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状态模式的高效运用-1

2005-08-29 21:54 489 查看
状态模式是GoF23个模式中最常用的之一,这篇小文不打算涉及方方面面的内容,只想在状态模式的高效运用方面谈一下自己的心得体会。
状态模式是用来设计状态机的,因此下面的叙述中将它们等同理解。有关状态机设计方面的书籍,我这里隆重推荐一本:《Practical Statecharts in C/C++ Quantum Programming for Embedded Systems》,中文名叫做《嵌入式系统的微模块化程序设计-实用状态图C/C++实现》,北航出版的,作者是Miro Samek博士,长期从事嵌入式实时系统的开发,具有丰富的经验。如果你想对状态机领域进行比较深入的研究,这本书绝对不容错过。
让我们先来看看比较“古老”的状态机实现,假设你还是用C语言。一般而言,我们用得到状态机系统都可以称为事件(消息)驱动系统,系统往往处于某个状态,等待外部的激励。这些激励可以是外部的事件、定时器超时等等,系统收到这些事件后,进行相应的处理,然后跃迁到新的状态(状态也可能不变)继续等待下一个激励的到来,最后直到相应的事务处理完毕为止。
典型的状态机实现中需要考虑几个要素:状态、消息(及其内容)、消息处理函数以及系统上下文等。系统处于某个状态,收到某个消息后,解析出消息内容,然后调用相应的消息处理函数进行处理,而消息处理函数往往会用到状态机的上下文数据,消息处理完毕系统会跃迁到新的状态。
典型代码大致如下:
switch (state)
{
 case STATE1:
 switch (msg)
 {
 case MSG1:
 HandleMsg1(msgpara,context);
 nextstate(STATE2);
 break;
 case MSG2:
 HandleMsg2(msgpara,context);
 nextstate(STATE3);
 break;
 /*......*/
 }
 case STATE2:
 switch (msg)
 {
 case MSG3:
 HandleMsg3(msgpara,context);
 nextstate(STATE3);
 break;
 /*......*/
 }
 /*......*/
}
可以看到这就是所谓的平面状态机,特点就是先枚举状态,然后再枚举消息,如果找不到的话,就将消息丢弃。
为了使状态机更高效的运行,这里有几个小技巧,稍为总结一下。
(1)把接收概率大的消息放在前面
把同一个状态下最有可能收到的消息放在前面。一个状态下可能要处理很多消息,这视乎你状态划分的粒度大小。每个消息收到的机会并不是均等的,有些消息系统收到的概率很大,有些很小,因此把接收概率大的消息放在前面,这样可以减少case消息时的比较次数,相应的执行效率就提高了。对于一个状态机的运行而言,这样的节省当然微乎其微,但假如你的系统同时运行成千上万个这种状态机时,那么就有必要考虑一下这种优化了。
(2)查表法
第(1)种方法再怎么优化,也需要枚举状态和消息,假如能把这方面的开销变成零,那么效率自然可以进一步提升。我们可以想象把消息处理函数指针放在一个二维数组(表)中,其中一维代表状态,另外一维代表消息序号,那么通过p[state][msg]就可以定位到当前状态下当前消息的处理函数。对一些简单的应用,甚至可以把新状态也存放在这张二维表中,这样的好处是用户不需要显示调用状态跃迁函数。当然对于一些状态有不同执行路径的情况,状态的跃迁可能就要放在消息处理函数之中。
(3)消息先分段再查表
一般而言,一个状态机的状态数目不会很多,当然接收的消息数目也是有限的。但一般来说,消息是不连续的,这样应用查表法可能内存的开销就比较大,尤其是消息序号比较稀疏的时候,内存更加浪费。
在一般的嵌入式软件开发中,我发现往往可以将消息进行归类分段,比方说一个接口的消息定义成一段。这样虽然消息不连续,但通过分段后可以将消息放在一个较紧凑的内存空间中,在这个空间里再运用查表法,就有可能达到效率和空间开销的平衡。注意,我是说有可能,并不是一定,这取决于具体情况。系统收到消息后,先判断消息处于哪个分段,然后调用p[state][msg - offset]来进行处理。

 ...待续
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