一个有特色的有限状态机

gofsm是一个简单、小巧而又特色的有限状态机(FSM)。

github已经有了很多状态机的实现,比如文末列出的一些,还为什么要再发明轮子呢?

原因在于这些状态机有一个特点,就是一个状态机维护一个对象的状态,这样一个状态机就和一个具体的图像实例关联在一起,在有些情况下,这没有什么问题,而且是很好的设计,而且比较符合状态机的定义。但是在有些情况下,当我们需要维护成千上百个对象的时候,需要创建成千上百个状态机对象,这其实是很大的浪费,因为在大部分情况下,对象本身自己会维护/保持自己当前的状态,我们只需把对象当前的状态传递给一个共用的状态机就可以了,也就是gofsm本身是“stateless”,本身它包维护一个或者多个对象的状态,所有需要的输入由调用者输入,它只负责状态的转换的逻辑,所以它的实现非常的简洁实用,这是创建gofsm的一个目的。

第二个原因它提供了Moore和Mealy两种状态机的统一接口,并且提供了UML状态机风格的Action处理,以程序员更熟悉的方式处理状态的改变。

第三个原因,当我们谈论起状态机的时候,我们总会画一个状态转换图,大家可以根据这这张图进行讨论、设计、实现和验证状态的迁移。但是对于代码来说,实现真的和你的设计是一致的吗,你怎么保证?gofsm提供了一个简单的方法,那就是它可以输出图片或者pdf文件,你可以利用输出的状态机图和你的设计进行比较,看看实现和设计是否一致。

gofsm生成的闸门状态图

有限状态机

有限状态机(finite-state machine)常常用于计算机程序和时序逻辑电路的设计数学模型。它被看作是一种抽象的机器,可以有有限个状态。任意时刻这个机器只有唯一的一个状态,这个状态称为当前状态。当有外部的事件或者条件被触发,它可以从一个状态转换到另一个状态,这就是转换(transition)。一个FSM就是由所有的状态、初始状态和每个转换的触发条件所定义。有时候,当这个转换发生的时候,我们可以要执行一些事情,我们称之为动作(Action)。

现实情况中,我们实际上遇到了很多的这种状态机的情况,只不过我们并没有把它们抽象出来,比如路口的红绿灯,总是在红、黄、绿的状态之间转变,比如电梯的状态,包括开、关、上、下等几个状态。

有限状态机可以有效清晰的为一大堆的问题建立模型,大量应用于电子设计、通讯协议、语言解析和其它的工程应用中,比如TCP/IP协议栈。

图像来源 http://www.tcpipguide.com

以一个转门为例,这种专门在一些会展、博物馆、公园的门口很常见,顾客可以投币或者刷卡刷票进入,我们下面以投币(Coin)统称这个触发事件。如果你不投币,闸门是锁着的,你推不动它的转臂,而且投一次币只能进去一个人,过去之后闸门又是锁着的,挺智能的 :)。

图片来源 wikipedia

如果我们抽象出来它的状态图,可以用下图表示:
图片来源 wikipedia

它有两个状态:LockedUnlocked。有两个输入(input)会影响它的状态,投币(coin)和推动转臂(push)。

  1. 在Locked状态, push没有作用。不管比push多少次闸门的状态还是lock
  2. 在Locked状态,投币会让闸门开锁,闸门可以让一个人通过
  3. 在Unlocked状态,投币不起作用,闸门还是开着
  4. 在Unlocked状态,如果有人push通过,人通过后闸门会由Unlocked状态转变成Locked状态。

这是一个简单的闸门的状态转换,却是一个很好的理解状态的典型例子。

以表格来表示:

Current StateInputNext StateOutput
LockedcoinUnlockedUnlock turnstile so customer can push through
pushLockedNone
UnlockedcoinUnlockedNone
pushLockedWhen customer has pushed through, lock turnstile

UML也有状态图的改变,它扩展了FSM的概念,提供了层次化的嵌套状态(Hierarchically nested states)和正交区域(orthogonal regions),当然这和本文没有太多的关系,有兴趣的读者可以找UML的资料看看。但是它提供了一个很好的概念,也就是动作(Action)。就像Mealy状态机所需要的一样,动作依赖系统的状态和触发事件,而它的Entry Action和Exit Action,却又像Moore 状态机一样,不依赖输入,只依赖状态。所以UML的动作有三种,一种是事件被处理的时候,状态机会执行特定的动作,比如改变变量、执行I/O、调用方法、触发另一个事件等。而离开一个状态,可以执行Exit action,进入一个状态,则执行Entry action。记住,收到一个事件,对象的状态不会改变,比如上边闸门的例子,在Locked状态下push多少次状态都没改变,这这种情况下,不会执行Exit和Entry action。

gofsm提供了这种扩展的模型,当然如果你不想使用这种扩展,你也可以不去实现Entry和Exit。

可以提到了两种状态机,这两种状态机是这样来区分的:

