ID：技術讓夢想更偉大
整理：李肖遙
狀態機的詳解概念
狀態機是軟件編程中的一個重要概念。比這個概念更重要的狀態中是對它的靈活應用。在一個思路清晰而且高效的機思程序中，必然有狀態機的入式身影浮現。
比如說一個按鍵命令解析程序，應用就可以被看做狀態機：本來在A狀態下，詳解觸發一個按鍵后切換到了B狀態；再觸發另一個鍵后切換到C狀態，狀態中或者返回到A狀態。機思這就是入式最簡單的按鍵狀態機例子。實際的應用按鍵解析程序會比這更復雜些，但這不影響我們對狀態機的詳解認識。
進一步看，擊鍵動作本身也可以看做一個狀態機。一個細小的擊鍵動作包含了：釋放、抖動、閉合、抖動和重新釋放等狀態。
同樣，一個串行通信的時序（不管它是遵循何種協議，標準串口也好、I2C也好；也不管它是有線的、還是紅外的、無線的）也都可以看做由一系列有限的狀態構成。
顯示掃描程序也是狀態機；通信命令解析程序也是狀態機；甚至連繼電器的吸合/釋放控制、發光管（LED）的亮/滅控制又何嘗不是個狀態機。
當我們打開思路，把狀態機作為一種思想導入到程序中去時，就會找到解決問題的一條有效的捷徑。有時候用狀態機的思維去思考程序該干什么，比用控制流程的思維去思考，可能會更有效。這樣一來狀態機便有了更實際的功用。
程序其實就是狀態機。
也許你還不理解上面這句話。請想想看，計算機的大廈不就是建立在“0”和“1”兩個基本狀態的地基之上么？
狀態機的要素
狀態機可歸納為4個要素，即現態、條件、動作、次態。這樣的歸納，主要是出于對狀態機的內在因果關系的考慮。“現態”和“條件”是因，“動作”和“次態”是果。詳解如下：
現態
是指當前所處的狀態。
條件
又稱為“事件”。當一個條件被滿足，將會觸發一個動作，或者執行一次狀態的遷移。
動作
條件滿足后執行的動作。動作執行完畢后，可以遷移到新的狀態，也可以仍舊保持原狀態。動作不是必需的，當條件滿足后，也可以不執行任何動作，直接遷移到新狀態。
次態
條件滿足后要遷往的新狀態。“次態”是相對于“現態”而言的，“次態”一旦被激活，就轉變成新的“現態”了。
如果我們進一步歸納，把“現態”和“次態”統一起來，而把“動作”忽略（降格處理），則只剩下兩個最關鍵的要素，即：狀態、遷移條件。
狀態機的表示方法有許多種，我們可以用文字、圖形或表格的形式來表示一個狀態機。
純粹用文字描述是很低效的，所以就不介紹了。接下來先介紹圖形的方式。
狀態遷移圖（STD）
狀態遷移圖（STD），是一種描述系統的狀態、以及相互轉化關系的圖形方式。狀態遷移圖的畫法有許多種，不過一般都大同小異。我們結合一個例子來說明一下它的畫法，如圖1所示。
圖1狀態遷移圖狀態框
用方框表示狀態，包括所謂的“現態”和“次態”。
條件及遷移箭頭
用箭頭表示狀態遷移的方向，并在該箭頭上標注觸發條件。
節點圓圈
當多個箭頭指向一個狀態時，可以用節點符號（小圓圈）連接匯總。
動作框
用橢圓框表示。
附加條件判斷框
用六角菱形框表示。
狀態遷移圖和我們常見的流程圖相比有著本質的區別，具體體現為：在流程圖中，箭頭代表了程序PC指針的跳轉；而在狀態遷移圖中，箭頭代表的是狀態的改變。
我們會發現，這種狀態遷移圖比普通程序流程圖更簡練、直觀、易懂。這正是我們需要達到的目的。
狀態遷移表
除了狀態遷移圖，我們還可以用表格的形式來表示狀態之間的關系。這種表一般稱為狀態遷移表。
表1就是前面介紹的那張狀態遷移圖的另一種描述形式。
表1狀態遷移表采用表格方式來描述狀態機，優點是可容納更多的文字信息。例如，我們不但可以在狀態遷移表中描述狀態的遷移關系，還可以把每個狀態的特征描述也包含在內。
