47

これは、C++でコーディングされるインタビューの質問でした。

自動販売機のコードを書く：1つのタイプのアイテムを販売するだけの単純なものから始めます。したがって、2つの状態変数：お金と在庫があります。

私の答え：

約3〜4の状態を持つステートマシンを使用します。列挙型変数を使用して状態を示し、switch caseステートメントを使用します。各caseには、各状態に対応して実行する操作があり、ループ内にとどまって1つの状態から別の状態に移動します。

次の質問：

ただし、switch caseステートメントを使用しても、追加される状態が増えたり、状態内の既存の操作が変更されたりする場合は、「適切にスケーリング」されません。その問題にどのように対処しますか？

当時、私はこの質問に答えることができませんでした。しかし、後で考えたとき、私はおそらく次のことができます：

  • 状態ごとに異なる機能があります（状態に対応する各機能）
  • from（string、function）がstd::mapあります。ここで、stringは、対応する状態関数を呼び出す状態を示します。
  • main関数には文字列変数（初期状態で開始）があり、ループ内でその変数に対応する関数を呼び出します。各関数は必要な操作を実行し、新しい状態をメイン関数に戻します。

私の質問は次のとおりです。

  • 大規模なソフトウェアシステムのコンテキストでのスケーラビリティに関するswitch-caseステートメントの問題は何ですか？
  • もしそうなら、私の解決策（現在、長い線形コードを持つよりも少しモジュール化されていると感じています）は問題を解決するつもりですか？

インタビューの質問は、大規模なソフトウェアシステムのC++イディオムとデザインパターンからの回答を期待しています。

4

6 に答える 6

64

私はState Pattern：を使用して、よりOOのアプローチで考えていました。

この機械：

// machine.h
#pragma once

#include "MachineStates.h"

class AbstractState;

class Machine {
  friend class AbstractState;

public:
  Machine(unsigned int _stock);
  void sell(unsigned int quantity);
  void refill(unsigned int quantity);
  unsigned int getStock();
  ~Machine();

private:
  unsigned int stock;
  AbstractState *state;
};


// --------

// machine.cpp
#include "Machine.h"
#include "MachineStates.h"

Machine::Machine(unsigned int _stock) {
  stock = _stock;
  state = _stock > 0 ? static_cast<AbstractState *>(new Normal())
                    : static_cast<AbstractState *>(new SoldOut());
}

Machine::~Machine() { delete state; }

void Machine::sell(unsigned int quantity) { state->sell(*this, quantity); }

void Machine::refill(unsigned int quantity) { state->refill(*this, quantity); }

unsigned int Machine::getStock() { return stock; }

状態：

// MachineStates.h
#pragma once

#include "Machine.h"
#include <exception>
#include <stdexcept>

class Machine;

class AbstractState {
public:
  virtual void sell(Machine &machine, unsigned int quantity) = 0;
  virtual void refill(Machine &machine, unsigned int quantity) = 0;
  virtual ~AbstractState();

protected:
  void setState(Machine &machine, AbstractState *st);
  void updateStock(Machine &machine, unsigned int quantity);
};

class Normal : public AbstractState {
public:
  virtual void sell(Machine &machine, unsigned int quantity);
  virtual void refill(Machine &machine, unsigned int quantity);
  virtual ~Normal();
};

class SoldOut : public AbstractState {
public:
  virtual void sell(Machine &machine, unsigned int quantity);
  virtual void refill(Machine &machine, unsigned int quantity);
  virtual ~SoldOut();
};

// --------

// MachineStates.cpp
#include "MachineStates.h"

AbstractState::~AbstractState() {}

void AbstractState::setState(Machine &machine, AbstractState *state) {
  AbstractState *aux = machine.state;
  machine.state = state;
  delete aux;
}

void AbstractState::updateStock(Machine &machine, unsigned int quantity) {
  machine.stock = quantity;
}

Normal::~Normal() {}

void Normal::sell(Machine &machine, unsigned int quantity) {
  unsigned int currStock = machine.getStock();
  if (currStock < quantity) {
    throw std::runtime_error("Not enough stock");
  }

  updateStock(machine, currStock - quantity);

  if (machine.getStock() == 0) {
    setState(machine, new SoldOut());
  }
}

void Normal::refill(Machine &machine, unsigned int quantity) {
  int currStock = machine.getStock();
  updateStock(machine, currStock + quantity);
}

