网站前端设计理念,建设网站好学吗,国际财经新闻最新头条,网络营销理论起源层次状态机#xff08;Hierarchical State Machine, HSM#xff09;#xff0c;从基本原理、结构设计、实现方法以及如何结合 Qt 进行具体实现等方面进行分析。
1. 层次状态机的基本原理
层次状态机是一种用于管理复杂系统行为的状态机模型#xff0c;它通过将状态组织成…层次状态机Hierarchical State Machine, HSM从基本原理、结构设计、实现方法以及如何结合 Qt 进行具体实现等方面进行分析。
1. 层次状态机的基本原理
层次状态机是一种用于管理复杂系统行为的状态机模型它通过将状态组织成层次结构来简化设计和维护。这种结构使得复杂的逻辑可以分解为更小、更易于管理的部分。
关键概念
状态State: 系统在某一时刻所处的条件或模式。事件Event: 触发状态转换的信息或信号。转换Transition: 从一个状态到另一个状态的迁移过程。动作Action: 在进入、离开状态或进行转换时执行的操作。父状态和子状态: 父状态Superstate: 包含多个子状态的状态。子状态Substate: 属于某个父状态的更具体的状态。
特点
嵌套结构: 状态可以嵌套在其他状态中形成层次结构。继承行为: 子状态可以继承父状态的行为和动作。事件委托: 事件可以从子状态传递到父状态进行处理。简化设计: 将复杂的状态逻辑分解为更小的、可管理的部分。
2. 层次状态机的设计
在设计层次状态机时需要仔细规划状态之间的关系以及如何组织这些状态。以下是一些设计原则和步骤
设计步骤 识别顶级状态: 确定系统的基本操作模式或主要功能。例如在一个电梯系统中顶级状态可能包括“待命”、“运行”和“维护”。 定义子状态: 对于每个顶级状态进一步分解为更具体的状态。例如“运行”状态可以包含“上升”、“下降”和“停止”等子状态。 确定事件和转换: 定义可能触发状态转换的事件。确定每个状态在接收到特定事件时应执行的操作以及如何进行转换。例如“上升”状态在接收到“到达楼层”事件时可以转换到“停止”状态。 实现继承和委托: 设计父状态的行为并让子状态继承这些行为。当子状态无法处理某个事件时将该事件传递给其父状态进行处理。 编写动作函数: 实现每个状态的进入Entry、离开Exit操作以及转换期间的动作Action。例如在“上升”状态下进入时启动电机在离开时停止电机。 定义初始状态和历史状态: 指定每个复合状态的初始子状态。使用历史状态来记住上次活动的子状态以便在返回该状态时恢复到之前的状态。
示例
假设我们设计一个简单的电视遥控器状态机包含以下状态
待命Standby运行Running 频道选择Channel Selection 浏览模式Browse Mode锁定模式Lock Mode 音量控制Volume Control
事件包括
POWERCHANNEL_UP, CHANNEL_DOWNVOLUME_UP, VOLUME_DOWNMODE_SWITCH
状态图示例 -------------------| Standby |------------------|POWER|----v-----| Running |---------| |CHANNEL_UP|VOLUME_DOWN/ | \/ v \------------ ------------| Browse Mode| |Volume Ctrl|------------ ------------3. 层次状态机的实现
在实际编程中层次状态机可以通过多种方式实现。以下是一个使用 C 和 Qt 的具体示例。
使用结构体定义状态和事件
首先我们定义状态、事件及其处理函数的类型
#include QObject
#include QVector
#include QDebugnamespace HSMUtilityDef {typedef uint32_t HSM_EVENT;// 定义常见事件const uint32_t MAX_DEPTH 5;const HSM_EVENT HSME_NULL 0;const HSM_EVENT HSME_START 1;const HSM_EVENT HSME_INIT static_castHSM_EVENT(-3);const HSM_EVENT HSME_ENTRY static_castHSM_EVENT(-2);const HSM_EVENT HSME_EXIT static_castHSM_EVENT(-1);// 自定义事件const HSM_EVENT POWER 100;const HSM_EVENT CHANNEL_UP 101;const HSM_EVENT CHANNEL_DOWN 102;const HSM_EVENT VOLUME_UP 103;const HSM_EVENT VOLUME_DOWN 104;const HSM_EVENT MODE_SWITCH 105;
}定义状态基类
创建一个抽象基类 HSMState包含处理事件的虚函数
class HSMState : public QObject {Q_OBJECTpublic:explicit HSMState(HSMState *parent nullptr) : QObject(parent), m_parent(parent) {}virtual ~HSMState() {}// 处理事件的主要接口virtual HSMUtilityDef::HSM_EVENT handleEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param nullptr) {switch (event) {case HSMUtilityDef::HSME_ENTRY:onEntry(param);break;case HSMUtilityDef::HSME_EXIT:onExit(param);break;default:return unhandledEvent(event, param);}return HSMUtilityDef::HSME_NULL;}protected:// 进入状态时执行的动作virtual void onEntry(void* param) {}// 离开状态时执行的动作virtual void onExit(void* param) {}// 处理未定义事件的方法virtual HSMUtilityDef::HSM_EVENT unhandledEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) {qDebug() Unhandled event event;return event;}// 获取父状态HSMState* parent() const { return m_parent; }private:HSMState *m_parent;
};定义具体状态类
创建具体的派生状态类实现特定的逻辑
// 待命状态Standby
class StandbyState : public HSMState {Q_OBJECTpublic:explicit StandbyState(HSMState* parent nullptr) : HSMState(parent) {}protected:void onEntry(void* param) override {qDebug() Entering Standby State;}void onExit(void* param) override {qDebug() Exiting Standby State;}HSMUtilityDef::HSM_EVENT unhandledEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) override {if (event HSMUtilityDef::POWER) {return static_castHSMUtilityDef::HSM_EVENT(HSMUtilityDef::HSME_INIT);}return HSMState::unhandledEvent(event, param);}
