Quantum Hierarchical State Machine (量子层级状态机）
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Quantum Hierarchical State Machine (量子层级状态机）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
前言：一直想把这种好的代码应用与实际项目中，尤其是像状态机这种，这样，在多线程控制方面能够减小调试时间。
印象中，状态机类似这样：
switch(item):
{
case A:
break;
case B:
break;
default:
break;
}
最好能找到一种通用的格式就好，顺便完成常用的Pause和Continue功能（自己写的时候，这部分是挺麻烦的）。
下面只是对qf4net中的实例代码的解读，可能有不对的地方，请指正。
Samek量子层级状态机
源代码(qf4net)是用C/C++写的，主要用于嵌入式系统，没有C#版本的，不利于使用。
不同于使用固定大小的数组，新的方法采用数组列表的方式，可以适用于任意复杂度，和深度的层级状态机。
完整翻译文章挺困难的，我还是比较喜欢应用的角度来解读代码，并用于实际工作中。只是一个梳理的过程，随着自己理解的程度，对代码的理解又是不一定对。
问题描述（以下描述来自百度百科）
有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐，哲学家们共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和五支筷子，平时哲学家进行思考，饥饿时便试图取其左、右最靠近他的筷子，只有在他拿到两支筷子时才能进餐，该哲学家进餐完毕后，放下左右两只筷子又继续思考。
哲学家进餐问题是一大类并发控制问题的典型例子，涉及信号量机制、管程机制以及死锁等操作系统中关键问题的应用。
约束条件
(1)只有拿到两只筷子时，哲学家才能吃饭。
(2)如果筷子已被别人拿走，则必须等别人吃完之后才能拿到筷子。
(3)任一哲学家在自己未拿到两只筷子吃完饭前，不会放下手中已经拿到的筷子。
信号量机制
筷子是临界资源，一段时间只允许一位哲学家使用。为了表示互斥，用一个信号量表示一只筷子，五个信号量构成信号量数组。
思考；
当哲学家饥饿时，总是先去拿他左边的筷子，执行wait(chopstick[I])，成功后，再去拿他右边的筷子，执行wait(chopstick[I+1]%5)；成功后便可进餐。进餐毕，先放下他左边的筷子，然后再放下右边的筷子。当五个哲学家同时去取他左边的筷子，每人拿到一只筷子且不释放，即五个哲学家只得无限等待下去，引起死锁。
管程机制
在用信号量机制解决同步问题时，往往比较繁琐，采用面向对象的思想，将资源及资源的共享操作封装起来，用管程来管理，实现哲学家进餐问题，使用起来更加方便。
代码解读
问题的描述可以简化为下图：
使用qf4net库文件在C#下实现。
首先标识所有可能使用到的信号：
1 public enum DPPSignal : int 2 { 3 Hungry = QSignals.UserSig, // Sent by philosopher when becoming hungry 4 Done, // Sent by philosopher when done eating 5 Eat, // Sent by table to let philosopher eat 6 Timeout, // Timeout to end thinking or eating 7 MaxSignal // Keep this signal always last 8 };
其中Hungry，Done，Timeout是由哲学家自己发出的,Eat才是桌子发出的。需保证UserSig为用户自定义的第一个信号，MaxSignal为用户自定义的最后一个信号。
同时我们看到QSignals的原始定义：
1 public enum QSignals : int 2 { 3 /// <summary> 4 /// Signal that is used to retrieve the super state (must not be used externally). 5 /// </summary> 6 Empty, 7 /// <summary> 8 /// 9 /// </summary> 10 Init, 11 /// <summary> 12 /// 13 /// </summary> 14 Entry, 15 /// <summary> 16 /// 17 /// </summary> 18 Exit, 19 /// <summary> 20 /// Entry in the enumeration that marks the first slot that is available for custom signals. 21 /// </summary> 22 UserSig 23 };
看到QSignals的定义，发现DPPSignal有点类似继承的形式，因为信号为空（Empty），信号初始化（Init），进入（Entry），退出（Exit）基本上每个状态（State）都有的信号。
哲学家类：哲学家只有三种状态：思考，肚子饿，吃饭需要关注，因此，创建这三种状态的处理过程；同时，每个哲学家需要一个唯一的ID便于标识；提供计时器用于跟踪思考和吃饭的时间，由此，得到哲学家类的变量定义如：
1 //思考时间，类型为时间间隔 2 private readonly TimeSpan c_ThinkTime = new TimeSpan(0, 0, 7); // last parameter represents seconds 3 //吃饭时间 4 private readonly TimeSpan c_EatTime = new TimeSpan(0, 0, 5); // last parameter represents seconds 5 6 private QTimer m_Timer; 7 private int m_PhilosopherId; 8 9 //哲学家只有三种状态：思考，肚子饿，吃饭 10 private QState m_StateThinking; 11 private QState m_StateHungry; 12 private QState m_StateEating; 13 14 //带参数的构造函数 15 public Philosopher(int philosopherId) 16 { 17 m_PhilosopherId = philosopherId; 18 19 m_StateThinking = new QState(this.Thinking); 20 m_StateHungry = new QState(this.Hungry); 21 m_StateEating = new QState(this.Eating); 22 23 m_Timer = new QTimer(this); 24 }
