C++使用 tinyFSM 实现有限状态机：从状态图到代码实践

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分类专栏： C++ 文章标签： 状态机 状态图 FSM tinyFSM 有限状态机
于 2024-09-19 15:42:09 首次发布
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0. 引言

在软件开发中，有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种重要的设计模式，广泛应用于系统建模、控制流管理和事件驱动程序设计。本文将介绍如何使用轻量级的 C++ 状态机库 tinyFSM 来实现一个有限状态机，从状态图描述到代码实现的全过程。

1. 状态机描述

初始状态
EvAtoB / 条件1 && 条件2
EvAtoB / 条件不满足
EvFailure
EvBtoA / 条件3
EvBtoA / 条件不满足
EvFailure
StateA
StateB
FailureState

如上图状态机，其流程可以用以下方式描述：

  • 状态 A：初始状态，可能包含一些子状态。
  • 状态 B：可通过满足特定条件从状态 A 转换而来。
  • 故障状态：当状态转换失败或条件不满足时进入的状态。

1.1 状态和转换

  • 状态 A：

    • 子状态：状态 A 包含以下子状态：
      • 子状态 1
      • 子状态 2
      • 子状态 3
      • 子状态 4
      • 子状态 5
    • 转换条件：
      • 当满足条件 condition1 和 condition2 时，可以从状态 A 转换到状态 B。
      • 如果条件不满足，转换将失败，进入故障状态。

  • 状态 B：

    • 转换条件：
      • 当满足条件 condition3 时，可以从状态 B 转换回状态 A。
      • 如果条件不满足，转换将失败，进入故障状态。

  • 故障状态：

    • 系统进入此状态后，需要处理错误或重置状态机。

1.2 枚举类

我们定义了一个枚举类 StatusFeedback，包含以下状态：

  • UNDEFINED：未定义状态。
  • STATE_A：状态 A。
  • STATE_B：状态 B。
  • FAILURE：故障状态。

2. tinyFSM 简介

tinyFSM 是一个用现代 C++ 编写的轻量级有限状态机库。它的特点包括：

  • 轻量级、易于集成，无第三方依赖。
  • 使用模板元编程，实现编译时多态，性能高效。
  • 支持事件驱动的状态转换。

3. 代码实现

下面我们使用 tinyFSM 来实现上述状态机。

3.1. 定义状态反馈枚举

引入头文件和命名空间

#include <iostream>
#include "tinyfsm.hpp"

enum class StatusFeedback
{
    UNDEFINED,
    STATE_A,
    STATE_B,
    FAILURE
};

3.2 定义事件

// 从状态 A 到状态 B 的事件
struct EvAtoB : tinyfsm::Event
{
    bool condition1;
    bool condition2;

    EvAtoB(bool cond1 = false, bool cond2 = false)
        : condition1(cond1), condition2(cond2) {}
};

// 从状态 B 到状态 A 的事件
struct EvBtoA : tinyfsm::Event
{
    bool condition3;

    EvBtoA(bool cond3 = false)
        : condition3(cond3) {}
};

// 故障事件
struct EvFailure : tinyfsm::Event { };

3.3 定义基状态类

class BaseState : public tinyfsm::Fsm<BaseState>
{
public:
    // 默认事件处理（未定义的事件）
    void react(EvAtoB const &) { }
    void react(EvBtoA const &) { }
    void react(EvFailure const &) { }

    virtual void entry() { }  // 进入状态时的动作
    virtual void exit() { }   // 离开状态时的动作

    // 获取当前状态反馈
    virtual StatusFeedback getStatus() const = 0;
};

3.4 前向声明具体状态类

class StateA;
class StateB;
class FailureState;

3.5 定义具体状态类

3.5.1 状态 A

class StateA : public BaseState
{
public:
    // 定义子状态
    enum class Substate
    {
        Substate1,
        Substate2,
        Substate3,
        Substate4,
        Substate5
    };

