如何用Java模擬XN*2圖靈機

更新時間：2021年04月12日 17:11:59 作者：KitchenSink

這篇文章主要介紹了如何用Java模擬XN*2圖靈機方法,感興趣的朋友可以參考下

題目描述：

對于XN*2圖靈機進行模擬，任意給定的十進制數(shù)，轉換為收縮擴展二進制的編碼，再編程模擬此Turing機的運行過程，要求輸出從開始運行起的每一步驟的結果。用C或C++或Java或Python語言實現(xiàn)程序解決問題。

要求：1. 程序風格良好（使用自定義注釋模板）；

2. 提供友好的輸入輸出，并進行輸入數(shù)據(jù)的正確性驗證。

算法分析：

1. 將十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)；

2. 將二進制數(shù)轉換為收縮擴展二進制的編碼；

3. 根據(jù)當前的內(nèi)態(tài)和輸入執(zhí)行XN*2圖靈機的指令；

4. 將結果的二進制編碼轉換為二進制數(shù)；

5. 將二進制數(shù)轉換為十進制數(shù)，實現(xiàn)乘2運算功能。

概要設計：

算法流程圖如下：

測試：

輸入的十進制數(shù)	正確的二進制編碼	輸出的二進制編碼	正確的運算結果	輸出的運算結果
0	0011000	0011000	0	0
3	0101011000	0101011000	6	6
18	0100010011000	0100010011000	36	36

運行結果：

調試：

①對調用指令的方法進行調試，開始時binCodeList的size為0，導致執(zhí)行binCodeList.set(i, “0”)時出現(xiàn)錯誤，進過調試后發(fā)現(xiàn)是因為沒給方法設置binCodeList的參數(shù)，導致方法中用的是類中空的binCodeList。在方法的參數(shù)中加上List<String> binCodeList就可以解決。

②對將二進制編碼轉換為十進制數(shù)的方法進行調試，開始時運算結果出現(xiàn)錯誤，調試后發(fā)現(xiàn)是判斷第i個字符為1，第i+1個字符為0后，沒有將i再加1，導致下次循環(huán)又遍歷到i+1的0，于是有些步驟結果就會多出0。在if (binCode.charAt(i + 1) == '0'){…}代碼塊中加上i++就可以解決。

源代碼：

import java.util.*; 
/**
 * @description: 該類模擬XN*2圖靈機，對任意給定的十進制數(shù)，轉換為收縮擴展二進制的編碼，并可輸出運行中每一步驟的結果
 */
public class TuringMachine {
 
    private int internalState; // 圖靈機的內(nèi)態(tài)
    private String binCode; // 二進制編碼
    Function f = new Function(); // 需要用到的方法
    List<String> binCodeList = new ArrayList<>(); // 用來存放二進制編碼
 
    static int r = 0; // 當r為1時機器向右移動一格
    static int s = 0; // 當s為1時機器停止運行
 
    TuringMachine() {
        internalState = 0;
        binCode = "0";
    }
 
    public int getInternalState() {
        return internalState;
    }
 
    public void setInternalState(int internalState) {
        this.internalState = internalState;
    }
 
