有限状态机（FSM）的简单理解和Python实现

最近在项目中，涉及到对行为和状态进行建模的需求，尝试用有限状态机（Finite-state machine, FSM）来实现。

1. 概念介绍

1.1 运行机制

基于对有限状态机的粗浅理解，大体的运行机制为：

• 系统所处的状态是明确并且有限的，必定属于状态全集中的某一种；
• 系统接受输入，根据判定条件，决定是维持当前状态，还是切换到某一个新的状态；
• 在维持或切换的过程中，执行一些预设的操作。

可以认为有限状态机是一个离散系统，每接受一次输入，进行一次判断和切换。

1.2 所含要素

一个有限状态机包含如下几个要素：

• 状态：系统所处的状态，在运行过程中又可以分为当前状态和下一阶段状态；

• 事件：也可以理解为每一次运行的输入；

• 条件：根据输入事件执行的判定条件，条件是基于状态的，当前所处的每一种状态，都可以有自己对应的一套判定条件，来决定下一步进入哪一种状态；

• 动作：确定切换路径后，执行的附加操作。

1.3 分析方法

通常可以用一个表格来对所处理的FSM进行分析，防止情况的遗漏。

在表格中分析清楚每一种状态切换的判定条件和执行动作，再用代码实现，可以最大程度地减轻思考的难度，减少错误的概率。

2. 代码实现

以OOP的方式，做了一个基础的Python实现。

FSM基类：

class StateMachine:
def __init__(self, cfg, states, events_handler, actions_handler):
# config information for an instance
self.cfg = cfg
# define the states and the initial state
self.states = [s.lower() for s in states]
self.state = self.states[0]
# process the inputs according to current state
self.events = dict()
# actions according to current transfer
self.actions = {state: dict() for state in self.states}
# cached data for temporary use
self.records = dict()
# add events and actions
for i, state in enumerate(self.states):
self._add_event(state, events_handler[i])
for j, n_state in enumerate(self.states):
self._add_action(state, n_state, actions_handler[i][j])

def _add_event(self, state, handler):
self.events[state] = handler

def _add_action(self, cur_state, next_state, handler):
self.actions[cur_state][next_state] = handler

def run(self, inputs):
# decide the state-transfer according to the inputs
new_state, outputs = self.events[self.state](inputs, self.states, self.records, self.cfg)
# do the actions related with the transfer
self.actions[self.state][new_state](outputs, self.records, self.cfg)
# do the state transfer
self.state = new_state
return new_state

def reset(self):
self.state = self.states[0]
self.records = dict()
return

# handlers for events and actions, event_X and action_XX are all specific functions
events_handlers = [event_A, event_B]
actions_handlers = [[action_AA, action_AB],
[action_BA, action_BB]]

# define an instance of StateMachine
state_machine = StateMachine(cfg, states, events_handlers, actions_handlers)

如果对于状态机有具体的要求，可以继承这个基类进行派生。

比如，有对状态机分层嵌套的需求。

class StateGeneral(StateMachine):
def __init__(self, cfg, states):
super(StateGeneral, self).__init__(cfg, states, events_handler, actions_handler)
self.sub_state_machines = dict()

def add_sub_fsm(self, name, fsm):
self.sub_state_machines[name] = fsm

def run(self, inputs):
new_state, outputs = self.events[self.state](inputs, self.states, self.records, self.cfg)
# operate the sub_state_machines in actions
self.actions[self.state][new_state](outputs, self.records, self.cfg, \
self.sub_state_machines)
self.state = new_state
return new_state

def reset(self):
self.state = self.states[0]
self.records = dict()
for _, sub_fsm in self.sub_state_machines.items():
sub_fsm.reset()
return