狀態(tài)機(jī)的概念和在Python下使用狀態(tài)機(jī)的教程
什么是狀態(tài)機(jī)？
關(guān)于狀態(tài)機(jī)的一個極度確切的描述是它是一個有向圖形，由一組節(jié)點(diǎn)和一組相應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)組成。狀態(tài)機(jī)通過響應(yīng)一系列事件而“運(yùn)行”。每個事件都在屬于“當(dāng)前”節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移函數(shù)的控制范圍內(nèi)，其中函數(shù)的范圍是節(jié)點(diǎn)的一個子集。函數(shù)返回“下一個”（也許是同一個）節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)中至少有一個必須是終態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)終態(tài)，狀態(tài)機(jī)停止。
但一個抽象的數(shù)學(xué)描述（就像我剛給出的）并不能真正說明在什么情況下使用狀態(tài)機(jī)可以解決實(shí)際編程問題。另一種策略就是將狀態(tài)機(jī)定義成一種強(qiáng)制性編程語言，其中節(jié)點(diǎn)也是源碼行。從實(shí)用角度看，這個定義盡管精確，但它和第一種描述一樣，都是紙上談兵、毫不實(shí)用。（對于說明型、函數(shù)型或基于約束的語言，例如，Haskell、Scheme 或 Prolog，不一定會發(fā)生這種情況。）
讓我們嘗試使用更適合身邊實(shí)際任務(wù)的例子來進(jìn)行討論。邏輯上，每個規(guī)則表達(dá)式都等價于一個狀態(tài)機(jī)，而每個規(guī)則表達(dá)式的語法分析器都實(shí)現(xiàn)這個狀態(tài)機(jī)。實(shí)際上，大多數(shù)程序員編寫狀態(tài)機(jī)時，并沒有真正考慮到這一點(diǎn)。
在以下這個例子中，我們將研究狀態(tài)機(jī)的真正探索性定義。通常，我們有一些不同的方法來響應(yīng)一組有限數(shù)量的事件。某些情況下，響應(yīng)只取決于事件本身。但在其它情況下，適當(dāng)?shù)牟僮魅Q于以前的事件。
本文中討論的狀態(tài)機(jī)是高級機(jī)器，其目的是演示一類問題的編程解決方案。如果有必要按響應(yīng)事件行為的類別來討論編程問題，那么您的解決方案很可能是顯式狀態(tài)機(jī)。
文本處理狀態(tài)機(jī)
最可能調(diào)用顯式狀態(tài)機(jī)的一個編程問題涉及到處理文本文件。處理文本文件通常包括讀取信息單元（通常叫做字符或行），然后對剛讀取的單元執(zhí)行適當(dāng)操作。 某些情況下，這個處理是“無狀態(tài)的”（即每個這樣的單元都包含了足夠的信息，可以正確確定要執(zhí)行什么操作）。在其它情況下，即使文本文件不是完全無狀態(tài)， 數(shù)據(jù)也只有有限的上下文（例如，操作取決于不比行號更多的信息）。但是，在其它常見文本處理問題中，輸入文件是極具“狀態(tài)”的。 每一塊數(shù)據(jù)的含義取決于它前面的字符串（也許是它后面的字符串）。報告、大型機(jī)數(shù)據(jù)輸入、可讀文本、編程源文件和其它種類的文本文件都是有狀態(tài)的。 一個簡單例子是可能出現(xiàn)在 Python 源文件中的一行代碼：
myObject = SomeClass(this, that, other)
這行表示，如果恰好有以下幾行圍繞著這一行，則有部分內(nèi)容不同：
"""How to use SomeClass: myObject = SomeClass(this, that, other) """
我們應(yīng)知道我們處于“塊引用” 狀態(tài) 以確定這行代碼是一部分注釋而不是 Python 操作。
何時不使用狀態(tài)機(jī)
當(dāng)開始為任何有狀態(tài)的文本文件編寫處理器的任務(wù)時，問一問自己，您希望在文件中找到什么類型的輸入項。每種類型的輸入項都是一種狀態(tài)的候選項。這些類型共有幾種。如果數(shù)字很大或者不確定，則狀態(tài)機(jī)也許不是正確的解決方法。（在這種情況下，某些數(shù)據(jù)庫解決方案可能更適合。）
還請考慮您是否需要使用狀態(tài)機(jī)。許多情況下，最好從更簡單的方法入手。也許會發(fā)現(xiàn)即使文本文件是有狀態(tài)的，也有一種簡單的方法可以分塊讀取它（其中每一塊是一種類型的輸入值）。實(shí)際上，在單一狀態(tài)塊中，僅當(dāng)文本類型之間的轉(zhuǎn)移需要基于內(nèi)容的計算時，才有必要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)。
下面這個簡單的例子說明了需要使用狀態(tài)機(jī)的情況。請考慮用于將一列數(shù)字劃分成幾塊的兩個規(guī)則。在第一個規(guī)則中，列表中的零表示塊之間的間斷。第二個規(guī)則中，當(dāng)一個塊中的元素總和超過 100 時，會發(fā)生塊之間的間斷。由于它使用累加器變量來確定是否達(dá)到了閾值，您不能“馬上”看到子列表的邊界。因此，第二個規(guī)則也許更適合于類似于狀態(tài)機(jī)的機(jī)制。
稍微有些狀態(tài)、但由 不 太適合用狀態(tài)機(jī)處理的文本文件的例子是 Windows 風(fēng)格的 .ini 文件。這種文件包括節(jié)頭、注釋和許多賦值。例如：
; set the colorscheme and userlevel [colorscheme] background=red foreground=blue title=green [userlevel] login=2 title=1
我們的例子沒有實(shí)際含義，但它表明了 .ini 格式一些有趣的特性。
就某種意義而言，每一行的類型由它的第一個字符確定（可能是分號、左花括號或字母）。
從另一種角度看，這種格式是“有狀態(tài)的”，因?yàn)殛P(guān)鍵字 "title" 大概表示如果它出現(xiàn)在每一節(jié)中，那么就有獨(dú)立的內(nèi)容。