    public String getBinCode() {
        return binCode;
    }
 
    public void setBinCode(String binCode) {
        this.binCode = binCode;
    }
 
    /**
     * @description: 模擬圖靈機的運行過程
     * @param: [binCode 二進制編碼]
     * @return: void
     */
    public void runProcess(String binCode) {
        binCodeList = f.toArrayList(binCode); // 將二進制碼binCode轉換為ArrayList類型存放在binCodeList中
        // for循環(huán)對binCodeList進行遍歷，根據(jù)當前內(nèi)態(tài)的值判斷該執(zhí)行哪條指令
        for (int i = 0; i < binCodeList.size(); i++) {
            r = 1;
            // 當s==1時機器停止，跳出循環(huán)
            if (s == 1) {
                break;
            }
            switch (getInternalState()) {
                // 內(nèi)態(tài)為0時執(zhí)行指令1
                case 0:
                    instruction_1(binCodeList.get(i), i, binCodeList);
                    break;
                // 內(nèi)態(tài)為1時執(zhí)行指令2
                case 1:
                    instruction_2(binCodeList.get(i), i, binCodeList);
                    break;
                // 內(nèi)態(tài)為10時執(zhí)行指令3
                case 10:
                    instruction_3(binCodeList.get(i), i, binCodeList);
                    break;
                // 內(nèi)態(tài)為11時執(zhí)行指令4
                case 11:
                    instruction_4(binCodeList.get(i), i, binCodeList);
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("XN*2圖靈機計算的最終結果為：");
        f.toDecNum(f.toString(binCodeList)); // 將binCodeList轉換為String類型的二進制編碼binCode，再轉換為int類型的十進制數(shù)decNum
    } 
    /**
     * @description: 根據(jù)指令對每一步驟結果進行打印
     * 指令1: 0 0 -> 0 0 R
     * 0 1 -> 1 0 R
     * 指令2: 1 0 -> 0 1 R
     * 1 1 -> 10 0 R
     * 指令3: 10 0 -> 11 1 R
     * 指令4: 11 0 -> 0 1 STOP
     * @param: [input 輸入, i 循環(huán)的次數(shù)從0開始, binCodeList 存放二進制編碼binCode]
     * @return: void
     */
    private void instruction_1(String input, int i, List<String> binCodeList) {
        System.out.println("當前的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + input);
        if (input.equals("0")) {
            System.out.println("執(zhí)行此條指令后的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + binCodeList.get(i) + "，右移");
            System.out.println("此步驟的結果為：");
            System.out.println(f.toString(binCodeList));
        }
        if (input.equals("1")) {
            setInternalState(1);
            binCodeList.set(i, "0");
            System.out.println("執(zhí)行此條指令后的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + binCodeList.get(i) + "，右移");
            System.out.println("此步驟的結果為：");
            System.out.println(f.toString(binCodeList));
        }
        System.out.println();
    }
 
    private void instruction_2(String input, int i, List<String> binCodeList) {
        System.out.println("當前的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + input);
        if (input.equals("0")) {
            setInternalState(0);
            binCodeList.set(i, "1");
            System.out.println("執(zhí)行此條指令后的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + binCodeList.get(i) + "，右移");
            System.out.println("此步驟的結果為：");
            System.out.println(f.toString(binCodeList));
        }
        if (input.equals("1")) {
            setInternalState(10);
            binCodeList.set(i, "0");
            System.out.println("執(zhí)行此條指令后的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + binCodeList.get(i) + "，右移");
            System.out.println("此步驟的結果為：");
            System.out.println(f.toString(binCodeList));
        }
        System.out.println();
    }
 
    private void instruction_3(String input, int i, List<String> binCodeList) {
        System.out.println("當前的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + input);
        if (input.equals("0")) {
            setInternalState(11);
            binCodeList.set(i, "1");
            System.out.println("執(zhí)行此條指令后的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + binCodeList.get(i) + "，右移");
            System.out.println("此步驟的結果為：");
            System.out.println(f.toString(binCodeList));
        }
        System.out.println();
    }
 
    private void instruction_4(String input, int i, List<String> binCodeList) {
        System.out.println("當前的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + input);
        if (input.equals("0")) {
            setInternalState(0);
            binCodeList.set(i, "1");
            System.out.println("執(zhí)行此條指令后的內(nèi)態(tài)為：" + getInternalState() + "，輸入為：" + binCodeList.get(i) + "，STOP");
            System.out.println("此步驟的結果為：");
            System.out.println(f.toString(binCodeList));
        }
        s = 1;
        System.out.println();
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        TuringMachine tm = new TuringMachine(); // 創(chuàng)建TuringMachine的實例tm
        System.out.println("請輸入一個十進制數(shù)：");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try {
            int decNum = scanner.nextInt();
            tm.setBinCode(tm.f.toBinCode(decNum)); // 將十進制數(shù)轉換為二進制編碼并賦值給binCode
            System.out.println();
            tm.runProcess(tm.getBinCode()); // 運行圖靈機
        } catch (InputMismatchException ex) {
            System.out.println("輸入有誤！");
        }
    } 
}
 
