C++ 登錄狀態機項目知識筆記

C++ 登錄狀態機項目知識筆記

1. 項目源碼

1.1 login_state_machine.h

#pragma once#include <string>// 登錄狀態枚舉
enum class LoginState { IDLE, AUTHENTICATING, SUCCESS, FAILURE, LOCKED };// 登錄事件枚舉
enum class LoginEvent { REQUEST, SUCCESS, FAILURE, RETRY, TIMEOUT, LOGOUT };// 登錄數據結構體
struct LoginData {std::string username;std::string password;int attempt_count;
};// 登錄狀態機類
class LoginStateMachine {
private:LoginState current_state;LoginData login_data;bool validateCredentials(const LoginData& data);void grantAccess();void showError();void lockAccount();public:LoginStateMachine();void handleEvent(LoginEvent event, const LoginData* data);LoginState getCurrentState() const;void setCurrentState(LoginState state);
};

1.2 login_state_machine.cpp

#include "login_state_machine.h"
#include <iostream>
#include <string.h>// 構造函數，初始化狀態和數據
LoginStateMachine::LoginStateMachine() : current_state(LoginState::IDLE) {login_data.attempt_count = 0;
}// 處理事件的核心方法
void LoginStateMachine::handleEvent(LoginEvent event, const LoginData* data) 
{static int count = 0;if (data != nullptr) {const char* login_username = login_data.username.c_str();if(strlen(login_username) == strspn(login_username," /t")){login_data = *data;}else if(!strcasecmp(data->username.c_str(),login_data.username.c_str())){login_data.password = data->password;}else{login_data = *data;}}switch (current_state) {case LoginState::IDLE:std::cout << "LoginState::IDLE" << std::endl;std::cout << login_data.username << "    " << login_data.password << std::endl;if (event == LoginEvent::REQUEST) {current_state = LoginState::AUTHENTICATING;if (validateCredentials(login_data)) {handleEvent(LoginEvent::SUCCESS, nullptr);} else {handleEvent(LoginEvent::FAILURE, nullptr);}}break;case LoginState::AUTHENTICATING:std::cout << "LoginState::AUTHENTICATING" << std::endl;std::cout << login_data.username << "    " << login_data.password << std::endl;if (event == LoginEvent::SUCCESS) {grantAccess();login_data.attempt_count = 0; // 重置嘗試次數current_state = LoginState::SUCCESS;} else if (event == LoginEvent::FAILURE) {login_data.attempt_count++;if (login_data.attempt_count >= 3) {lockAccount();current_state = LoginState::LOCKED;} else {showError();current_state = LoginState::FAILURE;}} else if (event == LoginEvent::TIMEOUT) {showError();current_state = LoginState::FAILURE;}break;case LoginState::SUCCESS:std::cout << "LoginState::SUCCESS" << std::endl;std::cout << login_data.username <<"    "  << login_data.password << std::endl;if (event == LoginEvent::LOGOUT) {current_state = LoginState::IDLE;}break;case LoginState::FAILURE:std::cout << "LoginState::FAILURE" << std::endl;std::cout << login_data.username<< "    "  << login_data.password << std::endl;if (event == LoginEvent::RETRY) {current_state = LoginState::IDLE;event = LoginEvent::REQUEST;handleEvent(LoginEvent::REQUEST, &login_data);} else if (event == LoginEvent::LOGOUT) {current_state = LoginState::IDLE;std::cout << "Logout!!!" << std::endl;}else{count++;std::cout << "FAILURE count:" << count << std::endl;}break;case LoginState::LOCKED:std::cout << "LoginState::LOCKED" << std::endl;std::cout << login_data.username << "    "  << login_data.password << std::endl;// 鎖定狀態下不處理任何事件break;}
}// 驗證憑據的方法
bool LoginStateMachine::validateCredentials(const LoginData& data) 
{// 簡單的驗證邏輯：用戶名和密碼都是 "admin"return data.username == "admin" && data.password == "admin";
}// 授權訪問的方法
void LoginStateMachine::grantAccess() 
{std::cout << "Access granted! Welcome." << std::endl;
}// 顯示錯誤信息的方法
void LoginStateMachine::showError() 
{std::cout << "Authentication failed. Attempts: " << login_data.attempt_count << std::endl;
}// 鎖定賬戶的方法
void LoginStateMachine::lockAccount() 
{std::cout << "Account locked due to too many failed attempts." << std::endl;
}// 獲取當前狀態
LoginState LoginStateMachine::getCurrentState() const 
{return current_state;
}// 設置當前狀態
void LoginStateMachine::setCurrentState(LoginState state) 
{current_state = state;
}

