什么是狀態(tài)機？用C語言實現(xiàn)進程5狀態(tài)模型
前言
狀態(tài)機在實際工作開發(fā)中應(yīng)用非常廣泛，在剛進入公司的時候，根據(jù)公司產(chǎn)品做流程圖的時候，發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常會漏了這樣或那樣的狀態(tài)，導(dǎo)致整體流程會有問題，后來知道了狀態(tài)機這樣的東西，發(fā)現(xiàn)用這幅圖就可以很清晰的表達整個狀態(tài)的流轉(zhuǎn)。
一口君曾經(jīng)做過很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊，很多協(xié)議的開發(fā)都必須用到狀態(tài)機;一個健壯的狀態(tài)機可以讓你的程序，不論發(fā)生何種突發(fā)事件都不會突然進入一個不可預(yù)知的程序分支。
本篇通過C語言實現(xiàn)一個簡單的進程5狀態(tài)模型的狀態(tài)機，讓大家熟悉一下狀態(tài)機的魅力。
什么是狀態(tài)機?
定義
狀態(tài)機是有限狀態(tài)自動機的簡稱，是現(xiàn)實事物運行規(guī)則抽象而成的一個數(shù)學(xué)模型。
先來解釋什么是“狀態(tài)”( State )。現(xiàn)實事物是有不同狀態(tài)的，例如一個LED等，就有 亮 和 滅兩種狀態(tài)。我們通常所說的狀態(tài)機是有限狀態(tài)機，也就是被描述的事物的狀態(tài)的數(shù)量是有限個，例如LED燈的狀態(tài)就是兩個 亮和 滅。
狀態(tài)機，也就是 State Machine ，不是指一臺實際機器，而是指一個數(shù)學(xué)模型。說白了，一般就是指一張狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
舉例
以物理課學(xué)的燈泡圖為例，就是一個最基本的小型狀態(tài)機
可以畫出以下的狀態(tài)機圖
這里就是兩個狀態(tài)：①燈泡亮，②燈泡滅 如果打開開關(guān)，那么狀態(tài)就會切換為 燈泡亮 。燈泡亮 狀態(tài)下如果關(guān)閉開關(guān)，狀態(tài)就會切換為 燈泡滅。
狀態(tài)機的全稱是有限狀態(tài)自動機，自動兩個字也是包含重要含義的。給定一個狀態(tài)機，同時給定它的當(dāng)前狀態(tài)以及輸入，那么輸出狀態(tài)時可以明確的運算出來的。例如對于燈泡，給定初始狀態(tài)燈泡滅 ，給定輸入“打開開關(guān)”，那么下一個狀態(tài)時可以運算出來的。
四大概念
下面來給出狀態(tài)機的四大概念。
- State ，狀態(tài)。一個狀態(tài)機至少要包含兩個狀態(tài)。例如上面燈泡的例子，有 燈泡亮和 燈泡滅兩個狀態(tài)。
- Event ，事件。事件就是執(zhí)行某個操作的觸發(fā)條件或者口令。對于燈泡，“打開開關(guān)”就是一個事件。
- Action ，動作。事件發(fā)生以后要執(zhí)行動作。例如事件是“打開開關(guān)”，動作是“開燈”。編程的時候，一個 Action 一般就對應(yīng)一個函數(shù)。
- Transition ，變換。也就是從一個狀態(tài)變化為另一個狀態(tài)。例如“開燈過程”就是一個變換。
狀態(tài)機的應(yīng)用
狀態(tài)機是一個對真實世界的抽象，而且是邏輯嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)抽象，所以明顯非常適合用在數(shù)字領(lǐng)域?？梢詰?yīng)用到各個層面上，例如硬件設(shè)計，編譯器設(shè)計，以及編程實現(xiàn)各種具體業(yè)務(wù)邏輯的時候。
進程5狀態(tài)模型
進程管理是Linux五大子系統(tǒng)之一，非常重要，實際實現(xiàn)起來非常復(fù)雜，我們來看下進程是如何切換狀態(tài)的。
下圖是進程的5狀態(tài)模型：
關(guān)于該圖簡單介紹如下：
- 可運行態(tài)：當(dāng)進程正在被CPU執(zhí)行，或已經(jīng)準(zhǔn)備就緒隨時可由調(diào)度程序執(zhí)行，則稱該進程為處于運行狀態(tài)(running)。進程可以在內(nèi)核態(tài)運行，也可以在用戶態(tài)運行。當(dāng)系統(tǒng)資源已經(jīng)可用時，進程就被喚醒而進入準(zhǔn)備運行狀態(tài)，該狀態(tài)稱為就緒態(tài)。
- 淺度睡眠態(tài)(可中斷)：進程正在睡眠(被阻塞)，等待資源到來是喚醒，也可以通過其他進程信號或時鐘中斷喚醒，進入運行隊列。
- 深度睡眠態(tài)(不可中斷)：其和淺度睡眠基本類似，但有一點就是不可由其他進程信號或時鐘中斷喚醒。只有被使用wake_up()函數(shù)明確喚醒時才能轉(zhuǎn)換到可運行的就緒狀態(tài)。
- 暫停狀態(tài)：當(dāng)進程收到信號SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時就會進入暫停狀態(tài)?？上蚱浒l(fā)送SIGCONT信號讓進程轉(zhuǎn)換到可運行狀態(tài)。
- 僵死狀態(tài)：當(dāng)進程已停止運行，但其父進程還沒有詢問其狀態(tài)時，未釋放PCB，則稱該進程處于僵死狀態(tài)。
進程的狀態(tài)就是按照這個狀態(tài)圖進行切換的。
該狀態(tài)流程有點復(fù)雜，因為我們目標(biāo)只是實現(xiàn)一個簡單的狀態(tài)機，所以我們簡化一下該狀態(tài)機如下：
要想實現(xiàn)狀態(tài)機，首先將該狀態(tài)機轉(zhuǎn)換成下面的狀態(tài)遷移表。
簡要說明如下：假設(shè)當(dāng)前進程處于running狀態(tài)下，那么只有schedule事件發(fā)生之后，該進程才會產(chǎn)生狀態(tài)的遷移，遷移到owencpu狀態(tài)下，如果在此狀態(tài)下發(fā)生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會導(dǎo)致狀態(tài)的遷移。
