站在华为上汽面试官的角度去想问题-ATM状态机又撒了壹万亿

引言

记得年轻的时候去面试一家大厂的嵌入式软件工程师的职位，面试官让很多候选人三人一组讨论去设计一款ATM机，当时我们那组讨论的热火朝天，什么把Linux操作系统内核移植过来，加入互锁机制确保取钱的安全性，什么多线程加快速度等等天马行空的方案。最终默默地在等待Offer，就一直默默而无下文了。现在站在大厂的角度想一想，可能是通过一些试题想考察你对一个项目的软件思维能力。啥叫软件思维能力。就是从软件的角度去解读需求。别囫囵吞枣，大而空地泛泛之谈。你能想得越细，设计的代码覆盖的case越多，设计的代码简单且RAM,ROM越节省，执行效率越高，这才是去做嵌入式软件工程师的正确解法。我们从状态机的角度去分析一下解题步骤：

• 全面详尽的弄清楚客户的需求，分解成相应的功能或多个子功能需求
• 弄清楚这些功能中的状态，并确定状态的转移条件（及状态的进入和退出条件或事件），设计出系统的状态骨架
• 测试每个转移的有效性
• 针对每个状态，结合功能需求细化状态中需要做哪些事情
• 集成进行系统的集成测试

ATM状态机

当您设计ATM 的功能时，设想一下你是小明。小明走到ATM机面前，一系列的事件（事件是指在某个时刻发生的事情 ）发生了，插入卡片（Card_Insert_Event），输入密码（Pin_Enter_Even），选择办理事项(Option_Selection_Event：取钱/存钱/查询余额），输入数额（Amount_Enter_Event）并按确认，ATM吐出所需钱财（Amount_Dispatch_Event）。如下图为从ATM取钱的一个状态机模型， 描述了ATM状态及转移条件。

状态作为系统的一种特定阶段的状态，则会持续一段时间，直到特定的触发事件导致状态的转移的特定点为止。例如夜深人静的时候ATM大概率处于空闲状态。过节的时候（是蛮多和女生相关的且需要花钱的节日的），你走到ATM插入卡片后的那个时间点，ATM从空闲状态切换到了检测到卡片插入状态。

对事件发生所执行的事件处理是当前状态和输入事件的一个函数。此处的名字叫做EventHandle， 还可叫做Action（有三类：entry，during，exit）。其可存在转移的分支上，或者是位于状态的进入或退出动作或during标签中，如下图所示。

• entry: 当进入一个状态的时候执行该标签下的action，该action在状态中其它任何action之前执行。
• during: 当状态处于激活时执行during 标签下的action ， during活动在进入活动之后执行，并且—直运行到它本身完成为止（同步执行的动作）。
• exit: 当离开—个状态的时候触发执行该标签下的action，该活动在该状态结束之前并且所有其它action都完成后触发执行。

一般状态之间的转换不仅依赖于Event的发生，还需要[Condition Expression]这个门控条件成立，才能发生转移。如下图中的转移的方式：转移条件分别为Condition和Event。

