深入理解Qt状态机的应用（一）

Qt的状态机框架提供了一种管理复杂系统状态的方法，它基于经典的有限状态机（FSM）理论。这种框架在开发涉及多种状态和状态之间需要明确转换的应用程序时特别有用，如用户界面交互、网络协议、游戏开发等场景。

什么是有限状态机？

有限状态机 （finite-state machine）又称有限状态自动机（finite-state automaton），简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学计算模型。这个概念在计算机科学、数学、语言学、工程以及其他研究领域都有广泛的应用。有限状态机非常适合用于描述那些通过一系列的输入来转移状态的系统。

状态机的组成

有限状态机由以下几个关键部分组成：

状态（States）：状态机包含有限个状态，这些状态是系统可能存在的不同情况或配置。
初始状态（Initial State）：系统开始执行时所处的状态。
输入（Input）：触发状态之间转换的外部事件或数据。
转换（Transitions）：从一个状态到另一个状态的路径，这些转换是基于输入触发的。
最终状态（Final or Accepting States） ：在自动机中，这些状态可能表示任务完成或接受状态，在某些状态机中这类状态用来指示已达到某种期望的终点。

应用示例

交通信号控制灯系统

交通信号控制灯系统是最简单的一个有限状态机之一。

组成说明

状态：

红灯：表示禁止通行
绿灯：表示可以通行
黄灯：表示即将禁止通行

初始状态：

红灯：一般来说，为了安全，信号灯系统在启动时设置为红灯状态

输入：

计时器超时：在信号灯系统中，输入是内部计时器的超时事件。例如，红灯持续30秒，绿灯持续45秒，黄灯持续3秒。

转换：

从红灯状态到绿灯状态：当红灯的计时器超时后
从绿灯状态到黄灯状态：当绿灯的计时器超时后
从黄灯状态到红灯状态：当黄灯的计时器超时后

最终状态：

在信号灯系统中，通常不设定最终状态，因为信号灯的工作是无限循环的，不断重复各状态。

简单在线购物流程系统

组成说明

状态：

浏览商品状态：用户在网站上浏览商品
选择商品状态：用户选择特定商品并添加到购物车
结算状态：用户查看购物车，选择结算
支付状态：用户输入支付信息并提交支付
订单确认：系统验证支付信息，并确认订单成功

初始状态：

浏览商品状态

输入：

点击商品加入购物车
点击结算按钮
点击提交支付
支付确认：支付平台处理支付并返回结果

转换：

从浏览商品 状态到选择商品状态：当用户添加商品到购物车
从选择商品 状态到结算状态：当用户点击结算按钮
从结算状态到支付状态：当用户点击支付按钮
从支付状态到订单确认状态：支付被处理并确认

最终状态：

订单确认状态：当订单被系统确认并且支付成功，这个状态通常被视为一个流程的最终状态。

实际应用场景中的流程要更复杂，最终状态可能还会随着退货等操作发生改变，这里就不细化了

Qt状态机框架

Qt状态机框架组成

QStateMachine：这是状态机的主体，管理所有的状态和转换
QState：这是状态对象，管理状态属性
QFinalState：一个特殊的状态，表示最终状态，在满足某条件时进入该状态，触发完成信号
QHistoryState：用于记录状态机的历史，当从一个嵌套状态返回时可以恢复到之前的状态
QAbstractTransition：转换的基类，派生了QSignalTransition和QEventTransition两个类，主要是维护状态转换逻辑

常用接口说明

QStateMachine

addState()

void addState(QAbstractState *state)

添加状态对象到状态机。

isRunning()

bool isRunning() const

获取状态机此时的运行状态。

start()

void start()

启动状态机。状态机将重置为初始状态。

stop()

void stop()

停止状态机。状态机将停止处理事件，然后发出stopped()信号。

QState

addTransition()

添加转换源，可以是基于事件（QEventTransition）的，也可以是基于信号（QSignalTransition）的。

assignProperty()

void assignProperty(QObject *object, const char *name, const QVariant &value)

