C++实现自定义的编译期状态机：利用`std::variant`与`std::visit`进行状态转换校验

好的，没问题。

C++ 编译期状态机：std::variant与std::visit的状态转换校验

大家好！今天我们来聊聊如何使用 C++ 的 std::variant 和 std::visit 实现一个自定义的、在编译期进行状态转换校验的状态机。状态机是一种非常有用的设计模式，广泛应用于各种软件系统中，例如协议解析、UI 管理、游戏 AI 等。传统的状态机通常在运行时进行状态转换和校验，这可能会带来一些性能开销，并且错误也只能在运行时才能被发现。而利用 C++ 的模板元编程特性，我们可以将状态机的状态转换逻辑在编译期进行验证，从而提高程序的性能和可靠性。

状态机的基本概念

首先，让我们回顾一下状态机的基本概念。一个状态机由以下几个要素组成：

• 状态 (State)：系统在特定时刻所处的条件或情况。
• 事件 (Event)：触发状态转换的外部刺激或信号。
• 转换 (Transition)：当系统处于某个状态并且接收到某个事件时，系统从当前状态转移到另一个状态的过程。
• 动作 (Action)：在状态转换过程中执行的操作。

一个状态机可以用状态转换图来表示，其中节点表示状态，有向边表示状态转换，边上的标签表示事件。

编译期状态机的实现思路

我们的目标是实现一个编译期状态机，这意味着状态的定义、状态转换规则以及状态转换校验都应该在编译期完成。为此，我们可以利用以下 C++ 特性：

• std::variant: 用于表示状态机的状态，它可以存储多个不同类型的状态值。
• std::visit: 用于访问 std::variant 中存储的状态值，并根据状态类型执行相应的操作。
• 模板元编程: 用于在编译期进行状态转换校验。

核心思想是，将状态定义为不同的类型，并使用 std::variant 来存储当前状态。然后，我们定义一个状态转换函数，该函数接受当前状态和一个事件作为输入，并返回下一个状态。为了确保状态转换的正确性，我们使用 std::visit 来匹配当前状态和事件，并在编译期检查状态转换是否合法。

代码示例：一个简单的灯状态机

让我们以一个简单的灯状态机为例，来说明如何实现编译期状态机。灯的状态可以是 "开 (On)" 或 "关 (Off)"，事件可以是 "按下开关 (Press)"。

#include <iostream>
#include <variant>
#include <stdexcept>

// 1. 定义状态类型
struct On {};
struct Off {};

// 2. 定义事件类型
struct Press {};

// 3. 定义状态机类型
using LightState = std::variant<On, Off>;

// 4. 定义状态转换函数
template <typename State, typename Event>
struct Transition {
    using NextState = void; // 默认情况下，状态转换无效
};

// 特化状态转换规则
template <>
struct Transition<Off, Press> {
    using NextState = On;
};

template <>
struct Transition<On, Press> {
    using NextState = Off;
};

// 5. 定义状态转换函数
template <typename State, typename Event>
typename Transition<State, Event>::NextState transition(State, Event) {
    using NextState = typename Transition<State, Event>::NextState;
    if constexpr (std::is_same_v<NextState, void>) {
        throw std::runtime_error("Invalid state transition"); // 运行时错误，指示无效转换
    }
    return NextState{};
}

// 6. 定义应用事件的函数
template <typename Event>
LightState apply_event(LightState current_state, Event event) {
    return std::visit([&](auto& state) -> LightState {
        using CurrentStateType = std::decay_t<decltype(state)>;
        try {
            return transition(CurrentStateType{}, event);
        } catch (const std::runtime_error& e) {
            std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
            return current_state; // 保持原状态
        }
    }, current_state);
}

int main() {
    LightState state = Off{};
    std::cout << "Initial state: Off" << std::endl;

    state = apply_event(state, Press{});
    std::cout << "State after Press: On" << std::endl;

    state = apply_event(state, Press{});
    std::cout << "State after Press: Off" << std::endl;

    // 下面这行代码在运行时会抛出异常，因为 Off 状态下不能接收 Press 事件
    // state = apply_event(state, Press{});

    return 0;
}

在这个例子中，我们首先定义了状态类型 On 和 Off，以及事件类型 Press。然后，我们使用 std::variant 定义了状态机类型 LightState。接着，我们定义了一个 Transition 模板结构体，用于表示状态转换规则。我们对 Transition 进行了特化，定义了 Off 状态下接收 Press 事件会转换为 On 状态，以及 On 状态下接收 Press 事件会转换为 Off 状态。如果状态转换无效，Transition::NextState 将被定义为 void。

transition 函数负责实际的状态转换。它接受当前状态和事件作为输入，并返回下一个状态。如果状态转换无效，transition 函数会抛出一个运行时异常。

apply_event 函数使用 std::visit 来匹配当前状态和事件，并调用 transition 函数进行状态转换。如果 transition 函数抛出异常，apply_event 函数会捕获异常并保持原状态。

