有限狀態機
快速概述狀態機，並提供簡單的例子。
最近在 JavaScript 領域中越來越多地談論 有限狀態機。
有一個名叫 XState 的流行庫，在 GitHub 上有超過 1.1 萬顆星星，我最近遇到了它，並且在 Twitter 和其他地方都看到它。這是一個非常酷的項目。
我第一次接觸有限狀態機和自動機是在 20 年前的高中時代，然後在大學的數位設計課程中又遇到。
這門數位設計課程主要涉及編碼信息、布林代數、組合電路、時序電路、序列狀態機、算術電路、VHDL 等內容。
我發現將有限狀態機應用於前端工程非常有趣，於是我回頭翻閱了以前的教科書，看看能否找到一個好的解釋。
我確實找到了很多資訊，但當然由於教科書的緣故，事情被複雜化得沒有必要（在我看來）。我喜歡簡化事物，因此我決定寫一個適合普通人的小節，並非理論的或任何為了通過考試而製作的東西。你可以應用於實際世界的事物。
狀態機
在介紹什麼是有限狀態機之前，我要先介紹什麼是狀態機。
世界上到處都是狀態機。你可以在各個地方看到它們，但也許你沒有把它們視為狀態機。在閱讀本教程之後，我相信你會指出現實世界中的一些物體，對你的朋友說：“這是一個 狀態機”（取決於你的朋友對於書呆子程度）。
最受歡迎且最常見的例子就是交通信號燈。
任何時候，交通信號機都有一個明確的狀態。通常，它要麼：
- 綠燈亮，其他兩個燈熄滅；
- 紅燈亮，其他兩個燈熄滅；
- 黃燈亮，其他兩個燈熄滅。
（有些交通信號燈可能有些區別，但對於本例子而言，我們不需要關心）
在狀態機的術語中，燈號的開啟或關閉被稱為輸出。
以上的三種情況被稱為狀態。當交通信號機接收到一個輸入時，通常只是一個固定的計時器，該計時器決定綠燈、黃燈和紅燈應該亮多久，信號機的狀態會更改。
在這種情況下，計時器是系統的輸入。有些信號機配有一個行人可以按下的按鈕，以導致紅燈顯示給汽車，這是另一個輸入。
在狀態機中，狀態只能在根據輸入的情況下更改（我們稱之為轉換）。
有限狀態機
我們的交通信號燈狀態機被稱為有限，因為我們只有有限的狀態。
有些系統可能有無限個狀態，例如世界生態系統模型或昆蟲的生活。我們無法用有限數量的狀態來定義它。
但是交通信號燈呢？這是一個簡單的東西，它只有三種狀態，如上所述。
我們還可以舉出許多例子：
- 自動售貨機
- 地鐵入口的轉閘
- 暖氣系統
- 自動地鐵系統
- 自動駕駛車系統
- 電梯
但讓我們先專注在我們的交通信號燈示例上，這是非常簡單的，我們可以很容易地理解。
建立狀態機模型
當然，交通信號機不是單獨存在的。這是另一個有限狀態機，其中每個十字路口的每一側道路上都被安裝了多個交通信號機，它們同步工作。
現在先不要考慮它。讓我們專注於一個單獨的交通信號機。
如前所述，我們有 3 種狀態，可以稱之為綠燈、紅燈、黃燈。
我們有一個初始狀態。假設在重置交通信號燈時，我們的信號燈處於 green 狀態。
我們有一個計時器，在綠燈狀態持續 50 秒後，信號機切換到 yellow 狀態。黃燈狀態持續 8 秒，然後切換到 red 狀態，並在那裡停留 32 秒，因為那條路是附屬的，應該給予較少時間。之後，信號機回到綠燈狀態，這個循環無限地繼續下去，直到電力被切斷，信號機重新接通電源時重置。
總計，我們有一個 90 秒的循環。
這是我們如何建立模型的：
我們也可以使用一個狀態轉換表來建立模型，該表顯示機器當前的狀態、收到的輸入、下一個狀態和輸出：
| 狀態 | 輸入 | 下一個狀態 | 輸出 |
|---|---|---|---|
| 綠燈 | 計時器 50 秒 | 黃燈 | 綠燈亮，其他熄滅 |
| 黃燈 | 計時器 8 秒 | 紅燈 | 黃燈亮，其他熄滅 |
| 紅燈 | 計時器 32 秒 | 綠燈 | 紅燈亮，其他熄滅 |
在我們這個簡單的情況下，對於機器的任何狀態，我們只有一個可以前進的邏輯狀態，所以我這裡提供的表格和圖表非常簡單。
但當你的系統變得更加複雜時，擁有這樣的圖表和分析非常有幫助，因為你可以更容易地推理你的應用，而不僅僅是將所有事情放在腦海中。
具有更複雜狀態轉換的有限狀態機
上面的例子非常簡單。現在讓我們建立另一個有限狀態機。
我們的現實場景是這樣的：我們有一棟房子，裡面有一扇門，2個按鈕和 3 個燈。
在初始狀態下，燈都關掉了。
當你進入房子後，可以按下其中一個按鈕，p1 或 p2。當你按下任何一個按鈕時，l1 燈會亮起。
想像這是入口燈，你可以脫下外套。一旦你完成，你就可以決定你想去哪個房間（比如廚房或臥室）。
如果你按下按鈕 p1，l1 會熄滅，l2 會亮起。如果你按下按鈕 p2，l1 會熄滅，l3 會亮起。
再次按下任何一個按鈕，p1 或 p2，當前亮著的燈會熄滅，系統回到初始狀態。
這個有限狀態機比第一個稍微複雜一些，因為這次我們根據輸入可以有多條路徑。
讓我們來建模。
基本上我們有 4 種狀態：
- 沒有任何燈亮
l1亮l2亮l3亮
我們有 2 個輸入：
p1p2
如果我們從初始狀態開始，並嘗試在時間內根據輸入發生的情況建模一切，我們得到：
可以用以下表格總結：
| 狀態 | 輸入 | 下一個狀態 |
|---|---|---|
| 沒有任何燈亮 | p1 按下 |
l1 亮 |
| 沒有任何燈亮 | p2 按下 |
l1 亮 |
l1 亮 |
p1 按下 |
l2 亮 |
l1 亮 |
p2 按下 |
l3 亮 |
l2 亮 |
p1 按下 |
沒有任何燈亮 |
l2 亮 |
p2 按下 |
沒有任何燈亮 |
l3 亮 |
p1 按下 |
沒有任何燈亮 |
l3 亮 |
p2 按下 |
沒有任何燈亮 |
這是一個簡短且簡單的解釋，但希望能有所啟發。
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