    Substate substate;

    void entry() override
    {
        std::cout << "进入状态 A" << std::endl;
        // 设置初始子状态
        substate = Substate::Substate1;
    }

    void exit() override
    {
        std::cout << "离开状态 A" << std::endl;
    }

    void react(EvAtoB const & event) override
    {
        std::cout << "状态 A：收到 EvAtoB" << std::endl;
        // 检查条件
        if (event.condition1 && event.condition2)
        {
            std::cout << "从状态 A 转换到状态 B" << std::endl;
            transit<StateB>();
        }
        else
        {
            std::cout << "条件不满足，进入故障状态" << std::endl;
            transit<FailureState>();
        }
    }

    void react(EvFailure const &) override
    {
        std::cout << "状态 A：收到 EvFailure，进入故障状态" << std::endl;
        transit<FailureState>();
    }

    StatusFeedback getStatus() const override
    {
        return StatusFeedback::STATE_A;
    }

    // 可添加处理子状态转换的额外方法
};

3.5.2 状态 B

class StateB : public BaseState
{
public:
    void entry() override
    {
        std::cout << "进入状态 B" << std::endl;
    }

    void exit() override
    {
        std::cout << "离开状态 B" << std::endl;
    }

    void react(EvBtoA const & event) override
    {
        std::cout << "状态 B：收到 EvBtoA" << std::endl;
        // 检查条件
        if (event.condition3)
        {
            std::cout << "从状态 B 转换到状态 A" << std::endl;
            transit<StateA>();
        }
        else
        {
            std::cout << "条件不满足，进入故障状态" << std::endl;
            transit<FailureState>();
        }
    }

    void react(EvFailure const &) override
    {
        std::cout << "状态 B：收到 EvFailure，进入故障状态" << std::endl;
        transit<FailureState>();
    }

    StatusFeedback getStatus() const override
    {
        return StatusFeedback::STATE_B;
    }
};

3.5.3 故障状态

class FailureState : public BaseState
{
public:
    void entry() override
    {
        std::cout << "进入故障状态" << std::endl;
    }

    void exit() override
    {
        std::cout << "离开故障状态" << std::endl;
    }

    StatusFeedback getStatus() const override
    {
        return StatusFeedback::FAILURE;
    }
};

4. 主函数

定义状态列表和初始状态

// 定义状态列表
using FsmList = tinyfsm::FsmList<StateA, StateB, FailureState>;

// 设置初始状态为 StateA
FSM_INITIAL_STATE(BaseState, StateA)

int main()
{
    // 启动状态机
    FsmList::start();

    // 获取当前状态
    BaseState *currentState = &BaseState::state();
    std::cout << "当前状态编号：" << static_cast<int>(currentState->getStatus()) << std::endl;

    // 尝试在条件不满足的情况下从状态 A 转换到状态 B
    EvAtoB ev_a2b(false, false);
    FsmList::dispatch(ev_a2b);

    // 在条件满足的情况下从状态 A 转换到状态 B
    EvAtoB ev_a2b_ok(true, true);
    FsmList::dispatch(ev_a2b_ok);

    // 从状态 B 转换回状态 A
    EvBtoA ev_b2a(true);
    FsmList::dispatch(ev_b2a);

    // 从状态 A 触发故障事件
    EvFailure ev_failure;
    FsmList::dispatch(ev_failure);

    return 0;
}

5. 运行结果

编译并运行上述代码，得到以下输出：

进入状态 A
当前状态编号：1
状态 A：收到 EvAtoB
条件不满足，进入故障状态
离开状态 A
进入故障状态
状态 A：收到 EvAtoB
状态 A：收到 EvAtoB
从状态 A 转换到状态 B
离开状态 A
进入状态 B
状态 B：收到 EvBtoA
从状态 B 转换到状态 A
离开状态 B
进入状态 A
状态 A：收到 EvFailure，进入故障状态
离开状态 A
进入故障状态

