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【有限状态机】- FSM详细讲解 【附Autoware有限状态机模型代码讲解】

作者：运维做开发 | 2024-08-01 19:21:33

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fsm

参考博客：
（1）FSM（有限状态机）
（2）关于有限状态机(FSM)的一些思考
（3）状态设计模式

1 状态机简介

有限状态机FSM：有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。

状态机思维：将一个事件分成多个完整的状态，每个状态通过输入和输出进入下一个状态。

优点：可以把模型的多状态和多状态之间的转换条件解耦，降低程序耦合度，让程序维护变的更加容易

FSM术语：state、transition、action、transition condition

2 FSM术语

2.1 状态 State

将一件事拆分为多件事，为每一件事赋予一个名字，这个名字就被称为FSM中的状态。因其状态有限，所以FSM被称为有限状态机。

  • 风扇：划分为关、一档、二挡、三挡等状态
  • 电梯门：划分为关闭、正在开启、开启、正在关闭
2.2 状态转移

状态转移：一个状态执行了某些动作转变为另一个状态的过程

2.3 转移条件 Event

在某个状态下，达到了某个转移条件，才会按照状态机的转移流程转移到下一状态，并执行相应的动作

2.4 动作 Action

当转变为一个新状态时，在这个状态下需要做的事情，称为动作

3 有限状态机的实现方式

实现方式适用场景优点缺点
分支逻辑法适用于条件简单，状态固定，没有新增和扩展的需求状态机代码直译，简单直接，状态逻辑比较集中，容易查看对于较复杂的状态机，这种方式容易遗漏或者写错。大量的if-else和switch-case代码分支判断逻辑，可读性和可扩展性比较差，对新增和修改的场景容易引入bug
查表法通过二维数组来表达状态机，适用于复杂状态机，执行动作比较固定和简单的场景，比如游戏这种状态比较多的场景就适合用查表法相对于分支逻辑的实现方式，查表法的代码实现更加清晰，可读性和可维护性更好遇到比较复杂的动作，就无法通过简单的二维数组表示了，有一定的局限性
状态模式对于状态并不多、状态转移也比较简单，但事件触发执行的动作包含的业务逻辑可能比较复杂的状态机来说，我们首选这种实现方式代码结构更清晰，可以规避过多的分支逻辑判断，代码可维护性更高状态模式会引入很多状态类，如果状态颗粒度控制不好，会导致状态类爆炸问题；另外逻辑比较分散，集中在状态类中，无法在一个地方整体看出整个状态机的逻辑
3.1 示例FSM

三种状态：未支付、未收货、完成
两种事件：支付、收货
状态的流转即动作：支付后状态为未收货，收货后状态为完成

支付状态枚举

// 支付状态枚举
enum PayState {
	// 待支付
	UNPAY = 0,
	// 待收货
	UNRECEIVE = 1,
	// 完成
	FINAL = 2,
	// 错误
	ERROR = 3,
};

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支付事件枚举

// 支付事件枚举
enum PayEvent {
	// 支付
	Pay = 0,
	// 收货
	RECEIVE = 1,
};

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3.2 分支逻辑法
#include <iostream>

using namespace std;

// 支付状态枚举
enum PayState {
	// 待支付
	UNPAY = 0,
	// 待收货
	UNRECEIVE = 1,
	// 完成
	FINAL = 2,
	// 错误
	ERROR = 3,
};