实例化之前，需要重写如下函数。这只在类内部使用。系统内部可能有很多其它信号，但哲学家只关注是否可以吃饭这一个信号；同时，把哲学家的初始状态更改为思考的状态。
1 protected override void InitializeStateMachine() 2 { 3 Thread.CurrentThread.Name = this.ToString(); 4 LogMessage(String.Format("Initializing philosopher {0}.", m_PhilosopherId)); 5 //需要关注的外部信号是：可以吃饭了 6 QF.Instance.Subscribe(this, (int)DPPSignal.Eat); 7 InitializeState(m_StateThinking); // initial state=thinking 8 }
接下来看看Thinking状态函数：
Thinking：
Entry：给系统发布一个计时器，描述思考结束事件；
TImout：思考结束了，需要转换状态为肚子饿
Exit：退出Thinking状态
1 private static TransitionChain s_Tran_Thinking_Hungry; 2 private QState Thinking(IQEvent qEvent) 3 { 4 switch (qEvent.QSignal) 5 { 6 case (int)QSignals.Entry: 7 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} is thinking.", m_PhilosopherId)); 8 //进来后，思考一段时间，发布思考完了信号，只发送一次 9 m_Timer.FireIn(c_ThinkTime, new PhilosopherEvent(DPPSignal.Timeout)); 10 return null; 11 12 case (int)DPPSignal.Timeout: 13 //思考结束后，得转换状态为肚子饿了的状态 14 TransitionTo(m_StateHungry, ref s_Tran_Thinking_Hungry); 15 return null; 16 17 case (int)QSignals.Exit: 18 //退出时，记录信息，方便调试 19 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} is exiting thinking state.", m_PhilosopherId)); 20 return null; 21 } 22 return this.TopState; 23 }
肚子饿的状态函数也需要考虑以下几个信号：
Hungry:
Entry：给桌子发布事件，信息包括饿了信号及当前哲学家ID
Eat：需要转换状态到吃
Exit：推出Hungry状态
1 private static TransitionChain s_Tran_Hungry_Eating; 2 private QState Hungry(IQEvent qEvent) 3 { 4 switch (qEvent.QSignal) 5 { 6 case (int)QSignals.Entry: 7 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} is hungry.", m_PhilosopherId)); 8 //创建一个要吃饭的桌子事件，状态为肚子饿了，发呆哲学家的Id，申请对应的碗筷 9 TableEvent tableEvent = new TableEvent(DPPSignal.Hungry, m_PhilosopherId); 10 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} publishes Hungry event.", m_PhilosopherId)); 11 //发布一个要吃饭的事件 12 QF.Instance.Publish(tableEvent); 13 return null; 14 15 case (int)DPPSignal.Eat: 16 //等待桌子发送可以吃饭的信号 17 if (((TableEvent)qEvent).PhilosopherId == m_PhilosopherId) 18 { 19 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} receives eat signal.", m_PhilosopherId)); 20 //正常过度到可以吃饭的状态 21 TransitionTo(m_StateEating, ref s_Tran_Hungry_Eating); 22 } 23 return null; 24 25 case (int)QSignals.Exit: 26 //记录退出肚子饿了的状态 27 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} is exiting hungry state.", m_PhilosopherId)); 28 return null; 29 } 30 return this.TopState; 31 }
Eating的状态也是如此：
Eating：
Entry：发布·一个计时器，等待Timeout信号
