C++ 基于 `Boost.MPL` 的状态机编译期生成 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

哈喽，各位好！今天我们来聊聊一个挺有意思的话题：C++基于Boost.MPL的状态机编译期生成。

别被“编译期”、“Boost.MPL”这些字眼吓跑，其实它没那么可怕。我们争取用最通俗的语言，带你一步步揭开它的神秘面纱，让你也能轻松玩转编译期状态机。

一、什么是状态机？（State Machine）

首先，我们得知道什么是状态机。想象一下，你家的洗衣机，它有几个状态：待机、进水、洗涤、脱水、结束。洗衣机根据你按的按钮，从一个状态切换到另一个状态。这就是一个典型的状态机。

更正式一点说，状态机就是一个系统，它在任何给定的时刻都处于一个特定的“状态”中。它会根据接收到的“事件”或“输入”，从一个状态转换到另一个状态。

状态机在软件开发中非常常见，比如：

游戏中的角色状态（待机、行走、攻击、死亡）
网络协议的状态（连接建立、数据传输、连接关闭）
用户界面的状态（登录、浏览、编辑）

二、为什么要用编译期状态机？

传统的状态机通常在运行时实现，这意味着状态转换的逻辑是在程序运行的时候才确定的。而编译期状态机则是在编译时就确定了状态转换的逻辑。

这样做有什么好处呢？

性能提升： 编译期状态机避免了运行时的状态切换开销，通常能获得更高的性能。状态转换逻辑被“烘焙”到最终的可执行文件中，减少了运行时的判断和跳转。
类型安全： 编译期状态机利用C++的类型系统，可以在编译时检查状态转换是否合法。如果尝试进行非法状态转换，编译器会报错，避免了运行时的错误。
代码简洁： 使用Boost.MPL可以更清晰、更简洁地描述状态机的状态和转换规则。
减少运行时错误： 状态转换的验证在编译时完成，可以最大限度地减少运行时错误。

三、 Boost.MPL 简介

Boost.MPL (Meta-Programming Library) 是 Boost 库中的一个元编程库。它提供了一组工具，可以在编译时进行计算和类型操作。

你可以把 Boost.MPL 想象成一个在编译时运行的“小程序”，它可以操纵类型、常量和其他编译期实体。

Boost.MPL 里的几个关键概念：

元函数（Meta-function）： 接受类型或常量作为输入，返回类型或常量的“函数”。但它不是运行时函数，而是在编译时执行的。
序列（Sequence）： 一组类型的集合，类似于运行时的数组或列表。 Boost.MPL 提供了多种序列类型，比如 mpl::vector、mpl::list。
算法（Algorithm）： 用于操作序列的函数，比如 mpl::transform、mpl::for_each。

四、用 Boost.MPL 实现编译期状态机

现在，我们来一步步实现一个简单的编译期状态机。假设我们有一个简单的灯的状态机，它有三个状态： Off（关闭）、On（开启）、Blinking（闪烁）。

1. 定义状态

首先，我们需要定义表示状态的类型。我们可以使用空的结构体来表示不同的状态。

#include <boost/mpl/vector.hpp>
#include <boost/mpl/at.hpp>
#include <boost/mpl/int_.hpp>
#include <boost/mpl/next.hpp>
#include <boost/mpl/prior.hpp>
#include <boost/mpl/if.hpp>
#include <boost/mpl/eval_if.hpp>
#include <boost/mpl/identity.hpp>
#include <boost/mpl/assert.hpp>
#include <boost/mpl/equal_to.hpp>
#include <boost/mpl/not.hpp>
#include <boost/mpl/contains.hpp>
#include <boost/mpl/find.hpp>
#include <boost/type_traits.hpp>
#include <iostream>

namespace mpl = boost::mpl;

struct Off {};
struct On {};
struct Blinking {};

2. 定义事件

接下来，我们需要定义触发状态转换的事件。同样，我们可以使用空的结构体来表示事件。

struct TurnOn {};
struct TurnOff {};
struct StartBlinking {};
struct StopBlinking {};

