在編碼實(shí)現(xiàn)的過程中，我們會經(jīng)常使用到條件判斷結(jié)構(gòu)，而且使用起來很方便。但是在需要轉(zhuǎn)移的狀態(tài)比較多，或是條件比較復(fù)雜時，我們就可能需要很長的條件判斷結(jié)構(gòu)來處理。不過，過于復(fù)雜的條件判斷結(jié)構(gòu)會給代碼的編寫和維護(hù)帶來很大的困擾，所以我們希望探索其他的方法來簡化這類條件結(jié)構(gòu)。

1、原理概述

??條件判斷在代碼實(shí)現(xiàn)中非常有用，有時候甚至是必不可少的。但過于復(fù)雜的條件結(jié)構(gòu)卻會讓程序邏輯變得冗長而繁瑣，而在某些情況下我們希望采取方法避免這一情況出現(xiàn)。

1.1、問題提出

??在項(xiàng)目開發(fā)中經(jīng)常會遇到if/esle語句以及switch/case語句之類，或者是嵌套的多分支條件判斷的結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)一旦過于復(fù)雜或冗長就會使程序的邏輯結(jié)構(gòu)非常繁瑣。所以很多時候我們希望避免使用過于復(fù)雜的條件結(jié)構(gòu)?；谶@一目的，我們希望探索一些方法來簡化這類問題。

??在我們實(shí)踐的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有些復(fù)雜的條件結(jié)構(gòu)實(shí)際控制的是同一事物在不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換。這就讓我們想到了狀態(tài)機(jī)，那么是否可以借用狀態(tài)機(jī)的機(jī)制來解決這一類的問題呢？在這一篇中我們就來分析和實(shí)現(xiàn)這一議題。

1.2、什么是狀態(tài)機(jī)

??我們先來看看什么是狀態(tài)機(jī)。一般來說，狀態(tài)機(jī)(state machine)包含有5個要素，分別是狀態(tài)(state)、遷移(transition)、事件(event)、動作(action)、條件(guard)。我們來具體看看這5個要素都是什么。

• 狀態(tài)：一個系統(tǒng)在某一時刻所存在的穩(wěn)定的工作情況，系統(tǒng)在整個工作周期中可能有多個狀態(tài)。一個狀態(tài)機(jī)需要在狀態(tài)集合中選取一個狀態(tài)作為初始狀態(tài)。
• 遷移：系統(tǒng)從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)的過程稱作遷移，遷移不是自動發(fā)生的，需要外界對系統(tǒng)施加影響。
• 事件：某一時刻發(fā)生的對系統(tǒng)有意義的事情，狀態(tài)機(jī)之所以發(fā)生狀態(tài)遷移，就是因?yàn)槌霈F(xiàn)了事件。
• 動作：在狀態(tài)機(jī)的遷移過程中，狀態(tài)機(jī)會做出一些其它的行為，這些行為就是動作，動作是狀態(tài)機(jī)對事件的響應(yīng)。
• 條件：狀態(tài)機(jī)對事件并不是有求必應(yīng)的，狀態(tài)機(jī)還要滿足一定的條件才能發(fā)生狀態(tài)遷移并實(shí)現(xiàn)對事件的響應(yīng)。

??對于狀態(tài)機(jī)，我們的理解是，一個事物存在多個狀態(tài)，這些狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換，有些可能是雙向的，有些可能是單向的。當(dāng)一定的外部事件發(fā)生時，會促使事物的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這一過程就是發(fā)生了狀態(tài)的遷移。當(dāng)事物的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換后會執(zhí)行一定的動作。但這些動作有可能是在狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)入時執(zhí)行，也可能是狀態(tài)持續(xù)過程中執(zhí)行，這就要看動作執(zhí)行的前提條件。

2、分析設(shè)計

??接下來我們將以BLDC操作面板的實(shí)際操作項(xiàng)目來分析如何實(shí)現(xiàn)通過狀態(tài)機(jī)機(jī)制簡化條件結(jié)構(gòu)。在這個BLDC操作面板項(xiàng)目中，我們使用按鍵操作來實(shí)現(xiàn)BLDC的操作控制以及LED顯示菜單的切換。

??首先我們來看一看BLDC的操作控制實(shí)現(xiàn)。對于BLDC的操作的操作，我們希望按下啟動停止按鈕時，BLDC啟動并按設(shè)定的速度持續(xù)運(yùn)行。在BLDC正常運(yùn)行的過程中，如果長按啟動停止按鈕則進(jìn)入全速狀態(tài)，如果是短按啟動停止按鈕則停止。如果是在全速狀態(tài)，如果長按啟動停止按鈕則停止，如果是短按啟動停止按鈕則回到常規(guī)速度狀態(tài)。

??對于這個需求如果我們使用條件結(jié)構(gòu)則需要使用if/else語句或者switch/case語句來判斷狀態(tài)，然后在各個分支中通過條件判斷按鈕的動作以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的操作。在這一方式下，我們需要使用條件結(jié)構(gòu)的嵌套來實(shí)現(xiàn)這個過程，從邏輯結(jié)構(gòu)上來說過于復(fù)雜而且不同功能模塊的耦合比較緊密。