6. 代码解析

6.1 状态转换逻辑

  • 状态 A 到状态 B：当收到事件 EvAtoB 且 condition1 和 condition2 均为 true 时，状态 A 转换到状态 B；否则，进入故障状态。
  • 状态 B 到状态 A：当收到事件 EvBtoA 且 condition3 为 true 时，状态 B 转换到状态 A；否则，进入故障状态。
  • 故障状态处理：当任何状态收到 EvFailure 事件或条件不满足时，进入故障状态。

6.2 子状态管理

  • 在状态 A 中，定义了一个枚举 Substate 来表示子状态。进入状态 A 时，默认子状态为 Substate1。
  • 可以根据需要在状态 A 中添加处理子状态转换的逻辑。

6.3 状态反馈

  • 使用 getStatus() 方法获取当前状态的反馈，可以用于监控和日志记录。

6.4 为什么 EvFailure 事件只影响了 状态 A 而不是 状态 B?

EvFailure ev_failure;    

FsmList::dispatch(ev_failure);

这段代码为啥只打印如下：“状态 A：收到 EvFailure，进入故障状态” ,状态B为什么没有进入故障状态？

原因

在 tinyFSM 中，事件只会被派发给当前的活动状态，即状态机中的唯一一个处于活动状态的状态会对事件作出反应。对于您当前的代码来说，事件 EvFailure 只会发送给当前处于活动状态的状态，而不会广播给所有状态。

在您的程序运行时，状态 A 是当前的活动状态。所以当 EvFailure 被派发时，状态 A 对该事件作出了反应，并转换到 故障状态。因此输出：

状态 A：收到 EvFailure，进入故障状态

状态 B 没有收到 EvFailure 的原因是：状态 B 在事件派发时不是当前的活动状态，因此不会对事件作出反应。

具体流程

让我们按步骤分析一下代码的运行流程，帮助更清楚地理解：

  • 启动状态机：当程序启动时，状态机被初始化，并设置为从 状态 A 开始。

    • 输出：
      进入状态 A

  • 触发 EvAtoB 事件（条件不满足）：

    • 当前状态：状态 A

    • 事件：EvAtoB，条件不满足（condition1 = false，condition2 = false）。

    • 状态 A 检查事件条件，条件不满足，于是它进入 故障状态。

    • 输出：

      状态 A：收到 EvAtoB
条件不满足，进入故障状态
离开状态 A
进入故障状态

  • 触发 EvAtoB 事件（条件满足）：

    • 当前状态：故障状态

    • 事件：EvAtoB，条件满足（condition1 = true，condition2 = true）。

    • 故障状态 对 EvAtoB 不作出反应，因为它没有处理 EvAtoB 事件的逻辑。故障状态会忽略这个事件。

    • 没有输出，因为没有任何反应。

  • 从状态 A 触发 EvFailure 事件：

    • 当前状态：状态 A

    • 事件：EvFailure

    • 状态 A 对 EvFailure 事件作出反应，进入 故障状态。

    • 输出：

      状态 A：收到 EvFailure，进入故障状态
离开状态 A
进入故障状态

7. 附录：完整代码

// g++ -std=c++11 -o fsm_example main.cpp
#include <iostream>
#include "tinyfsm.hpp"

// 定义状态反馈枚举
enum class StatusFeedback
{
    UNDEFINED,
    STATE_A,
    STATE_B,
    FAILURE
};

// 定义事件
// 从状态 A 到状态 B 的事件
struct EvAtoB : tinyfsm::Event
{
    bool condition1;
    bool condition2;

    EvAtoB(bool cond1 = false, bool cond2 = false)
        : condition1(cond1), condition2(cond2) {}
};

// 从状态 B 到状态 A 的事件
struct EvBtoA : tinyfsm::Event
{
    bool condition3;

    EvBtoA(bool cond3 = false)
        : condition3(cond3) {}
};

// 故障事件
struct EvFailure : tinyfsm::Event { };

