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C++ 编译期状态机：用 TMP 定义并在编译时执行状态转换

好的，各位观众，欢迎来到今天的编译期状态机讲座！今天我们要聊点刺激的——用C++模板元编程（TMP）来定义一个在编译时就能跑的状态机。听起来是不是有点像用计算器来造火箭？嗯，差不多，但很有趣！

什么是状态机？

首先，咱们得搞清楚什么是状态机。简单来说，状态机就是一个东西，它会根据接收到的输入，从一个状态切换到另一个状态。你可以把它想象成一个有很多开关的电路，每个开关对应一个状态，当你拨动某个开关，电路就切换到另一个状态。

状态机通常由以下几个要素组成：

  • 状态（State）： 状态机在某一时刻所处的状态。
  • 事件（Event）： 触发状态转换的输入。
  • 转换（Transition）： 从一个状态到另一个状态的规则。
  • 初始状态（Initial State）： 状态机启动时所处的状态。
  • 动作（Action）： 状态转换时执行的操作（可选）。

举个栗子，咱们来设计一个简单的电梯状态机：

状态 事件 下一个状态 动作
空闲（Idle） 呼叫（Call） 上升（MovingUp） 开门
上升（MovingUp） 到达（Arrived） 空闲（Idle） 开门
下降（MovingDown） 到达（Arrived） 空闲（Idle） 开门

为什么要在编译期搞状态机？

你可能会问，状态机在运行期实现不是挺好的吗？干嘛非要搬到编译期？原因有很多：

  • 性能： 编译期计算的结果可以直接嵌入到代码中，避免了运行时的计算开销。
  • 类型安全： 编译期状态机可以利用C++的类型系统来保证状态转换的正确性。如果在编译期发现状态转换错误，编译器会直接报错，避免了运行时的bug。
  • 代码生成： 编译期状态机可以用来生成代码，例如，根据状态机的定义生成状态转换表或者状态处理函数。

TMP 基础回顾

在开始之前，我们先简单回顾一下TMP的基础知识。TMP是一种在编译期执行计算的技术，它利用C++的模板机制来实现。TMP的核心思想是：

  • 模板是编译期的函数： 模板可以接受类型作为参数，并返回一个类型。
  • 模板特化是编译期的条件语句： 模板特化可以根据不同的条件选择不同的实现。
  • enum 或 static const 是编译期的变量： 可以在模板中定义enum或static const变量来存储计算结果。

下面是一些TMP的常用技巧：

  • typename： 用于告诉编译器，某个名字是一个类型。
  • ::value： 用于访问模板中定义的enum或static const变量的值。
  • std::enable_if： 用于在满足特定条件时启用模板。
  • std::conditional： 用于根据条件选择不同的类型。

编译期状态机的实现

接下来，我们来实现一个简单的编译期状态机。我们先定义状态和事件的类型：

#include <iostream>
#include <type_traits>

// 定义状态
struct Idle {};
struct MovingUp {};
struct MovingDown {};

// 定义事件
struct Call {};
struct Arrived {};

然后，我们定义一个模板类StateMachine，它接受当前状态和一个事件作为参数，并返回下一个状态：

template <typename State, typename Event>
struct StateMachine {
    using NextState = State; // 默认情况下，状态不变
};

接下来，我们使用模板特化来定义状态转换规则：

// Idle + Call -> MovingUp
template <>
struct StateMachine<Idle, Call> {
    using NextState = MovingUp;
};

// MovingUp + Arrived -> Idle
template <>
struct StateMachine<MovingUp, Arrived> {
    using NextState = Idle;
};

// MovingDown + Arrived -> Idle
template <>
struct StateMachine<MovingDown, Arrived> {
    using NextState = Idle;
};

现在，我们可以使用StateMachine模板来计算状态转换的结果：

int main() {
    // 计算 Idle 状态下接收到 Call 事件后的下一个状态
    using NextState1 = StateMachine<Idle, Call>::NextState;
    std::cout << std::boolalpha << std::is_same_v<NextState1, MovingUp> << std::endl; // 输出 true

