探索FSM （有限状态机）应用-全球观焦点

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(相关资料图)

本文作者：木杪

有限状态机（FSM）是计算机科学中的一种数学模型，可用于表示和控制系统的行为。它由一组状态以及定义在这些状态上的转换函数组成。FSM 被广泛用于计算机程序中的状态机制。

有限状态机（FSM）应用场景

在各种自动化系统的应用：例如交通信号灯、地铁站的旋转闸门、银行自动取款机等。通过对状态和转换函数的定义，可以实现对系统行为的精确控制。

交通信号灯状态流转图

地铁站的旋转闸门状态流转图

银行自动取款机状态流转图

在编程领域的应用：例如在编写编译器和解释器时，可以使用有限状态机（FSM)来处理词法分析。例如：JSON.Parse

在Notion中应用：可以使用 有限状态机（FSM)的相关概念来构建各种工作流程，例如状态转换图、状态转换表等。

在web中应用：我们熟悉的 Promise也是一个状态机，具有三个状态：pending、resolved。rejected。

Promise状态流转图

登录功能流转图

类似这样的状态机的例子数不胜数，甚至于，人也是一种极其复杂的状态机，给定一种刺激或多种刺激组合，也会触发人从某种状态过渡到另一种状态。只不过复杂程度极高，以至于现代科学完全无法解密这种状态机。

有限状态机（FSM）实现原理

具体来说，FSM由以下几部分组成：

初始状态：系统的初始状态。状态集合：表示系统可能处于的各种状态。转移函数：定义系统在不同状态之间的转移条件和结果。终止状态：系统在某个状态下可以停止计算。

有限状态机(FSM)的实现基于状态转移图。状态转移图是一个有向图，它表示有限状态机(FSM)中状态之间的转移关系。在状态转移图中，每个状态表示系统的某种状态，每个转移表示系统从一个状态转移到另一个状态的条件和结果。

实现简易的有限状态机（FSM）实现步骤当状态机开始执行时，它会自动进入初始化状态（initial state）。每个状态都可以定义，在进入（onEnter）或退出（onExit）该状态时发生的行为事件（actions），通常这些行为事件会携带副作用（side effect）。每个状态都可以定义触发转换（transition）的事件。转换定义了在退出一个状态并进入另一个状态时，状态机该如何处理这种事件。在状态转换发生时，可以定义可以触发的行为事件，从而一般用来表达其副作用。状态转移图

function createMachine(stateMachineDefinition) {  const machine = {    value: stateMachineDefinition.initialState,    performTransition(currentState, event) {      const currentStateDefinition = stateMachineDefinition[currentState];      const destinationTransition = currentStateDefinition.transitions[event];      if (!destinationTransition) {        return;      }      const destinationState = destinationTransition.target;      const destinationStateDefinition =        stateMachineDefinition[destinationState];      destinationTransition.action();      currentStateDefinition.actions.onExit();      destinationStateDefinition.actions.onEnter();      machine.value = destinationState;      return machine.value;    },  };  return machine;}const machine = createMachine({  initialState: "off",  off: {    actions: {      onEnter() {        console.log("off: onEnter");      },      onExit() {        console.log("off: onExit");      },    },    transitions: {      switch: {        target: "on",        action() {          console.log("transition action for "switch" in "off" state");        },      },    },  },  on: {    actions: {      onEnter() {        console.log("on: onEnter");      },      onExit() {        console.log("on: onExit");      },    },    transitions: {      switch: {        target: "off",        action() {          console.log("transition action for "switch" in "on" state");        },      },    },  },});let state = machine.value;console.log(`current state: ${state}`);state = machine.performTransition(state, "switch");console.log(`current state: ${state}`);state = machine.performTransition(state, "switch");console.log(`current state: ${state}`);

有限状态机（FSM）的 应用实现

在状态比较多的情况下，把状态、事件及 transitions集中到一个状态机中，进行统一管理。这样不需要写太多的 if-else，或者 case判断，如果增加状态和事件，也便于代码的维护和扩展。

文本解析器实现思路确定状态和输入在编写 FSM 之前，我们需要确定我们的状态和输入。在这个例子中，我们将定义三个状态：起始状态、数字状态和字符串状态。我们还将定义四个输入：数字、字母、引号和空格。定义状态机类现在，我们可以编写代码来实现我们的 FSM 。我们需要定义一个状态机类，它将接受输入，并根据转移规则转换状态。该类应该包含以下属性：currentState：当前状态。states：状态列表。transitions：转移列表。它还应该包含以下方法：transition：该方法接受一个输入参数 input，根据当前状态以及输入参数，执行相应的状态转换。定义转移规则我们还需要定义状态之间的转移规则。为此，我们将使用转移列表，其中包含状态之间的映射和输入。转移规则应该考虑当前状态和输入，并根据它们确定下一个状态。如果当前状态和输入没有匹配的转移规则，则应该抛出一个异常。解析文本现在，我们可以使用状态机解析文本。我们需要将文本拆分为单词，并将每个单词作为输入提供给状态机。在处理完所有输入后，我们可以通过调用 getInputType方法来获取解析的令牌。示例代码

