状态机（有限状态机（Finite State Machine, FSM）、推进自动机（Pushdown Automata）、并发状态机、分层状态机）

文章目录

状态机（State Machine）
- 定义与组成
- - 定义
  - 组成
  - - 状态（States）
    - 事件（Events）
    - 转换（Transitions）
    - 初始状态（Initial State）
- 状态机的类型
- - 有限状态机（Finite State Machine, FSM）
  - 推进自动机（Pushdown Automata）
- 状态机的应用
- - 协议设计
  - 游戏开发
  - 硬件设计
  - 用户界面设计
  - 软件工程
- 如何实现一个状态机
- - 例子与代码展示
- 状态机的优缺点
- 疑难问题与解决方案
- - 如何处理并发状态？
  - 如何处理复杂的条件逻辑？
  - 如何优化状态机的存储空间？

状态机（State Machine）

状态机，也被称为有限状态机(Finite State Machine, FSM)，是一种用于模拟和表示系统行为的抽象计算模型。它由一组状态、一个初始状态、一组输入事件以及一组转换规则组成。系统可以在不同的状态之间进行转换，而每次转换都是由一个特定的事件触发。

定义与组成

定义

状态机是一个抽象概念，主要用来描述对象或系统的行为。在任何给定的时刻，状态机只能处于有限个状态中的一个。当某些条件满足或者某些事件发生时，状态机会从一个状态变为另一个状态，这种变化被称为状态转移。

组成

一个状态机主要由以下几部分构成：

状态（States）

描述了系统可能存在的所有情况。

事件（Events）

触发状态转换的动作或者条件。

转换（Transitions）

描述了系统从一个状态到另一个状态的变化过程。

初始状态（Initial State）

系统在开始时的状态。

状态机的类型

状态机主要有两种类型：

有限状态机（Finite State Machine, FSM）

这是最基本的状态机，它只能处于有限个状态中的一个。每当事件发生，状态机就会根据当前状态和事件类型进行状态转换。

推进自动机（Pushdown Automata）

这是一种更复杂的状态机，它可以使用一个堆栈来存储额外的信息。这种状态机可以用于解析某些类型的语法，例如编程语言的语法。

状态机的应用

状态机在计算机科学和工程中有着广泛的应用，例如：

协议设计

许多网络和通信协议都使用状态机来描述其工作流程。

游戏开发

在游戏开发中，状态机常用来描述角色的行为和状态转换。

硬件设计

硬件电路，如CPU，也可以看作是一个状态机。

用户界面设计

用户界面的交互逻辑也可以通过状态机来表示。

软件工程

在软件开发过程中，状态机被用来描述对象的生命周期或者工作流程。

如何实现一个状态机

状态机的实现方式主要有两种：

表驱动方法：使用二维数组或者哈希表来存储所有的状态和转换规则。这种方法的优点是代码简洁明了，易于理解和修改；缺点是可能会浪费一些空间，因为并非所有的状态组合都是有效的。
代码驱动方法：使用条件语句（如if-else或switch-case）来描述状态转换。这种方法的优点是更加灵活，可以处理复杂的逻辑；缺点是代码可能会变得冗长和复杂。

下面将通过例子与代码展示如何实现一个状态机。

例子与代码展示

为了说明如何实现一个状态机，这里将以一个简单的在线购物系统为例。在这个系统中，订单可能有以下三种状态：

已创建
已支付
已发货

事件包括：

支付
发货

下面是一个使用Python语言和表驱动方法实现的状态机：

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

class Order:
    def __init__(self):
        self.state = "created"
        print('created')

    def pay(self):
        if self.state == "created":
            self.state = "paid"
            print("Order has been paid.")
        else:
            print("Invalid action.")

    def deliver(self):
        if self.state == "paid":
            self.state = "delivered"
            print("Order has been delivered.")
        else:
            print("Invalid action.")

def main():
    # 创建一个新的订单
    order = Order()
    
    # 支付这个订单
    order.pay()

    # 尝试再次支付这个订单（会失败，因为已经支付过了）
    order.pay()

    # 发货
    order.deliver()

    # 尝试再次发货（会失败，因为已经发货过了）
    order.deliver()

if __name__ == "__main__":
    main()