什么是狀態機？

狀態機是有限狀態自動機的簡稱，是現實事物運行規則抽象而成的一個數學模型。

先來解釋什么是“狀態”（ State ）。現實事物是有不同狀態的，例如一個LED等，就有 亮 和 滅兩種狀態。我們通常所說的狀態機是有限狀態機，也就是被描述的事物的狀態的數量是有限個，例如LED燈的狀態就是兩個 亮和 滅。

狀態機，也就是 State Machine ，不是指一臺實際機器，而是指一個數學模型。說白了，一般就是指一張狀態轉換圖。

舉例

以物理課學的燈泡圖為例，就是一個最基本的小型狀態機

可以畫出以下的狀態機圖

這里就是兩個狀態：①燈泡亮，②燈泡滅 如果打開開關，那么狀態就會切換為 燈泡亮 。燈泡亮 狀態下如果關閉開關，狀態就會切換為 燈泡滅。

狀態機的全稱是有限狀態自動機，自動兩個字也是包含重要含義的。給定一個狀態機，同時給定它的當前狀態以及輸入，那么輸出狀態時可以明確的運算出來的。例如對于燈泡，給定初始狀態燈泡滅 ，給定輸入“打開開關”，那么下一個狀態時可以運算出來的。

四大概念

下面來給出狀態機的四大概念。

1. State ，狀態。一個狀態機至少要包含兩個狀態。例如上面燈泡的例子，有 燈泡亮和 燈泡滅兩個狀態。

2. Event ，事件。事件就是執行某個操作的觸發條件或者口令。對于燈泡，“打開開關”就是一個事件。

3. Action ，動作。事件發生以后要執行動作。例如事件是“打開開關”，動作是“開燈”。編程的時候，一個 Action 一般就對應一個函數。

4. Transition ，變換。也就是從一個狀態變化為另一個狀態。例如“開燈過程”就是一個變換。

狀態機的應用

狀態機是一個對真實世界的抽象，而且是邏輯嚴謹的數學抽象，所以明顯非常適合用在數字領域。可以應用到各個層面上，例如硬件設計，編譯器設計，以及編程實現各種具體業務邏輯的時候。

進程5狀態模型

進程管理是Linux五大子系統之一，非常重要，實際實現起來非常復雜，我們來看下進程是如何切換狀態的。

下圖是進程的5狀態模型：

關于該圖簡單介紹如下：

1. 可運行態：當進程正在被CPU執行，或已經準備就緒隨時可由調度程序執行，則稱該進程為處于運行狀態（running）。進程可以在內核態運行，也可以在用戶態運行。當系統資源已經可用時，進程就被喚醒而進入準備運行狀態，該狀態稱為就緒態。

2. 淺度睡眠態（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。

3. 深度睡眠態(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函數明確喚醒時才能轉換到可運行的就緒狀態。

4. 暫停狀態：當進程收到信號SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時就會進入暫停狀態。可向其發送SIGCONT信號讓進程轉換到可運行狀態。

5. 僵死狀態：當進程已停止運行，但其父進程還沒有詢問其狀態時，未釋放PCB，則稱該進程處于僵死狀態。

進程的狀態就是按照這個狀態圖進行切換的。

該狀態流程有點復雜，因為我們目標只是實現一個簡單的狀態機，所以我們簡化一下該狀態機如下：

要想實現狀態機，首先將該狀態機轉換成下面的狀態遷移表。

簡要說明如下：假設當前進程處于running狀態下，那么只有schedule事件發生之后，該進程才會產生狀態的遷移，遷移到owencpu狀態下，如果在此狀態下發生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會導致狀態的遷移。

如上圖所示：

1. 每一列表示一個狀態，每一行對應一個事件。

2. 該表是實現狀態機的最核心的一個圖，請讀者詳細對比該表和狀態遷移圖的的關系。

3. 實際場景中，進程的切換會遠比這個圖復雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復雜的問題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。

實現

根據狀態遷移表，定義該狀態機的狀態如下：

typedef enum {
sta_origin=0,
sta_running,sta_owencpu,sta_sleep_int,sta_sleep_unint}State;

