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一个有特色的有限状态机

鸟窝 发表于 2017年03月22日 23:18 | Hits: 1066
Tag: Go

gofsm是一个简单、小巧而又特色的有限状态机(FSM)。

github已经有了很多状态机的实现,比如文末列出的一些,还为什么要再发明轮子呢?

原因在于这些状态机有一个特点,就是一个状态机维护一个对象的状态,这样一个状态机就和一个具体的图像实例关联在一起,在有些情况下,这没有什么问题,而且是很好的设计,而且比较符合状态机的定义。但是在有些情况下,当我们需要维护成千上百个对象的时候,需要创建成千上百个状态机对象,这其实是很大的浪费,因为在大部分情况下,对象本身自己会维护/保持自己当前的状态,我们只需把对象当前的状态传递给一个共用的状态机就可以了,也就是gofsm本身是“stateless”,本身它包维护一个或者多个对象的状态,所有需要的输入由调用者输入,它只负责状态的转换的逻辑,所以它的实现非常的简洁实用,这是创建gofsm的一个目的。

第二个原因它提供了Moore和Mealy两种状态机的统一接口,并且提供了UML状态机风格的Action处理,以程序员更熟悉的方式处理状态的改变。

第三个原因,当我们谈论起状态机的时候,我们总会画一个状态转换图,大家可以根据这这张图进行讨论、设计、实现和验证状态的迁移。但是对于代码来说,实现真的和你的设计是一致的吗,你怎么保证?gofsm提供了一个简单的方法,那就是它可以输出图片或者pdf文件,你可以利用输出的状态机图和你的设计进行比较,看看实现和设计是否一致。

gofsm生成的闸门状态图

有限状态机

有限状态机(finite-state machine)常常用于计算机程序和时序逻辑电路的设计数学模型。它被看作是一种抽象的机器,可以有有限个状态。任意时刻这个机器只有唯一的一个状态,这个状态称为当前状态。当有外部的事件或者条件被触发,它可以从一个状态转换到另一个状态,这就是转换(transition)。一个FSM就是由所有的状态、初始状态和每个转换的触发条件所定义。有时候,当这个转换发生的时候,我们可以要执行一些事情,我们称之为动作(Action)。

现实情况中,我们实际上遇到了很多的这种状态机的情况,只不过我们并没有把它们抽象出来,比如路口的红绿灯,总是在红、黄、绿的状态之间转变,比如电梯的状态,包括开、关、上、下等几个状态。

有限状态机可以有效清晰的为一大堆的问题建立模型,大量应用于电子设计、通讯协议、语言解析和其它的工程应用中,比如TCP/IP协议栈。

图像来源 http://www.tcpipguide.com

以一个转门为例,这种专门在一些会展、博物馆、公园的门口很常见,顾客可以投币或者刷卡刷票进入,我们下面以投币(Coin)统称这个触发事件。如果你不投币,闸门是锁着的,你推不动它的转臂,而且投一次币只能进去一个人,过去之后闸门又是锁着的,挺智能的 :)。

图片来源 wikipedia

如果我们抽象出来它的状态图,可以用下图表示:
图片来源 wikipedia

它有两个状态:Locked、Unlocked。有两个输入(input)会影响它的状态,投币(coin)和推动转臂(push)。

  1. 在Locked状态, push没有作用。不管比push多少次闸门的状态还是lock
  2. 在Locked状态,投币会让闸门开锁,闸门可以让一个人通过
  3. 在Unlocked状态,投币不起作用,闸门还是开着
  4. 在Unlocked状态,如果有人push通过,人通过后闸门会由Unlocked状态转变成Locked状态。

这是一个简单的闸门的状态转换,却是一个很好的理解状态的典型例子。

以表格来表示:

Current State Input Next State Output
Locked coin Unlocked Unlock turnstile so customer can push through
push Locked None
Unlocked coin Unlocked None
push Locked When customer has pushed through, lock turnstile

UML也有状态图的改变,它扩展了FSM的概念,提供了层次化的嵌套状态(Hierarchically nested states)和正交区域(orthogonal regions),当然这和本文没有太多的关系,有兴趣的读者可以找UML的资料看看。但是它提供了一个很好的概念,也就是动作(Action)。就像Mealy状态机所需要的一样,动作依赖系统的状态和触发事件,而它的Entry Action和Exit Action,却又像Moore 状态机一样,不依赖输入,只依赖状态。所以UML的动作有三种,一种是事件被处理的时候,状态机会执行特定的动作,比如改变变量、执行I/O、调用方法、触发另一个事件等。而离开一个状态,可以执行Exit action,进入一个状态,则执行Entry action。记住,收到一个事件,对象的状态不会改变,比如上边闸门的例子,在Locked状态下push多少次状态都没改变,这这种情况下,不会执行Exit和Entry action。

gofsm提供了这种扩展的模型,当然如果你不想使用这种扩展,你也可以不去实现Entry和Exit。

可以提到了两种状态机,这两种状态机是这样来区分的:

  • Moore machine
    Moore状态机只使用entry action,输出只依赖状态,不依赖输入。
  • Mealy machine
    Mealy状态机只使用input action,输出依赖输入input和状态state。使用这种状态机通常可以减少状态的数量。

gofsm提供了一个通用的接口,你可以根据需要确定使用哪个状态机。从软件开发的实践上来看,有时候你并不一定要关注状态机的区分,而是清晰的抽象、设计你所关注的对象的状态、触发条件以及要执行的动作。

gofsm

gofsm参考了elimisteve/fsm的实现,实现了一种单一状态机处理多个对象的方法,并且提供了输出状态图的功能。

它除了定义对象的状态外,还定义了触发事件以及处理的Action,这些都是通过字符串来表示的,在使用的时候很容易的和你的对象、方法对应起来。

使用gofsm也很简单,当然第一步将库拉到本地:

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go get -u github.com/smallnest/gofsm

我们以上面的闸门为例,看看gofsm是如何使用的。

注意下面的单个状态机可以处理并行地的处理多个闸门的状态改变,虽然例子中只生成了一个闸门对象。

首先定义一个闸门对象,它包含一个State,表示它当前的状态:

12345678
type Turnstile struct {	ID         uint64	EventCount uint64 //事件统计	CoinCount  uint64 //投币事件统计	PassCount  uint64 //顾客通过事件统计	State      string //当前状态	States     []string //历史经过的状态}

状态机的初始化简单直接:

123456789101112
func initFSM() *StateMachine {	delegate := &DefaultDelegate{p: &TurnstileEventProcessor{}}	transitions := []Transition{		Transition{From: "Locked", Event: "Coin", To: "Unlocked", Action: "check"},		Transition{From: "Locked", Event: "Push", To: "Locked", Action: "invalid-push"},		Transition{From: "Unlocked", Event: "Push", To: "Locked", Action: "pass"},		Transition{From: "Unlocked", Event: "Coin", To: "Unlocked", Action: "repeat-check"},	}	return NewStateMachine(delegate, transitions...)}

你定义好转换对应关系transitions,一个Transition代表一个转换,从某个状态到另外一个状态,触发的事件名,要执行的Action。
因为Action是字符串,所以你需要实现delegate将Action和对应的要处理的方法对应起来。

注意from和to的状态可以一样,在这种情况下,状态没有发生改变,只是需要处理Action就可以了。

如果Action为空,也就是不需要处理事件,只是发生状态的改变而已。

处理Action的类型如下:

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type TurnstileEventProcessor struct{}func (p *TurnstileEventProcessor) OnExit(fromState string, args []interface{}) {	……}func (p *TurnstileEventProcessor) Action(action string, fromState string, toState string, args []interface{}) {	……}func (p *TurnstileEventProcessor) OnEnter(toState string, args []interface{}) {    ……}

然后我们就可以触发一些事件看看闸门的状态机是否正常工作:

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263
ts := &Turnstile{	ID:     1,	State:  "Locked",	States: []string{"Locked"},}fsm := initFSM()//推门//没刷卡/投币不可进入err := fsm.Trigger(ts.State, "Push", ts)if err != nil {	t.Errorf("trigger err: %v", err)}//推门//没刷卡/投币不可进入err = fsm.Trigger(ts.State, "Push", ts)if err != nil {	t.Errorf("trigger err: %v", err)}//刷卡或者投币//不容易啊,终于解锁了err = fsm.Trigger(ts.State, "Coin", ts)if err != nil {	t.Errorf("trigger err: %v", err)}//刷卡或者投币//这时才解锁err = fsm.Trigger(ts.State, "Coin", ts)if err != nil {	t.Errorf("trigger err: %v", err)}//推门//这时才能进入,进入后闸门被锁err = fsm.Trigger(ts.State, "Push", ts)if err != nil {	t.Errorf("trigger err: %v", err)}//推门//无法进入,闸门已锁err = fsm.Trigger(ts.State, "Push", ts)if err != nil {	t.Errorf("trigger err: %v", err)}lastState := Turnstile{	ID:         1,	EventCount: 6,	CoinCount:  2,	PassCount:  1,	State:      "Locked",	States:     []string{"Locked", "Unlocked", "Locked"},}if !compareTurnstile(&lastState, ts) {	t.Errorf("Expected last state: %+v, but got %+v", lastState, ts)} else {	t.Logf("最终的状态: %+v", ts)}

如果想将状态图输出图片,可以调用下面的方法,它实际是调用graphviz生成的,所以请确保你的机器上是否安装了这个软件,你可以执行dot -h检查一下:

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fsm.Export("state.png")

生成的图片就是文首的闸门的状态机的图片。

如果你想定制graphviz的参数,你可以调用另外一个方法:

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func (m *StateMachine) ExportWithDetails(outfile string, format string, layout string, scale string, more string) error

其它Go语言实现的FSM

如果你发现gofsm的功能需要改进,或者有一些想法、或者发现了bug,请不用迟疑,在issue中提交你的意见和建议,我会及时的进行反馈。

如果你觉得本项目有用,或者将来可能会使用,请star这个项目smallnest/gofsm

如果你想比较其它的Go语言实现的fsm,可以参考下面的列表:

参考资料

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Finite-state_machine

原文链接: http://colobu.com/2016/12/24/a-featured-fsm/

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