C言語の関数ポインタで実装する状態遷移

2026-02-06

設計

状態遷移

はじめに

今までC言語で状態遷移を実装するときに、switch文を使った実装をしていました。しかし、switch文が点在して、追加実装漏れが発生する可能性があります。そこで今回は、関数ポインタを使った状態遷移を作成したので、共有します。

今回実装する状態遷移

今回は、以下のような状態遷移を実装します。

状態は以下の2つ
- 状態A
- 状態B
各状態に始めて遷移したときに、変数を初期化する
各状態でカウンターをインクリメントする

今回実装する状態遷移

switch文による状態遷移の実装

switch文での実装は次のようになります。

#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>

// 状態を定義
typedef enum {
  STATE_A,
  STATE_B,
  STATE_NUM,
} EState;

// 状態Aで使用する構造体
typedef struct {
  int count;
} StateAContext;

// 状態Bで使用する構造体
typedef struct {
  int count;
} StateBContext;

void state_a_on_enter(StateAContext* ctx) {
  printf("enter to stateA\n");
  ctx->count = 0;
}

EState state_a_do(StateAContext* ctx) {
  printf("stateA\n");
  ctx->count++;

  if (ctx->count >= 3) {
    return STATE_B;
  }

  return STATE_A;
}

void state_b_on_enter(StateBContext* ctx) {
  printf("enter to stateB\n");
  ctx->count = 0;
}

EState state_b_do(StateBContext* ctx) {
  printf("stateB\n");
  ctx->count++;

  if (ctx->count >= 2) {
    return STATE_A;
  }

  return STATE_B;
}

int main(void) {
  StateAContext ctx_a = {0};
  StateBContext ctx_b = {0};

  EState now = STATE_A;
  EState prev = STATE_NUM;
  const int count = 10;
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    if (prev != now) {
      switch (now) {
        case STATE_A:
          state_a_on_enter(&ctx_a);
          break;
        case STATE_B:
          state_b_on_enter(&ctx_b);
          break;
        default:
          break;
      }
    }

    prev = now;
    switch (now) {
      case STATE_A:
        now = state_a_do(&ctx_a);
        break;
      case STATE_B:
        now = state_b_do(&ctx_b);
        break;
      default:
        break;
    }
  }
}

関数ポインタによる状態遷移の実装

#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>

typedef enum {
  STATE_A,
  STATE_B,
  STATE_NUM,
} EState;

typedef struct {
  int count;
} StateAContext;

typedef struct {
  int count;
} StateBContext;

typedef union {
  StateAContext a;
  StateBContext b;
} Context;

void state_a_on_enter(Context* ctx) {
  printf("enter to stateA\n");
  ctx->a.count = 0;
}

EState state_a_do(Context* ctx) {
  printf("stateA\n");
  ctx->a.count++;

  if (ctx->a.count >= 3) {
    return STATE_B;
  } else {
    return STATE_A;
  }
}

void state_b_on_enter(Context* ctx) {
  printf("enter to stateB\n");
  ctx->b.count = 0;
}

EState state_b_do(Context* ctx) {
  printf("stateB\n");
  ctx->b.count++;

  if (ctx->b.count >= 2) {
    return STATE_A;
  } else {
    return STATE_B;
  }
}

typedef void (*on_enter_fn)(Context* ctx);
typedef EState (*do_fn)(Context* ctx);

typedef struct State {
  on_enter_fn on_enter;
  do_fn on_do;
} State;

int main(void) {
  const State states[STATE_NUM] = {
      [STATE_A] =
          {
              .on_enter = state_a_on_enter,
              .on_do = state_a_do,
          },
      [STATE_B] =
          {
              .on_enter = state_b_on_enter,
              .on_do = state_b_do,
          },
  };

  Context ctx = {0};

  EState now = STATE_A;
  EState prev = STATE_NUM;
  const int N = 10;
  for (int i = 0; i < N; i++) {
    if (prev != now) {
      states[now].on_enter(&ctx);
    }

    prev = now;
    now = states[now].on_do(&ctx);
  }
}

まとめ

C言語での状態遷移の実装パターン(switch文を使用した場合、関数ポインタを使用した場合)の紹介をしました。

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