1.3 main.cpp

#include "login_state_machine.h"
#include <cassert>
#include <iostream>// 測試登錄狀態機
int main() 
{LoginStateMachine sm;LoginData data{"admin", "123", 0};// 第一次嘗試sm.handleEvent(LoginEvent::REQUEST, &data);sm.handleEvent(LoginEvent::FAILURE, nullptr);std::cout << "-------------------------------------" << std::endl;// 第二次嘗試data.password = "wrong";sm.handleEvent(LoginEvent::RETRY, &data);sm.handleEvent(LoginEvent::FAILURE, nullptr);std::cout << "-------------------------------------" << std::endl;// 第三次嘗試 - 賬戶鎖定data.password = "stillwrong";sm.handleEvent(LoginEvent::RETRY, &data);sm.handleEvent(LoginEvent::FAILURE, nullptr);std::cout << "-------------------------------------" << std::endl;// 驗證狀態為LOCKEDassert(sm.getCurrentState() == LoginState::LOCKED);return 0;
}

1.4 Makefile

# 添加目標
TGT := appCUR_DIR := $(shell pwd)# 自動發現源文件
SRC := $(wildcard *.cpp)
OBJ := $(patsubst %.cpp,%.o,$(SRC))# 自動發現頭文件目錄
HEADER_DIRS := $(shell find . -name "*.h" -exec dirname {} \; | sort | uniq)
INCLUDE_FLAGS := $(addprefix -I,$(HEADER_DIRS))# cppflags 設置
CPPFLAGS := -pthread $(INCLUDE_FLAGS)# cxxflags 設置 - 添加 -g 并移除 -O2 以支持調試
CXXFLAGS := -Wall -g -std=c++11# 添加調試版本和發布版本的不同配置
ifdef DEBUG
CXXFLAGS += -O0
else
CXXFLAGS += -O2
endif# 默認目標
all: $(TGT)@echo "構建成功"# 鏈接目標
$(TGT): $(OBJ)$(CXX) $(CPPFLAGS) $(CXXFLAGS) $^ -o $@# 編譯規則
%.o: %.cpp$(CXX) -c $(CPPFLAGS) $(CXXFLAGS) $< -o $@# 清理目標
clean:
ifneq ($(wildcard $(OBJ)),)@rm $(OBJ)
else@echo "無需清理對象文件"
endif
ifneq ($(wildcard $(TGT)),)@rm $(TGT)
else@echo "無需清理可執行文件"
endif# 僅清理對象文件
obj_clean:
ifneq ($(wildcard $(OBJ)),)@rm $(OBJ)
else@echo "無需清理對象文件"
endif.PHONY: obj_clean clean all

1.5 tasks.json

{"version": "2.0.0","tasks": [{"label": "Build with Makefile","type": "shell","command": "make","args": ["DEBUG=1"],"group": "build","problemMatcher": ["$gcc"],"options": {"cwd": "${workspaceFolder}"},"detail": "使用Makefile構建項目(調試模式)"},{"label": "Build Release with Makefile","type": "shell","command": "make","args": [],"group": "build","problemMatcher": ["$gcc"],"options": {"cwd": "${workspaceFolder}"},"detail": "使用Makefile構建項目(發布模式)"},{"label": "Clean with Makefile","type": "shell","command": "make","args": ["clean"],"group": "build","options": {"cwd": "${workspaceFolder}"},"detail": "清理構建文件"}]
}

