有限状态自动机
有限状态自动机
具有离散 输入 输出系统的一种数学模型 (可以没有输出，比较特殊的也可以没有输 入).
有限的状态 状态+输入状态转移 每次转换的后继状态都唯一 DFA 每次转换的后继状态不唯一 NFA
College of Computer Science & Technology, BUPT
定义: δ’(q,ωa)=δ(δ’(q,ω),a)
对于DFA:δ’(q,a)=δ(δ‘(q, ),a)=δ(q,a)，即对 于单个字符时δ和δ'是相等的。为了方便，以后在 不引起混淆时用δ代替δ'
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11
扩展转移函数适合于输入字符串
L(M) = ω ( q0 , ω) F
例：T = {0，1}
1
0
Start
1
2
1
0
接收含有奇数个0的任意串
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6
有限自动机的五要素
有限状态集 有限输入符号集 转移函数 一个开始状态 一个终态集合
Start
1
q0
0
0
q2 1
1 q1
0
0
q3
1
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7
三、DFA的形式定义
定义: DFA是一个五元组 M=(Q,T,δ,q0,F) Q: 有限的状态集合 T: 有限的输入字母表 δ: 转换函数(状态转移集合): Q×T Q q0: 初始状态， q0 Q F: 终止状态集, F Q
《有限状态自动机》课件
的基础。
设计状态转移图
根据需求，设计状态转移图， 确定各个状态之间的转移关系 。
编写代码实现
根据状态转移图，使用编程语 言编写代码实现有限状态自动 机。
测试与调试
对实现的有限状态自动机进行 测试和调试，确保其正确性和
稳定性。
有限状态自动机的应用场景
02
它由一组状态、一组输入符号 和一个转换函数组成，根据输 入符号的刺激，在有限个状态 之间进行转换。
03
有限状态自动机可以用于描述 和分析各种复杂系统的行为， 如计算机硬件、电路、程序等 。
有限状态自动机的分类
确定有限状态自动机（Deterministic Finite State Machine, DFSM）：在确定有限状态自动 机中，对于任何输入符号，都只有一个状态转换 。
01
文本处理
用于识别和提取文本中的特定模式 和信息。
模式匹配
用于在大量数据中快速查找和匹配 特定模式。
03
02
语法分析
在编译器和解释器设计中，用于识 别和解析语法结构。
人工智能
用于构建智能系统和机器人的行为 模型。
04
有限状态自动机在现实生活中的应用案例
01
02
03
交通信号控制
用于控制交通信号灯的自 动切换，保障交通安全和 顺畅。
故障诊断
用于识别和诊断机械设备 或电子设备的故障模式。
语音识别
用于识别和分类语音信号 ，实现语音控制和交互。
05
总结与展望
有限状态自动机的优缺点
高效性
有限状态自动机在处理离散事件或模 式匹配时非常高效。
简洁性
有限自动机算法
有限自动机算法
有限自动机算法是一种常见的计算机科学算法，也称为状态机算法或有限状态自动机算法。
它是一种用来识别字符串的算法，通常被用于文本处理、编译器设计、自然语言处理等领域。
有限自动机算法基于有限状态自动机的理论，将一个字符串视为一个字符序列，通过状态转移来确定字符串是否符合特定的语法规则。
有限自动机算法通常分为两种类型：确定有限自动机（DFA）和非确
定有限自动机（NFA）。
DFA是一种状态转移图，其中每个状态都有一个唯一的出边，对于一个输入字符，只有一种可能的转移路径。
NFA则允许一个状态拥有多个出边，每一条出边代表一个可能的转移路径，同时，NFA还可以在不确定的情况下选择一条转移路径。
有限自动机算法的核心思想是将一个字符串逐个字符地输入到
状态机中，根据状态转移的规则，判断当前字符是否满足预定的语法规则。
如果符合规则，状态机将进入下一个状态，直到整个字符串被处理完毕。