// 支付事件枚举
enum PayEvent {
	// 支付
	PAY = 0,
	// 收货
	RECEIVE = 1,
};

class PayStateMachine {
	private:
		PayState payState;
	public:
		PayStateMachine() {
			payState = PayState::UNPAY;
		}
		void executeEvent(PayEvent payEvent) {
			switch (payEvent) {
				// 支付行为发生：未支付 -> 待收货
				case PAY:
					if (this->payState != PayState::UNPAY) {
						cout << "商铺不是【未支付】状态，请核验" << endl;
						this->payState = PayState::ERROR;
						break;
					} 
					this->payState = PayState::UNRECEIVE;
					break;
				// 收货行为发生：待收货 -> 完成
				case RECEIVE:
					if (this->payState != PayState::UNRECEIVE) {
						cout << "商铺不是【未收货】状态，请核验" << endl;
						this->payState = PayState::ERROR;
						break;
					}
					this->payState = PayState::FINAL;
					break;
				default:
					cout << "未设置的行为" << endl;
					break;
			}
		}
		PayState getCurrentState() {
			return this->payState;
		}
};

int main() {
	PayStateMachine payStateMachine;
	cout << "当前状态为：" << payStateMachine.getCurrentState() << endl;
	payStateMachine.executeEvent(PayEvent::RECEIVE);
	cout << "当前状态为：" << payStateMachine.getCurrentState() << endl;
	return 0;
}

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商铺不是【未收货】状态，请核验
当前状态为：3

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3.3 查表法

将状态和事件形成一个二维矩阵表，将结果态放入其中

UNPAYUNRECEIVEFINAL
PAY状态转为UNRECEIVEERRORERROR
RECEIVEERROR状态转为FINALERROR

将结果态转为一个二维数组进行存储，用的时候使用状态和事件枚举的value值作为索引，获取结果态

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

// 支付状态枚举
enum PayState {
	// 待支付
	UNPAY = 0,
	// 待收货
	UNRECEIVE = 1,
	// 完成
	FINAL = 2,
	// 错误
	ERROR = 3,
};

// 支付事件枚举
enum PayEvent {
	// 支付
	PAY = 0,
	// 收货
	RECEIVE = 1,
};

class PayStateMachine {
	public:
		// 初始化
		PayStateMachine() {
			currentPayState = PayState::UNPAY;
		}
		// 使用状态和事件枚举的value值作为索引，获取结果态
		void executeEvent(PayEvent payEvent) {
			this->currentPayState = payStateTable[this->currentPayState][payEvent];
		}
		// 获取当前状态
		PayState getCurrentState() {
			return this->currentPayState;	
		}
	private:
		// 当前状态
		PayState currentPayState;
		// 将结果态转为一个二维数组进行存储
		vector<vector<PayState>> payStateTable = {
			{UNRECEIVE, ERROR, ERROR},
        	{ERROR, FINAL, ERROR}
		};
};

int main()
{
	PayStateMachine payStateMachine;
	cout << "当前状态为：" << payStateMachine.getCurrentState() << endl;
	payStateMachine.executeEvent(PayEvent::PAY);
	cout << "当前状态为：" << payStateMachine.getCurrentState() << endl;
	payStateMachine.executeEvent(PayEvent::RECEIVE);
	cout << "当前状态为：" << payStateMachine.getCurrentState() << endl;
	return 0;
}

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当前状态为：0
当前状态为：1
当前状态为：2

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3.4 状态模式

状态模式，定义状态接口，并将行为规定为抽象方法，实现对应三种状态以及行为方法（实现状态流转逻辑）。

定义状态机，并依赖状态接口。

同时，每个具体的状态又依赖状态机。

即状态机和各个状态类之间是双向依赖关系，因为每个状态需要依靠状态机修改状态

状态模式将每个状态的实现都封装在一个类中，每个状态类的实现相对独立，使得添加新状态或修改现有状态变得更加容易，避免了使用大量的条件语句来控制对象的行为。但是如果状态过多，会导致类的数量增加，可能会使得代码结构复杂。

状态模式基本结构

  • State：定义一个接口，用于封装与Context的一个特定状态相关的行为
  • ConcreteState（具体状态）： 负责处理Context在状态改变时的行为, 每一个具体状态子类实现一个与Context的一个状态相关的行为。
  • Context（上下文）: 维护一个具体状态子类的实例，这个实例定义当前的状态