1.6 launch.json

{"version": "0.2.0","configurations": [{"name": "Debug C++ Application","type": "cppdbg","request": "launch","program": "${workspaceFolder}/app","args": [],"stopAtEntry": false,"cwd": "${workspaceFolder}","environment": [],"externalConsole": false,"MIMode": "gdb","setupCommands": [{"description": "Enable pretty-printing for gdb","text": "-enable-pretty-printing","ignoreFailures": true},{"description": "Set breakpoint at main","text": "break main","ignoreFailures": true}],"preLaunchTask": "Build with Makefile","miDebuggerPath": "/usr/bin/gdb"},{"name": "Run C++ Application","type": "cppdbg","request": "launch","program": "${workspaceFolder}/app","args": [],"stopAtEntry": false,"cwd": "${workspaceFolder}","environment": [],"externalConsole": false,"MIMode": "gdb","setupCommands": [{"description": "Enable pretty-printing for gdb","text": "-enable-pretty-printing","ignoreFailures": true}],"preLaunchTask": "Build Release with Makefile","miDebuggerPath": "/usr/bin/gdb"}]
}

2. 構建手順和說明

2.1 環境準備

  1. 確保遠程Ubuntu系統已安裝以下工具：

    • g++ (GNU C++編譯器)
    • gdb (GNU調試器)
    • make (構建工具)
    • VSCode Remote-SSH擴展

  2. 使用以下命令安裝所需工具：

sudo apt update
sudo apt install g++ gdb make

2.2 項目設置

  1. 在遠程Ubuntu上創建項目目錄：
mkdir login_state_machine
cd login_state_machine

  1. 將上述源碼文件保存到項目目錄中

  2. 使用VSCode Remote-SSH連接到遠程Ubuntu，打開項目目錄

2.3 構建和運行

  1. 使用Makefile手動構建：

    # 調試版本
make DEBUG=1# 發布版本
make# 清理構建文件
make clean

  2. 使用VSCode任務構建：

    • 按下Ctrl+Shift+P，輸入"Tasks: Run Task"
    • 選擇相應的構建任務（調試/發布/清理）

  3. 使用VSCode調試：

    • 按下F5啟動調試（使用調試版本）
    • 在調試側邊欄選擇"Run C++ Application"運行發布版本

2.4 測試程序

運行編譯后的程序：

./app

預期輸出：

LoginState::IDLE
admin    123
LoginState::AUTHENTICATING
admin    123
Authentication failed. Attempts: 1
LoginState::FAILURE
admin    123
-------------------------------------
LoginState::IDLE
admin    wrong
LoginState::AUTHENTICATING
admin    wrong
Authentication failed. Attempts: 2
LoginState::FAILURE
admin    wrong
-------------------------------------
LoginState::IDLE
admin    stillwrong
LoginState::AUTHENTICATING
admin    stillwrong
Authentication failed. Attempts: 3
Account locked due to too many failed attempts.
LoginState::LOCKED
admin    stillwrong
-------------------------------------

3. 關鍵部分解釋和說明

3.1 狀態機設計模式

狀態機是一種行為設計模式，允許對象在其內部狀態改變時改變其行為。在這個項目中：

  1. 狀態(State)：定義了對象在不同情況下的行為
  2. 事件(Event)：觸發狀態轉換的外部輸入
  3. 轉換(Transition)：狀態之間根據事件發生的遷移
REQUEST事件
SUCCESS事件
FAILURE事件(嘗試<3次)
FAILURE事件(嘗試≥3次)
RETRY事件
LOGOUT事件
任何事件(鎖定狀態)
IDLE
AUTHENTICATING
SUCCESS
FAILURE
LOCKED

3.2 Makefile 關鍵概念

  1. 變量定義：使用變量簡化和維護構建規則
  2. 自動發現：使用wildcard和find自動發現源文件和頭文件
  3. 模式規則：使用%.o: %.cpp定義通用編譯規則
  4. 條件編譯：使用ifdef區分調試和發布版本