如果最终状态符合预定要求，那么这个字符串将被认为是合法的。
总的来说，有限自动机算法是一种高效的字符串处理算法，它可以用来判断字符串是否符合特定的语法规则。
在文本处理、编译器设计、自然语言处理等领域中有广泛的应用。
- 1 -。
确定有限状态自动机
确定有限状态⾃动机⽬录思路确定有限状态⾃动机确定有限状态⾃动机（以下简称「⾃动机」）是⼀类计算模型。
它包含⼀系列状态，这些状态中：有⼀个特殊的状态，被称作「初始状态」。
还有⼀系列状态被称为「接受状态」，它们组成了⼀个特殊的集合。
其中，⼀个状态可能既是「初始状态」，也是「接受状态」。
起初，这个⾃动机处于「初始状态」。
随后，它顺序地读取字符串中的每⼀个字符，并转移到下⼀个状态。
当字符串全部读取完毕后，如果⾃动机处于某个「接受状态」，则判定该字符串「被接受」；否则，判定该字符串「被拒绝」。
本题使⽤有限状态⾃动机。
根据字符类型和合法数值的特点，先定义状态，再画出状态转移图，最后编写代码即可。
按照字符串从左到右的顺序，定义以下 9 种状态：0. 开始的空格1. 幂符号前的正负号2. ⼩数点前的数字3. ⼩数点、⼩数点后的数字4. 当⼩数点前为空格时，⼩数点、⼩数点后的数字5. 幂符号6. 幂符号后的正负号7. 幂符号后的数字8. 结尾的空格结束状态：合法的结束状态有 2, 3, 7, 8 。
代码class Solution {public boolean isNumber(String s) {Map[] states = {new HashMap<>() {{ put(' ', 0); put('s', 1); put('d', 2); put('.', 4); }}, // 0.new HashMap<>() {{ put('d', 2); put('.', 4); }}, // 1.new HashMap<>() {{ put('d', 2); put('.', 3); put('e', 5); put(' ', 8); }}, // 2.new HashMap<>() {{ put('d', 3); put('e', 5); put(' ', 8); }}, // 3.new HashMap<>() {{ put('d', 3); }}, // 4.new HashMap<>() {{ put('s', 6); put('d', 7); }}, // 5.new HashMap<>() {{ put('d', 7); }}, // 6.new HashMap<>() {{ put('d', 7); put(' ', 8); }}, // 7.new HashMap<>() {{ put(' ', 8); }} // 8.};int p = 0;char t;for(char c : s.toCharArray()) {if(c >= '0' && c <= '9') t = 'd';else if(c == '+' || c == '-') t = 's';else if(c == 'e' || c == 'E') t = 'e';else if(c == '.' || c == ' ') t = c;else t = '?';if(!states[p].containsKey(t)) return false;p = (int)states[p].get(t);}return p == 2 || p == 3 || p == 7 || p == 8;}}。
有限自动机的原理及示例
计算机组成原理与结构期末论文有限自动机的原理及示例学院：专业：姓名：学号：有限自动机的原理及示例本文将介绍几种重要有限自动机的基本原理，并通过例子说明它们的运行过程。
一． 语言的基本概念一张字母表是一个非空有限集合∑，字母表∑中的每个元素x 称为∑中的一个字母，也称符号、终止符或者字符。
∑中有限个字符1,,n a a 有序地排列起来12n x a a a =就称为∑上的一个字符串，n 称为它的长度。
其中有一个特殊的串ε，它的长度为零。