状态机实现方式

如果你用C语言建模的话，一般推荐下面两种方式

• 实现方式1：switch-case结构。
  实现方式简单，Case变多的时候不易维护，并且圈复杂度较高。

#include <stdio.h>
//Different state of ATM machine
typedef enum
{
    Idle_State,
    Card_Inserted_State,
    Pin_Eentered_State,
    Option_Selected_State,
    Amount_Entered_State,
} eSystemState;
//Different type events
typedef enum
{
    Card_Insert_Event,
    Pin_Enter_Event,
    Option_Selection_Event,
    Amount_Enter_Event,
    Amount_Dispatch_Event
} eSystemEvent;
//Prototype of eventhandlers
eSystemState AmountDispatchHandler(void)
{
    return Idle_State;
}
eSystemState EnterAmountHandler(void)
{
    return Amount_Entered_State;
}
eSystemState OptionSelectionHandler(void)
{
    return Option_Selected_State;
}
eSystemState EnterPinHandler(void)
{
    return Pin_Eentered_State;
}
eSystemState InsertCardHandler(void)
{
    return Card_Inserted_State;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    eSystemState eNextState = Idle_State;
    eSystemEvent eNewEvent;
    while(1)
    {
        //Read system Events
        eSystemEvent eNewEvent = ReadEvent();
        switch(eNextState)
        {
        case Idle_State:
        {
            if(Card_Insert_Event == eNewEvent)
            {
                eNextState = InsertCardHandler();
            }
        }
        break;
        case Card_Inserted_State:
        {
            if(Pin_Enter_Event == eNewEvent)
            {
                eNextState = EnterPinHandler();
            }
        }
        break;
        case Pin_Eentered_State:
        {
            if(Option_Selection_Event == eNewEvent)
            {
                eNextState = OptionSelectionHandler();
            }
        }
        break;
        case Option_Selected_State:
        {
            if(Amount_Enter_Event == eNewEvent)
            {
                eNextState = EnterAmountHandler();
            }
        }
        break;
        case Amount_Entered_State:
        {
            if(Amount_Dispatch_Event == eNewEvent)
            {
                eNextState = AmountDispatchHandler();
            }
        }
        break;
        default:
            break;
        }
    }
    return 0;
}

• 实现方式2：查表方式
  易于维护，可以方便你增加新的状态或事件。减少代码的长度，通过函数指针和事件及状态进行绑定，非要说个缺点就是使用了指针，在汽车Misra C标准中不太推荐使用指针。

#include <stdio.h>
//Different state of ATM machine
typedef enum
{
    Idle_State,
    Card_Inserted_State,
    Pin_Eentered_State,
    Option_Selected_State,
    Amount_Entered_State,
    last_State
} eSystemState;
//Different type events
typedef enum
{
    Card_Insert_Event,
    Pin_Enter_Event,
    Option_Selection_Event,
    Amount_Enter_Event,
    Amount_Dispatch_Event,
    last_Event
} eSystemEvent;
//typedef of function pointer
typedef eSystemState (*pfEventHandler)(void);
//structure of state and event with event handler
typedef struct
{
    eSystemState eStateMachine;
    eSystemEvent eStateMachineEvent;
    pfEventHandler pfStateMachineEvnentHandler;
} sStateMachine;
//function call to dispatch the amount and return the ideal state
eSystemState AmountDispatchHandler(void)
{
    return Idle_State;
}
//function call to Enter amount and return amount entered state
eSystemState EnterAmountHandler(void)
{
    return Amount_Entered_State;
}
//function call to option select and return the option selected state
eSystemState OptionSelectionHandler(void)
{
    return Option_Selected_State;
}
//function call to enter the pin and return pin entered state
eSystemState EnterPinHandler(void)
{
    return Pin_Eentered_State;
}
//function call to processing track data and return card inserted state
eSystemState InsertCardHandler(void)
{
    return Card_Inserted_State;
}
//Initialize array of structure with states and event with proper handler
sStateMachine asStateMachine [] =
{
    {Idle_State,Card_Insert_Event,InsertCardHandler},
    {Card_Inserted_State,Pin_Enter_Event,EnterPinHandler},
    {Pin_Eentered_State,Option_Selection_Event,OptionSelectionHandler},
    {Option_Selected_State,Amount_Enter_Event,EnterAmountHandler},
    {Amount_Entered_State,Amount_Dispatch_Event,AmountDispatchHandler}
};
//main function
int main(int argc, char *argv[])
{
    eSystemState eNextState = Idle_State;
    while(1)
    {
        //Api read the event
        eSystemEvent eNewEvent = read_event();
        if((eNextState < last_State) && (eNewEvent < last_Event)&& (asStateMachine[eNextState].eStateMachineEvent == eNewEvent) && (asStateMachine[eNextState].pfStateMachineEvnentHandler != NULL))
        {
            // function call as per the state and event and return the next state of the finite state machine
            eNextState = (*asStateMachine[eNextState].pfStateMachineEvnentHandler)();
        }
        else
        {
            //Invalid
        }
    }
    return 0;
}