3. 定义状态转换表

状态转换表定义了在给定状态下，接收到特定事件后，应该转换到哪个状态。我们可以使用 mpl::vector 来表示状态转换表。

using StateTransitionTable = mpl::vector<
    // Current State, Event, Next State
    mpl::vector<Off, TurnOn, On>,
    mpl::vector<On, TurnOff, Off>,
    mpl::vector<On, StartBlinking, Blinking>,
    mpl::vector<Blinking, StopBlinking, On>
>;

这个 StateTransitionTable 表示：

如果当前状态是 Off，接收到 TurnOn 事件，则转换到 On 状态。
如果当前状态是 On，接收到 TurnOff 事件，则转换到 Off 状态。
如果当前状态是 On，接收到 StartBlinking 事件，则转换到 Blinking 状态。
如果当前状态是 Blinking，接收到 StopBlinking 事件，则转换到 On 状态。

4. 定义状态机引擎

状态机引擎负责根据状态转换表和当前状态，处理接收到的事件，并更新状态。这部分是核心。

template <typename CurrentState, typename Event, typename StateTable>
struct NextState {
private:
    template <typename Row>
    struct Matches {
        typedef typename mpl::at_c<Row, 0>::type State;
        typedef typename mpl::at_c<Row, 1>::type EventType;

        template <typename T>
        struct unwrap {
            typedef T type;
        };

        typedef typename mpl::eval_if<
            mpl::equal_to<CurrentState, State>,
            mpl::eval_if<
                mpl::equal_to<Event, EventType>,
                mpl::identity<mpl::true_>,
                mpl::identity<mpl::false_>
            >,
            mpl::identity<mpl::false_>
        >::type type;
    };

    template <typename StateTable, typename Default>
    struct FindNextStateImpl {
        template <typename Row>
        struct GetNextState {
            typedef typename mpl::at_c<Row, 2>::type type;
        };

        template <typename Sequence, template <typename> class Predicate, template <typename> class ResultExtractor, typename DefaultValue>
        struct find_if_and_extract {
            typedef typename mpl::find_if<Sequence, Predicate>::type iterator;
            typedef typename mpl::eval_if<
                typename std::is_same<iterator, typename mpl::end<Sequence>::type>::type,
                mpl::identity<DefaultValue>,
                ResultExtractor<iterator>
            >::type type;
        };

        template <typename Iterator>
        struct dereference_iterator {
            typedef typename Iterator::type type;
        };

        struct identity_extractor {
            template <typename T>
            struct apply {
                typedef T type;
            };
        };

        typedef typename find_if_and_extract<
            StateTable,
            Matches,
            GetNextState,
            Default
        >::type type;
    };

public:
    typedef typename FindNextStateImpl<StateTable, CurrentState>::type type;
};

template <typename CurrentState, typename Event, typename StateTable>
using NextState_t = typename NextState<CurrentState, Event, StateTable>::type;

这个 NextState 模板类接受当前状态、事件和状态转换表作为模板参数，它会在编译时查找状态转换表中匹配的条目，并返回下一个状态的类型。

让我们分解一下：

Matches：这个内部结构体检查状态转换表中的一行是否与当前状态和事件匹配。
FindNextStateImpl：这个内部结构体在状态转换表中查找匹配的行，并提取下一个状态。
find_if_and_extract：这是一个通用的元函数，用于在序列中查找满足条件的元素，并提取指定的信息。

5. 定义状态机类

现在，我们可以定义一个状态机类，它包含当前状态，并提供一个 process_event 方法来处理事件。

template <typename InitialState, typename StateTable>
class StateMachine {
public:
    using CurrentState = InitialState;
    using state_table = StateTable;

    template <typename Event>
    struct process_event {
        using next_state = NextState_t<CurrentState, Event, state_table>;
        using type = StateMachine<next_state, state_table>;
    };

    template <typename Event>
    using process_event_t = typename process_event<Event>::type;
};