若1∑和2∑都是字母表，则它们的乘积12∑∑定义为{}12121122,a a a ∑∑=∈∑∈∑：a ，特别地， 0121{}n n ε-∑=∑=∑∑=∑∑∑=∑∑令*01kk k k ∞=∞+=∑=∑∑=∑若*,,x y z ∈∑，且z xy =则称,x y 是z 的子串。
字母表∑上的一种语言是*∑的一个子集L 。
二． 有限状态自动机的原理和运算实例1.基本原理一个有限状态自动机的物理模型通常包括两部分：（1）一个输入存储带，带被分解为多个单元，每个单元存放一个输入符号（字母表上的符号），整个输入串从带的左端点开始存放，而带的右端可以无限扩充。
（2）一个有限状态控制器（FSC ）,该控制器的状态只能是有限个；FSC 通过一个读头和带上单元发生耦合，可以读出当前带上单元的字符。
初始时，读头对应带的最左单元，每读出一个字符，读头向右移动一个单元。
有限状态自动机的一个动作为：读头读出带上当前单元的字符；FSC 根据当前FSC 的状态和读出的字符，改变FSC 的状态；并将读头右移一个单元。
接着给出有限状态自动机的数学模型。
字母表∑上的一个有限状态自动机(FSAM)是一个五元组()0,,,,,FSAM Q q F δ=∑ 其中，i)Q 是一个有限状态的集合；ii)∑是字母表，它是输入带上的字符的集合；iii)0q Q ∈是开始状态；iv)F Q ⊂是接收状态（终止状态）集合；v):Q Q δ⨯∑→是状态转换函数，(,)q x q δ'=表示自动机在状态q 时，扫描字符x 后到达状态q '。
有限状态自动机
有限状态自动机是正则表达式处理的基础，用于匹配字符串中的特 定模式。
05
有限状态自动机的优缺点
优点
简单易理解
有限状态自动机是一种简单直观的模型，其结构和行为都 可以很容易地理解和描述。
01
高效处理
由于其有限的状态集合，有限状态自动 机在处理某些类型的问题时非常高效。
02
03
可预测性
有限状态自动机的行为是确定性的， 也就是说，给定相同的输入，有限状 态自动机将始终产生相同的结果。
研究方向
并发有限状态自动机
研究并发有限状态自动机的理论、性 质和算法，以及它们在并发系统中的
应用。
模糊有限状态自动机
研究模糊有限状态自动机的理论、性 质和算法，以及它们在模糊系统和模
糊控制中的应用。
概率有限状态自动机
研究概率有限状态自动机的理论、性 质和算法，以及它们在随机系统和不 确定性处理中的应用。
03 FPGA实现
使用现场可编程门阵列（FPGA）实现有限状态自 动机，通过配置逻辑门实现状态转移。
软件实现
01 编程语言实现
使用高级编程语言（如Python、Java、C）编写 有限状态自动机的程序，通过编程语言语法实现 状态转移。
02 脚本语言实现
使用脚本语言（如Shell脚本、Python脚本）编写 有限状态自动机的程序，通过脚本语言执行状态 转移。
缺点
适用范围有限
01
有限状态自动机在处理复杂问题时可能会遇到困难，因为这些
问题可能需要无限的或连续的状态。
缺乏灵活性
02
由于其有限的状态集合，有限状态自动机在处理某些问题时可
能不够灵活。
无法处理非确定性问题
形式语言自动机——有限自动机
形式语言自动机——有限自动机有限自动机是形式语言自动机中最简单的一种类型，它具有有限个状态和一定的转移规则。
一个有限自动机包含以下几个要素：1.状态集合：有限自动机通过状态集合来描述它的内部状态。
每个状态代表了自动机所处的一些特定状态，例如开始状态、结束状态等。
2.输入字母表：输入字母表是指自动机能够接受的输入符号的集合。
每个输入符号在自动机的状态转移中起着关键的作用，它触发了状态的变化。
3.转移函数：转移函数定义了自动机状态之间的转移规则。
它接受来自输入字母表的输入符号和当前状态作为输入，返回下一个状态作为输出。
4.初始状态和接受状态：初始状态是自动机的起始状态，它是自动机开始处理输入时的初始状态。
接受状态是自动机达到的一种终止状态，它表示自动机已经接受了整个输入。
有限自动机的工作原理可以简述为以下几个步骤：1.从初始状态开始，根据输入符号进行状态转移。
2.在每次状态转移后，根据转移函数返回的下一个状态继续进行状态转移，直到达到接受状态或输入用尽。
