【開發語言】層次狀態機(HSM)介紹

層次狀態機（Hierarchical State Machine, HSM），從基本原理、結構設計、實現方法以及如何結合 Qt 進行具體實現等方面進行分析。

1. 層次狀態機的基本原理

層次狀態機是一種用于管理復雜系統行為的狀態機模型，它通過將狀態組織成層次結構來簡化設計和維護。這種結構使得復雜的邏輯可以分解為更小、更易于管理的部分。

關鍵概念：
  • 狀態（State）: 系統在某一時刻所處的條件或模式。
  • 事件（Event）: 觸發狀態轉換的信息或信號。
  • 轉換（Transition）: 從一個狀態到另一個狀態的遷移過程。
  • 動作（Action）: 在進入、離開狀態或進行轉換時執行的操作。
  • 父狀態和子狀態:
    • 父狀態（Superstate）: 包含多個子狀態的狀態。
    • 子狀態（Substate）: 屬于某個父狀態的更具體的狀態。
特點：
  • 嵌套結構: 狀態可以嵌套在其他狀態中，形成層次結構。
  • 繼承行為: 子狀態可以繼承父狀態的行為和動作。
  • 事件委托: 事件可以從子狀態傳遞到父狀態進行處理。
  • 簡化設計: 將復雜的狀態邏輯分解為更小的、可管理的部分。

2. 層次狀態機的設計

在設計層次狀態機時，需要仔細規劃狀態之間的關系以及如何組織這些狀態。以下是一些設計原則和步驟：

設計步驟：

  1. 識別頂級狀態:

    • 確定系統的基本操作模式或主要功能。
    • 例如，在一個電梯系統中，頂級狀態可能包括“待命”、“運行”和“維護”。

  2. 定義子狀態:

    • 對于每個頂級狀態，進一步分解為更具體的狀態。
    • 例如，“運行”狀態可以包含“上升”、“下降”和“停止”等子狀態。

  3. 確定事件和轉換:

    • 定義可能觸發狀態轉換的事件。
    • 確定每個狀態在接收到特定事件時應執行的操作以及如何進行轉換。
    • 例如，“上升”狀態在接收到“到達樓層”事件時，可以轉換到“停止”狀態。

  4. 實現繼承和委托:

    • 設計父狀態的行為，并讓子狀態繼承這些行為。
    • 當子狀態無法處理某個事件時，將該事件傳遞給其父狀態進行處理。

  5. 編寫動作函數:

    • 實現每個狀態的進入（Entry）、離開（Exit）操作以及轉換期間的動作（Action）。
    • 例如，在“上升”狀態下進入時啟動電機，在離開時停止電機。

  6. 定義初始狀態和歷史狀態:

    • 指定每個復合狀態的初始子狀態。
    • 使用歷史狀態來記住上次活動的子狀態，以便在返回該狀態時恢復到之前的狀態。
示例：

假設我們設計一個簡單的電視遙控器狀態機，包含以下狀態：

  • 待命（Standby）
  • 運行（Running）
    • 頻道選擇（Channel Selection）
      • 瀏覽模式（Browse Mode）
      • 鎖定模式（Lock Mode）
    • 音量控制（Volume Control）

事件包括：

  • POWER
  • CHANNEL_UP, CHANNEL_DOWN
  • VOLUME_UP, VOLUME_DOWN
  • MODE_SWITCH
狀態圖示例：
          +-------------------+|     Standby       |+--------+----------+|POWER|+----v-----+|  Running   |+--+-+------+| |CHANNEL_UP|VOLUME_DOWN/      |      \/       v       \+------------+     +------------+| Browse Mode|     |Volume Ctrl|+------------+     +------------+

3. 層次狀態機的實現

在實際編程中，層次狀態機可以通過多種方式實現。以下是一個使用 C++ 和 Qt 的具體示例。

使用結構體定義狀態和事件

首先，我們定義狀態、事件及其處理函數的類型：

#include <QObject>
#include <QVector>
#include <QDebug>namespace HSMUtilityDef {typedef uint32_t HSM_EVENT;// 定義常見事件const uint32_t MAX_DEPTH = 5;const HSM_EVENT HSME_NULL = 0;const HSM_EVENT HSME_START = 1;const HSM_EVENT HSME_INIT = static_cast<HSM_EVENT>(-3);const HSM_EVENT HSME_ENTRY = static_cast<HSM_EVENT>(-2);const HSM_EVENT HSME_EXIT = static_cast<HSM_EVENT>(-1);// 自定義事件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;
}
定義狀態基類