在 main 函数中，我们创建了一个初始状态为 Off 的状态机，并模拟了按下开关的事件。

编译期校验：静态断言

上面的例子中，状态转换的校验是在运行时进行的。为了在编译期进行状态转换校验，我们可以使用 static_assert。

#include <iostream>
#include <variant>
#include <stdexcept>

// 1. 定义状态类型
struct On {};
struct Off {};

// 2. 定义事件类型
struct Press {};
struct Timeout {}; // 新增事件

// 3. 定义状态机类型
using LightState = std::variant<On, Off>;

// 4. 定义状态转换函数
template <typename State, typename Event>
struct Transition {
    using NextState = void; // 默认情况下，状态转换无效
    static constexpr bool isValid = false;
};

// 特化状态转换规则
template <>
struct Transition<Off, Press> {
    using NextState = On;
    static constexpr bool isValid = true;
};

template <>
struct Transition<On, Press> {
    using NextState = Off;
    static constexpr bool isValid = true;
};

// Off -> Timeout 无效
template<>
struct Transition<Off, Timeout> {
    using NextState = void;
    static constexpr bool isValid = false;
};

// On -> Timeout 有效, 假设超时后自动关闭
template<>
struct Transition<On, Timeout> {
    using NextState = Off;
    static constexpr bool isValid = true;
};

// 5. 定义状态转换函数
template <typename State, typename Event>
typename Transition<State, Event>::NextState transition(State, Event) {
    using NextState = typename Transition<State, Event>::NextState;
    static_assert(Transition<State, Event>::isValid, "Invalid state transition"); // 编译期断言
    return NextState{};
}

// 6. 定义应用事件的函数
template <typename Event>
LightState apply_event(LightState current_state, Event event) {
    return std::visit([&](auto& state) -> LightState {
        using CurrentStateType = std::decay_t<decltype(state)>;
        return transition(CurrentStateType{}, event);
    }, current_state);
}

int main() {
    LightState state = Off{};
    std::cout << "Initial state: Off" << std::endl;

    state = apply_event(state, Press{});
    std::cout << "State after Press: On" << std::endl;

    state = apply_event(state, Press{});
    std::cout << "State after Press: Off" << std::endl;

    state = apply_event(state, Timeout{}); //编译成功，因为 Off -> Timeout  是编译期错误，被static_assert拦截

    // 下面这行代码在编译期会报错，因为 Off 状态下不能接收 Press 事件（被 static_assert 拦截）
    // state = apply_event(state, Timeout{});

    return 0;
}

在这个例子中，我们在 Transition 结构体中添加了一个 isValid 静态常量，用于表示状态转换是否有效。如果状态转换有效，isValid 的值为 true，否则为 false。然后在 transition 函数中，我们使用 static_assert 来断言状态转换的有效性。如果状态转换无效，编译期会报错。

现在，如果我们在 main 函数中尝试进行无效的状态转换，例如 state = apply_event(state, Timeout{}); 在 Off 状态，编译器会报错，提示 "Invalid state transition"。

状态转换表

为了更清晰地表达状态转换规则，我们可以使用状态转换表。状态转换表是一个二维表格，其中行表示当前状态，列表示事件，表格中的单元格表示下一个状态。

例如，对于上面的灯状态机，状态转换表如下所示：

当前状态	事件	下一个状态
Off	Press	On
On	Press	Off
Off	Timeout	无效转换
On	Timeout	Off

我们可以将状态转换表转换为 C++ 代码，如下所示：

template <typename State, typename Event>
struct Transition {
    using NextState = void;
    static constexpr bool isValid = false;
};

template <>
struct Transition<Off, Press> {
    using NextState = On;
    static constexpr bool isValid = true;
};

template <>
struct Transition<On, Press> {
    using NextState = Off;
    static constexpr bool isValid = true;
};

template<>
struct Transition<Off, Timeout> {
    using NextState = void;
    static constexpr bool isValid = false;
};

template<>
struct Transition<On, Timeout> {
    using NextState = Off;
    static constexpr bool isValid = true;
};