在这里插入图片描述

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

// 状态接口
class State {
public:
    virtual std::string handle() = 0;  // 处理状态的方法
};

// 具体状态类
class OnState : public State {
public:
    std::string handle() override {
        return "Light is ON";
    }
};
 
class OffState : public State {
public:
    std::string handle() override {
        return "Light is OFF";
    }
};
 
class BlinkState : public State {
public:
    std::string handle() override {
        return "Light is Blinking";
    }
};
// 上下文类
class Light {
private:
    State* state;  // 当前状态
public:
    Light() : state(new OffState()) {}  // 初始状态为关闭
    void setState(State* newState) {  // 设置新的状态
        delete state;  // 释放之前的状态对象
        state = newState;
    }
    std::string performOperation() {  // 执行当前状态的操作
        return state->handle();
    }
 
    ~Light() {
        delete state;  // 释放内存
    }	
};

int main() {
    // 读取要输入的命令数量
    int n;
    std::cin >> n;
    std::cin.ignore();  // 消耗掉整数后的换行符
 
    // 创建一个Light对象
    Light light;
 
    // 处理用户输入的每个命令
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        // 读取命令并去掉首尾空白字符
        std::string command;
        std::getline(std::cin, command);
 
        // 根据命令执行相应的操作
        if (command == "ON") {
            light.setState(new OnState());
        } else if (command == "OFF") {
            light.setState(new OffState());
        } else if (command == "BLINK") {
            light.setState(new BlinkState());
        } else {
            // 处理无效命令
            std::cout << "Invalid command: " << command << std::endl;
        }
 
        // 在每个命令后显示灯的当前状态
        std::cout << light.performOperation() << std::endl;
    }
 
    return 0;
}

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4 Autoware有限状态机代码解析

state_machine.h

#ifndef STATE_MACHINE_H
#define STATE_MACHINE_H

#include <memory>
#include <iostream>

namespace state_machine
{
// 定义一个枚举类StateList，表示车辆的不同状态
enum class StateList : int32_t
{
  MOVE_FORWARD,           // 车辆向前移动
  TRAFFIC_LIGHT_STOP,     // 遇到红灯停车
  LANE_CHANGE,            // 车辆变更车道
  STOP_SIGN_STOP,         // 遇到停车标志停车
  OBSTACLE_AVOIDANCE,     // 避障

  MISSION_COMPLETE = 100, // 任务完成
  EMERGENCY = -1,         // 紧急情况 
};
// 定义一个枚举类TrafficLight，表示交通信号灯的状态
enum class TrafficLight : int32_t
{
  RED,     // 红灯
  GREEN,   // 绿灯
  UNKNOWN, // 未知
};
// 定义一个枚举类ChangeFlag，表示车辆变更车道的方向
enum class ChangeFlag : int32_t
{
  straight,     // 直行
  right,        // 向右变更车道
  left,         // 向左变更车道
 
  unknown = -1, // 未知方向
};
// 用于将枚举类类型转换为整数类型
// 可以将枚举类的实例转换为整数类型，便于进行数值计算或其他整数相关的操作
template <class T>
typename std::underlying_type<T>::type enumToInteger(T t)
{
  return static_cast<typename std::underlying_type<T>::type>(t);
}

// Forward Decralation
class StateContext;

// abstract class for states
class BaseState
{
public:
  virtual ~BaseState() = default;                 // 确保子类可以正确地删除基类对象
  virtual void update(StateContext *context) = 0; // 用于更新状态
  virtual int32_t getStateName()                  // 返回当前状态的名称
  {
    return 0;
  };
  
  virtual std::unique_ptr<std::string> getStateNameString() // 返回当前状态的名称字符串
  {
    return 0;
  };
};

