有限状态机FSM的原理与GO的实现

有限状态机(Finite-state machine, 简写FSM)又可以称作有限状态自动机。它必须是可以附着在某种事物上的,且该事物的状态是有限的,通过某些触发事件,会让其状态发生转换。为此,有限状态机就是描述这些有限的状态和触发事件及转换行为的数学模型。

有限状态机组成

有限状态机有两个必要的特点,一是离散的,二是有限的。基于这两点,现实世界上绝大多数事物因为复杂的状态而无法用有限状态机表示。

而描述事物的有限状态机模型的元素由以下组成:

  • 状态(State):事物的状态,包括初始状态和所有事件触发后的状态
  • 事件(Event):触发状态变化或者保持原状态的事件
  • 行为或转换(Action/Transition):执行状态转换的过程
  • 检测器(Guard):检测某种状态要转换成另一种状态的条件是否满足

应用领域

除了刚刚介绍的数学模型应用,有限状态机在许多不同领域都有重要应用,包括电气工程、语言学、计算机科学、哲学、生物学、数学和逻辑学。有限状态机归属于自动机理论,下面的自动机理论的领域分层图中就可以看出,越是外层的概念越复杂。

有限状态机的举例

我们就拿身边最经典的电风扇来举例。假如电风扇有4个按钮,分别是关、1档、2档和3档,关按钮负责关闭电风扇,也就是停止电风扇的转动;而1、2、3档都可以让电风扇开启,且风扇转动的速度不一样,产生的风力也不一样。

这时我们判断出风扇的4个状态,分别是关闭(poweroff)、1档(1st gear)、2档(2nd gear)、3档(3rd gear)。而4个按钮的按下操作可以影响电风扇的状态。下面用状态图来说明:

如果看不清楚,还有状态转移表

为了更直观的让程序员了解FSM具体有什么用,我将电风扇的有限状态机用程序来演示。

Go语言下的有限状态机

一共2个文件,fsm.go是有限状态机的抽象定义,main.go里是有限状态机在电风扇上的具体状态呈现,代码如下:

// fsm.go
package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

type FSMState string            // 状态
type FSMEvent string            // 事件
type FSMHandler func() FSMState // 处理方法,并返回新的状态

// 有限状态机
type FSM struct {
    mu       sync.Mutex                           // 排他锁
    state    FSMState                             // 当前状态
    handlers map[FSMState]map[FSMEvent]FSMHandler // 处理地图集,每一个状态都可以出发有限个事件,执行有限个处理
}

// 获取当前状态
func (f *FSM) getState() FSMState {
    return f.state
}

// 设置当前状态
func (f *FSM) setState(newState FSMState) {
    f.state = newState
}

// 某状态添加事件处理方法
func (f *FSM) AddHandler(state FSMState, event FSMEvent, handler FSMHandler) *FSM {
    if _, ok := f.handlers[state]; !ok {
        f.handlers[state] = make(map[FSMEvent]FSMHandler)
    }
    if _, ok := f.handlers[state][event]; ok {
        fmt.Printf("[警告] 状态(%s)事件(%s)已定义过", state, event)
    }
    f.handlers[state][event] = handler
    return f
}

// 事件处理
func (f *FSM) Call(event FSMEvent) FSMState {
    f.mu.Lock()
    defer f.mu.Unlock()
    events := f.handlers[f.getState()]
    if events == nil {
        return f.getState()
    }
    if fn, ok := events[event]; ok {
        oldState := f.getState()
        f.setState(fn())
        newState := f.getState()
        fmt.Println("状态从 [", oldState, "] 变成 [", newState, "]")
    }
    return f.getState()
}

// 实例化FSM
func NewFSM(initState FSMState) *FSM {
    return &FSM{
        state:    initState,
        handlers: make(map[FSMState]map[FSMEvent]FSMHandler),
    }
}

