C# 状态机Stateless 浅析C# 状态机Stateless

时间:2021-04-22 波多尔斯基人气:2

最近在折腾一些控制相关的软件设计，想起来状态机这个东西，对解决一些控制系统状态切换还是挺有用的。

状态机（有限状态自动机）网上有很多介绍。简单理解就是定义一系列状态，通过一系列的事件，可以使得状态可以相互之间切换。

如果不使用状态机的思想来编程，那么针对过程的编程方法会使得程序拓展性变差，并且不容易调试。而状态机只需要定义好了各种状态和状态切换之间的事件，你只管触发事件，剩下的事情它自己就自动完成了（毕竟名称叫做有限状态自动机），这对于很多需要定义各种控制阶段的系统简直是完美适配。了解到.NET也有很多库可以实现这些功能，本文主要介绍一下Stateless的应用。

Stateless介绍

Stateless可以创建极简的状态机与对应的工作流。很多项目（包括VisualStudio Extension、AIlab）都有使用到它。

它支持以下特性：

支持各种类型作为状态和触发事件
支持状态继承
支持状态进入/离开事件
支持条件状态转移
支持状态/转移查询

也有几点需要注意的：

它支持异步语法，但是它是单线程的，不是线程安全的。
可以导出DOT graph

安装起来很简单，直接在nuget中安装即可：

Install-Package Stateless

Stateless使用

用起来也挺简单的，以打电话这个事情为例，针对打电话的种种动作和状态做成一个状态机。
需要先定义一些状态和事件/触发器，电话有拨号、接通、留言等事件，有响铃、挂起、挂断等事件：

//代码来自官方示例，可以在官方github库上找到，略有修改以完整展示功能。
enum Trigger
{
  CallDialed,
  CallConnected,
  LeftMessage,
  PlacedOnHold,
  TakenOffHold,
  PhoneHurledAgainstWall,
  MuteMicrophone,
  UnmuteMicrophone,
  SetVolume
}

enum State
{
  OffHook,
  Ringing,
  Connected,
  OnHold,
  PhoneDestroyed
}

然后就是创建一个状态机了：

_machine = new StateMachine<State, Trigger>(() => _state, s => _state = s);

最后也是最需要详细解释的，就是配置状态机的行为了：

/*
为了解释尽可能多的功能，以下程序修改了官方的代码，可以在官方找可以直接执行的代码。
*/

//使用Permit指示发生某个事件后，从一个状态变换到另外一个状态。
_machine.Configure(State.OffHook)
  .Permit(Trigger.CallDialed, State.Ringing);

//设置一个带参数的事件，这个事件是CallDialed的类型
var _setCalleeTrigger = _machine.SetTriggerParameters<string>(Trigger.CallDialed);
_machine.Configure(State.Ringing)
  //允许重新进入当前的状态，这个过程会触发进入和退出动作
  .PermitReentry(Trigger.Ringing)
  //使用OnEntryFrom指示在触发这个状态的时候，运行某个动作，这里指定的是一个带参数的事件
  .OnEntryFrom(_setCalleeTrigger, callee => OnDialed(callee), "Caller number to call")
  .Permit(Trigger.CallConnected, State.Connected);

_machine.Configure(State.OnHold)
  //定义子状态
  .SubstateOf(State.Connected)
  .Permit(Trigger.TakenOffHold, State.Connected)
  .Permit(Trigger.PhoneHurledAgainstWall, State.PhoneDestroyed);

_machine.Configure(State.Connected)
  //进入状态的时候执行动作
  .OnEntry(t => StartCallTimer())
  //离开状态执行动作
  .OnExit(t => StopCallTimer())
  //状态不变化，但是响应某种事件，和PermitReentry不同，它不会触发进入和退出的动作
  .InternalTransition(Trigger.MuteMicrophone, t => OnMute())
  .InternalTransition(Trigger.UnmuteMicrophone, t => OnUnmute())
  .InternalTransition<int>(_setVolumeTrigger, (volume, t) => OnSetVolume(volume))
  .Permit(Trigger.LeftMessage, State.OffHook)
  .Permit(Trigger.PlacedOnHold, State.OnHold)
  //指定在发生同一种事件的时候，根据事件的参数不同而决定进入不同的状态。
  .PermitIf(_setCalleeTrigger, State.Connected, callee => string.IsNullOrWhiteSpace(callee))
  .PermitIf(_setCalleeTrigger, State.Connected, callee => !string.IsNullOrWhiteSpace(callee))
  //如果没有定义这个事件而发生了这个事件，会弹出异常。通过指定忽略某一类事件，可以避免这个情况。
  .Ignore(Trigger.CallDialled);

//当然也可以使用这个来避免弹出上面说的异常
_machine.OnUnhandledTrigger((state, trigger) => { });

//可以使用异步调用，但是必须要在触发事件的时候，使用FireAsync
_machine.Configure(State.PhoneDestroyed)
  .OnEntryAsync(async () => await SendEmailToAssignee());

配置好了各状态之间的转换，下面就是触发事件了。

public void Dialed(string callee)
{
  //有参数的触发
  _machine.Fire(_setCalleeTrigger, callee);
}

public void Connected()
{
  //无参数的触发
  _machine.Fire(Trigger.CallConnected);
}

public async Task PhoneDestroy()
{
  //异步触发
  await _machine.FireAsync(Trigger.PhoneDestroyed);
}

public string ToDotGraph()
{
  //导出DOT GRAPH
  return UmlDotGraph.Format(_machine.GetInfo());
}

外部调用很简洁：

phoneCall.Dialed("Prameela");
phoneCall.Connected();
phoneCall.SetVolume(2);
phoneCall.Hold();

只需要调用事件即可，别的都会按照我们设置好的动作来进行了，非常自动化。

总结

Stateless可以很好地实现状态机，有点事件驱动的编程的感觉，但本质上不同，Stateless核心是各个状态的迁移。

虽然Stateless很小巧方便，但是还有有很多地方不尽如人意（官方说这就是他们自己的设计目标，维持极简）：

没有启动和停止的说法，一般在构造函数里面创建就一直有效。
不是线程安全的
拓展性有限

还有一个Appccelerate.StateMachine（地址），这个支持四种不同的状态机实现：

Passive State Machine：同步单线程处理状态转换
Active State Machine：同步多线程处理状态转换
Async Passive State Machine：异步单线程处理状态转换
Async Active State Machine：异步多线程处理状态转换

其中active的是线程安安全的。另外，它还支持状态、事件的持久化，拓展性强。用法差不多，只是配置的关键字上面有一点区别，大家可以自行翻文档。

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