【什么是状态机】状态机（State Machine）是一种用于描述系统行为的数学模型，它通过定义系统的不同状态以及在不同输入条件下如何从一个状态转移到另一个状态来表示系统的运行逻辑。状态机广泛应用于计算机科学、电子工程、自动控制、软件开发等多个领域，是设计复杂系统行为的重要工具。
一、状态机的基本概念
| 概念 | 定义 |
| 状态（State） | 系统在某一时刻所处的特定情况或模式。例如：开机、关机、待机等。 |
| 输入（Input） | 触发状态转换的条件或事件。例如：按下按钮、接收到信号等。 |
| 转换（Transition） | 从一个状态到另一个状态的变化过程。例如：从“关机”到“开机”。 |
| 输出（Output） | 在某个状态下产生的结果或动作。例如：显示信息、启动设备等。 |
| 初始状态（Initial State） | 系统开始运行时的起始状态。 |
| 终止状态（Final State） | 系统运行结束时的状态。 |
二、状态机的类型
| 类型 | 特点 | 应用场景 |
| 有限状态机（FSM） | 状态数量有限，适用于简单系统。 | 控制器、协议实现、游戏AI等。 |
| 无限状态机（ISF） | 状态数量可以无限扩展，适用于复杂系统。 | 自然语言处理、高级算法等。 |
| Moore状态机 | 输出仅依赖于当前状态。 | 电路设计、简单控制系统等。 |
| Mealy状态机 | 输出依赖于当前状态和输入。 | 实时系统、通信协议等。 |
三、状态机的优点
| 优点 | 说明 |
| 结构清晰 | 通过状态和转换关系明确表达系统行为。 |
| 易于维护 | 状态之间的关系明确，便于修改和扩展。 |
| 可预测性强 | 系统的行为在给定输入下可被准确预测。 |
| 适合自动化 | 可以通过程序或硬件实现，提高系统效率。 |
四、状态机的应用实例
| 应用场景 | 状态机示例 |
| 电梯控制系统 | 状态包括“停靠”、“上升”、“下降”等，输入为楼层选择和按钮按下。 |
| 游戏角色行为 | 状态包括“行走”、“攻击”、“防御”等，输入为玩家操作。 |
| 网络协议 | 如TCP协议中的连接状态（建立、传输、关闭）。 |
| 自动售货机 | 状态包括“等待输入”、“支付完成”、“出货中”等。 |
五、总结
状态机是一种结构化的方法，用于描述系统在不同条件下的行为变化。它通过状态、输入、转换和输出来构建系统的逻辑模型，具有结构清晰、易于维护、可预测性强等优点。在实际应用中，状态机被广泛用于控制系统、软件设计、通信协议等多个领域，是构建复杂系统行为的重要工具。