// main.go
package main

import (
    "fmt"
)

var (
    Poweroff        = FSMState("关闭")
    FirstGear       = FSMState("1档")
    SecondGear      = FSMState("2档")
    ThirdGear       = FSMState("3档")
    PowerOffEvent   = FSMEvent("按下关闭按钮")
    FirstGearEvent  = FSMEvent("按下1档按钮")
    SecondGearEvent = FSMEvent("按下2档按钮")
    ThirdGearEvent  = FSMEvent("按下3档按钮")
    PowerOffHandler = FSMHandler(func() FSMState {
        fmt.Println("电风扇已关闭")
        return Poweroff
    })
    FirstGearHandler = FSMHandler(func() FSMState {
        fmt.Println("电风扇开启1档,微风徐来!")
        return FirstGear
    })
    SecondGearHandler = FSMHandler(func() FSMState {
        fmt.Println("电风扇开启2档,凉飕飕!")
        return SecondGear
    })
    ThirdGearHandler = FSMHandler(func() FSMState {
        fmt.Println("电风扇开启3档,发型被吹乱了!")
        return ThirdGear
    })
)

// 电风扇
type ElectricFan struct {
    *FSM
}

// 实例化电风扇
func NewElectricFan(initState FSMState) *ElectricFan {
    return &ElectricFan{
        FSM: NewFSM(initState),
    }
}

// 入口函数
func main() {

    efan := NewElectricFan(Poweroff) // 初始状态是关闭的
    // 关闭状态
    efan.AddHandler(Poweroff, PowerOffEvent, PowerOffHandler)
    efan.AddHandler(Poweroff, FirstGearEvent, FirstGearHandler)
    efan.AddHandler(Poweroff, SecondGearEvent, SecondGearHandler)
    efan.AddHandler(Poweroff, ThirdGearEvent, ThirdGearHandler)
    // 1档状态
    efan.AddHandler(FirstGear, PowerOffEvent, PowerOffHandler)
    efan.AddHandler(FirstGear, FirstGearEvent, FirstGearHandler)
    efan.AddHandler(FirstGear, SecondGearEvent, SecondGearHandler)
    efan.AddHandler(FirstGear, ThirdGearEvent, ThirdGearHandler)
    // 2档状态
    efan.AddHandler(SecondGear, PowerOffEvent, PowerOffHandler)
    efan.AddHandler(SecondGear, FirstGearEvent, FirstGearHandler)
    efan.AddHandler(SecondGear, SecondGearEvent, SecondGearHandler)
    efan.AddHandler(SecondGear, ThirdGearEvent, ThirdGearHandler)
    // 3档状态
    efan.AddHandler(ThirdGear, PowerOffEvent, PowerOffHandler)
    efan.AddHandler(ThirdGear, FirstGearEvent, FirstGearHandler)
    efan.AddHandler(ThirdGear, SecondGearEvent, SecondGearHandler)
    efan.AddHandler(ThirdGear, ThirdGearEvent, ThirdGearHandler)

    // 开始测试状态变化
    efan.Call(ThirdGearEvent)  // 按下3档按钮
    efan.Call(FirstGearEvent)  // 按下1档按钮
    efan.Call(PowerOffEvent)   // 按下关闭按钮
    efan.Call(SecondGearEvent) // 按下2档按钮
    efan.Call(PowerOffEvent)   // 按下关闭按钮
}

执行后返回:

电风扇开启3档,发型被吹乱了!
状态从 [ 关闭 ] 变成 [ 3档 ]
电风扇开启1档,微风徐来!
状态从 [ 3档 ] 变成 [ 1档 ]
电风扇已关闭
状态从 [ 1档 ] 变成 [ 关闭 ]
电风扇开启2档,凉飕飕!
状态从 [ 关闭 ] 变成 [ 2档 ]
电风扇已关闭
状态从 [ 2档 ] 变成 [ 关闭 ]
最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 151,829评论 1 331
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 64,603评论 1 273
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 101,846评论 0 226
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 42,600评论 0 191
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 50,780评论 3 272
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 39,695评论 1 192
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,136评论 2 293
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 29,862评论 0 182
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 33,453评论 0 229
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 29,942评论 2 233
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 31,347评论 1 242
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 27,790评论 2 236
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,293评论 3 221
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 25,839评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,448评论 0 181
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 34,564评论 2 249
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 34,623评论 2 249

推荐阅读更多精彩内容