TImeout：吃完了，需要转换信号到思考的状态
Exit：推出Eating状态，同时给桌子发布吃完了得信号。
1 private static TransitionChain s_Tran_Eating_Thinking; 2 private QState Eating(IQEvent qEvent) 3 { 4 switch (qEvent.QSignal) 5 { 6 case (int)QSignals.Entry: 7 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} is eating.", m_PhilosopherId)); 8 //吃饭中，结束后，发送一次吃饭结束信号 9 m_Timer.FireIn(c_EatTime, new PhilosopherEvent(DPPSignal.Timeout)); 10 return null; 11 12 case (int)DPPSignal.Timeout: 13 //吃饭结束后，转换状态到思考的状态 14 TransitionTo(m_StateThinking, ref s_Tran_Eating_Thinking); 15 return null; 16 17 case (int)QSignals.Exit: 18 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} is exiting eating state.", m_PhilosopherId)); 19 //创建桌子事件：信号状态为吃好了，发呆哲学家Id，可以释放碗筷 20 TableEvent tableEvent = new TableEvent(DPPSignal.Done, m_PhilosopherId); 21 LogMessage(String.Format("Philosopher {0} publishes Done event.", m_PhilosopherId)); 22 //发布上面的事件 23 QF.Instance.Publish(tableEvent); 24 return null; 25 } 26 return this.TopState; 27 }
为了简化问题，在哲学家得事件类中，作者只是打印输出当前状态字符串：
1 public override string ToString() 2 { 3 switch (this.QSignal) 4 { 5 case (int)DPPSignal.Done: 6 case (int)DPPSignal.Hungry: 7 case (int)DPPSignal.Timeout: 8 return ((DPPSignal)this.QSignal).ToString(); 9 default: return base.ToString(); 10 } 11 }
接下来考虑桌子类.
桌子只有一个状态Serving，它需要监控筷子和每个哲学家的状态（数组）。
1 //只有一种状态：提供服务 2 private QState m_StateServing; 3 private int m_NumberOfPhilosophers; 4 private bool[] m_ForkIsUsed; 5 private bool[] m_PhilosopherIsHungry; 6 7 public Table(int numberOfPhilosophers) 8 { 9 //创建哲学家，记录筷子被使用的个数及未被使用的个数（有人在挨饿） 10 m_NumberOfPhilosophers = numberOfPhilosophers; 11 m_ForkIsUsed = new bool[m_NumberOfPhilosophers]; 12 m_PhilosopherIsHungry = new bool[m_NumberOfPhilosophers]; 13 14 for (int i = 0; i < m_NumberOfPhilosophers; i++) 15 { 16 m_ForkIsUsed[i] = false; 17 m_PhilosopherIsHungry[i] = false; 18 } 19 //初始状态：可以服务了 20 m_StateServing = new QState(this.Serving); 21 }
桌子状态机初始化时需要注册这两个信号，就是来自哲学家的饿了和吃好了的信号。
1 protected override void InitializeStateMachine() 2 { 3 Thread.CurrentThread.Name = this.ToString(); 4 // Subscribe for the relevant events raised by philosophers 5 //桌子只关注外部的两种信号：有人肚子饿，有人吃好了 6 QF.Instance.Subscribe(this, (int)DPPSignal.Hungry); 7 QF.Instance.Subscribe(this, (int)DPPSignal.Done); 8 9 //起始状态：可以服务了 10 InitializeState(m_StateServing); // initial transition 11 }
Serving状态函数只提供对信号Hungry和Done的处理，没有像哲学家类那样处理Entry和Exit。
Serving：
Hungry：判断是否有空的筷子，如果有就吃，否则的话，标注哲学家的状态
Done：吃完饭就释放筷子，依次判断左右哲学家及筷子的状态，并且，以左优先。