SoldOut::~SoldOut() {}

void SoldOut::sell(Machine &machine, unsigned int quantity) {
  throw std::runtime_error("Sold out!");
}

void SoldOut::refill(Machine &machine, unsigned int quantity) {
  updateStock(machine, quantity);
  setState(machine, new Normal());
}

私はC++でのプログラミングには慣れていませんが、このコードは明らかにGCC 4.8.2 clang @に対してコンパイルされ11.0.0、Valgrindはリークを示さないので、問題ないと思います。私はお金を計算していませんが、あなたにアイデアを示すためにこれは必要ありません。

それをテストするには：

// main.cpp
#include "Machine.h"
#include "MachineStates.h"
#include <iostream>
#include <stdexcept>

int main() {
  Machine m(10), m2(0);

  m.sell(10);
  std::cout << "m: "
            << "Sold 10 items" << std::endl;

  try {
    m.sell(1);
  } catch (std::exception &e) {
    std::cerr << "m: " << e.what() << std::endl;
  }

  m.refill(20);
  std::cout << "m: "
            << "Refilled 20 items" << std::endl;

  m.sell(10);
  std::cout << "m: "
            << "Sold 10 items" << std::endl;
  std::cout << "m: "
            << "Remaining " << m.getStock() << " items" << std::endl;

  m.sell(5);
  std::cout << "m: "
            << "Sold 5 items" << std::endl;
  std::cout << "m: "
            << "Remaining " << m.getStock() << " items" << std::endl;

  try {
    m.sell(10);
  } catch (std::exception &e) {
    std::cerr << "m: " << e.what() << std::endl;
  }

  try {
    m2.sell(1);
  } catch (std::exception &e) {
    std::cerr << "m2: " << e.what() << std::endl;
  }

  return 0;
}

少しMakefile：

CC = clang++
CFLAGS = -g -Wall -std=c++17

main: main.o Machine.o MachineStates.o
    $(CC) $(CFLAGS) -o main main.o Machine.o MachineStates.o

main.o: main.cpp Machine.h MachineStates.h
    $(CC) $(CFLAGS) -c main.cpp

Machine.o: Machine.h MachineStates.h

MachineStates.o: Machine.h MachineStates.h

clean:
    $(RM) main

次に、以下を実行します。

make main
./main

出力は次のとおりです。

m: Sold 10 items
m: Sold out!
m: Refilled 20 items
m: Sold 10 items
m: Remaining 10 items
m: Sold 5 items
m: Remaining 5 items
m: Not enough stock
m2: Not enough stock

ここで、状態を追加する場合Broken、必要なのは別のAbstractState子だけです。

diff --git a/Machine.cpp b/Machine.cpp
index 935d654..6c1f421 100644
--- a/Machine.cpp
+++ b/Machine.cpp
@@ -13,4 +13,8 @@ void Machine::sell(unsigned int quantity) { state->sell(*this, quantity); }
 
 void Machine::refill(unsigned int quantity) { state->refill(*this, quantity); }
 
+void Machine::damage() { state->damage(*this); }
+
+void Machine::fix() { state->fix(*this); }
+
 unsigned int Machine::getStock() { return stock; }
diff --git a/Machine.h b/Machine.h
index aa983d0..706dde2 100644
--- a/Machine.h
+++ b/Machine.h
@@ -12,6 +12,8 @@ public:
   Machine(unsigned int _stock);
   void sell(unsigned int quantity);
   void refill(unsigned int quantity);
+  void damage();
+  void fix();
   unsigned int getStock();
   ~Machine();
 
diff --git a/MachineStates.cpp b/MachineStates.cpp
index 9656783..d35a53d 100644
--- a/MachineStates.cpp
+++ b/MachineStates.cpp
@@ -13,6 +13,16 @@ void AbstractState::updateStock(Machine &machine, unsigned int quantity) {
   machine.stock = quantity;
 }
 
