式的状态机
m状态机的设计时十分巧妙的，通过函数指针来表达一个状态。提供了两个非常简单的接口，接口中操作的状态和事件都是父状态下定义的结构，所有的应用层状态和事件在应用层代码中定义，接口中我们只关心状态是否发生迁移，而不用关心状态中的事件处理。
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