我是一名C++后端开发人员，正在为机器人设计任务调度或行为管理模块，需要用状态机来组织系统逻辑。请从...

1. 状态机基础

概念	说明
状态 (State)	系统在某一时刻的条件组合，如 Idle、Moving。
事件 (Event)	触发状态迁移的外部或内部信号，如 ev_start、传感器中断。
迁移 (Transition)	一个“从状态 → 到状态”的有向边，可带 条件 (Guard) 与 动作 (Action)。
入口/出口动作	进入或退出某状态时自动执行的回调。
层次化/并行状态	UML Statechart 扩展，允许 状态嵌套 与 并行区域，大幅减少状态爆炸。

适用场景

• 机器人或嵌入式设备的行为编排与异常恢复
• 网络协议 / UI 流程控制
• 工作流、生产线或作业调度
• 任何以 事件驱动、离散且可枚举 阶段为主的系统

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2. C++ 中的典型实现途径

方法	优点	局限
手写 switch/if	零依赖、易调试	逻辑分散、层次化难、易出错
面向对象 State 模式	每个状态独立派生类，支持多态回调、热插拔	动态分配多、层次关系需手动维护
模板元编程表驱动<br>（如 Boost.MSM）	迁移表一目了然，编译期验证，速度极高 boost.org	编译时间长，语法繁琐
现代 header-only<br>（Boost.SML、HFSM2、tinyfsm）	C++14/17 表达式简洁，零运行时分配，支持嵌套/并行；HFSM2 还自带计划器 github.com hfsm.dev github.com	对编译器模板支持要求高
SCXML 运行时 / 生成器<br>(Qt SCXML)	用可视化 .scxml 描述，自动生成 C++ 代码；易与 UI/脚本集成 doc.qt.io	引入外部工具链；动态运行时稍慢

推荐：在性能敏感、层次复杂的机器人应用中，Boost.SML 或 HFSM2 兼顾 可读性 与 零开销，首选其中之一；资源极度受限可选 tinyfsm。

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3. 可扩展状态机框架设计要点

1. 清晰的数据模型

   cpp
   struct Event { enum Type {Start, Arrived, Error, Timeout} type; /* payload */ };

2. 声明式迁移表 —— 用宏或模板 DSL 一次性列出所有迁移；框架在编译期或初始化时完成校验。
3. 层次化支持 —— CompositeState 拥有子状态机；在进入父状态时自动 init() 子机。
4. 事件队列与异步派发 —— 支持外部线程或中断将事件安全投递到主循环。
5. 回调挂钩 —— on_entry、on_exit、on_transition 提供监控与日志埋点。
6. 扩展点 —— 以策略/traits 或接口方式插入：
   • 持久化（序列化当前状态）
   • 故障转移（Fallback 状态）
   • 可视化导出（生成 Graphviz 或 SCXML）
7. 测试友好 —— 用 mock 事件驱动状态机，断言当前状态与副作用。

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4. 工业机器人示例：Pick-and-Place 流程

业务流程：
Idle → MoveToPick → Pick → MoveToPlace → Place → Idle
其中 MoveToPick/MoveToPlace 又拆分为 Plan 与 Execute 两个子状态（嵌套）。

cpp
// g++ -std=c++17 robot_sm.cpp
#include <boost/sml.hpp>
#include <iostream>
namespace sml = boost::sml;

/* 事件定义 */
struct ev_start   {};
struct ev_arrived {};
struct ev_grasped {};
struct ev_placed  {};
struct ev_error   { std::string msg; };

/* 业务动作 */
auto plan      = []{ std::cout << "Planning path...\n"; };
auto execute   = []{ std::cout << "Executing motion...\n"; };
auto grip      = []{ std::cout << "Closing gripper...\n"; };
auto release   = []{ std::cout << "Opening gripper...\n"; };
auto log_error = [](const ev_error& e){ std::cerr << "Error: " << e.msg << '\n'; };

struct RobotSM {
  /* 嵌套子状态：Move = Plan -> Execute */
  auto MoveSub() const {
    using namespace sml;
    const auto plan_s    = state<class Plan>;
    const auto execute_s = state<class Execute>;

    return make_transition_table(
      *plan_s    / plan    = execute_s,
       execute_s + sml::on_entry<_> / execute,
       execute_s + sml::event<ev_arrived> = sml::X // 结束子机
    );
  }

  /* 顶层状态机 */
  auto operator()() const {
    using namespace sml;
    // 顶层状态
    const auto idle          = state<class Idle>;
    const auto move_to_pick  = state<MoveToPick>  .template submachine<RobotSM>().submachine(*this, &RobotSM::MoveSub);   // 嵌套
    const auto pick          = state<class Pick>;
    const auto move_to_place = state<MoveToPlace> .template submachine<RobotSM>().submachine(*this, &RobotSM::MoveSub);
    const auto place         = state<class Place>;
    const auto error         = state<class Error>;

    // 迁移表
    return make_transition_table(
      *idle          + event<ev_start>           = move_to_pick,

       move_to_pick  + event<ev_arrived>         = pick,

       pick          + event<ev_grasped> / grip  = move_to_place,

       move_to_place + event<ev_arrived>         = place,

       place         + event<ev_placed> / release = idle,

      // 错误链路（全局捕获）
      idle          + event<ev_error> / log_error = error,
      move_to_pick  + event<ev_error> / log_error = error,
      pick          + event<ev_error> / log_error = error,
      move_to_place + event<ev_error> / log_error = error,
      place         + event<ev_error> / log_error = error
    );
  }
};

int main() {
  sml::sm<RobotSM> sm;
  sm.process_event(ev_start{});
  sm.process_event(ev_arrived{});
  sm.process_event(ev_grasped{});
  sm.process_event(ev_arrived{});
  sm.process_event(ev_placed{});
}

要点

• submachine 示范了 状态嵌套；进入 MoveToPick 时自动运行其局部 Plan→Execute 子流程。
• 迁移动作与日志回调均写在“/”右侧，可集中查看副作用。
• ev_error 在每个主要状态统一转向 Error，易于扩展恢复策略。

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5. 常用 C++ 状态机库/资源

库	特点 / 适用场景
Boost.MSM	UML2 风格、编译期检查，超低运行时开销；复杂项目 UML 一致性高。boost.org
Boost.SML	C++14/17 header-only，语法更现代；编译更快，支持 constexpr。github.com boost-ext.github.io
HFSM2	层次化 + 计划队列，静态内存，适合实时机器人控制。hfsm.dev github.com
tinyfsm	极简 API、零 heap，适合 MCU / RTOS。github.com digint.ch
Qt SCXML	.scxml→C++ 代码生成，可与 Qt 界面/脚本深度整合。doc.qt.io

进一步阅读

• Boost.MSM 官方文档：https://www.boost.org/libs/msm
• Boost.SML 教程：https://boost-ext.github.io/sml/tutorial.html
• HFSM2 项目主页：https://hfsm.dev
• tinyfsm GitHub：https://github.com/digint/tinyfsm
• Qt SCXML 总览：https://doc.qt.io/qt-6/qtscxml-overview.html

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现在，你可以依据自身性能/集成需求，在上述库中做出选择，并按“设计要点”扩展专属框架。祝项目顺利！