您可以編寫一個有 COLORSCHEME 狀態(tài)和 USERLEVEL 狀態(tài)的文本處理器程序，這個程序仍處理每個狀態(tài)的賦值。但這好象不是處理此問題的 正確 方法。例如，可以使用 Python 代碼在這個文本文件中只創(chuàng)建自然塊，如：
處理 .INI 文件的分塊 Python 代碼
import string txt = open( 'hypothetical.ini').read() sects = string.split(txt, '[') for sect in sects: # do something with sect, like get its name # (the stuff up to ']') and read its assignments
或者，如果愿意，可以使用單個 current_section 變量來確定位置：
處理 .INI 文件的計算 Python 代碼
for line in open( 'hypothetical.ini').readlines(): if line[0] == '[': current_section = line(1:-2) elif line[0] == ';': pass # ignore comments else : apply_value(current_section, line)
何時使用狀態(tài)機(jī)
現(xiàn)在，我們已經(jīng)決定了如果文本文件“太簡單”就不使用狀態(tài)機(jī)，讓我們再研究 需要使用狀態(tài)機(jī)的情況。本專欄中最近一篇文章 討論了實(shí)用程序 Txt2Html，它將“智能 ASCII”（包括本文）轉(zhuǎn)換成 HTML。讓我們扼要重述。
“智能 ASCII”是一種文本格式，它使用一些間隔約定來區(qū)分文本塊的類型，如頭、常規(guī)文本、引語和代碼樣本。雖然讀者或作者能容易地通過查看分析這些文本塊類型之間的轉(zhuǎn)移，但卻沒有簡單的方法可以讓計算機(jī)將“智能 ASCII”文件分割成組成它的文本塊。不像 .ini 文件示例，文本塊類型可以任何順序出現(xiàn)。在任何情況下都沒有單一定界符來分隔塊（空行 通常 分隔文本塊，但代碼樣本中的空行卻不一定結(jié)束代碼樣本，并且文本塊不需要用空行來分隔）。由于需要以不同方式重新格式化每個文本塊以生成正確的 HTML 輸出，狀態(tài)機(jī)似乎就是自然的解決方案。
Txt2Html 閱讀器的一般功能如下：
- 在初始狀態(tài)中啟動。
- 讀取一行輸入。
- 根據(jù)輸入和當(dāng)前狀態(tài)，轉(zhuǎn)移到新狀態(tài)或按適合當(dāng)前狀態(tài)的方式處理該行。
這個例子是關(guān)于您會遇到的最簡單的情況，但它說明了我們描述過的以下模式：
Python 中一個簡單的狀態(tài)機(jī)輸入循環(huán)
global state, blocks, bl_num, newblock #-- Initialize the globals state = "HEADER" blocks = [""] bl_num = 0 newblock = 1 for line in fhin.readlines(): if state == "HEADER": # blank line means new block of header if blankln.match(line): newblock = 1 elif textln.match(line): startText(line) elif codeln.match(line): startCode(line) else : if newblock: startHead(line) else : blocks[bl_num] = blocks[bl_num] + line elif state == "TEXT": # blank line means new block of text if blankln.match(line): newblock = 1 elif headln.match(line): startHead(line) elif codeln.match(line): startCode(line) else : if newblock: startText(line) else : blocks[bl_num] = blocks[bl_num] + line elif state == "CODE": # blank line does not change state if blankln.match(line): blocks[bl_num] = blocks[bl_num] + line elif headln.match(line): startHead(line) elif textln.match(line): startText(line) else : blocks[bl_num] = blocks[bl_num] + line else : raise ValueError, "unexpected input block state: "+state
可以用 Txt2Html 下載從中取出該代碼的源文件（請參閱 參考資料 ）。請注意：變量 state 聲明為 global ，在函數(shù)（如 startText() ）中更改它的值。轉(zhuǎn)移條件，如 textln.match() ，是規(guī)則表達(dá)式模式，但它們可能也是定制函數(shù)。實(shí)際上，以后會在程序中執(zhí)行格式化。狀態(tài)機(jī)只將文本文件分析成 blocks 列表中帶標(biāo)簽的塊。
抽象狀態(tài)機(jī)類
在表單和函數(shù)中使用 Python 實(shí)現(xiàn)抽象狀態(tài)機(jī)很容易。這使程序的狀態(tài)機(jī)模型比前一個例子中的簡單條件塊顯得更突出（初看，其中的條件與其它條件沒有什么不同）。而且，以下類及其關(guān)聯(lián)處理程序在隔離狀態(tài)中操作方面完成得很好。許多情況下，這改善了封裝和可讀性。
文件：statemachine.py
from
string
import
upper
class
StateMachine
:
def
