有限状态机（Finite State Machine，简称为 FSM）是一种抽象的计算模型，是一个来源于离散数学中的思想，它用于描述系统或对象在不同状态之间转换的行为。

它由一组状态、转移条件 和 动作 组成。其中：

• 状态：表示系统或对象所处的特定情况；
• 转移条件：定义了从一个状态到另一个状态的条件，在数字系统中它往往是外部输入（摩尔），以及自身的状态输出（米利）；
• 动作：表示在状态转换发生时执行的操作。在基于有限状态机的数字电路系统设计中，动作 往往称之为 输出。（笔者是学电的出生）

有限状态机在软件以及硬件开发中有广泛的应用。

在电子信息工程中，实现有限状态机可以用于描述通信协议的不同状态和状态之间的转换，例如网络协议、串口通信协议等。

在用户界面设计领域，有限状态机可用于管理用户交互的不同状态，例如表单输入的验证、页面导航等。在游戏开发方向，游戏中的角色、游戏流程等可以使用有限状态机进行建模和管理。

在文本处理领域，状态机更是非常实用。我们可以轻松地使用状态机进行及其复杂的文本分析，比如使用状态机实现正则表达式（实际上很多语言提供的正则表达式底层大量使用了状态机实现），又或者是在计算机语言编译或者解释时完成 抽象语法树（AST）的构建。

在自动化控制系统中实现中，有限状态机可以描述设备或机器的工作状态和状态转换规则。

在计算机的核心部件——芯片设计中，有限状态机更加是占据相当重要的地位。笔者最早接触有限状态机大概在 2015 年还在学校学习数字电路设计的时候。当时我们使用 有限状态机 以及 EDA 技术，通过 FPGA 完成各种数字电路的设计作业。

依据有限状态机的状态是否与输出有关，将其分为两大类：莫尔型状态机（Moore State Machine）和 米利型状态机（Mealy State Machine）。

在 莫尔型状态机（Moore State Machine）中，状态机的输出仅取决于当前状态，与输入无关。每个状态都定义了固定的输出动作，与状态转换无关。

在 米利型状态机 （Mealy State Machine）中，状态机的输出取决于当前状态和输入。每个状态都可以定义输出动作，它们可以随着状态转换而改变。

笔者在本文的开篇 1.1 有限状态机简介 中提到：状态：表示系统或对象所处的特定情况。这听起来还有一些抽象，因此本节带领大家进一步剖析何谓 状态。

从我们人类自生的生活中的心情情况来理解 状态，以前我写过一篇介绍机器学习划分数据集的博客（https://blog.csdn.net/qq_28550263/article/details/114892718），给出过这样一个例子：

李华是否打球的决策

以下是李华在过去9天是否打球的历史数据：

上次我们是从决策的角度引出了 决策树 的思想，这次我们仍然使用这个例子（笔者懒得画其它的图了），通过 状态机 的视角来分析与建模。

在这个例子中，其实只有 心情 一项是与李华自身因素有关的，而 是否上课、天气 相对于李华，都可以看作 外部条件。

因此，我们不妨考虑：

1. 将李华的 心情 抽象为不同的状态（显然，这是几个状态可以看作是离散的取值点）；
2. 将 有课与否、天气情况，看作是 外部输入；
3. 将 打球与否 看作是 输出（动作）。
4. 将编号看成日期序号，表示时间尺度上的变化，体现后一个状态与前一个状态之间的逻辑；
5. 假定日期序号切换，状态切换；

现在我们可以依据这九天的李华心情收到输入变化的规律做出以下 变化规律图：

这就是所谓 状态转换图，简称为 状态图。

得到 状态图 后，我们需要将状态变为 计算机能够接受的东西——毕竟计算机也不能理解人类的心情（即使AI也同样需要对现实数据进行抽象）。

实际上，在计算机内部，它并不会关心你状态文字表述的背后含义，仅仅需要机械式地考虑以区分状态的不同。因此对于建模人员来说，我们往往考虑使用最计算机中简单的东西去表示状态，这个过程就称之为 编码。编码方式有很多种，如最省字节的 独热码，等等。不过在软件开发中，出于对编码者的友好，我们更多地使用的是以有具体含义的 字符串 来标识状态。关于 编码 的更多内容我们将在后面继续讨论。