發生的事件如下：

typedef enum{
evt_fork=0,
evt_sched,evt_wait,evt_wait_unint,evt_wake_up,evt_wake,}EventID;

不論是狀態還是事件都可以根據實際情況增加調整。

定義一個結構體用來表示當前狀態轉換信息：

typedef struct {
State curState;//當前狀態
EventID eventId;//事件ID
State nextState;//下個狀態
CallBack action;//回調函數，事件發生后，調用對應的回調函數
}StateTransform ;

事件回調函數：實際應用中不同的事件發生需要執行不同的action，就需要定義不同的函數， 為方便起見，本例所有的事件都統一使用同一個回調函數。功能：打印事件發生后進程的前后狀態，如果狀態發生了變化，就調用對應的回調函數。

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]);}}

為各個狀態定義遷移表數組：

/*origin*/
StateTransform stateTran_0={{sta_origin,evt_fork, sta_running,action_callback},{sta_origin,evt_sched, sta_origin,},{sta_origin,evt_wait, sta_origin,},{sta_origin,evt_wait_unint, sta_origin,},{sta_origin,evt_wake_up, sta_origin,},{sta_origin,evt_wake, sta_origin,},};/*running*/
StateTransform stateTran_1={{sta_running,evt_fork, sta_running,},{sta_running,evt_sched, sta_owencpu,action_callback},{sta_running,evt_wait, sta_running,},{sta_running,evt_wait_unint, sta_running,},{sta_running,evt_wake_up, sta_running,},{sta_running,evt_wake, sta_running,},};/*owencpu*/
StateTransform stateTran_2={{sta_owencpu,evt_fork, sta_owencpu,},{sta_owencpu,evt_sched, sta_owencpu,},{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,},{sta_owencpu,evt_wake, sta_owencpu,},};/*sleep_int*/
StateTransform stateTran_3={{sta_sleep_int,evt_fork, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_sched, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_wait, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_wait_unint, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_wake_up, sta_sleep_int,},{sta_sleep_int,evt_wake, sta_running,action_callback},};/*sleep_unint*/
StateTransform stateTran_4={{sta_sleep_unint,evt_fork, sta_sleep_unint,},{sta_sleep_unint,evt_sched, sta_sleep_unint,},{sta_sleep_unint,evt_wait, sta_sleep_unint,},{sta_sleep_unint,evt_wait_unint, sta_sleep_unint,},{sta_sleep_unint,evt_wake_up, sta_running,action_callback},{sta_sleep_unint,evt_wake, sta_sleep_unint,},};

實現event發生函數：

void event_happen(unsigned int event)
功能：
根據發生的event以及當前的進程state，找到對應的StateTransform 結構體，并調用do_action

void do_action(StateTransform *statTran)
功能：
根據結構體變量StateTransform，實現狀態遷移，并調用對應的回調函數。

#define STATETRANS(n) (stateTran_##n)
/*change state & call callback*/voiddo_action(StateTransform *statTran)
{if( == statTran)
{perror("statTran is \n");
return;
}//狀態遷移globalState = statTran->nextState;if(statTran->action != )
{//調用回調函數statTran->action((void*)statTran);}else{
printf("invalid event,state not change\n");
}}voidevent_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：

1. 初始化狀態機的初始狀態為sta_origin；

2. 創建子線程，每隔一秒鐘顯示當前進程狀態；

3. 事件發生順序為：evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake。

讀者可以跟自己的需要，修改事件發生順序，觀察狀態的變化。

main.c

/*顯示當前狀態*/
void *show_stat(void *arg)
{int len;
char buf[64]={0};
while(1)
{sleep(1);
printf("cur stat:%s\n",statename[globalState]);
}}voidmain(void)
{init_machine;//創建子線程，子線程主要用于顯示當前狀態
pthread_create(&pid, ,show_stat, );
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);
}

運行結果：

由結果可知：

evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake

該事件發生序列對應的狀態遷移順序為：

origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running