__init__
(self):
self.handlers = {}
self.startState = None
self.endStates = []
def
add_state
(self, name, handler, end_state=0):
name = upper(name)
self.handlers[name] = handler
if
end_state:
self.endStates.append(name)
def
set_start
(self, name):
self.startState = upper(name)
def
run
(self, cargo):
try
:
handler = self.handlers[self.startState]
except
:
raise
"InitializationError",
"must call .set_start() before .run()"
if
not
self.endStates:
raise
"InitializationError",
"at least one state must be an end_state"
while
1:
(newState, cargo) = handler(cargo)
if
upper(newState)
in
self.endStates:
break
else
:
handler = self.handlers[upper(newState)]
要真正 使用StateMachine 類，需要為每個要使用的狀態(tài)創(chuàng)建一些處理程序。處理程序必須符合模式。它循環(huán)處理事件，直到要轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)，此時處理程序應(yīng)該將一個字節(jié)組（它包括新狀態(tài)名稱以及新的狀態(tài)處理程序需要的任何 cargo）傳遞回去。
在 StateMachine 類中將 cargo 用作變量的做法將封裝狀態(tài)處理程序所需的數(shù)據(jù)（該狀態(tài)處理程序不必調(diào)用它的 cargo 變量）。狀態(tài)處理程序使用 cargo 來傳遞下一個處理程序所需的內(nèi)容，于是新的處理程序可以接管前一個處理程序的遺留工作。 cargo 通常包括文件句柄，它允許下一個處理程序可以在前一個處理程序停止后讀取更多數(shù)據(jù)。 cargo 還可能是數(shù)據(jù)庫連接、復(fù)雜的類實(shí)例或帶有幾個項的列表。
現(xiàn)在，讓我們研究測試樣本。在本例中（在以下代碼示例中概述），cargo 只是不斷將反饋傳送給迭代函數(shù)的一個數(shù)字。只要 val 處于某個范圍內(nèi)，則 val 的下一個值永遠(yuǎn)只是 math_func(val) 。一旦函數(shù)返回了超出范圍的值，那么該值將傳送到另一個處理程序，或者狀態(tài)機(jī)在調(diào)用了一個什么也不做的終態(tài)處理程序后就退出。示例說明了一件事： 事件不必是輸入事件。它也可以是計算事件（這種情況很少）。狀態(tài)處理程序相互之間的區(qū)別只是在輸出它們處理的事件時使用不同的標(biāo)記。該函數(shù)比較簡單，沒必要使用狀態(tài)機(jī)。但它很好地說明了概念。代碼也許比解釋更易于理解！
文件：statemachine_test.py
from statemachine import StateMachine def ones_counter (val): print "ONES State: ", while 1: if val <= 0 or val >= 30: newState = "Out_of_Range" ; break elif 20 <= val < 30: newState = "TWENTIES"; break elif 10 <= val < 20: newState = "TENS"; break else : print " @ %2.1f+" % val, val = math_func(val) print " >>" return (newState, val) def tens_counter (val): print "TENS State: ", while 1: if val <= 0 or val >= 30: newState = "Out_of_Range"; break elif 1 <= val < 10: newState = "ONES"; break elif 20 <= val < 30: newState = "TWENTIES"; break else : print " #%2.1f+" % val, val = math_func(val) print " >>" return (newState, val) def twenties_counter (val): print "TWENTIES State:", while 1: if val <= 0 or val >= 30: newState = "Out_of_Range"; break elif 1 <= val < 10: newState = "ONES"; break elif 10 <= val < 20: newState = "TENS"; break else : print " *%2.1f+" % val, val = math_func(val) print " >>" return (newState, val) def math_func (n): from math import sin return abs(sin(n))*31 if __name__== "__main__": m = StateMachine() m.add_state( "ONES", ones_counter) m.add_state( "TENS", tens_counter) m.add_state( "TWENTIES", twenties_counter) m.add_state( "OUT_OF_RANGE", None, end_state=1) m.set_start( "ONES") m.run(1)
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