??接下來，我們以狀態(tài)機(jī)的機(jī)制來分析一下。我們注意到BLDC實(shí)際有3種狀態(tài)，分別是停止?fàn)顟B(tài)、常速運(yùn)行狀態(tài)、全速運(yùn)行狀態(tài)。而這3種狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)化，但并無直接關(guān)聯(lián)，在不同的狀態(tài)下將執(zhí)行不同的操作。它們之間將根據(jù)按鈕的事件產(chǎn)生轉(zhuǎn)換。對比前面我們對狀態(tài)機(jī)的要素的表述，實(shí)際上已經(jīng)完全具備了狀態(tài)機(jī)的全部要素，所以我們將其狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程表述如下圖：

??接下來我們看一看菜單的切換問題。菜單的切換更復(fù)雜一點(diǎn)，就是在不同的情況下，會有不同的顯示。我們將其歸為5類，也就是5個菜單，這些菜單根據(jù)按鍵的不同顯示不同的菜單。我們將每個顯示菜單定義為一種狀態(tài)，那么其實(shí)就已經(jīng)具備了狀態(tài)機(jī)的全部5個要素，具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如下圖所示：

??我們將BLDC的控制以及顯示菜單的切換抽象為狀態(tài)機(jī)，以避免冗長的條件選擇結(jié)構(gòu)，簡化程序邏輯結(jié)構(gòu)，使得程序更為清晰。

3、軟件實(shí)現(xiàn)

??前述，我們已經(jīng)分析了將BLDC的控制及顯示菜單的切換使用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的方法。接下來我們就來考慮其具體的實(shí)現(xiàn)方式。

??首先，我們來分析BLDC的控制。我們已經(jīng)知道BLDC的控制要求有3個狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)、常速狀態(tài)、全速狀態(tài)。通過按鍵事件來控制狀態(tài)產(chǎn)生遷移并執(zhí)行動作。我們需要一個變量來記錄按鍵事件對BLDC產(chǎn)生的命令，這個命令變量取值0、1、2以對應(yīng)3個狀態(tài)的遷移命令。之所以去這樣的3個值并沒有什么特殊之處，僅僅只是為了我們在后續(xù)的處理中方便使用而已。同樣我們需要變量來記錄當(dāng)前所處的狀態(tài)，取值也用0、1、2對應(yīng)3個狀態(tài)。當(dāng)然我們還需要定義每種狀態(tài)下所對應(yīng)的動作，為了操作方便我們將每種狀態(tài)下的動作定義為一個單獨(dú)的函數(shù)，也就是每種狀態(tài)有一個響應(yīng)函數(shù)。至于響應(yīng)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)則根據(jù)需求而定，函數(shù)中包括相應(yīng)條件。具體如下：

void (*BldcControl[3])(void)={BldcStopHandler,
                 BldcNormalSpeedHandler,
                 BldcFullSpeedHandler};

BldcControl[aPara.phyPara.pumpStartStop]();

??其中aPara.phyPara.pumpStartStop變量記錄的是對按鍵事件的記錄，狀態(tài)機(jī)根據(jù)變量的值來調(diào)用狀態(tài)響應(yīng)函數(shù)來遷移并維持在指定的狀態(tài)。三個函數(shù)對應(yīng)三種狀態(tài)下的響應(yīng)函數(shù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了不同的事件遷移到不同的狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，相比于條件分支判斷結(jié)構(gòu)要簡化很多。

??接下來，我們再來看看菜單顯示狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。前面我們已經(jīng)描述過菜單顯示劃分為5種狀態(tài)，我們使用一個變量來記錄狀態(tài)及遷移。這個變量取值0、1、2、3、4分別對應(yīng)當(dāng)前速度顯示狀態(tài)、量程顯示狀態(tài)、全速設(shè)定顯示狀態(tài)、系數(shù)設(shè)定顯示狀態(tài)、速度設(shè)定顯示狀態(tài)。具體如下：

void (*LedDisPlay[5])(void)={SpeedCurrentDisplay,
              SpeedUpperDisplay,
              SpeedFullDisplay,
              SpeedFactorDisplay,
              SpeedSettingDisplay};

LedDisPlay[aPara.phyPara.menuIndex]();

??同樣的aPara.phyPara.menuIndex是狀態(tài)遷移及狀態(tài)記錄變量，而5個函數(shù)則對應(yīng)不同狀態(tài)下的響應(yīng)函數(shù)。

4、小結(jié)

??在這一篇中，我們以一個BLDC驅(qū)動控制板的實(shí)例描述了使用狀態(tài)機(jī)代替復(fù)雜的條件分支判斷結(jié)構(gòu)的過程及方法。我們實(shí)現(xiàn)了使用狀態(tài)機(jī)機(jī)制編碼BLDC的驅(qū)動控制和菜單顯示切換的功能。這一實(shí)例已經(jīng)應(yīng)用于多個項(xiàng)目之中，效果良好。

??這一方式其實(shí)適用于很多需要條件判斷來切換控制的場合。事實(shí)上，我們在多個電機(jī)控制、流程控制等應(yīng)用場合都是用了類似的方法，而且應(yīng)用的結(jié)果都比較滿意。當(dāng)然，我們并不是建議讀者使用此法，只是提供一種思路，我們認(rèn)為所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化本就是見仁見智的事情。