};// 运行状态Running
class RunningState : public HSMState {Q_OBJECTpublic:explicit RunningState(HSMState* parent nullptr) : HSMState(parent) {}protected:void onEntry(void* param) override {qDebug() Entering Running State;}void onExit(void* param) override {qDebug() Exiting Running State;}HSMUtilityDef::HSM_EVENT unhandledEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) override {if (event HSMUtilityDef::POWER) {return static_castHSMUtilityDef::HSM_EVENT(HSMUtilityDef::HSME_EXIT);}return HSMState::unhandledEvent(event, param);}
};// 频道选择状态Channel Selection
class ChannelSelectionState : public HSMState {Q_OBJECTpublic:explicit ChannelSelectionState(HSMState* parent nullptr) : HSMState(parent), m_currentMode(BROWSE_MODE) {}protected:void onEntry(void* param) override {qDebug() Entering Channel Selection State;}void onExit(void* param) override {qDebug() Exiting Channel Selection State;}HSMUtilityDef::HSM_EVENT unhandledEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) override {switch (event) {case HSMUtilityDef::CHANNEL_UP:channelUp();break;case HSMUtilityDef::CHANNEL_DOWN:channelDown();break;case HSMUtilityDef::MODE_SWITCH:modeSwitch();break;default:return HSMState::unhandledEvent(event, param);}return HSMUtilityDef::HSME_NULL;}private:enum Mode {BROWSE_MODE,LOCK_MODE};Mode m_currentMode;void channelUp() {if (m_currentMode BROWSE_MODE) {qDebug() Channel Up in Browse Mode;} else if (m_currentMode LOCK_MODE) {qDebug() Channel Up in Lock Mode;}}void channelDown() {if (m_currentMode BROWSE_MODE) {qDebug() Channel Down in Browse Mode;} else if (m_currentMode LOCK_MODE) {qDebug() Channel Down in Lock Mode;}}void modeSwitch() {if (m_currentMode BROWSE_MODE) {m_currentMode LOCK_MODE;qDebug() Switched to Lock Mode;} else {m_currentMode BROWSE_MODE;qDebug() Switched to Browse Mode;}}
};// 音量控制状态Volume Control
class VolumeControlState : public HSMState {Q_OBJECTpublic:explicit VolumeControlState(HSMState* parent nullptr) : HSMState(parent) {}protected:void onEntry(void* param) override {qDebug() Entering Volume Control State;}void onExit(void* param) override {qDebug() Exiting Volume Control State;}HSMUtilityDef::HSM_EVENT unhandledEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) override {switch (event) {case HSMUtilityDef::VOLUME_UP:volumeUp();break;case HSMUtilityDef::VOLUME_DOWN:volumeDown();break;default:return HSMState::unhandledEvent(event, param);}return HSMUtilityDef::HSME_NULL;}private:void volumeUp() {qDebug() Volume Up;}void volumeDown() {qDebug() Volume Down;}
};定义层次状态机类
创建一个管理状态转换的主类 HSM
class HSM : public QObject {Q_OBJECTpublic:explicit HSM(QObject* parent nullptr) : QObject(parent), m_currentState(nullptr) {}void start(HSMState* initialState) {if (m_currentState nullptr) {initialize(initialState);}}void processEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param nullptr) {if (m_currentState ! nullptr) {HSMState* nextState m_currentState;HSMUtilityDef::HSM_EVENT nextEvent event;// 处理事件直到返回 HSME_NULLwhile (nextEvent ! HSMUtilityDef::HSME_NULL) {nextState processSingleEvent(nextState, nextEvent, param);nextEvent nextState-handleEvent(event, param);}}}private:HSMState* m_currentState;void initialize(HSMState* initialState) {if (initialState ! nullptr) {// 初始化状态栈QVectorHSMState* stateStack;while (initialState ! nullptr) {stateStack.append(initialState);initialState initialState-parent();}// 从顶层状态开始初始化for (int i stateStack.size() - 1; i 0; --i) {HSMState* currentState stateStack[i];currentState-handleEvent(HSMUtilityDef::HSME_ENTRY, nullptr);}m_currentState