3.如果最终达到了接受状态，则自动机接受了整个输入；否则，自动机拒绝该输入。
有限自动机可以描述和识别各种不同的形式语言。
它能够处理的语言包括正则语言、上下文无关语言和上下文相关语言等。
通过对有限自动机的状态和转移规则的定义和设计，可以将输入串按照预期的形式语言规则进行解析和处理，是编程语言编译器、字符串模式匹配等领域的基本技术。
有限自动机具有简单、易于实现和高效的特点。
它的状态转移规则可以通过转移表或状态转移图直观地表示出来，便于对自动机进行设计和分析。
虽然有限自动机的能力有限，无法处理具有复杂语法和上下文依赖的语言，但它在很多实际应用中能够提供有效的解决方案。
总而言之，有限自动机作为形式语言自动机的一种基本形式，具有较简单的结构和规则，广泛应用于形式语言的表示、识别和处理中。
通过对有限自动机的理论和实践研究，可以深入理解形式语言的本质和特性，为计算机科学中的语言处理和编程技术提供基础支持。
形式语言与自动机06章 有限状态自动机和有限状态语言-1
状态图形式
1
q0 0 1 0 q1
状态图
状态图是一个有向、有循环的图。 一个节点表示一个状态； 若有
(q, x)= q' ， 则状态q到状态q'有一条有向边，并 用字母x作标记。
一个圆圈代表一个状态， ‘→’指向的状态是开始状态， 两个圆圈代表的状态是接收状态。
6.2 FSAM识别的语言
L(M)表示被FSAM
定义6-8 FSAM的瞬时描述(格局)
瞬时描述是一个二元式：
(q, y)；或qy 其中： y ∈ ∑*， y是输入带上还没有被扫描到的字符 串，FSC当前状态为q，读头将马上扫 描y串的最左边第1个符号。
格局转换
格局可以发生转换(改变)，格局发生
转换的原因是由于函数的一次作用。 如果当前格局为：qar， 函数为：(q, a) = q'， 则下一格局为： q'r
另外，状态q3，可以扫描剩余的所有 字母。
状态转移图
1
1 q0 0,1
0 1
q1
0
q2
0
q3
思考:
开始状态的作用是什么?
如果需要语言
L∪{ε} 如何修改有限状态自动机?
状态图为
0,1 q0 1
0
1 0
q1
q2 1
0
q3 1
0
q4
例6-5
构造有限状态自动机M，识别{0，1}
有限状态自动机的物理模型
b r e a k t h r …
FSC
物理模型
一个输入存储带，带被分解为单元，
每个单元存放一个输入符号(字母表 上的符号)，整个输入串从带的左端 点开始存放. 带的右端可以无限扩充；
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非确定有限状态自动机
• 从状态图模型的角度考虑，NFA可以认为 是允许从一个状态引申出去的两个箭头拥 有同一个标记
31
NFA的形式定义
32
非确定有限状态自动机
• 在这种情况下，对于同一个输入序列，自 动机可能会有多条不同的转移路径，此时 只需有一条路径最终到达终结状态，即认 为该输入是可接受的 • 由于这样的特性，非确定有限状态自动机 具有更好的灵活性，往往能用较少的状态 来表示相同的可接受输入集合 • 同时，在许多问题当中，它的构造形式也 更符合人的直观思维
• 根据输出机制的不同，具有输出的有限自 动机又可以分为摩尔（Moore）机和米利 （Mealy）机两种 • 摩尔机的输出只与自动机当前所处的状态 有关 • 米利机的输出与自动机当前所处的状态以 及面临的输入有关
37
摩尔机的形式定义
38
米利机的形式定义
39
自动机与正则表达式
• 正则表达式是在计算机当中很常见的一种 表示方法，常常用于描述和匹配符合特定 规则的字符串 • 正则表达式的定义十分简单，通过字符表 中的元字符，只使用连接、并集和闭包三 种运算 • 在许多著名的文本编辑器和集成环境当中， 如vi、grep、Editplus等等，都提供了对正 则表达式的支持
14
生活中的自动机
• 当你去银行的自动提款机上取现金时，这 台机器的计算机程序将指示你的操作 • 在这个程序中，所有可能的用户操作都被 保存成为有限状态自动机的形式 • 你每按一个按钮，有限状态自动机便自动 将你导向图中的另一座―岛屿‖ • 这些―岛屿‖在计算机中有相应的提示，比如 ―提取100元现金‖，―打印回条‖或者―取出您 的磁卡‖