这个 StateMachine 模板类：

CurrentState：表示当前状态的类型。
state_table：状态转换表。
process_event：接受一个事件类型作为模板参数，返回一个新的 StateMachine 实例，其 CurrentState 已经被更新为下一个状态。

6. 使用状态机

现在，我们可以使用我们定义的编译期状态机了。

int main() {
    // 创建一个初始状态为 Off 的状态机
    using MyStateMachine = StateMachine<Off, StateTransitionTable>;

    // 处理 TurnOn 事件，状态转换为 On
    using StateOn = MyStateMachine::process_event_t<TurnOn>;

    // 处理 StartBlinking 事件，状态转换为 Blinking
    using StateBlinking = StateOn::process_event_t<StartBlinking>;

    // 处理 StopBlinking 事件，状态转换为 On
    using StateBackOn = StateBlinking::process_event_t<StopBlinking>;

    // 编译时断言，验证状态转换是否正确
    mpl::assert_<std::is_same<StateOn::CurrentState, On>>();
    mpl::assert_<std::is_same<StateBlinking::CurrentState, Blinking>>();
    mpl::assert_<std::is_same<StateBackOn::CurrentState, On>>();

    std::cout << "编译期状态机测试成功!" << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，我们：

创建了一个初始状态为 Off 的 StateMachine。
使用 process_event_t 处理 TurnOn 事件，将状态转换为 On。
继续处理 StartBlinking 和 StopBlinking 事件，状态在 Blinking 和 On 之间切换。
使用 mpl::assert_ 在编译时断言状态转换是否正确。如果状态转换错误，编译器会报错。

五、完整代码

为了方便你复制粘贴，这里是完整的代码：

#include <boost/mpl/vector.hpp>
#include <boost/mpl/at.hpp>
#include <boost/mpl/int_.hpp>
#include <boost/mpl/next.hpp>
#include <boost/mpl/prior.hpp>
#include <boost/mpl/if.hpp>
#include <boost/mpl/eval_if.hpp>
#include <boost/mpl/identity.hpp>
#include <boost/mpl/assert.hpp>
#include <boost/mpl/equal_to.hpp>
#include <boost/mpl/not.hpp>
#include <boost/mpl/contains.hpp>
#include <boost/mpl/find.hpp>
#include <boost/type_traits.hpp>
#include <iostream>

namespace mpl = boost::mpl;

struct Off {};
struct On {};
struct Blinking {};

struct TurnOn {};
struct TurnOff {};
struct StartBlinking {};
struct StopBlinking {};

using StateTransitionTable = mpl::vector<
    // Current State, Event, Next State
    mpl::vector<Off, TurnOn, On>,
    mpl::vector<On, TurnOff, Off>,
    mpl::vector<On, StartBlinking, Blinking>,
    mpl::vector<Blinking, StopBlinking, On>
>;

template <typename CurrentState, typename Event, typename StateTable>
struct NextState {
private:
    template <typename Row>
    struct Matches {
        typedef typename mpl::at_c<Row, 0>::type State;
        typedef typename mpl::at_c<Row, 1>::type EventType;

        template <typename T>
        struct unwrap {
            typedef T type;
        };

        typedef typename mpl::eval_if<
            mpl::equal_to<CurrentState, State>,
            mpl::eval_if<
                mpl::equal_to<Event, EventType>,
                mpl::identity<mpl::true_>,
                mpl::identity<mpl::false_>
            >,
            mpl::identity<mpl::false_>
        >::type type;
    };

    template <typename StateTable, typename Default>
    struct FindNextStateImpl {
        template <typename Row>
        struct GetNextState {
            typedef typename mpl::at_c<Row, 2>::type type;
        };

