有限状态机之泛型编程

ID:107189 · 发表于 2016-3-6 00:22

Generic programming of finite state machine

关于有限状态机:
不想奢谈高深的理论，理论太过高深有可能编程实现么？我觉得可以这么简单理解吧，一个对象有多个状态（注意这里的“对象”与“状态”都是广义与抽象的），通过事件（event）的触发使得状态(state)之间相互跃迁(transition)，可以定义在状态切换时所附加的操作（op）。而我们要实现的有限状态机(finite state machine，以下简称FSM)便是维护与管理这一机制的代码。

因为性能效率要求高的实时图形程序(如三维网游)不可能用MFC这样的商业程序框架,所以FSM便可以作为整个实时程序的核心部分,因为游戏程序等说到底无非是不同的一些状态之间的切换,如开始的登录界面,选择角色界面,主游戏界面,单机版游戏还有专门的版权页面等等.有些小游戏采用设计模式中的State模式来作为游戏的管理调度核心,但是作为大型的游戏,采用一种设计模式显然是难以胜任应用程序核心的复杂要求的,这样就必须有一种成熟机制来完成这一任务,今天我们来讨论FSM.

关于泛型编程:
泛型编程,模板,设计模式,其重要性与优越性尽人皆知,在此不过多讨论.我只是想说,从宏观上来, ,它们的目的与作用是用c++来表达一些思想,而且这些思想还是实际代码!光这一点就可以带来很多好处,如代码高复用率,灵活性与可扩展性,接口统一性等等.

有关FSM比较流行的资料是Game Programming Gems第一卷第三章第二篇文章,网上也流传有中译版.作者在里面讨论与实现了一个简单的FSM实现.他用采用State设计模式,用一个FSMclass类管理许多FSMstate类的实例,大家有兴趣的可以去参考,而现在要讨论的是一个更加接近实际产品代码的FSM实现,勿须过多理论介绍,直接看代码.

Code:
//模板类,传入状态类型与事件类型
template<typename state_type, typename event_type>
class fsmachine//通用基本有限状态机类
{
public:
typedef fsmachine machine_type;

fsmachine(){}//构造函数
virtual ~fsmachine(){}//虚析构函数

void addState(const state_type& state)//增加状态
{
   typename state_map::iterator it = m_stateMap.find( state );//STL迭代子
   if (it == m_stateMap.end())//如果状态映射表中不存在此状态
   {
         m_stateMap.insert(typename state_map::value_type(state,state_e()) );//插入
         return;
   }
}

void setState(const state_type& dest)//设置当前状态
{
   const typename state_map::const_iterator it = m_stateMap.find( dest );
   if (it == m_stateMap.end())//如果找不到此状态
   {
         //错误处理
         return;
   }
   m_currState = dest;//设置为当前状态
}

const state_type& currentState() const
{
   return m_currState;//返回当前状态
}

size_t numStates() const
{
   return m_stateMap.size();//返回状态映射表的数目
}

void clearStates()//清空状态映射表
{
   m_currState = state_type();//调用默认构造函数
   m_stateMap.clear();//清空
}

void addTransition(const state_type& src, const event_type& evt, const state_type& dest)//增加src状态的事件状态跃迁记录
{
   if (src == dest)//源状态与目标状态相同,无意义
   {
         //错误处理
         return;
   }
   typename state_map::iterator it = m_stateMap.find( src );
   if (it == m_stateMap.end())//找不到源状态
   {
         //错误处理
         return;
   }
   {
         const typename state_map::const_iterator itDest = m_stateMap.find( dest );
         if (itDest == m_stateMap.end())//目标状态不在状态映射表中,不合法
         {
            //错误处理
            return;
         }
   }
   event_state_map& evt2state = it->second.transitions;
   evt2state.insert( typename event_state_map::value_type( evt, dest) );//增加跃迁记录
}

size_t numTransitions(const state_type& src) const//返回某状态的跃迁记录数
{
   const typename state_map::const_iterator it = m_stateMap.find( src );
   return ( (it == m_stateMap.end()) ? 0 : it->second.transitions.size() );
}

template<typename enter_state_op_t, typename exit_state_op_t>
void processEvent(const event_type& evt, enter_state_op_t& enterOp, exit_state_op_t& exitOp)//状态跃迁函数
{
   const typename state_map::const_iterator it = m_stateMap.find( m_currState );
   if (it == m_stateMap.end())//源状态不存在
   {
         //错误处理
         return;
   }
   const event_state_map& evt2state = it->second.transitions;
   const typename event_state_map::const_iterator itFindTransition = evt2state.find(evt);
   if (itFindTransition == evt2state.end())//触发事件不存在
   {
         //错误处理
         return;
   }
   exitOp(*this,m_currState);//退出旧状态的函数调用
   m_currState = itFindTransition->second;//新状态为当前状态
   enterOp(*this,m_currState);//进入新状态的函数调用
}

private:
//对每一种状态而言,都对应这样的一个事件状态跃迁映射表
typedef std::map<event_type,state_type> event_state_map;
//此结构体,用于保存每一种状态的事件状态跃迁映射表,以及用户自定义数据
struct state_e
{
   event_state_map transitions;
   void* userData;
};
//定义fsm的状态映射表
typedef std::map<state_type,state_e> state_map;
//fsmachine类的状态映射表成员变量
state_map m_stateMap;
//当前状态
state_type m_currState;

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