更复杂的状态机：带有数据

上面的例子只是一个简单的状态机，状态没有携带任何数据。在实际应用中，状态通常需要携带一些数据。例如，一个网络连接的状态机可能需要携带连接的 IP 地址和端口号。

为了支持带有数据的状态，我们可以将状态类型定义为带有成员变量的结构体或类。

#include <iostream>
#include <variant>
#include <stdexcept>
#include <string>

// 1. 定义状态类型
struct Disconnected {
    std::string reason; // 断开连接的原因
};

struct Connecting {
    std::string ip_address;
    int port;
};

struct Connected {
    std::string ip_address;
    int port;
};

// 2. 定义事件类型
struct Connect {
    std::string ip_address;
    int port;
};

struct Disconnect {
    std::string reason;
};

struct DataReceived {
    std::string data;
};

// 3. 定义状态机类型
using ConnectionState = std::variant<Disconnected, Connecting, Connected>;

// 4. 定义状态转换函数
template <typename State, typename Event>
struct Transition {
    using NextState = void;
    static constexpr bool isValid = false;
};

// 特化状态转换规则
template <>
struct Transition<Disconnected, Connect> {
    using NextState = Connecting;
    static constexpr bool isValid = true;
};

template <>
struct Transition<Connecting, DataReceived> {
    using NextState = void; // Connecting 状态不能接收数据
    static constexpr bool isValid = false;
};

template <>
struct Transition<Connecting, Disconnect> {
    using NextState = Disconnected;
    static constexpr bool isValid = true;
};

template <>
struct Transition<Connecting, Connect> {
  using NextState = Connecting;
  static constexpr bool isValid = true;
};

template <>
struct Transition<Connecting, Connect> {
    using NextState = Connecting;
    static constexpr bool isValid = true;
};

template <>
struct Transition<Connected, DataReceived> {
    using NextState = Connected;
    static constexpr bool isValid = true;
};

template <>
struct Transition<Connected, Disconnect> {
    using NextState = Disconnected;
    static constexpr bool isValid = true;
};

// 5. 定义状态转换函数
template <typename State, typename Event>
typename Transition<State, Event>::NextState transition(State state, Event event) {
    using NextState = typename Transition<State, Event>::NextState;
    static_assert(Transition<State, Event>::isValid, "Invalid state transition");
    if constexpr (std::is_same_v<NextState, Connecting>) {
        return NextState{event.ip_address, event.port};
    } else if constexpr (std::is_same_v<NextState, Disconnected>) {
        return NextState{event.reason};
    } else {
        return NextState{};
    }
}

// 6. 定义应用事件的函数
template <typename Event>
ConnectionState apply_event(ConnectionState current_state, Event event) {
    return std::visit([&](auto& state) -> ConnectionState {
        using CurrentStateType = std::decay_t<decltype(state)>;
        return transition(CurrentStateType{state}, event);
    }, current_state);
}

int main() {
    ConnectionState state = Disconnected{"Initial state"};
    std::cout << "Initial state: Disconnected" << std::endl;

    state = apply_event(state, Connect{"127.0.0.1", 8080});
    std::cout << "State after Connect: Connecting" << std::endl;

    state = apply_event(state, DataReceived{"Hello"}); // 编译失败，Connecting 状态不能接收数据

    return 0;
}

在这个例子中，Disconnected 状态携带了断开连接的原因，Connecting 和 Connected 状态携带了 IP 地址和端口号。在 transition 函数中，我们需要根据事件的类型来构造下一个状态。

优点与局限

使用 std::variant 和 std::visit 实现编译期状态机的优点：

• 编译期校验: 状态转换规则在编译期进行校验，可以及早发现错误，提高程序的可靠性。
• 类型安全: 使用 std::variant 可以确保状态的类型安全。
• 性能: 状态转换逻辑在编译期确定，可以减少运行时的开销。

局限性：

• 代码复杂性: 相比于传统的状态机实现，编译期状态机的代码更加复杂。
• 编译时间: 编译期状态机可能会增加编译时间。
• 调试难度: 编译期错误通常比较难以调试。

总结一下要点

我们学习了如何使用 C++ 的 std::variant 和 std::visit 实现一个自定义的、在编译期进行状态转换校验的状态机。通过定义状态类型、事件类型、状态转换规则，并使用 static_assert 进行编译期校验，我们可以构建一个类型安全、高性能的状态机。

最后再说几句

编译期状态机是一种高级的 C++ 编程技术，可以提高程序的可靠性和性能。但是，它也增加了代码的复杂性和编译时间。在实际应用中，我们需要根据具体情况来选择合适的实现方式。希望今天的分享对大家有所帮助！

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