嵌入式状态机软件实现方式

回想刚开始工作的时候，写代码感觉都会很凌乱，不知道从哪里开始入手，而且写完老是漏掉各种情况处理。只能靠测试来发现缺陷，着实苦恼。直到某天听到办公室某个大佬指导另一个同事：“你搞个状态机去管理啊......你知道什么是状态机不？”于是便抱着好奇的心态去搜索了一下，从此打开了新的大门哈哈哈！发现尤其适合于嵌入式编程，所以十分推荐新手都了解一下。
状态机，这是在嵌入式系统中大量使用的软件模式，简单点说，就是会基于当前的状态去做不同的动作，切换到下一个状态。
下面以交通信号灯控制器作为状态机范例演示一下：（该图来自《嵌入式系统设计与实践》作者：Elecia White）
功能需求很简单：红灯停，绿灯行，黄灯等。

状态机一共有三个组成部分：状态、事件、动作；
以上范例中，可如下拆解：
状态：红灯状态RedState、绿灯状态GreenState、黄灯状态YellowState；
事件：停止命令StopCmd、前进命令GoCmd、超时TimeOut；
动作：切换到红灯RedLedOn、切换到绿灯GreenLedOn、切换到黄灯YellowLedOn；
在实际编程中，以不同的部分为中心，可以有不同的软件实现方法：
以状态为中心的状态机

我是谁->发生了什么事->我要干什么
每个状态负责自己的行为和迁移逻辑。基本上一个case对应一个状态，可读性比较强，是最常用的风格。
但可扩展性一般，如果状态事件太多，那处理函数很容易膨胀，所以不太适用于事件多的场景。

1. void TrafficLightSystemStateMachine(event_e event)
2. {
3.     static state_e current_state = RedState;
4.     switch (current_state) {
5.         case RedState:
6.             if (event == GoCmd) {
7.                 GreenLedOn();
8.                 current_state = GreenState;
9.             }
10.             break;
11.         case GreenState:
12.             if (event == TimeOut) {
13.                 YellowLedOn();
14.                 current_state = YellowState;
15.             }
16.             break;
17.         case YellowState:
18.             if (event == TimeOut) {
19.                 RedLedOn();
20.                 current_state = RedState;
21.             }
22.             break;
23.         default:
24.             break;
25.     }
26. }

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以隐式状态为中心的状态机

同样是以状态为中心，不过上面那种是显式的。区别就在于把迁移逻辑隐藏到状态函数内部里。
隐藏之后的好处是可以做到模块化处理，每个状态函数独立封装，易于单元测试。
（独立的好处是可以不用太管他人，那坏处就是无法太管得了他人。）

1. state_e red_state(void)
2. {
3.     if (received_event == GoCmd) {
4.         GreenLedOn();
5.         return GreenState;
6.     }
7.     return RedState;
8. }
10. state_e green_state(void)
11. {
12.     if (received_event == TimeOut) {
13.         YellowLedOn();
14.         return YellowState;
15.     } else if (received_event == StopCmd) {
16.         RedLedOn();
17.         return RedState;
18.     }
19.     return GreenState;
20. }
22. state_e yellow_state(void)
23. {
24.     if (received_event == TimeOut) {
25.         RedLedOn();
26.         return RedState;
27.     }
28.     return YellowState;
29. }
31. state_e (*state_functions[])(void) = {
32.     red_state, green_state, yellow_state
33. };
35. void TrafficLightSystemStateMachine(void)
36. {
37.     while (1) {
38.         current_state = state_functions[current_state]();
39.     }
40. }

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以事件为中心的状态机

发生了什么事->我是谁->我要干什么
比较适用于事件驱动场景，尤其是事件频繁，来源复杂的情况。

1. void TrafficLightSystemStateMachine(event_e event)
2. {
3.     static state_e current_state = RedState;
4.     switch (event) {
5.         case StopCmd:
6.             if (current_state != RedState) {
7.                 RedLedOn();
8.                 current_state = RedState;
9.             }
10.             break;
11.         case GoCmd:
12.             if (current_state == RedState) {
13.                 GreenLedOn();
14.                 current_state = GreenState;
15.             }
16.             break;
17.         case TimeOut:
18.             if (current_state == GreenState) {
19.                 YellowLedOn();
20.                 current_state = YellowState;
21.             } else if (current_state == YellowState) {
22.                 RedLedOn();
23.                 current_state = RedState;
24.             }
25.             break;
26.         default:
27.             break;
28.     }
29. }

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以动作为中心的状态机

现在是什么情况->我要干什么
以状态+事件判断来决定动作和下一个状态。
把迁移逻辑集中在表里，抽象程度高，可扩展性和可移植性强。
很适合状态 + 事件组合很多的场景

1. typedef struct {
2.     state_e  current;
3.     event_e  event;
4.     state_e  next;
5.     void (*action)(void);
6. } fsm_entry_t;
8. fsm_entry_t fsm_table[] = {
9.     { RedState,   GoCmd,     GreenState,  GreenLedOn },
10.     { GreenState, TimeOut,   YellowState, YellowLedOn },
11.     { YellowState, TimeOut,  RedState,    RedLedOn },
12.     { GreenState, StopCmd,   RedState,    RedLedOn },
13. };
15. void TrafficLightSystemStateMachine(event_e event)
16. {
17.     for (int i = 0; i < sizeof(fsm_table)/sizeof(fsm_table[0]); i++) {
18.         if (fsm_table[i].current == current_state && fsm_table[i].event == event) {
19.             current_state = fsm_table[i].next;
20.             fsm_table[i].action();
21.             break;
22.         }
23.     }
24. }

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总结：

哪个部分多就适合以哪个部分作为中心。状态多适合以状态为中心，事件多适合以事件为中心，状态和事件都多适合以动作为中心。在实践过程中，其实重要的不是实现方式，而是状态机的设计思想。但是状态机代码往往不利于维护和评审，所以提供状态机图等文档是十分必要的。
练习：
大家可以以电子表作为练习，写在评论区里交流一下，功能需求如下：
1.有液晶显示屏显示年月日时分秒；
2.有4个按键：
a.LIGH键：夜光功能，按下后表灯会亮起，提供夜晚或昏暗环境下的时间显示。
b.MODE键：功能键，用于选择需要调节的闹钟时间等。
c.START键/加键：秒表键，用于开始、停止和继续计时/数字加。
d.RESET键/减键：用于归零计时功能/数字减。
3.可以实现显示时间、调节时间、秒表、设置闹钟、倒计时功能。

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