// 定义基状态类
class BaseState : public tinyfsm::Fsm<BaseState>
{
public:
    // 默认事件处理（未定义的事件）
    void react(EvAtoB const &) { }
    void react(EvBtoA const &) { }
    void react(EvFailure const &) { }

    virtual void entry() { }  // 进入状态时的动作
    virtual void exit() { }   // 离开状态时的动作

    // 获取当前状态反馈
    virtual StatusFeedback getStatus() const = 0;
};

// 前向声明具体状态类
class StateA;
class StateB;
class FailureState;

// 定义具体状态类

// 状态 A
class StateA : public BaseState
{
public:
    // 定义子状态
    enum class Substate
    {
        Substate1,
        Substate2,
        Substate3,
        Substate4,
        Substate5
    };

    Substate substate;

    void entry() override
    {
        std::cout << "进入状态 A" << std::endl;
        // 设置初始子状态
        substate = Substate::Substate1;
    }

    void exit() override
    {
        std::cout << "离开状态 A" << std::endl;
    }

    void react(EvAtoB const & event) override
    {
        std::cout << "状态 A：收到 EvAtoB" << std::endl;
        // 检查条件
        if (event.condition1 && event.condition2)
        {
            std::cout << "从状态 A 转换到状态 B" << std::endl;
            transit<StateB>();
        }
        else
        {
            std::cout << "条件不满足，进入故障状态" << std::endl;
            transit<FailureState>();
        }
    }

    void react(EvFailure const &) override
    {
        std::cout << "状态 A：收到 EvFailure，进入故障状态" << std::endl;
        transit<FailureState>();
    }

    StatusFeedback getStatus() const override
    {
        return StatusFeedback::STATE_A;
    }

    // 可添加处理子状态转换的额外方法
};

// 状态 B
class StateB : public BaseState
{
public:
    void entry() override
    {
        std::cout << "进入状态 B" << std::endl;
    }

    void exit() override
    {
        std::cout << "离开状态 B" << std::endl;
    }

    void react(EvBtoA const & event) override
    {
        std::cout << "状态 B：收到 EvBtoA" << std::endl;
        // 检查条件
        if (event.condition3)
        {
            std::cout << "从状态 B 转换到状态 A" << std::endl;
            transit<StateA>();
        }
        else
        {
            std::cout << "条件不满足，进入故障状态" << std::endl;
            transit<FailureState>();
        }
    }

    void react(EvFailure const &) override
    {
        std::cout << "状态 B：收到 EvFailure，进入故障状态" << std::endl;
        transit<FailureState>();
    }

    StatusFeedback getStatus() const override
    {
        return StatusFeedback::STATE_B;
    }
};

// 故障状态
class FailureState : public BaseState
{
public:
    void entry() override
    {
        std::cout << "进入故障状态" << std::endl;
    }

    void exit() override
    {
        std::cout << "离开故障状态" << std::endl;
    }

    StatusFeedback getStatus() const override
    {
        return StatusFeedback::FAILURE;
    }
};

// 定义状态列表
using FsmList = tinyfsm::FsmList<StateA, StateB, FailureState>;

// 设置初始状态为 StateA
FSM_INITIAL_STATE(BaseState, StateA)

int main()
{
    // 启动状态机
    FsmList::start();

    // 获取当前状态
    BaseState *currentState = &BaseState::state();
    std::cout << "当前状态编号：" << static_cast<int>(currentState->getStatus()) << std::endl;

    // 尝试在条件不满足的情况下从状态 A 转换到状态 B
    EvAtoB ev_a2b(false, false);
    FsmList::dispatch(ev_a2b);

    // 在条件满足的情况下从状态 A 转换到状态 B
    EvAtoB ev_a2b_ok(true, true);
    FsmList::dispatch(ev_a2b_ok);

    // 从状态 B 转换回状态 A
    EvBtoA ev_b2a(true);
    FsmList::dispatch(ev_b2a);