当前状态下设置object对象的name属性值为value。

简单来说就是在进入该状态时，会触发各个object对象修改各种属性的属性值

比如信号灯：进入红灯状态时，需要把红灯对象的visible（是否可见）属性设为true，把绿灯和黄灯对象的visible属性设为false。

setInitialState()

void setInitialState(QAbstractState *state)

将状态机的初始状态设置为state，state必须是状态机的子状态。

应用示例

还是以上面提到的交通信号灯系统为例。

效果

这里缩短了每个灯的定时器，黄灯为300毫秒，绿灯为3000毫秒，红灯为4500毫秒。

源码

widget.h

css 复制代码

#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <QState>
#include <QStateMachine>
#include <QTimer>
#include <QWidget>

QT_BEGIN_NAMESPACE
namespace Ui {
class Widget;
}
QT_END_NAMESPACE

class Widget : public QWidget {
    Q_OBJECT

public:
    Widget(QWidget* parent = nullptr);
    ~Widget();

    void initTimer();
    void initStateMachine();

private:
    Ui::Widget* ui;

    QStateMachine* m_stateMachine;
    QTimer m_redTimer;
    QTimer m_yellowTimer;
    QTimer m_greenTimer;
};
#endif // WIDGET_H

widget.cpp

css 复制代码

#include "widget.h"
#include "./ui_widget.h"

Widget::Widget(QWidget* parent)
    : QWidget(parent)
    , ui(new Ui::Widget)
    , m_stateMachine(new QStateMachine(this))
{
    ui->setupUi(this);

    initTimer();
    initStateMachine();
}

Widget::~Widget()
{
    delete ui;
}

void Widget::initTimer()
{
    m_redTimer.setInterval(3000);
    m_redTimer.setSingleShot(true);
    m_yellowTimer.setInterval(300);
    m_yellowTimer.setSingleShot(true);
    m_greenTimer.setInterval(4500);
    m_greenTimer.setSingleShot(true);
}

void Widget::initStateMachine()
{
     创建状态
    QState* redState = new QState(m_stateMachine); // 红灯状态
    QState* yellowState = new QState(m_stateMachine); // 黄灯状态
    QState* greenState = new QState(m_stateMachine); // 绿灯状态

     初始化状态的属性
    // 红灯状态下，各个按钮显示的状态
    redState->assignProperty(ui->redBtn, "visible", true);
    redState->assignProperty(ui->yellowBtn, "visible", false);
    redState->assignProperty(ui->greenBtn, "visible", false);
    // 红灯状态下，各个按钮显示的状态
    yellowState->assignProperty(ui->redBtn, "visible", false);
    yellowState->assignProperty(ui->yellowBtn, "visible", true);
    yellowState->assignProperty(ui->greenBtn, "visible", false);
    // 红灯状态下，各个按钮显示的状态
    greenState->assignProperty(ui->redBtn, "visible", false);
    greenState->assignProperty(ui->yellowBtn, "visible", false);
    greenState->assignProperty(ui->greenBtn, "visible", true);

     初始化状态转换过程
    // 红灯在红灯计时器超时后转换为绿灯
    redState->addTransition(&m_redTimer, &QTimer::timeout, greenState);
    // 在进入绿灯状态后，要启动绿灯定时器
    connect(greenState, &QState::entered, [&]() { m_greenTimer.start(); });

    // 绿灯在绿灯计时器超时后转换为黄灯
    greenState->addTransition(&m_greenTimer, &QTimer::timeout, yellowState);
    // 在进入黄灯状态后，要启动黄灯定时器
    connect(yellowState, &QState::entered, [&]() { m_yellowTimer.start(); });

    // 黄灯在黄灯计时器超时后转化为红灯
    yellowState->addTransition(&m_yellowTimer, &QTimer::timeout, redState);
    // 在进入红灯状态后，要启动红灯定时器
    connect(redState, &QState::entered, [&]() { m_redTimer.start(); });

     初始化状态机
    // 设置状态机的初始状态
    m_stateMachine->setInitialState(redState);
    // 开启状态机
    m_stateMachine->start();
}

代码链接

LeoLei8060@github
LeoLei8060@gitee