如上圖所示：
- 每一列表示一個狀態(tài)，每一行對應(yīng)一個事件。
- 該表是實現(xiàn)狀態(tài)機的最核心的一個圖，請讀者詳細對比該表和狀態(tài)遷移圖的的關(guān)系。
- 實際場景中，進程的切換會遠比這個圖復(fù)雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復(fù)雜的問題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。
實現(xiàn)
根據(jù)狀態(tài)遷移表，定義該狀態(tài)機的狀態(tài)如下：
- typedef enum {
- sta_origin=0,
- sta_running,
- sta_owencpu,
- sta_sleep_int,
- sta_sleep_unint
- }State;
發(fā)生的事件如下：
- typedef enum{
- evt_fork=0,
- evt_sched,
- evt_wait,
- evt_wait_unint,
- evt_wake_up,
- evt_wake,
- }EventID;
不論是狀態(tài)還是事件都可以根據(jù)實際情況增加調(diào)整。
定義一個結(jié)構(gòu)體用來表示當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息：
- typedef struct {
- State curState;//當(dāng)前狀態(tài)
- EventID eventId;//事件ID
- State nextState;//下個狀態(tài)
- CallBack action;//回調(diào)函數(shù)，事件發(fā)生后，調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)
- }StateTransform ;
事件回調(diào)函數(shù)：實際應(yīng)用中不同的事件發(fā)生需要執(zhí)行不同的action，就需要定義不同的函數(shù)， 為方便起見，本例所有的事件都統(tǒng)一使用同一個回調(diào)函數(shù)。功能：打印事件發(fā)生后進程的前后狀態(tài)，如果狀態(tài)發(fā)生了變化，就調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。
- 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]);
- }
- }
為各個狀態(tài)定義遷移表數(shù)組：
- /*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},
- };
實現(xiàn)event發(fā)生函數(shù)：
- void event_happen(unsigned int event)
- 功能：
- 根據(jù)發(fā)生的event以及當(dāng)前的進程state，找到對應(yīng)的StateTransform 結(jié)構(gòu)體，并調(diào)用do_action()
- void do_action(StateTransform *statTran)
- 功能：
- 根據(jù)結(jié)構(gòu)體變量StateTransform，實現(xiàn)狀態(tài)遷移，并調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。
- #define STATETRANS(n) (stateTran_##n)
- /*change state & call callback()*/
- void do_action(StateTransform *statTran)
- {
- if(NULL == statTran)
- {
- perror("statTran is NULL\n");
- return;
- }
- //狀態(tài)遷移
- globalState = statTran->nextState;
- if(statTran->action != NULL)
- {//調(diào)用回調(diào)函數(shù)
- 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;
- }
- }
測試程序：功能：
- 初始化狀態(tài)機的初始狀態(tài)為sta_origin;
- 創(chuàng)建子線程，每隔一秒鐘顯示當(dāng)前進程狀態(tài);
- 事件發(fā)生順序為：evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake。
讀者可以跟自己的需要，修改事件發(fā)生順序，觀察狀態(tài)的變化。
main.c
- /*顯示當(dāng)前狀態(tài)*/
- 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();
- //創(chuàng)建子線程，子線程主要用于顯示當(dāng)前狀態(tài)
- 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);
- }
運行結(jié)果：
由結(jié)果可知：
- evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake
該事件發(fā)生序列對應(yīng)的狀態(tài)遷移順序為：
- origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「一口Linux」，可以通過以下二維碼關(guān)注。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系一口Linux公眾號。