        template <typename Sequence, template <typename> class Predicate, template <typename> class ResultExtractor, typename DefaultValue>
        struct find_if_and_extract {
            typedef typename mpl::find_if<Sequence, Predicate>::type iterator;
            typedef typename mpl::eval_if<
                typename std::is_same<iterator, typename mpl::end<Sequence>::type>::type,
                mpl::identity<DefaultValue>,
                ResultExtractor<iterator>
            >::type type;
        };

        template <typename Iterator>
        struct dereference_iterator {
            typedef typename Iterator::type type;
        };

        struct identity_extractor {
            template <typename T>
            struct apply {
                typedef T type;
            };
        };

        typedef typename find_if_and_extract<
            StateTable,
            Matches,
            GetNextState,
            Default
        >::type type;
    };

public:
    typedef typename FindNextStateImpl<StateTable, CurrentState>::type type;
};

template <typename CurrentState, typename Event, typename StateTable>
using NextState_t = typename NextState<CurrentState, Event, StateTable>::type;

template <typename InitialState, typename StateTable>
class StateMachine {
public:
    using CurrentState = InitialState;
    using state_table = StateTable;

    template <typename Event>
    struct process_event {
        using next_state = NextState_t<CurrentState, Event, state_table>;
        using type = StateMachine<next_state, state_table>;
    };

    template <typename Event>
    using process_event_t = typename process_event<Event>::type;
};

int main() {
    // 创建一个初始状态为 Off 的状态机
    using MyStateMachine = StateMachine<Off, StateTransitionTable>;

    // 处理 TurnOn 事件，状态转换为 On
    using StateOn = MyStateMachine::process_event_t<TurnOn>;

    // 处理 StartBlinking 事件，状态转换为 Blinking
    using StateBlinking = StateOn::process_event_t<StartBlinking>;

    // 处理 StopBlinking 事件，状态转换为 On
    using StateBackOn = StateBlinking::process_event_t<StopBlinking>;

    // 编译时断言，验证状态转换是否正确
    mpl::assert_<std::is_same<StateOn::CurrentState, On>>();
    mpl::assert_<std::is_same<StateBlinking::CurrentState, Blinking>>();
    mpl::assert_<std::is_same<StateBackOn::CurrentState, On>>();

    std::cout << "编译期状态机测试成功!" << std::endl;

    return 0;
}

六、优缺点分析

优点：

优点	描述
编译期验证	状态转换在编译时进行验证，避免了运行时错误。
性能	状态转换逻辑在编译时确定，避免了运行时的开销，性能更高。
类型安全	C++的类型系统保证了状态转换的类型安全。
代码清晰	使用`Boost.MPL`可以更清晰地描述状态机的状态和转换规则。

缺点：

缺点	描述
编译时间	编译期计算可能会增加编译时间，特别是对于复杂的状态机。
代码复杂度	`Boost.MPL` 代码通常比运行时代码更复杂，需要一定的元编程知识。
可调试性	编译期错误通常难以调试，需要仔细分析模板展开和类型推导过程。
学习曲线陡峭	`Boost.MPL` 本身的学习曲线就比较陡峭，需要花费一定的时间才能掌握。
错误信息	编译期的错误信息有时候比较难以理解，尤其是当模板嵌套很深的时候。这需要你对 C++ 模板机制有深入的理解，才能更好地定位问题。

七、总结与展望

今天，我们一起探索了 C++ 基于 Boost.MPL 的编译期状态机。我们学习了如何定义状态、事件、状态转换表，以及如何使用 Boost.MPL 实现状态机引擎。

编译期状态机是一种强大的技术，它可以提高性能、增强类型安全，并减少运行时错误。但是，它也有一些缺点，比如编译时间增加、代码复杂度提高等。

在实际应用中，我们需要根据具体情况权衡利弊，选择合适的实现方式。对于性能要求高、状态转换规则简单的状态机，编译期状态机是一个不错的选择。

随着 C++ 标准的不断发展，编译期计算的能力越来越强。未来，我们可以期待更简洁、更易用的编译期状态机实现。

希望今天的讲座对你有所帮助！如果你对编译期状态机有任何问题，欢迎提问。

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