通过上面给出的小案例，我们已经对从时间经过分析到绘制状态转换图的过程有了一定的了解。

对事物建立状态机模型可以通过以下几个步骤完成：

1. 分析归纳：通过对事物的行为进行观察和分析，确定状态和状态转换条件，并将其抽象为状态机模型。

2. 制作状态表格：将状态和状态转换以表格的形式表示，表格中列出了所有可能的输入和对应的状态转换。

3. 绘制状态转换图：使用状态图（State Diagram）绘制状态和状态转换的图形表示。状态图使用状态节点表示状态，使用箭头表示状态之间的转换条件和动作。绘制状态图时，可以使用 UML（Unified Modeling Language）标准中的状态图符号和表示法。在状态图中，状态以圆角矩形或椭圆形节点表示，状态之间的转换使用箭头表示，并标注转换条件和动作。此外，还可以使用初始状态和终止状态符号表示状态机的起始和结束点。

4. 编码状态：有限状态机中的 状态 是离散的有限取值，这样我们可以将其一一列出来，通过一种能区分每个状态的方式对他们进行标识。

在 软件设计中¹ 根据实现方式的不同，有限状态机可以分为以下几种类型：表驱动状态机、基于条件语句的状态机、基于状态模式的状态机、事件驱动状态机：

1. 基于条件语句的状态机（Conditional Statement-Based State Machine）：使用条件语句（例如 if-else、switch（相当于 rust 中用 match））来定义状态转换和动作执行逻辑。

2. 表驱动状态机（Table-Driven State Machine）：使用状态转换表来定义状态和转换条件，通过查表实现状态转换和动作执行。

3. 状态模式（State Pattern）：利用 面向对象编程的特性，将* 状态* 封装为 对象，并通过状态对象之间的切换实现状态转换和动作执行。

4. 事件驱动状态机（Event-Driven State Machine）：基于事件和事件处理机制来驱动状态转换和动作执行，常见于异步编程和事件驱动的系统中。

本节我们先给出分类，在后面的章节中，我们将一一讲解并给出实际案例。

基于条件语句的状态机（Conditional Statement State Machine）通过在 不同的状态下 执行不同的条件语句 来 实现状态的转换和相关逻辑。

每个状态由一个或多个条件语句来描述，并且根据条件语句的结果选择下一个状态。状态机中的状态和状态之间的转换通常通过条件判断来确定。

这种状态机具有以下优点：

1. 简单直观：基于条件语句的状态机实现相对简单，易于理解和调试。状态和状态转换的逻辑直接体现在条件语句中，代码结构清晰明了。
2. 灵活性：使用条件语句可以方便地对每个状态进行个性化的处理，根据不同的条件执行不同的代码逻辑。可以灵活地根据具体需求来设计和修改状态机。

当然它还具有以下不足：

1. 可读性 和 可维护性：随着状态机的状态和转换规则的增加，条件语句的数量和复杂度可能会迅速增加，导致代码可读性和可维护性下降。维护大型状态机可能会变得困难。
2. 扩展性：当需要添加新的状态或修改现有状态时，可能需要修改大量的条件语句，可能会导致代码的脆弱性增加。随着状态机的增长，添加新状态或修改现有状态的复杂度会增加。

这种方式适用于 简单 和 小型 的 状态机，逻辑相对直观和简单的情况下，实现简单且易于理解。但对于复杂的状态机，特别是具有大量状态和状态转换的情况，使用条件语句实现可能会导致代码的可读性、可维护性和扩展性的问题。在这种情况下，使用其他更为结构化和模块化的状态机实现方式，如表驱动的状态机或基于类和方法的状态机，可能更合适。

INI（Initialization）文件格式是一种常见的配置文件格式，用于存储和组织应用程序的配置信息。它由一系列的配置项组成，每个配置项由一个键值对表示。INI文件采用了一种分区（Section）的结构来组织配置项，允许将相关的配置项归类到不同的部分。

以下是INI文件中的主要元素：

1. Section（部分）：Section是INI文件中的顶层结构，用于将相关的配置项进行分组。Section由方括号（[]）括起来，并位于配置项之前。Section的名称在方括号内，并且通常是唯一的，用于标识不同的配置区域。

   示例：[Section1]