  • Moore machine
    Moore状态机只使用entry action,输出只依赖状态,不依赖输入。
  • Mealy machine
    Mealy状态机只使用input action,输出依赖输入input和状态state。使用这种状态机通常可以减少状态的数量。

gofsm提供了一个通用的接口,你可以根据需要确定使用哪个状态机。从软件开发的实践上来看,有时候你并不一定要关注状态机的区分,而是清晰的抽象、设计你所关注的对象的状态、触发条件以及要执行的动作。

gofsm

gofsm参考了 elimisteve/fsm 的实现,实现了一种单一状态机处理多个对象的方法,并且提供了输出状态图的功能。

它除了定义对象的状态外,还定义了触发事件以及处理的Action,这些都是通过字符串来表示的,在使用的时候很容易的和你的对象、方法对应起来。

使用gofsm也很简单,当然第一步将库拉到本地:

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go get -u github.com/smallnest/gofsm

我们以上面的闸门为例,看看gofsm是如何使用的。

注意下面的单个状态机可以处理并行地的处理多个闸门的状态改变,虽然例子中只生成了一个闸门对象。

首先定义一个闸门对象,它包含一个State,表示它当前的状态:

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type Turnstile struct {
ID uint64
EventCount uint64 //事件统计
CoinCount uint64 //投币事件统计
PassCount uint64 //顾客通过事件统计
State string //当前状态
States []string //历史经过的状态
}

状态机的初始化简单直接:

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func initFSM() *StateMachine {
delegate := &DefaultDelegate{p: &TurnstileEventProcessor{}}
transitions := []Transition{
Transition{From: "Locked", Event: "Coin", To: "Unlocked", Action: "check"},
Transition{From: "Locked", Event: "Push", To: "Locked", Action: "invalid-push"},
Transition{From: "Unlocked", Event: "Push", To: "Locked", Action: "pass"},
Transition{From: "Unlocked", Event: "Coin", To: "Unlocked", Action: "repeat-check"},
}
return NewStateMachine(delegate, transitions...)
}

你定义好转换对应关系transitions,一个Transition代表一个转换,从某个状态到另外一个状态,触发的事件名,要执行的Action。
因为Action是字符串,所以你需要实现delegate将Action和对应的要处理的方法对应起来。

注意from和to的状态可以一样,在这种情况下,状态没有发生改变,只是需要处理Action就可以了。

如果Action为空,也就是不需要处理事件,只是发生状态的改变而已。

处理Action的类型如下:

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type TurnstileEventProcessor struct{}
func (p *TurnstileEventProcessor) OnExit(fromState string, args []interface{}) {
……
}
func (p *TurnstileEventProcessor) Action(action string, fromState string, toState string, args []interface{}) {
……
}
func (p *TurnstileEventProcessor) OnEnter(toState string, args []interface{}) {
……
}

然后我们就可以触发一些事件看看闸门的状态机是否正常工作:

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ts := &Turnstile{
ID: 1,
State: "Locked",
States: []string{"Locked"},
}
fsm := initFSM()
//推门
//没刷卡/投币不可进入
err := fsm.Trigger(ts.State, "Push", ts)
if err != nil {
t.Errorf("trigger err: %v", err)
}
//推门
//没刷卡/投币不可进入
err = fsm.Trigger(ts.State, "Push", ts)
if err != nil {
t.Errorf("trigger err: %v", err)
}
//刷卡或者投币
//不容易啊,终于解锁了
err = fsm.Trigger(ts.State, "Coin", ts)
if err != nil {
t.Errorf("trigger err: %v", err)
}
//刷卡或者投币
//这时才解锁
err = fsm.Trigger(ts.State, "Coin", ts)
if err != nil {
t.Errorf("trigger err: %v", err)
}
//推门
//这时才能进入,进入后闸门被锁
err = fsm.Trigger(ts.State, "Push", ts)
if err != nil {
t.Errorf("trigger err: %v", err)
}
//推门
//无法进入,闸门已锁
err = fsm.Trigger(ts.State, "Push", ts)
if err != nil {
t.Errorf("trigger err: %v", err)
}
lastState := Turnstile{
ID: 1,
EventCount: 6,
CoinCount: 2,
PassCount: 1,
State: "Locked",
States: []string{"Locked", "Unlocked", "Locked"},
}
if !compareTurnstile(&lastState, ts) {
t.Errorf("Expected last state: %+v, but got %+v", lastState, ts)
} else {
t.Logf("最终的状态: %+v", ts)
}

如果想将状态图输出图片,可以调用下面的方法,它实际是调用graphviz生成的,所以请确保你的机器上是否安装了这个软件,你可以执行dot -h检查一下:

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fsm.Export("state.png")

生成的图片就是文首的闸门的状态机的图片。

如果你想定制graphviz的参数,你可以调用另外一个方法:

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func (m *StateMachine) ExportWithDetails(outfile string, format string, layout string, scale string, more string) error

其它Go语言实现的FSM

如果你发现gofsm的功能需要改进,或者有一些想法、或者发现了bug,请不用迟疑,在issue中提交你的意见和建议,我会及时的进行反馈。

如果你觉得本项目有用,或者将来可能会使用,请star这个项目 smallnest/gofsm

如果你想比较其它的Go语言实现的fsm,可以参考下面的列表:

参考资料

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Finite-state_machine
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