3.3 VSCode 調試配置

  1. preLaunchTask：調試前自動執行構建任務
  2. problemMatcher：解析編譯器輸出，在IDE中顯示錯誤
  3. setupCommands：配置GDB初始化命令
  4. 變量替換：使用${workspaceFolder}等變量使配置更通用

3.4 數據管理策略

狀態機中使用了智能數據更新策略：

if (data != nullptr) 
{const char* login_username = login_data.username.c_str();if(strlen(login_username) == strspn(login_username," /t")){login_data = *data; // 初始數據或不同用戶}else if(!strcasecmp(data->username.c_str(),login_data.username.c_str())){login_data.password = data->password; // 同一用戶更新密碼}else{login_data = *data; // 不同用戶}
}

這種策略確保：

  1. 同一用戶的多次嘗試只更新密碼字段
  2. 不同用戶的嘗試會完全更新登錄數據
  3. 避免不必要的數據復制

4. 進階功能和擴展建議

4.1 單元測試集成

可以考慮集成Google Test等單元測試框架：

# 在Makefile中添加測試目標
TEST_TGT := test_app
TEST_SRC := $(wildcard test_*.cpp)
TEST_OBJ := $(patsubst %.cpp,%.o,$(TEST_SRC))$(TEST_TGT): $(filter-out main.o,$(OBJ)) $(TEST_OBJ)$(CXX) $(CPPFLAGS) $(CXXFLAGS) $^ -lgtest -lgtest_main -pthread -o $@test: $(TEST_TGT)./$(TEST_TGT)

4.2 日志系統增強

可以添加更完善的日志系統：

// 簡單的日志級別定義
enum class LogLevel { DEBUG, INFO, WARNING, ERROR };// 日志記錄函數
void logMessage(LogLevel level, const std::string& message) {// 根據級別輸出不同顏色的日志// 可以添加時間戳、文件名和行號等信息
}

4.3 配置文件支持

添加配置文件支持，使驗證邏輯更靈活：

// 從配置文件加載有效憑據
std::map<std::string, std::string> loadCredentials(const std::string& filename) {std::map<std::string, std::string> credentials;// 讀取文件并解析用戶名-密碼對return credentials;
}// 修改驗證邏輯使用配置文件
bool LoginStateMachine::validateCredentials(const LoginData& data) {static auto valid_credentials = loadCredentials("credentials.cfg");auto it = valid_credentials.find(data.username);return it != valid_credentials.end() && it->second == data.password;
}

4.4 超時處理增強

添加更完善的超時處理機制：

#include <chrono>
#include <thread>// 在狀態機中添加超時處理
void LoginStateMachine::startTimeoutTimer(int seconds) {std::thread([this, seconds]() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(seconds));if (this->current_state == LoginState::AUTHENTICATING) {this->handleEvent(LoginEvent::TIMEOUT, nullptr);}}).detach();
}

5. 故障排除和常見問題

5.1 編譯問題

  1. 頭文件找不到：檢查HEADER_DIRS是否正確發現了頭文件目錄
  2. 鏈接錯誤：確保所有必要的源文件都包含在SRC變量中
  3. 權限問題：確保對項目目錄有讀寫權限

5.2 調試問題

  1. 斷點不生效：確保使用DEBUG=1編譯以生成調試信息
  2. 變量查看不到：檢查GDB的pretty-printing是否正常工作
  3. 調試器連接失敗：確認miDebuggerPath指向正確的GDB路徑

5.3 運行時問題

  1. 狀態轉移異常：檢查事件處理邏輯，特別是遞歸調用部分
  2. 數據不一致：驗證數據更新策略是否正確處理了各種情況
  3. 多線程問題：如果添加了超時處理，注意線程安全問題

這個項目提供了一個完整的C++狀態機實現，結合了現代開發工具鏈的最佳實踐，是學習C++編程、狀態機設計和開發環境配置的優秀示例。

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