19
实践与思考
• 在表示自动机的图（a）中，下面哪些输入能被接受
– – – – – – AB BABAA ABBBA AAABABA AAABA 的共同点么？
20
实践与思考（作业）
• 在表示自动机的图（b）中，下面哪些输入能被接受
– – – – – – – AB BA ABAB AABB ABABA ABBA 能描述出被图（b）接受的指令的共同点么？
8
岛屿地图
9
寻宝游戏
• 请将以下形式的卡片对折，让没有目的地 信息的一面向上，这样你只能在到达某个 岛屿之后，才能―询问‖岛屿的每艘船的目的 地——只需将卡片翻过来即可
10
寻宝游戏
• 首先请准备一张如前面所示的空白的藏宝 图，选择A船或者B船从海盗岛启程 • 在到达下一个岛屿前，在地图上画上箭头 并做好标签，因为过一会儿你可能会又回 到这个岛屿，这样就能记起上一次你选择 的路线，避免重复 • 持续这个过程，相信你很快就会找到金银 岛了，加油！
6
寻宝游戏
• 比如，在下面的小地图中，如果你从海盗 岛启程，搭乘船A，你将会抵达船难湾；如 果你再次搭乘船A，你将会回到海盗岛
7
寻宝游戏
• 现在我们换一张有7座岛屿的地图，你的目 标是找到从海盗岛到金银岛的路线 • 唯一的问题是，地图上并没有标出箭头， 你需要自己去探索旅行的路线 • 为了达成这个目标，你可以问每座岛上的A 船或B船各驶向哪里 • 后面我们将具体解释如何进行这个游戏， 从而了解自动机的构造形式
4
寻宝游戏
• 我们将通过一个游戏来学习有关有限状态 自动机的概念和知识 • 你既可以和几个伙伴一起来玩这个游戏 （参见视频），也可以自己一个人来玩 （使用卡片）
5
寻宝游戏
• 设想一下你现在处于只有岛屿的世界，海 盗船来往于不同的岛屿之间 • 幸运的是，海盗们都非常友善，而且乐于 让旅行的人―搭便船‖ • 每个岛屿配备了两艘船A和B，你可以任选 其一开始你的旅途 • 每当你到达一个岛屿，你都能再选一艘船A 或B，但不能同时选两个
40
自动机与正则表达式
• 大家可能最为熟悉的文本处理器应当是MS Word，还记得当中的―?‖以及―*‖的作用么？ • 正则表达式与有限状态自动机是完全等价 的，可以相互转换，有兴趣的同学请自学 相关的知识，试试用正则表达式描述前面 那三个自动机所表示的序列
41
参考资料
• 更多关于自动机的内容，例如怎样确定化 NFA，正则表达式与自动机如何转化，可 以参考以下的文献
17
自动机的表示
• 如果某个输入的序列（例如BBAB），能够 从初始状态，经过状态转移之后，到达―终 结状态‖，则说明这一输入是―可接受的‖ （acceptable） • 在我们的例子中，―可接受‖表示这是一条正 确的寻宝路线（并不一定是最短最好的）， 在其他自动机的应用中，接受状态可能有 更具体的含义，如检查输入是否构成有效 的命令序列
15
自动机的表示
• 计算机科学家们使用圆圈来表示每座岛屿， 用箭头指示移动的方向，从而用有限状态 自动机的形式画出寻宝地图
16
自动机的表示
• 在上图中，最终藏有宝藏的岛屿用双线圆 圈表示，最开始出发的岛屿由没有标记的 箭头指示（数字1） • 用自动机的术语来说，一个岛屿被称为一 个状态（state），―金银岛‖则被称为终结状 态（accept state） • 之所以称为状态是因为它说明了在有了之 前的输入后（输入A或输入B），你进入了 自动机过程中哪一个阶段的结果
– 《自动机理论、语言和计算导论》 – 《形式语言与自动机理论》 – 《编译原理》
42
无处不在的自动机
• 自动机对我们生活的影响力之大可能会超 出你的想象，它的应用场景可以说是无处 不在的
– BBS信息监测系统 – 自动售货机 – 图像压缩和图像增强 – 网络入侵检测 – 信息爆发度检测 – XML文本匹配
44
谷歌的PageRank算法
PR( p i ) PR(a ) q (1 q) i 1 C ( p i )
n
A
B
C
D
E