1 private QState Serving(IQEvent qEvent) 2 { 3 int philosopherId; 4 5 switch (qEvent.QSignal) 6 { 7 case (int)DPPSignal.Hungry: 8 philosopherId = GetPhilosopherId(qEvent); 9 //确保哲学家的起始状态不是肚子饿的状态 10 Debug.Assert(!m_PhilosopherIsHungry[philosopherId], "Philosopher must not be already hungry"); 11 12 Console.WriteLine(String.Format("Philosopher {0} is hungry.", philosopherId)); 13 14 //是否有闲置的筷子 15 if (ForksFree(philosopherId)) 16 { 17 LetPhilosopherEat(philosopherId); 18 } 19 else 20 { 21 // The philosopher has to wait for free forks 22 m_PhilosopherIsHungry[philosopherId] = true; // mark philosopher as hungry 23 Console.WriteLine(String.Format("Philosopher {0} has to wait for forks.", philosopherId)); 24 } 25 return null; 26 27 case (int)DPPSignal.Done: 28 philosopherId = GetPhilosopherId(qEvent); 29 Console.WriteLine(String.Format("Philosopher {0} is done eating.", philosopherId)); 30 //更新标志位 31 m_PhilosopherIsHungry[philosopherId] = false; 32 33 // free up the philosopher‘s forks：释放使用中的筷子 34 FreeForks(philosopherId); 35 36 // Can the left philosopher eat?当前的筷子左边的邻居需要吗，需要的话就给他 37 int neighborPhilosopher = LeftIndex(philosopherId); 38 if (m_PhilosopherIsHungry[neighborPhilosopher] && ForksFree(neighborPhilosopher)) 39 { 40 LetPhilosopherEat(neighborPhilosopher); 41 // The left philosopher could eat; mark philosopher as no longer hungry 42 m_PhilosopherIsHungry[neighborPhilosopher] = false; 43 } 44 45 // Can the right philosopher eat?筷子如果左边没人要，那就表明ForksFree为真，那就给右边的人 46 neighborPhilosopher = RightIndex(philosopherId); 47 if (m_PhilosopherIsHungry[neighborPhilosopher] && ForksFree(neighborPhilosopher)) 48 { 49 LetPhilosopherEat(neighborPhilosopher); 50 // The right philosopher could eat; mark philosopher as no longer hungry 51 m_PhilosopherIsHungry[neighborPhilosopher] = false; 52 } 53 54 return null; 55 } 56 return this.TopState; 57 }
上面对几个函数的处理没有提供代码，可以参考原始代码。
对应简化版的TableEvent类，也只是打印当前状态信息并输出。
1 public override string ToString() 2 { 3 switch (this.QSignal) 4 { 5 case (int)DPPSignal.Hungry: 6 case (int)DPPSignal.Eat: 7 case (int)DPPSignal.Done: 8 return String.Format("Signal {0}; Philosopher {1}", ((DPPSignal)this.QSignal).ToString(), PhilosopherId); 9 default: return base.ToString(); 10 } 11 }
运行主程序：
1 [STAThread] 2 static void Main(string[] args) 3 { 4 QF.Instance.Initialize((int)DPPSignal.MaxSignal - 1); 5 6 //创建可以坐5个哲学家的桌子 7 IQActive table = new Table(c_NumberOfPhilosophers); 8 IQActive[] philosophers = new IQActive[c_NumberOfPhilosophers]; 9 10 for (int i = 0; i < c_NumberOfPhilosophers; i++) 11 { 12 philosophers[i] = new Philosopher(i); 13 } 14 15 Console.WriteLine(c_NumberOfPhilosophers + " philosophers gather around a table thinking ..."); 16 table.Start(c_NumberOfPhilosophers); 17 for (int i = 0; i < c_NumberOfPhilosophers; i++) 18 { 19 philosophers[i].Start(i); 20 } 21 }
得到打印输出部分结果如下：
以上是关于Quantum Hierarchical State Machine (量子层级状态机）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
系统聚类(hierarchical clustering analysis)
Managing Hierarchical Data in MySQL(邻接表模型）