/**
 * @description: 該類具有圖靈機TuringMachine運行過程中所需要的一些方法
 */
class Function {
 
    /**
     * @description: 將十進制數(shù)轉換為二進制編碼
     * @param: [decNum 十進制數(shù)]
     * @return: java.lang.String
     */
    public String toBinCode(int decNum) {
        String binCode = "";
        String binNum = Integer.toBinaryString(decNum); // 十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)
        binNum += ","; // 用,標識此二進制數(shù)到此已完整，后面的0都忽略不計
        System.out.println("這個數(shù)的二進制表示為：" + binNum);
        // 利用for循環(huán)對二進制數(shù)binNum中的字符進行遍歷，根據(jù)其中的每個字符得出二進制編碼binCode
        for (int i = 0; i < binNum.length(); i++) {
            // 0 -> 0
            if (binNum.charAt(i) == '0') {
                binCode += "0";
                // 1 -> 10
            } else if (binNum.charAt(i) == '1') {
                binCode += "10";
                // , -> 110
            } else if (binNum.charAt(i) == ',') {
                binCode += "110";
            }
        }
        binCode = "0" + binCode + "00";
        System.out.println("這個數(shù)的二進制編碼為：" + binCode);
        return binCode;
    }
 
    /**
     * @description: 將二進制編碼轉換為十進制數(shù)
     * @param: [binCode 二進制編碼]
     * @return: int
     */
    public int toDecNum(String binCode) {
        int decNum = 0;
        String binNum = "";
        // 先利用for循環(huán)對ArrayList類型的binCode進行遍歷，根據(jù)其中的每個元素得出二進制編碼binCode
        for (int i = 0; i < binCode.length(); i++) {
            // 0 -> 0
            if (binCode.charAt(i) == '0') {
                binNum += "0";
            } else if (binCode.charAt(i) == '1') {
                // 10 -> 1
                if (binCode.charAt(i + 1) == '0') {
                    binNum += "1";
                    i++;
                    // 110 -> ,
                } else if (binCode.charAt(i + 1) == '1') {
                    binNum += ",";
                    break;
                }
            }
        }
        System.out.println("二進制表示：" + binNum);
        decNum = Integer.parseInt(binNum.substring(0, binNum.length() - 1), 2); // 將二進制編碼binCode轉化為十進制數(shù)
        System.out.println("十進制表示：" + decNum);
        return decNum;
    }
 
    /**
     * @description: 將二進制編碼binCode存放到binCodeList中
     * @param: [binCode 二進制編碼]
     * @return: java.util.List<java.lang.String>
     */
    public List<String> toArrayList(String binCode) {
        binCode = binCode.replaceAll("", " ").trim(); // 將binCode中的每個字符用空格分隔開，并去掉首尾的空格
        // 根據(jù)分隔符空格分隔出binCode中的每個字符存放到binCodeList中
        List<String> binCodeList = new ArrayList<>(Arrays.asList(binCode.split(" ")));
        return binCodeList;
    }
 
    /**
     * @description: 將binCodeList轉換為二進制編碼binCode
     * @param: [binCodeList 存放binCode的容器]
     * @return: java.lang.String
     */
    public String toString(List<String> binCodeList) {
        String binCode = String.join("", binCodeList);
        return binCode;
    } 
}

總結

本次測試是模擬圖靈機對十進制數(shù)進行乘2運算，并輸出每一步驟的結果。

本次測試的關鍵問題在于圖靈機運行過程和算法的理解，圖靈機判斷當前內(nèi)態(tài)和輸入后執(zhí)行指令，在這里我才用switch語句根據(jù)內(nèi)態(tài)的值判斷執(zhí)行哪個指令方法，再根據(jù)輸入判斷具體執(zhí)行什么指令，通過for循環(huán)模擬右移操作。到此這篇關于如何用Java模擬XN*2圖靈機的文章就介紹到這了,更多相關Java內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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