+void AbstractState::damage(Machine &machine) {
+  setState(machine, new Broken());
+};
+
+void AbstractState::fix(Machine &machine) {
+  setState(machine, machine.stock > 0
+                        ? static_cast<AbstractState *>(new Normal())
+                        : static_cast<AbstractState *>(new SoldOut()));
+};
+
 Normal::~Normal() {}
 
 void Normal::sell(Machine &machine, unsigned int quantity) {
@@ -33,6 +43,10 @@ void Normal::refill(Machine &machine, unsigned int quantity) {
   updateStock(machine, currStock + quantity);
 }
 
+void Normal::fix(Machine &machine) {
+  throw std::runtime_error("If it ain't broke, don't fix it!");
+};
+
 SoldOut::~SoldOut() {}
 
 void SoldOut::sell(Machine &machine, unsigned int quantity) {
@@ -43,3 +57,17 @@ void SoldOut::refill(Machine &machine, unsigned int quantity) {
   updateStock(machine, quantity);
   setState(machine, new Normal());
 }
+
+void SoldOut::fix(Machine &machine) {
+  throw std::runtime_error("If it ain't broke, don't fix it!");
+};
+
+Broken::~Broken() {}
+
+void Broken::sell(Machine &machine, unsigned int quantity) {
+  throw std::runtime_error("Machine is broken! Fix it before sell");
+}
+
+void Broken::refill(Machine &machine, unsigned int quantity) {
+  throw std::runtime_error("Machine is broken! Fix it before refill");
+}
diff --git a/MachineStates.h b/MachineStates.h
index b117d3c..3921d35 100644
--- a/MachineStates.h
+++ b/MachineStates.h
@@ -11,6 +11,8 @@ class AbstractState {
 public:
   virtual void sell(Machine &machine, unsigned int quantity) = 0;
   virtual void refill(Machine &machine, unsigned int quantity) = 0;
+  virtual void damage(Machine &machine);
+  virtual void fix(Machine &machine);
   virtual ~AbstractState();
 
 protected:
@@ -22,6 +24,7 @@ class Normal : public AbstractState {
 public:
   virtual void sell(Machine &machine, unsigned int quantity);
   virtual void refill(Machine &machine, unsigned int quantity);
+  virtual void fix(Machine &machine);
   virtual ~Normal();
 };
 
@@ -29,5 +32,13 @@ class SoldOut : public AbstractState {
 public:
   virtual void sell(Machine &machine, unsigned int quantity);
   virtual void refill(Machine &machine, unsigned int quantity);
+  virtual void fix(Machine &machine);
   virtual ~SoldOut();
 };
+
+class Broken : public AbstractState {
+public:
+  virtual void sell(Machine &machine, unsigned int quantity);
+  virtual void refill(Machine &machine, unsigned int quantity);
+  virtual ~Broken();
+};
diff --git a/main b/main
index 26915c2..de2c3e5 100755
Binary files a/main and b/main differ
diff --git a/main.cpp b/main.cpp
index 8c57fed..82ea0bf 100644
--- a/main.cpp
+++ b/main.cpp
@@ -39,11 +39,34 @@ int main() {
     std::cerr << "m: " << e.what() << std::endl;
   }
 
+  m.damage();
+  std::cout << "m: "
+            << "Machine is broken" << std::endl;
+  m.fix();
+  std::cout << "m: "
+            << "Fixed! In stock: " << m.getStock() << " items" << std::endl;
+
   try {
     m2.sell(1);
   } catch (std::exception &e) {
     std::cerr << "m2: " << e.what() << std::endl;
   }
 
+  try {
+    m2.fix();
+  } catch (std::exception &e) {
+    std::cerr << "m2: " << e.what() << std::endl;
+  }
+
+  m2.damage();
+  std::cout << "m2: "
+            << "Machine is broken" << std::endl;
+
+  try {
+    m2.refill(10);
+  } catch (std::exception &e) {
+    std::cerr << "m2: " << e.what() << std::endl;
+  }
+
   return 0;
 }

さらに商品を追加するには、商品のマップとそれぞれの在庫数などが必要です...