stateStack.last();}}HSMState* processSingleEvent(HSMState* currentState, HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) {switch (event) {case HSMUtilityDef::HSME_INIT:return initializeChildStates(currentState);case HSMUtilityDef::HSME_ENTRY:currentState-onEntry(param);break;case HSMUtilityDef::HSME_EXIT:currentState-onExit(param);return processSingleEvent(currentState-parent(), HSMUtilityDef::HSME_EXIT, param);}return currentState;}HSMState* initializeChildStates(HSMState* parentState) {if (parentState nullptr) {return nullptr;}QVectorHSMState* childStates findInitialStates(parentState);for (HSMState* state : childStates) {processSingleEvent(state, HSMUtilityDef::HSME_ENTRY, nullptr);}return childStates.last();}QVectorHSMState* findInitialStates(HSMState* parentState) const {// 在实际应用中可能需要更复杂的逻辑来确定初始子状态// 这里简单地假设每个父状态只有一个直接的初始子状态QVectorHSMState* children;QObjectList childObjects parentState-children();for (QObject* obj : childObjects) {HSMState* state qobject_castHSMState*(obj);if (state ! nullptr) {children.append(state);}}// 返回第一个子状态作为初始状态return children;}
};构建和运行状态机
在 main 函数中构建并运行层次状态机
#include QCoreApplication
#include QDebugint main(int argc, char *argv[]) {QCoreApplication a(argc, argv);// 创建状态对象StandbyState* standby new StandbyState();RunningState* running new RunningState(standby);ChannelSelectionState* channelSel new ChannelSelectionState(running);VolumeControlState* volumeCtrl new VolumeControlState(running);// 构建层次结构running-setParent(standby);channelSel-setParent(running);volumeCtrl-setParent(running);// 创建状态机并启动HSM hsm;hsm.start(standby);// 处理事件hsm.processEvent(HSMUtilityDef::POWER); // 切换到运行模式hsm.processEvent(HSMUtilityDef::CHANNEL_UP); // 选择频道向上hsm.processEvent(HSMUtilityDef::MODE_SWITCH); // 切换到锁定模式hsm.processEvent(HSMUtilityDef::VOLUME_UP); // 增加音量hsm.processEvent(HSMUtilityDef::POWER); // 关闭电视return a.exec();
}4. 使用 Qt 的信号和槽机制增强状态机
Qt 提供了强大的信号和槽机制可以用来进一步简化状态机的设计和实现。以下是如何将 Qt 的信号和槽与层次状态机结合使用的方法。
修改 HSMState 类以支持信号和槽
在 HSMState 中添加信号来通知状态转换或动作执行
#include QObject
#include QVector
#include QDebugnamespace HSMUtilityDef {typedef uint32_t HSM_EVENT;// 定义常见事件const uint32_t MAX_DEPTH 5;const HSM_EVENT HSME_NULL 0;const HSM_EVENT HSME_START 1;const HSM_EVENT HSME_INIT static_castHSM_EVENT(-3);const HSM_EVENT HSME_ENTRY static_castHSM_EVENT(-2);const HSM_EVENT HSME_EXIT static_castHSM_EVENT(-1);// 自定义事件const HSM_EVENT POWER 100;const HSM_EVENT CHANNEL_UP 101;const HSM_EVENT CHANNEL_DOWN 102;const HSM_EVENT VOLUME_UP 103;const HSM_EVENT VOLUME_DOWN 104;const HSM_EVENT MODE_SWITCH 105;
}class HSMState : public QObject {Q_OBJECTpublic:explicit HSMState(HSMState *parent nullptr) : QObject(parent), m_parent(parent) {}virtual ~HSMState() {}// 处理事件的主要接口virtual HSMUtilityDef::HSM_EVENT handleEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param nullptr) {switch (event) {case HSMUtilityDef::HSME_ENTRY:onEntry(param);break;case HSMUtilityDef::HSME_EXIT:onExit(param);break;default:return unhandledEvent(event, param);}return HSMUtilityDef::HSME_NULL;}signals:// 信号用于通知状态转换或动作执行void stateEntered(HSMState* state);void stateExited(HSMState* state);protected:// 进入状态时执行的动作virtual void onEntry(void* param) {emit stateEntered(this);}// 离开状态时执行的动作virtual void onExit(void* param) {emit stateExited(this);}// 处理未定义事件的方法virtual HSMUtilityDef::HSM_EVENT unhandledEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) {qDebug() Unhandled event event;return event;}// 获取父状态HSMState* parent() const { return m_parent; }private:HSMState *m_parent;
};