// State : MOVE_FORWARD
class StateMoveForward : public BaseState
{
public:
  // 更新状态逻辑
  void update(StateContext *context) override;
  // 获取状态名称（整数表示）
  int32_t getStateName() override
  {
    return enumToInteger(StateList::MOVE_FORWARD);
  }
  // 获取状态名称（字符串表示）
  std::unique_ptr<std::string> getStateNameString() override
  {
    return std::unique_ptr<std::string>(new std::string("MOVE_FORWARD"));
  }
  // 静态方法，用于创建 StateMoveForward 对象
  static std::unique_ptr<BaseState> create()
  {
    return std::unique_ptr<BaseState>(new StateMoveForward);
  };

private:
  StateMoveForward() = default;
};

// State : TRAFFIC_LIGHT_STOP
class StateTrafficLightStop : public BaseState
{
public:
  // 更新状态逻辑
  void update(StateContext *context) override;
  // 获取状态名称（整数表示）
  int32_t getStateName() override
  {
    return enumToInteger(StateList::TRAFFIC_LIGHT_STOP);
  }
  // 获取状态名称（字符串表示）
  std::unique_ptr<std::string> getStateNameString() override
  {
    return std::unique_ptr<std::string>(new std::string("TRAFFIC_LIGHT_STOP"));
  }
  // 静态方法，用于创建 StateTrafficLightStop 对象
  static std::unique_ptr<BaseState> create()
  {
    return std::unique_ptr<BaseState>(new StateTrafficLightStop);
  };

private:
  StateTrafficLightStop() = default;
};

// State : LANE_CHANGE
class StateLaneChange : public BaseState
{
public:
  // 更新状态逻辑
  void update(StateContext *context) override;
  // 获取状态名称（整数表示）
  int32_t getStateName() override
  {
    return enumToInteger(StateList::LANE_CHANGE);
  }
  // 获取状态名称（字符串表示）
  std::unique_ptr<std::string> getStateNameString() override
  {
    return std::unique_ptr<std::string>(new std::string("LANE_CHANGE"));
  }
  // 静态方法，用于创建 StateLaneChange 对象
  static std::unique_ptr<BaseState> create()
  {
    return std::unique_ptr<BaseState>(new StateLaneChange);
  };

private:
  StateLaneChange() = default;
};

// State : STOP_SIGN_STOP
class StateStopSignStop : public BaseState
{
 public:
  // 更新状态逻辑
  void update(StateContext *context) override;
  // 获取状态名称（整数表示）
  int32_t getStateName() override
  {
    return enumToInteger(StateList::STOP_SIGN_STOP);
  }
  // 获取状态名称（字符串表示）
  std::unique_ptr<std::string> getStateNameString() override
  {
    return std::unique_ptr<std::string>(new std::string("STOP_SIGN_STOP"));
  }
  // 静态方法，用于创建StateStopSignStop对象
  static std::unique_ptr<BaseState> create()
  {
    return std::unique_ptr<BaseState>(new StateStopSignStop);
  };

 private:
  StateStopSignStop() = default;
};

// State : Obstacle Avoidance
class StateObstacleAvoidance : public BaseState
{
 public:
  void update(StateContext *context) override;
  int32_t getStateName() override
  {
    return enumToInteger(StateList::STOP_SIGN_STOP);
  }
  std::unique_ptr<std::string> getStateNameString() override
  {
    return std::unique_ptr<std::string>(new std::string("OBSTACLE_AVOIDANCE"));
  }
  static std::unique_ptr<BaseState> create()
  {
    return std::unique_ptr<BaseState>(new StateObstacleAvoidance);
  };

 private:
  StateObstacleAvoidance() = default;
};

// State : EMERGENCY
class StateEmergency : public BaseState
{
public:
  void update(StateContext *context) override;
  int32_t getStateName() override
  {
    return enumToInteger(StateList::EMERGENCY);
  }
  std::unique_ptr<std::string> getStateNameString() override
  {
    return std::unique_ptr<std::string>(new std::string("EMERGENCY"));
  }
  static std::unique_ptr<BaseState> create()
  {
    return std::unique_ptr<BaseState>(new StateEmergency);
  };

private:
  StateEmergency() = default;
};