    // 计算 MovingUp 状态下接收到 Arrived 事件后的下一个状态
    using NextState2 = StateMachine<MovingUp, Arrived>::NextState;
    std::cout << std::boolalpha << std::is_same_v<NextState2, Idle> << std::endl; // 输出 true

    return 0;
}

添加动作

状态机除了状态转换之外，还可以执行一些动作。我们可以在状态转换时执行一些编译期的计算或者类型操作。例如，我们可以在电梯到达时打印一条消息：

// 定义一个编译期函数，用于打印消息
template <typename State>
struct PrintMessage {
    static void print() {
        std::cout << "Arrived at destination!" << std::endl;
    }
};

// MovingUp + Arrived -> Idle，并执行 PrintMessage
template <>
struct StateMachine<MovingUp, Arrived> {
    using NextState = Idle;
    static void action() {
        PrintMessage<MovingUp>::print();
    }
};

// MovingDown + Arrived -> Idle，并执行 PrintMessage
template <>
struct StateMachine<MovingDown, Arrived> {
    using NextState = Idle;
    static void action() {
        PrintMessage<MovingDown>::print();
    }
};

int main() {
    // 计算 MovingUp 状态下接收到 Arrived 事件后的下一个状态，并执行动作
    using NextState2 = StateMachine<MovingUp, Arrived>::NextState;
    StateMachine<MovingUp, Arrived>::action(); // 输出 "Arrived at destination!"
    std::cout << std::boolalpha << std::is_same_v<NextState2, Idle> << std::endl; // 输出 true

    return 0;
}

状态机的链式调用

为了模拟状态机的运行过程，我们可以将状态转换链式调用起来：

template <typename InitialState, typename... Events>
struct RunStateMachine {
private:
    template <typename CurrentState, typename... RemainingEvents>
    struct Impl {
        using NextState = typename StateMachine<CurrentState, typename std::tuple_element<0, std::tuple<RemainingEvents...>>::type>::NextState;

        template <size_t Index>
        using EventType = typename std::tuple_element<Index, std::tuple<RemainingEvents...>>::type;

        static void Run() {
            using CurrentEvent = EventType<0>;

            // 执行当前状态转换的动作
            using SM = StateMachine<CurrentState, CurrentEvent>;
            if constexpr(requires { SM::action(); }) {
                SM::action();
            }

            // 递归调用下一个状态
            if constexpr (sizeof...(RemainingEvents) > 1) {
                Impl<NextState, RemainingEvents...>::Run();
            } else {
                // 最后一个状态，结束递归
                using LastEvent = EventType<0>;
                using LastSM = StateMachine<CurrentState, LastEvent>;
                if constexpr(requires { LastSM::action(); }) {
                    LastSM::action();
                }
            }
        }
    };

public:
    static void Run() {
        Impl<InitialState, Events...>::Run();
    }
    using FinalState = typename Impl<InitialState, Events...>::NextState;
};

int main() {
    // 从 Idle 状态开始，依次接收 Call 和 Arrived 事件
    RunStateMachine<Idle, Call, Arrived>::Run(); // 输出 "Arrived at destination!"
    using FinalState = RunStateMachine<Idle, Call, Arrived>::FinalState;
    std::cout << std::boolalpha << std::is_same_v<FinalState, Idle> << std::endl; // 输出 true

    // 从 Idle 状态开始，依次接收 Call, Arrived, Call, Arrived 事件
    RunStateMachine<Idle, Call, Arrived, Call, Arrived>::Run(); // 输出 "Arrived at destination!" "Arrived at destination!"
    using FinalState2 = RunStateMachine<Idle, Call, Arrived, Call, Arrived>::FinalState;
    std::cout << std::boolalpha << std::is_same_v<FinalState2, Idle> << std::endl; // 输出 true

    return 0;
}

更复杂的状态机

上面的例子只是一个简单的状态机，我们可以使用TMP来实现更复杂的状态机。例如，我们可以添加状态变量、状态保护、状态进入/退出动作等等。

状态变量

状态变量可以用来存储状态机的状态信息。例如，我们可以添加一个楼层变量来表示电梯当前所在的楼层：

// 定义楼层变量
template <int Floor>
struct FloorState {
    static constexpr int floor = Floor;
};