最終的なコードは、このリポジトリにあります。

于 2013-11-11T00:13:55.923 に答える
29

switchステートメントの代わりにテーブルを使用することを検討してください。1つの列が遷移基準であり、別の列が宛先状態である可能性があります。

テーブル処理関数を変更する必要がないため、これは適切にスケーリングされます。テーブルに別の行を追加するだけです。

+------------------+---------------------+---------------+
| Current state ID | transition criteria | Next state ID |
+------------------+---------------------+---------------+
|                  |                     |               |
+------------------+---------------------+---------------+

仕事中の私のコードでは、「次の状態ID」ではなく、関数ポインターの列を使用しています。このテーブルは、アクセサ関数が定義された別のファイルです。各関数ポインタを解決するための1つ以上のincludeステートメントがあります。

編集1：個別のテーブルファイルの例。

table.h

#ifndef TABLE_H
#define TABLE_H

struct Table_Entry
{
    unsigned int  current_state_id;
    unsigned char transition_letter;
    unsigned int  next_state_id;
};

Table_Entry const *    table_begin(void);
Table_Entry const *    table_end(void);

#endif // TABLE_H

table.cpp： 

#include "table.h"

static const Table_Entry    my_table[] =
{
    //  Current   Transition     Next
    //  State ID    Letter     State ID
    {    0,          'A',        1}, // From 0 goto 1 if letter is 'A'.
    {    0,          'B',        2}, // From 0 goto 2 if letter is 'B'.
    {    0,          'C',        3}, // From 0 goto 3 if letter is 'C'.
    {    1,          'A',        1}, // From 1 goto 1 if letter is 'A'.
    {    1,          'B',        3}, // From 1 goto 3 if letter is 'B'.
    {    1,          'C',        0}, // From 1 goto 0 if letter is 'C'.
};

static const unsigned int  TABLE_SIZE =  
    sizeof(my_table) / sizeof(my_table[0]);


Table_Entry const *
table_begin(void)
{
    return &my_table[0];
}


Table_Entry const *
table_end(void)
{
    return &my_table[TABLE_SIZE];
}

state_machine.cpp

#include "table.h"
#include <iostream>

using namespace std;  // Because I'm lazy.

void
Execute_State_Machine(void)
{
    unsigned int current_state = 0;
    while (1)
    {
        char transition_letter;
        cout << "Current state: " << current_state << "\n";
        cout << "Enter transition letter: ";
        cin >> transition_letter;
        cin.ignore(1000, '\n'); /* Eat up the '\n' still in the input stream */
        Table_Entry const *  p_entry = table_begin();
        Table_Entry const * const  p_table_end =  table_end();
        bool state_found = false;
        while ((!state_found) && (p_entry != p_table_end))
        {
            if (p_entry->current_state_id == current_state)
            {
                if (p_entry->transition_letter == transition_letter)
                {
                    cout << "State found, transitioning"
                         << " from state " << current_state
                         << ", to state " << p_entry->next_state_id
                         << "\n";
                    current_state = p_entry->next_state_id;
                    state_found = true;
                    break;
                }
             }
             ++p_entry;
         }
         if (!state_found)
         {
             cerr << "Transition letter not found, current state not changed.\n";
         }
    }
}
于 2013-02-03T20:08:17.397 に答える
8

私はかつてC++でステートマシンを作成しましたが、多くのステートペア（ソース→ターゲットペア）に対して同じ遷移が必要でした。例を説明したいと思います。

4 -> 8   \
5 -> 9    \_ action1()
6 -> 10   /
7 -> 11  /

8 -> 4   \
9 -> 5    \_ action2()
10 -> 6   /
11 -> 7  /

私が思いついたのは、一連の（遷移基準+次の状態+呼び出される「アクション」関数）でした。一般的なことを維持するために、遷移基準と次の状態の両方がファンクター（ラムダ関数）として記述されています。

typedef std::function<bool(int)> TransitionCriteria;
typedef std::function<int(int)>  TransitionNewState;
typedef std::function<void(int)> TransitionAction;   // gets passed the old state

上記の例のように、多くの異なる状態に適用される遷移がたくさんある場合、このソリューションは便利です。ただし、この方法では、「ステップ」ごとに、すべての異なる遷移のリストを線形にスキャンする必要があります。