F
15% probability of a random jump
PageRank算法迭代结果
Q&A
25
自动机的应用
• 使用如上图所示的自动机，选择状态图上 任意的路径并记录得到的单词，便可以构 造合法的句子 • 同样，这个自动机也可以用来由识别用户 输入的句子，检查其是否符合特定的―模式‖ • 试着自己设计一个能造句的FSA，并让其他 人使用你的FSA来造句
26
识别美元的自动机
27
识别派生词的自动机
18
有限状态自动机
• 至此，我们对于―有限状态自动机‖这个听起 来很复杂的名字，终于可以明确其意义了
– ―有限‖（finite）是指在逻辑图中有有限数量的 状态（如岛） – ―状态‖（state）是游戏中岛屿的别称 – ―自动机‖（automaton）是指能遵循简单规则自 主运行的机器，即根据当前状态和输入决定所 转移的下一个状态的机制
43
无处不在的自动机
• 世界上最庞大的、无数人每天都会用到的 自动机是什么？那就是我们使用的万维网 • 每个网页就好比一座岛屿，页面上的链接 就是行驶在岛屿之间的船只 • 截止2009年，中国的网页数量已经超过了 300亿，但网络仍然是个有限状态自动机 • Google这样的搜索引擎公司也正是基于这 一点，依靠―爬虫‖（crawling）在网页链接 间的探索，为我们提供索引信息
2我们前面介绍的，都属于确定型的有限状 态自动机（Deterministic Finite Automation, DFA） • 与之相对应的还有非确定型的有限状态自 动机（Nondeterministic Finite Automata, NFA） • 这里是所说的―确定‖，主要指的是状态转移 函数，非确定意味着在某个状态的相同输 入下可能会有不同的转移状态
33
非确定有限状态自动机
• 但是，非确定机也就意味着状态转移不再 是唯一的了，这使得我们在用计算机实现 时遇到了困难（还记得算法的定义么？） • 幸运的是，我们可以通过一定的转换规则， 将非确定自动机变化为确定型的有限状态 自动机，这个过程称为自动机的确定化 • 一般的，我们可以先构造非确定型的有限 状态自动机，再将其确定化以满足需要
11
实践与思考
• 你能找到通往金银岛的路线么？请标记好 你在地图上发现的路线 • 当你完成了整幅地图之后，能指出去金银 岛的最短航线么？ • 你能找到包含有回路（即循环访问某些岛 屿一次以上的）并能最终抵达金银岛的航 线么？
12
路线藏宝图
13
有限状态自动机
• 经过这个游戏，我们对有限状态自动机已 经有了初步的认识 • 游戏中的每一次航行，都只取决于你当前 所在的岛屿以及你所选择的船只 • 岛屿即表示自动机的状态，船只即表示自 动机的输入 • 生活中的许多场景，也许你未曾留意，但 实际上都是有限状态自动机的模式
35
具有输出的有限自动机
• 具有输出的有限状态自动机，一般没有终 结状态集，不存在―接受‖或者―拒绝‖输入序 列的问题 • 在读入输入串的过程中，自动机的状态不 断改变，并且在每个状态上都有输出 • 一般的有限状态自动机可以看作只有0、1 两种输出的自动机：终结状态输出1，非终 结状态输出0
36
具有输出的有限自动机
有限状态自动机
Automaton a machine without feelings
引言
• 计算机很重要的一个任务就是理解用户的 输入信息，并进行相应的处理 • 输入信息的形式可能是多种多样的
– 敲击键盘 – 点击按钮 – 动作手势
• 有一种简单而有效的处理方法是有限状态 自动机（finite state automaton）
2
概要
• 这一章我们将介绍有关有限状态自动机的 基本知识
– 背景 – 形式定义 – 构造方式 – 应用示例
3
有限状态自动机
• 计算机程序通常要处理一系列的符号，例 如文档、网页中的字母或词语，甚至包括 另一个计算机程序中的文本 • 计算机科学家们常常使用一种称为有限状 态自动机（FSA）的流程图来处理这些输入 • 尽管这些流程图非常简单，它们却能适用 于许多问题，不仅能处理输入的文本信息， 还能设计计算机界面和寻找图像规律