// 定义状态
using Idle0 = FloorState<0>;
using MovingUpTo5 = FloorState<5>;

// 修改状态转换规则
template <>
struct StateMachine<Idle0, Call> {
    using NextState = MovingUpTo5;
};

int main() {
    // 计算 Idle0 状态下接收到 Call 事件后的下一个状态
    using NextState = StateMachine<Idle0, Call>::NextState;
    std::cout << NextState::floor << std::endl; // 输出 5

    return 0;
}

状态保护

状态保护可以用来限制状态转换的条件。例如，我们可以添加一个状态保护来防止电梯在已经到达顶层时继续上升：

// 定义状态保护
template <typename State, typename Event>
struct CanTransition {
    static constexpr bool value = true; // 默认情况下，可以转换
};

// 电梯在顶层时不能继续上升
template <int Floor, typename Event>
struct CanTransition<FloorState<Floor>, Event> {
    static constexpr bool value = (Floor < 10); // 假设最高楼层是 10
};

// 修改状态转换规则
template <>
struct StateMachine<Idle0, Call> {
    using NextState = MovingUpTo5;
    static_assert(CanTransition<Idle0, Call>::value, "Cannot transition from Idle0 to MovingUp");
};

int main() {
    // 编译期错误，因为电梯已经在顶层
    // using NextState = StateMachine<FloorState<10>, Call>::NextState;

    return 0;
}

状态进入/退出动作

状态进入/退出动作可以在状态进入或退出时执行一些操作。例如，我们可以在电梯进入上升状态时启动电机，退出上升状态时停止电机：

// 定义状态进入动作
template <typename State>
struct OnEnter {
    static void action() {} // 默认情况下，不执行任何操作
};

// 定义状态退出动作
template <typename State>
struct OnExit {
    static void action() {} // 默认情况下，不执行任何操作
};

// 电梯进入上升状态时启动电机
template <>
struct OnEnter<MovingUp> {
    static void action() {
        std::cout << "Start motor!" << std::endl;
    }
};

// 电梯退出上升状态时停止电机
template <>
struct OnExit<MovingUp> {
    static void action() {
        std::cout << "Stop motor!" << std::endl;
    }
};

// 修改状态转换规则
template <>
struct StateMachine<Idle, Call> {
    using NextState = MovingUp;
    static void action() {
        OnExit<Idle>::action();
        OnEnter<MovingUp>::action();
    }
};

int main() {
    // 计算 Idle 状态下接收到 Call 事件后的下一个状态，并执行动作
    using NextState = StateMachine<Idle, Call>::NextState;
    StateMachine<Idle, Call>::action(); // 输出 "Start motor!"
    std::cout << std::boolalpha << std::is_same_v<NextState, MovingUp> << std::endl; // 输出 true

    return 0;
}

总结

好了，今天的编译期状态机讲座就到这里。我们学习了如何使用C++模板元编程来实现一个在编译时就能跑的状态机。虽然TMP的学习曲线比较陡峭，但是它可以帮助我们编写更高效、更安全的代码。

希望今天的讲座对你有所帮助！记住，TMP就像魔法一样，只要你掌握了它的规则，就可以创造出无限的可能性。

进一步思考

  • 如何使用TMP来生成状态转换表？
  • 如何使用TMP来实现更复杂的状态机模式，例如分层状态机、并行状态机？
  • TMP有哪些局限性？如何克服这些局限性？

最后的忠告

TMP很强大，但是也要适度使用。不要为了TMP而TMP，只有在真正需要编译期计算的场景下才应该使用TMP。否则，你的代码可能会变得难以理解和维护。

祝大家编程愉快！下课！

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