2. Property（属性）：Property是配置项的键值对，表示具体的配置信息。每个Property由一个键（Key）和一个值（Value）组成，中间使用等号（=）分隔。键用于标识配置项，值则表示配置项的具体数值。

   示例：Key1 = Value1

3. Comment（注释）：Comment是INI文件中的注释部分，用于提供对配置的说明和备注。注释通常以分号（;）开头，可以在Section、Property或文件任意位置使用。注释不会影响配置项的解析，仅作为文档的一部分。

   示例：; This is a comment

4. 其他规则：

   • 空行：INI文件中的空行会被忽略，可以用于提高可读性和分隔配置区域。
   • 键值对的格式：键值对之间使用等号（=）进行分隔，键和值两侧可以有空格，但通常是不包含空格的。
   • 键和值的转义：在键或值中包含特殊字符时，可以使用转义字符进行处理，如\n表示换行符。
   • 多行值：有些INI解析器支持多行值，可以使用特定的转义字符或换行符来表示一个跨越多行的值。

INI文件格式的简洁性和易读性使其广泛应用于各种应用程序的配置文件、设置文件等场景。虽然INI文件没有严格的规范和标准，但通常可以通过解析器来解析和处理INI文件，以获取其中的配置信息。

use std::collections::HashMap;// 定义状态枚举
enum StatesEnum {Start,       // 起始状态，表示解析器刚开始解析INI字符串Section,     // 节状态，表示当前解析的是节（section）Property,    // 属性状态，表示当前解析的是属性（property）Comment,     // 注释状态，表示当前解析的是注释
}

fn parse_ini_string(input: &str) -> HashMap<String, HashMap<String, String>> {// 初始化解析器的状态和其他变量let mut state = StatesEnum::Start;let mut current_section = String::new();let mut properties: HashMap<String, HashMap<String, String>> = HashMap::new();let mut comments: HashMap<String, Vec<String>> = HashMap::new();// 遍历输入的每一行for line in input.lines() {let line = line.trim();// 如果行以 ';' 开头，表示是注释行if line.starts_with(';') {// 提取注释内容，并根据当前状态将注释添加到对应的section中let comment = line[1..].trim().to_owned();match state {StatesEnum::Start | StatesEnum::Section | StatesEnum::Property => {comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);}_ => {}}state = StatesEnum::Comment;}// 如果行以 '[' 开头并以 ']' 结尾，表示是section行else if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') {// 提取section名称，并更新当前section变量let section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();current_section = section.clone();// 在properties中插入新的section，并初始化该section的属性HashMapproperties.entry(section).or_insert_with(HashMap::new);state = StatesEnum::Section;}// 如果行包含 '='，表示是属性行else if let Some(index) = line.find('=') {// 提取key和value，并将其添加到当前section的属性HashMap中let key = line[..index].trim().to_owned();let value = line[index + 1..].trim().to_owned();properties.entry(current_section.clone()).or_insert_with(HashMap::new).insert(key, value);state = StatesEnum::Property;}// 其他情况下，表示是注释行或空行else {// 根据当前状态将注释添加到对应的section中match state {StatesEnum::Start | StatesEnum::Section | StatesEnum::Property => {let comment = line.to_owned();comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);}_ => {}}state = StatesEnum::Comment;}}properties
}

