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Python 中的算法和编程方法(使用状态机)

  什么是 Python?  请简要回顾本专栏中的第一篇文章,Python 是由 Guido van Rossum 开发的免费高级解释型语言。其语法简单易懂,而其面向对象的语义功能强大(但又灵活)。Python 可以广泛使用并具有高度的可移植性。    什么是状态机?  关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形,由一组节点和一组相应的转移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内,其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”(也许是同一个)节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态,状态机停止。    但一个抽象的数学描述(就像我刚给出的)并不能真正说明在什么情况下使用状态机可以解决实际编程问题。另一种策略就是将状态机定义成一种强制性编程语言,其中节点也是源码行。从实用角度看,这个定义尽管精确,但它和第一种描述一样,都是纸上谈兵、毫不实用。(对于说明型、函数型或基于约束的语言,例如,Haskell、Scheme 或 Prolog,不一定会发生这种情况。)    让我们尝试使用更适合身边实际任务的例子来进行讨论。逻辑上,每个规则表达式都等价于一个状态机,而每个规则表达式的语法分析器都实现这个状态机。实际上,大多数程序员编写状态机时,并没有真正考虑到这一点。    在以下这个例子中,我们将研究状态机的真正探索性定义。通常,我们有一些不同的方法来响应一组有限数量的事件。某些情况下,响应只取决于事件本身。但在其它情况下,适当的操作取决于以前的事件。    本文中讨论的状态机是高级机器,其目的是演示一类问题的编程解决方案。如果有必要按响应事件行为的类别来讨论编程问题,那么您的解决方案很可能是显式状态机。    文本处理状态机  最可能调用显式状态机的一个编程问题涉及到处理文本文件。处理文本文件通常包括读取信息单元(通常叫做字符或行),然后对刚读取的单元执行适当操作。某些情况下,这个处理是“无状态的”(即每个这样的单元都包含了足够的信息,可以正确确定要执行什么操作)。在其它情况下,即使文本文件不是完全无状态,数据也只有有限的上下文(例如,操作取决于不比行号更多的信息)。但是,在其它常见文本处理问题中,输入文件是极具“状态”的。每一块数据的含义取决于它前面的字符串(也许是它后面的字符串)。报告、大型机数据输入、可读文本、编程源文件和其它种类的文本文件都是有状态的。一个简单例子是可能出现在 Python 源文件中的一行代码:    myObject = SomeClass(this, that, other)     这行表示,如果恰好有以下几行围绕着这一行,则有部分内容不同:    """How to use SomeClass:  myObject = SomeClass(this, that, other)  """  我们应知道我们处于“块引用”状态以确定这行代码是一部分注释而不是 Python 操作。    何时不使用状态机  当开始为任何有状态的文本文件编写处理器的任务时,问一问自己,您希望在文件中找到什么类型的输入项。每种类型的输入项都是一种状态的候选项。这些类型共有几种。如果数字很大或者不确定,则状态机也许不是正确的解决方法。(在这种情况下,某些数据库解决方案可能更适合。)    还请考虑您是否需要使用状态机。许多情况下,最好从更简单的方法入手。也许会发现即使文本文件是有状态的,也有一种简单的方法可以分块读取它(其中每一块是一种类型的输入值)。实际上,在单一状态块中,仅当文本类型之间的转移需要基于内容的计算时,才有必要实现状态机。    下面这个简单的例子说明了需要使用状态机的情况。请考虑用于将一列数字划分成几块的两个规则。在第一个规则中,列表中的零表示块之间的间断。第二个规则中,当一个块中的元素总和超过 100 时,会发生块之间的间断。由于它使用累加器变量来确定是否达到了阈值,您不能“马上”看到子列表的边界。因此,第二个规则也许更适合于类似于状态机的机制。    稍微有些状态、但由不太适合用状态机处理的文本文件的例子是 Windows 风格的 .ini 文件。这种文件包括节头、注释和许多赋值。例如:    ; set the colorscheme and userlevel  [colorscheme]  background=red  foreground=blue  title=green    [userlevel]  login=2  title=1     我们的例子没有实际含义,但它表明了 .ini 格式一些有趣的特性。    就某种意义而言,每一行的类型由它的第一个字符确定(可能是分号、左花括号或字母)。     从另一种角度看,这种格式是“有状态的”,因为关键字 "title" 大概表示如果它出现在每一节中,那么就有独立的内容。     您可以编写一个有 COLORSCHEME 状态和 USERLEVEL 状态的文本处理器程序,这个程序仍处理每个状态的赋值。但这好象不是处理此问题的 正确方法。例如,可以使用 Python 代码在这个文本文件中只创建自然块,如:    处理 .INI 文件的分块 Python 代码    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,可以使用单个 current_section 变量来确定位置:    处理 .INI 文件的计算 Python 代码    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)     何时使用状态机  现在,我们已经决定了如果文本文件“太简单”就不使用状态机,让我们再研究 需要使用状态机的情况。本专栏中 最近一篇文章讨论了实用程序 Txt2Html,它将“智能 ASCII”(包括本文)转换成 HTML。让我们扼要重述。    “智能 ASCII”是一种文本格式,它使用一些间隔约定来区分文本块的类型,如头、常规文本、引语和代码样本。虽然读者或作者能容易地通过查看分析这些文本块类型之间的转移,但却没有简单的方法可以让计算机将“智能 ASCII”文件分割成组成它的文本块。不像 .ini 文件示例,文本块类型可以任何顺序出现。在任何情况下都没有单一定界符来分隔块(空行 通常分隔文本块,但代码样本中的空行却不一定结束代码样本,并且文本块不需要用空行来分隔)。由于需要以不同方式重新格式化每个文本块以生成正确的 HTML 输出,状态机似乎就是自然的解决方案。    Txt2Html 阅读器的一般功能如下:    在初始状态中启动。   读取一行输入。   根据输入和当前状态,转移到新状态或按适合当前状态的方式处理该行。     这个例子是关于您会遇到的最简单的情况,但它说明了我们描述过的以下模式:    Python 中一个简单的状态机输入循环    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 下载从中取出该代码的源文件(请参阅参考资料)。请注意:变量 state 声明为 global,在函数(如 startText())中更改它的值。转移条件,如 textln.match(),是规则表达式模式,但它们可能也是定制函数。实际上,以后会在程序中执行格式化。状态机只将文本文件分析成 blocks 列表中带标签的块。    抽象状态机类  在表单和函数中使用 Python 实现抽象状态机很容易。这使程序的状态机模型比前一个例子中的简单条件块显得更突出(初看,其中的条件与其它条件没有什么不同)。而且,以下类及其关联处理程序在隔离状态中操作方面完成得很好。许多情况下,这改善了封装和可读性。    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
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(出处:http://www.sheup.com)


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