Код без тайн

Конечные автоматы: волшебная палочка для распутывания сложной логики

#информатика #конечныеавтоматы

В одном из прошлых постов я коротко освятил тему конечных автоматов: как они могут помочь при написании кода со сложной логикой и где они встречаются в жизни

Теперь покажу классический пример реализации логики турникета, который открывается при опускании жетона

Для примера я буду использовать язык Python

Типичный подход к решению таких задач часто выглядит как набор условных операторов if-else:

def process_turnstile(action):

# Если закрыто:
if current_state == "locked":
if action == "coin":
# Логика при опускании жетона
elif action == "push":
# Логика при нажатии на турникет

# Если открыто:
elif current_state == "unlocked":
if action == "coin":
# Логика при опускании жетона
elif action == "push":
# Логика при нажатии на турникет

# И так далее...

У такого кода есть проблемы: его практически невозможно масштабировать и он подвержен ошибкам при добавлении новых условий

Кроме того, он просто не красивый из-за большого количества вложенных условий

Элегантное решение с помощью паттерна конечного автомата

Конечный автомат (finite state machine) — это математическая модель, которая в любой момент времени может находится только в одном состояний из конечного множества

В ответ на внешнее воздействие автомат может перейти из одного состояния в другое по заданным правилам

Давайте подумаем: какие состояния могут быть у турникета?

Естественно, он может быть либо открыт, либо закрыт:

class State:
LOCKED = "ЗАКРЫТО"
UNLOCKED = "ОТКРЫТО"

А какое воздействие на него можно оказать?

Можно попытаться пройти через закрытый турникет и столкнуться с суровой реальностью, а можно опустить жетон и не привлекать внимание охранника

Следовательно, мы можем определить действия как:

class Action:
COIN = "ЖЕТОН"
PUSH = "НАЖАТЬ"

Затем, вместо вложенных условий if-else можно определить правила перехода из состояния в состояние для каждой комбинации состояние-действие:

transitions = {
(State.LOCKED, Action.COIN): State.UNLOCKED,
(State.LOCKED, Action.PUSH): State.LOCKED,
(State.UNLOCKED, Action.COIN): State.UNLOCKED,
(State.UNLOCKED, Action.PUSH): State.LOCKED
}

Это еще называется таблицей переходов

Преимущества такого подхода очевидны:

Детерминированность (определенность)

Система всегда находится в одном из заранее определенных состояний и каждый переход однозначно определен. Следовательно, поведение системы предсказуемо

Масштабируемость

Таблицу переходов легко расширить в будущем, а новые правила не создают конфликтов в работе старых правил

Тестируемость

Каждый переход можно протестировать изолированно

Пример работы программы

Чтобы запустить программу достаточно создать экземпляр «турникета», а затем отправлять ему действия, которые и будут служить внешним воздействием:

# Демонстрация работы
t = Turnstile()
t.process(Action.PUSH) # Останется LOCKED
t.process(Action.COIN) # Станет UNLOCKED
t.process(Action.COIN) # Останется UNLOCKED
t.process(Action.PUSH) # Станет LOCKED

В результате получим:

НАЖАТЬ | ЗАКРЫТО → ЗАКРЫТО
ЖЕТОН  | ЗАКРЫТО → ОТКРЫТО
ЖЕТОН  | ОТКРЫТО → ОТКРЫТО
НАЖАТЬ | ОТКРЫТО → ЗАКРЫТО

Реальные применения

В этом примере было всего 2 состояния и 2 действия, то есть 2*2 = 4 сценариев поведения

А представьте сложную систему, у которой может быть значительно больше состояний и действий. Описывать такую логику в виде условий if-else — очень сложно, к тому же это может создать ошибки

Конечные автоматы — это не просто теоретическая концепция, а практический инструмент, способный значительно упростить логику вашего приложения

В частности, большинство чат-ботов работают именно по такому же принципу:

На вход они получают текстовое сообщение, которое преобразуется в действие. Затем происходит переход в новое состояние: отправляется сообщение, файл или совершается любое другое действие

Полный код примера с турникетом я опубликовал в открытом доступе на Python Fiddle

Python-Fiddle

Python-Fiddle: Online Python IDE, Compiler, and Interpreter

Run Python code in your browser. Share code snippets with others.

👍5

479 views13:12