如果表格內容較多，過于臃腫不利于閱讀，我們也可以將狀態遷移表進行拆分。經過拆分后的表格根據其具體內容，表格名稱也有所變化。
比如，我們可以把狀態特征和遷移關系分開列表。被單獨拆分出來的描述狀態特征的表格，也可以稱為“狀態真值表”。這其中比較常見的就是把每個狀態的顯示內容單獨列表。這種描述每個狀態顯示內容的表稱之為“顯示真值表”。同樣，我們把單獨表述基于按鍵的狀態遷移表稱為“按鍵功能真值表”。另外，如果每一個狀態包含的信息量過多，我們也可以把每個狀態單獨列表。
由此可見，狀態遷移表作為狀態遷移圖的有益補充，它的表現形式是靈活的。
狀態遷移表優點是信息涵蓋面大，缺點是視覺上不夠直觀，因此它并不能取代狀態遷移圖。比較理想的是將圖形和表格結合應用。用圖形展現宏觀，用表格說明細節。二者互為參照，相得益彰。
狀態機思路實現一個時鐘程序
接下來，我將就狀態機的應用，結合流程圖、狀態遷移圖和狀態遷移，舉一個實際例子。下面這張圖是一個時鐘程序的狀態遷移圖，如圖2所示。
圖2時鐘程序狀態遷移圖把這張圖稍做歸納，就可以得到它的另一種表現形式——狀態遷移表，如表2所示。
表2時鐘程序狀態遷移表狀態機應用的注意事項
基于狀態機的程序調度機制，其應用的難點并不在于對狀態機概念的理解，而在于對系統工作狀態的合理劃分。
初學者往往會把某個“程序動作”當作是一種“狀態”來處理。我稱之為“偽態”。那么如何區分“動作”和“狀態”。本匠人的心得是看二者的本質：
“動作”是不穩定的，即使沒有條件的觸發，“動作”一旦執行完畢就結束了；
而“狀態”是相對穩定的，如果沒有外部條件的觸發，一個狀態會一直持續下去。
初學者的另一種比較致命的錯誤，就是在狀態劃分時漏掉一些狀態。我稱之為“漏態”。
偽態和漏態這兩種錯誤的存在，將會導致程序結構的渙散。因此要特別小心避免。
更復雜的狀態機
前面介紹的是一種簡單的狀態結構。它只有一級，并且只有一維，如圖3所示。
圖3 線性狀態機結構如果有必要，我們可以建立更復雜的狀態機模型。
多級狀態結構
狀態機可以是多級的。在分層的多級狀態機系統里面，一個“父狀態”下可以劃分多個“子狀態”，這些子狀態共同擁有上級父狀態的某些共性，同時又各自擁有自己的一些個性。
在某些狀態下，還可以進一步劃分子狀態。比如，我們可以把前面的時鐘例子修改如下：
把所有和時鐘功能有關的狀態，合并成1個一級狀態。在這個狀態下，又可以劃分出3個二級子狀態，分別為顯示時間、設置小時、設置分鐘；
同樣，我們也可以把所有和鬧鐘功能有關的狀態，合并成1個一級狀態。在這個狀態下，再劃分出4個二級子狀態，分別為顯示鬧鐘、設置“時”、設置“分”、設置鳴叫時間。
我們需要用另一個狀態變量（寄存器）來表示這些子狀態。
子狀態下面當然還可以有更低一級的孫狀態（子子孫孫無窮盡也），從而將整個狀態體系變成了樹狀多級狀態結構，如圖4所示。
圖4樹狀多級狀態結構多維狀態結構
狀態結構也可以是多維的。從不同的角度對系統進行狀態的劃分，這些狀態的某些特性是交叉的。比如，在按照按鍵和顯示劃分狀態的同時，又按照系統的工作進程做出另一種狀態劃分。這兩種狀態劃分同時存在，相互交叉，從而構成了二維的狀態結構空間。
舉一個這方面的例子，如：空調遙控器，如圖5所示。
圖5多維狀態機結構同樣，我們也可以構建三維、四維甚至更多維的狀態結構。每一維的狀態都需要用一個狀態變量（寄存器）來表示。
無論多級狀態結構和多維狀態結構看上去多么迷人，匠人的忠告是：我們依然要盡可能地簡化狀態結構，能用單級、單維的結構，就不要給自己找事，去玩那噩夢般的復雜結構。
簡單的才是最有效的。
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