// State : MISSION_COMPLETE
class StateMissionComplete : public BaseState
{
public:
  void update(StateContext *context) override;
  int32_t getStateName() override
  {
    return enumToInteger(StateList::MISSION_COMPLETE);
  }
  std::unique_ptr<std::string> getStateNameString() override
  {
    return std::unique_ptr<std::string>(new std::string("MISSION_COMPLETE"));
  }
  static std::unique_ptr<BaseState> create()
  {
    return std::unique_ptr<BaseState>(new StateMissionComplete);
  };

private:
  StateMissionComplete() = default;
};
// 包含状态机当前状态的上下文对象，它包含了当前状态、交通灯颜色和车辆变更车道等信息
class StateContext
{
public:
  StateContext()
    : state_(StateMoveForward::create()), light_color_(TrafficLight::UNKNOWN), change_flag_(ChangeFlag::unknown){};
  // 设置状态机当前状态
  void setState(std::unique_ptr<BaseState> newState)
  {
    state_ = std::move(newState);
  };
  // 更新状态机状态
  void update()
  {
    state_->update(this);
  }
  // 设置交通灯颜色
  void setLightColor(const int32_t &msg)
  {
    light_color_ = static_cast<TrafficLight>(msg);
  }
  // 设置变道方向
  void setChangeFlag(const int32_t &msg)
  {
    change_flag_ = static_cast<ChangeFlag>(msg);
  }
  // 获取当前交通灯颜色
  TrafficLight getLightColor() const
  {
    return light_color_;
  }
  // 获取当前变道方向
  ChangeFlag getChangeFlag() const
  {
    return change_flag_;
  }
  // 获取当前状态机的整数表示状态名称
  int32_t getCurrentState() const
  {
    return state_->getStateName();
  }
  // 获取当前状态机的字符串表示状态名称
  std::unique_ptr<std::string> getCurrentStateString() const
  {
    return state_->getStateNameString();
  }

private:
  std::unique_ptr<BaseState> state_;
  TrafficLight light_color_;
  ChangeFlag change_flag_;
};

}  // state_machine
#endif  // STATE_MACHINE_H

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state_machine.cpp

#include "state_machine.h"

namespace state_machine
{
void StateTrafficLightStop::update(StateContext *context)
{
  // 如果交通灯颜色为绿色，表示可以继续行驶，将状态机转移到StateMoveForward状态
  if (context->getLightColor() == TrafficLight::GREEN)
    context->setState(StateMoveForward::create());
}

void StateMoveForward::update(StateContext *context)
{
  // 如果交通灯颜色为红色，表示需要停车，将状态机转移到 StateTrafficLightStop 状态
  if (context->getLightColor() == TrafficLight::RED)
    context->setState(StateTrafficLightStop::create());
  // 如果变化标志为右转或左转，将状态机转移到 StateLaneChange 状态
  if(context->getChangeFlag() == ChangeFlag::right || context->getChangeFlag() == ChangeFlag::left)
    context->setState(StateLaneChange::create());
}

void StateLaneChange::update(StateContext *context)
{
  // 如果变化标志为直行，将状态机转移到 StateMoveForward 状态
  if(context->getChangeFlag() == ChangeFlag::straight)
    context->setState(StateMoveForward::create());
}

void StateStopSignStop::update(StateContext *context)
{
  // stop sign stop
}

void StateMissionComplete::update(StateContext *context)
{
  // Mission complete
}

void StateEmergency::update(StateContext *context)
{
  // Emergency
}

void StateObstacleAvoidance::update(StateContext *context)
{
  // Obstacle Avoidance
}

}  // state_machine

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有限状态机原理及三种模式代码实现如上，错误之处望读者指正。

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