上記の例では、そのような遷移が2つあります。

struct Transition {
    TransitionCriteria criteria;
    TransitionNewState newState;
    TransitionAction action;

    Transition(TransitionCriteria c, TransitionNewState n, TransitionAction a)
        : criteria(c), newState(n), action(a) {}
};
std::vector<Transition> transitions;

transitions.push_back(Transition(
    [](int oldState){ return oldState >= 4 && oldState < 8; },
    [](int oldState){ return oldState + 4; },
    [](int oldState){ std::cout << "action1" << std::endl; }
));
transitions.push_back(Transition(
    [](int oldState){ return oldState >= 8 && oldState < 12; },
    [](int oldState){ return oldState - 4; },
    [](int oldState){ std::cout << "action2" << std::endl; }
));
于 2013-02-03T20:22:28.687 に答える
6

それがインタビューを通してあなたを導いたかどうかはわかりませんが、特にそれがプロの設定である場合、私は個人的にステートマシンを手でコーディングすることを控えます。ステートマシンは十分に研究された問題であり、手作業で作成するものよりも優れたコードを生成することが多い、十分にテストされたオープンソースツールが存在します。また、ステートマシンの問題を診断するのにも役立ちます。状態図を自動的に生成できる。

この種の問題に対する私のgotoツールは次のとおりです。

于 2013-02-03T20:20:48.253 に答える
2 
#include <stdio.h>
#include <iostream>

using namespace std;
class State;

enum state{ON=0,OFF};
class Switch {
    private:
        State* offState;
        State* onState;
        State* currState;
    public:
        ~Switch();
        Switch();
        void SetState(int st);
        void on();
        void off();
};
class State{
    public:
        State(){}
        virtual void on(Switch* op){}
        virtual void off(Switch* op){} 
};
class OnState : public State{
    public:
    OnState(){
        cout << "OnState State Initialized" << endl;
    }
    void on(Switch* op);
    void off(Switch* op);
};
class OffState : public State{
    public:
    OffState(){
        cout << "OffState State Initialized" << endl;
    }
    void on(Switch* op);
    void off(Switch* op);
};
Switch::Switch(){
    offState = new OffState();
    onState = new OnState();
    currState=offState;
}
Switch::~Switch(){
    if(offState != NULL)
        delete offState;
    if(onState != NULL)
        delete onState;
}
void Switch::SetState(int newState){
    if(newState == ON)
    {
        currState = onState;
    }
    else if(newState == OFF)
    {
        currState = offState;
    }
}
void Switch::on(){
    currState->on(this);
}
void Switch::off(){
    currState->off(this);
}
void OffState::on(Switch* op){
    cout << "State transition from OFF to ON" << endl;
    op->SetState(ON);
}
void OffState::off(Switch* op){
    cout << "Already in OFF state" << endl;
}
void OnState::on(Switch* op){
    cout << "Already in ON state" << endl;
}
void OnState::off(Switch* op){
    cout << "State transition from ON to OFF" << endl;
    op->SetState(OFF);
}
int main(){
    Switch* swObj = new Switch();
    int ch;
    do{
        switch(ch){
            case 1:     swObj->on();
                    break;
            case 0:     swObj->off();
                    break;
            default :   cout << "Invalid choice"<<endl;
                    break;
        }
        cout << "Enter 0/1: ";
        cin >> ch;  
    }while(true);`enter code here`
    delete swObj;
    return 0;
}
于 2015-05-28T09:31:43.657 に答える
2

これらのメソッドを使用して、ステートマシンをたくさん作成しました。しかし、Nexus 7000用のシスコのトランシーバライブラリ（117,000ドルのスイッチ）を作成したときは、80年代に発明した方法を使用しました。それは、ステートマシンをマルチタスクブロッキングコードのように見せかけるマクロを使用することでした。マクロはC用に作成されていますが、DELLで作業したときに、C++用に少し変更を加えて使用しました。詳細については、https ：//www.codeproject.com/Articles/37037/Macros-to-simulate-multi-tasking-blocking-code-atをご覧ください。

于 2017-08-30T23:03:26.243 に答える