    // 从状态 A 触发故障事件
    EvFailure ev_failure;
    FsmList::dispatch(ev_failure);

    return 0;
}

8. 参考资料

机器人动作策略规划导读
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认知有限，望大家多多包涵，有什么问题也希望能够与大家多交流，共同成长！本文先对动作策略规划导读做个简单的介绍，具体内容后续再更，其他模块可以参考去我其他文章提示：以下是本篇文章正文内容。
移动机器人规划控制合集导读
qq_35635374的博客
10-10 2264
认知有限，望大家多多包涵，有什么问题也希望能够与大家多交流，共同成长！本文先对移动机器人规划控制合集做个简单的介绍，具体内容后续再更，其他模块可以参考去我其他文章提示：以下是本篇文章正文内容。
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TinyFSM TinyFSM是一个简单的C ++有限状态机库，旨在实现最佳性能和低内存占用。 这使其成为实时操作系统的理想选择。 这个概念非常简单，使程序员可以完全了解幕后发生的事情。 它提供了一种将状态机图表映射到源代码的简单方法。 TinyFSM基本上将事件分派包装到函数调用中，使事件分派同样快地调用（甚至内联）函数。 即使在最坏的情况下，调度也只会导致单个vtable查找和函数调用！ 主要特征： 进/出动作 事件动作 过渡功能 过渡条件 事件有效负载（类） 状态和动作函数的继承 TinyFSM受益于C ++ 11模板元编程功能（如可变参数模板），并且不依赖于RTTI，异常或任何外部库。 官方主页： ： 当前版本： 0.3.2 文献资料 您可以在TinyFSM项目的doc/目录中找到主要文档。 最新版本也可。 安装 TinyFSM是仅标头的库，不需要特殊的安装步骤。
【开源项目解析】TinyFSM：C++轻量级状态机库及其使用指南
gitblog_01228的博客
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#【开源项目解析】TinyFSM：C++轻量级状态机库及其使用指南 tinyfsm A simple C++ finite state machine library 项目地址: https://gitcode.com/gh_mi...
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状态机适用范围，同一个动作，有不同的反应操作，举个简单的例子现在你有一个玩偶，按钮有前进，后退等等指令但是你总得有方向吧，比如说面朝北，才是前进，和后退也就说，w控制前进，但是方向不同，前进后的坐标就不同，这就是一个指令有不同的操作这个玩偶就是你的状态机，负责在当前状态执行对应的指令事件，而你作为管理者，可以改变当前状态看截图（我这里用1，2，3控制转向，0代表退出）
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FSM有限状态机四大要素 现态：当前所处状态 次态：当条件满足后，即将转移的下一个状态 动作：当满足某个事件时执行的动作；动作执行完毕后可以转移到另一个状态或保持原有状态 条件：转移状态所需的条件，当满足条件时，会触发一个动作或进行状态转移 C++函数指针实现FSM 案例：学生的日常生活。 学生的日常生活包含以下几个状态：起床、上学、吃午饭、做作业、睡觉； 每个状态之间进行转移需要执行相应的事件。 我分为以下几个步骤来实现： （1）绘制状态转移图 （2）创建状态转移的FSMItem类 枚举：所有
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关注、星标公众号，直达精彩内容来源：网络素材整理：李肖遥这篇文章主要为大家详细介绍了C++有限状态机的相关资料，文中示例代码介绍的非常详细，具有一定的参考价值，感兴趣的小伙伴们可以参考一下。目录有限状态机四大要素C++函数指针实现总结前提：因为最近打算学设计模式的状态模式，但不是很明白有限状态机和状态模式之间的关系，索性用C++实现了一个简单案例复习了一下FSM，...
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m0_37581770的博客
03-08 2362
最近开发一个系统，要用到比较多的状态机，若像是以前那样，每个状态机都分开实现，过于麻烦。故简单设计了个简单的模型 上图所示是一个简单的状态机示意图。按照个人理解状态机的一般处理都是，在主循环中检查事件Event，若事件发生则进行动作Action，若没发生则执行状态处理StateAction。动作Action完成后一般会进行状态的迁移。所以按照面向对象的思想来说，可将其分为以下三个类： Fsm ...
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