創建一個抽象基類 HSMState，包含處理事件的虛函數：

class HSMState : public QObject {Q_OBJECTpublic:explicit HSMState(HSMState *parent = nullptr) : QObject(parent), m_parent(parent) {}virtual ~HSMState() {}// 處理事件的主要接口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:// 進入狀態時執行的動作virtual void onEntry(void* param) {}// 離開狀態時執行的動作virtual void onExit(void* param) {}// 處理未定義事件的方法virtual HSMUtilityDef::HSM_EVENT unhandledEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) {qDebug() << "Unhandled event" << event;return event;}// 獲取父狀態HSMState* parent() const { return m_parent; }private:HSMState *m_parent;
};
定義具體狀態類

創建具體的派生狀態類，實現特定的邏輯：

// 待命狀態（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_cast<HSMUtilityDef::HSM_EVENT>(HSMUtilityDef::HSME_INIT);}return HSMState::unhandledEvent(event, param);}
};// 運行狀態（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_cast<HSMUtilityDef::HSM_EVENT>(HSMUtilityDef::HSME_EXIT);}return HSMState::unhandledEvent(event, param);}
};// 頻道選擇狀態（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";}}
};// 音量控制狀態（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";}
};
定義層次狀態機類

創建一個管理狀態轉換的主類 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;// 處理事件，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) {// 初始化狀態棧QVector<HSMState*> stateStack;while (initialState != nullptr) {stateStack.append(initialState);initialState = initialState->parent();}// 從頂層狀態開始初始化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;}QVector<HSMState*> childStates = findInitialStates(parentState);for (HSMState* state : childStates) {processSingleEvent(state, HSMUtilityDef::HSME_ENTRY, nullptr);}return childStates.last();}QVector<HSMState*> findInitialStates(HSMState* parentState) const {// 在實際應用中，可能需要更復雜的邏輯來確定初始子狀態// 這里簡單地假設每個父狀態只有一個直接的初始子狀態QVector<HSMState*> children;QObjectList childObjects = parentState->children();for (QObject* obj : childObjects) {HSMState* state = qobject_cast<HSMState*>(obj);if (state != nullptr) {children.append(state);}}// 返回第一個子狀態作為初始狀態return children;}
};
構建和運行狀態機

在 main 函數中構建并運行層次狀態機：

#include <QCoreApplication>
#include <QDebug>int main(int argc, char *argv[]) {QCoreApplication a(argc, argv);// 創建狀態對象StandbyState* standby = new StandbyState();RunningState* running = new RunningState(standby);ChannelSelectionState* channelSel = new ChannelSelectionState(running);VolumeControlState* volumeCtrl = new VolumeControlState(running);// 構建層次結構running->setParent(standby);channelSel->setParent(running);volumeCtrl->setParent(running);// 創建狀態機并啟動HSM hsm;hsm.start(standby);// 處理事件hsm.processEvent(HSMUtilityDef::POWER);          // 切換到運行模式hsm.processEvent(HSMUtilityDef::CHANNEL_UP);       // 選擇頻道向上hsm.processEvent(HSMUtilityDef::MODE_SWITCH);      // 切換到鎖定模式hsm.processEvent(HSMUtilityDef::VOLUME_UP);        // 增加音量hsm.processEvent(HSMUtilityDef::POWER);          // 關閉電視return a.exec();
}

4. 使用 Qt 的信號和槽機制增強狀態機

Qt 提供了強大的信號和槽機制，可以用來進一步簡化狀態機的設計和實現。以下是如何將 Qt 的信號和槽與層次狀態機結合使用的方法。

修改 HSMState 類以支持信號和槽

在 HSMState 中添加信號來通知狀態轉換或動作執行：

#include <QObject>
#include <QVector>
#include <QDebug>namespace HSMUtilityDef {typedef uint32_t HSM_EVENT;// 定義常見事件const uint32_t MAX_DEPTH = 5;const HSM_EVENT HSME_NULL = 0;const HSM_EVENT HSME_START = 1;const HSM_EVENT HSME_INIT = static_cast<HSM_EVENT>(-3);const HSM_EVENT HSME_ENTRY = static_cast<HSM_EVENT>(-2);const HSM_EVENT HSME_EXIT = static_cast<HSM_EVENT>(-1);// 自定義事件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() {}// 處理事件的主要接口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:// 信號用于通知狀態轉換或動作執行void stateEntered(HSMState* state);void stateExited(HSMState* state);protected:// 進入狀態時執行的動作virtual void onEntry(void* param) {emit stateEntered(this);}// 離開狀態時執行的動作virtual void onExit(void* param) {emit stateExited(this);}// 處理未定義事件的方法virtual HSMUtilityDef::HSM_EVENT unhandledEvent(HSMUtilityDef::HSM_EVENT event, void* param) {qDebug() << "Unhandled event" << event;return event;}// 獲取父狀態HSMState* parent() const { return m_parent; }private:HSMState *m_parent;
};

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