const STATES = {  START: "start",  NUMBER: "number",  STRING: "string",};const INPUTS = {  NUMBER: "number",  LETTER: "letter",  SPACE: "space",  QUOTE: "quote",};const TRANSITIONS = [  {    currentState: STATES.START,    input: INPUTS.NUMBER,    nextState: STATES.NUMBER,  },  {    currentState: STATES.START,    input: INPUTS.LETTER,    nextState: STATES.STRING,  },  { currentState: STATES.START, input: INPUTS.SPACE, nextState: STATES.START },  { currentState: STATES.START, input: INPUTS.QUOTE, nextState: STATES.STRING },  {    currentState: STATES.NUMBER,    input: INPUTS.NUMBER,    nextState: STATES.NUMBER,  },  { currentState: STATES.NUMBER, input: INPUTS.SPACE, nextState: STATES.START },  {    currentState: STATES.STRING,    input: INPUTS.LETTER,    nextState: STATES.STRING,  },  { currentState: STATES.STRING, input: INPUTS.SPACE, nextState: STATES.START },  { currentState: STATES.STRING, input: INPUTS.QUOTE, nextState: STATES.START },];class TextParse {  constructor() {    this.currentState = STATES.START;    this.buffer = "";    this.type;  }  performTransition(input) {    const transition = TRANSITIONS.find(      (t) => t.currentState === this.currentState && t.input === input.type    );    if (!transition)      throw new Error(        `Invalid input "${input.value}" for state "${this.currentState}"`      );    this.currentState = transition.nextState;    if (this.currentState === STATES.START) {      const token = this.buffer;      const type = this.type;      this.buffer = "";      this.type = "";      return {        type,        value: token,      };    } else {      this.buffer += input.value;      this.type = input.type;    }  }}function textParse(input) {  const textParse = new TextParse();  const tokens = [];  for (let i = 0; i < input.length; i++) {    const char = input[i];    try {      const token = textParse.performTransition({        type: getInputType(char),        value: char,      });      if (token) {        tokens.push(token);      }    } catch (e) {      console.error(e.message);      return null;    }  }    const lastToken = textParse.performTransition({ type: INPUTS.SPACE });  if (lastToken) {    tokens.push(lastToken);  }  return tokens;}function getInputType(char) {  if (/[0-9]/.test(char)) {    return INPUTS.NUMBER;  } else if (/[a-zA-Z]/.test(char)) {    return INPUTS.LETTER;  } else if (/[\s\n\t\r]/.test(char)) {    return INPUTS.SPACE;  } else if (char === """) {    return INPUTS.QUOTE;  } else {    throw new Error(`Unknown input type for "${char}"`);  }}// Example usage:console.log(textParse("123 abc "def ghi" 456")); // [//   { type: "number", value: "123" },//   { type: "letter", value: "abc" },//   { type: "letter", value: ""def" },//   { type: "letter", value: "ghi" },//   { type: "", value: "" },//   { type: "number", value: "456" }// ]

示例代码

web 应用

使用 有限状态机（FSM）结合 React构建 web 应用，不局限于身份认证，登录，步骤表单，有蛮多 web 应用在有限状态机（FSM）的实践，下面主要描述 从有限状态机（FSM）在服务端拉取数据的状态转移上的应用

状态转移图

状态集（States）, 转换规则（Transitions）

const states = {  INITIAL: "idle",  LOADING: "loading",  SUCCESS: "success",  FAILURE: "failure",};

const transitions = {  [states.INITIAL]: {    fetch: () => /* Returns states.LOADING */,  },  [states.LOADING]: {},  [states.SUCCESS]: {    reload: () => /* Returns states.LOADING */,    clear: () => /* Returns states.INITIAL */,  },  [states.FAILURE]: {    retry: () => /* Returns states.LOADING */,    clear: () => /* Returns states.INITIAL */,  },}

示例代码

总结

结合前端应用的探索体现的不多，可以再作为第二篇内容去探讨，有兴趣的同学可以尝试一下 有限状态机（FSM）在 web 上的应用探索，以及 Xstate库（FSM封装的功能性库）的应用，以及跟 状态管理库差异化的知识。在这里提醒一点，状态管理库 （Redux）和 Xstate并不是互斥的，Xstate关注的是如何设计状态，状态管理库关注的是如何管理状态。事实上，状态机几乎可以与任何无主见的状态管理工具一起使用。我鼓励您探索各种方法，以确定最适合您、您的团队和您的应用程序的方法。

参考资料https://statecharts.dev/what-is-a-state-machine.htmlhttps://bespoyasov.me/blog/fsm-to-the-rescue/https://xstate.js.org/docs/about/concepts.htmlhttps://kentcdodds.com/blog/implementing-a-simple-state-machine-library-in-javascripthttps://css-tricks.com/finite-state-machines-with-react/