上面的 if-else 语句该用 后，以后会更好维护：

use std::collections::HashMap;// 定义状态枚举
enum StatesEnum {Start,       // 起始状态，表示解析器刚开始解析INI字符串Section,     // 节状态，表示当前解析的是节（section）Property,    // 属性状态，表示当前解析的是属性（property）Comment,     // 注释状态，表示当前解析的是注释
}// 解析 INI 字符串
fn parse_ini_string(input: &str) -> HashMap<String, HashMap<String, String>> {let mut state = StatesEnum::Start;let mut current_section = String::new();let mut properties: HashMap<String, HashMap<String, String>> = HashMap::new();let mut comments: HashMap<String, Vec<String>> = HashMap::new();// 逐行处理文本for line in input.lines() {let line = line.trim();// 描述各个状态的转换规律match state {// 起始状态（Start）StatesEnum::Start => {// 如果行以 ';' 开头，则为注释if line.starts_with(';') { let comment = line[1..].trim().to_owned();comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);state = StatesEnum::Comment; } // 如果行以 '[' 开头，以 ']' 结尾，则为节（section）else if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') { let section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();current_section = section.clone();properties.entry(section).or_insert_with(HashMap::new);state = StatesEnum::Section; // 进入节状态} // 如果行包含 '='，则为属性（property）else if let Some(index) = line.find('=') { let key = line[..index].trim().to_owned();let value = line[index + 1..].trim().to_owned();properties.entry(current_section.clone()).or_insert_with(HashMap::new).insert(key, value);state = StatesEnum::Property; // 进入属性状态} // 其他情况为注释else { let comment = line.to_owned();comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);state = StatesEnum::Comment; // 进入注释状态}}// 节状态（Section）StatesEnum::Section => {// 如果行以 ';' 开头，则为注释if line.starts_with(';') { let comment = line[1..].trim().to_owned();comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);state = StatesEnum::Comment; // 进入注释状态} // 如果行包含 '='，则为属性（property）else if let Some(index) = line.find('=') { let key = line[..index].trim().to_owned();let value = line[index + 1..].trim().to_owned();properties.entry(current_section.clone()).or_insert_with(HashMap::new).insert(key, value);state = StatesEnum::Property; // 进入属性状态} // 如果行以 '[' 开头，以 ']' 结尾，则为节（section）else if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') { let section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();current_section = section.clone();properties.entry(section).or_insert_with(HashMap::new);} // 其他情况为注释else { let comment = line.to_owned();comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);}}// 属性状态（Property）StatesEnum::Property => {// 如果行以 ';' 开头，则为注释if line.starts_with(';') { let comment = line[1..].trim().to_owned();comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);state = StatesEnum::Comment; // 进入注释状态} // 如果行以 '[' 开头，以 ']' 结尾，则为节（section）else if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') { let section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();current_section = section.clone();properties.entry(section).or_insert_with(HashMap::new);state = StatesEnum::Section; // 进入节状态} // 如果行包含 '='，则为属性（property）else if let Some(index) = line.find('=') { let key = line[..index].trim().to_owned();let value = line[index + 1..].trim().to_owned();properties.entry(current_section.clone()).or_insert_with(HashMap::new).insert(key, value);} // 其他情况为注释else { let comment = line.to_owned();comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);state = StatesEnum::Comment; // 进入注释状态}}// 注释状态（Comment）StatesEnum::Comment => {// 如果行以 '[' 开头，以 ']' 结尾，则为节（section）if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') { let section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();current_section = section.clone();properties.entry(section).or_insert_with(HashMap::new);state = StatesEnum::Section; // 进入节状态} // 如果行包含 '='，则为属性（property）else if let Some(index) = line.find('=') { let key = line[..index].trim().to_owned();let value = line[index + 1..].trim().to_owned();properties.entry(current_section.clone()).or_insert_with(HashMap::new).insert(key, value);state = StatesEnum::Property; // 进入属性状态} // 其他情况为注释else { let comment = line.to_owned();comments.entry(current_section.clone()).or_insert_with(Vec::new).push(comment);}}}}properties
}

有时候如果遇到了一个比较复杂的事物，尤其是事物的某个环节

use std::collections::HashMap;// 定义主状态
#[derive(Debug)]
enum MainState {Start,Section,Comment,
}// 定义子状态
#[derive(Debug)]
enum SubState {Start,Comment,Key,
}

// 解析 INI 字符串
fn parse_ini_string(input: &str) -> HashMap<String, HashMap<String, String>> {let mut main_state = MainState::Start;let mut sub_state = SubState::Start;let mut properties: HashMap<String, HashMap<String, String>> = HashMap::new();let mut current_section: Option<String> = None;// 逐行解析 INI 字符串for line in input.lines() {let line = line.trim();match main_state {MainState::Start => {if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') {// 当遇到新的 Section 时，创建新的 Section 对应的 HashMaplet section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();properties.insert(section.clone(), HashMap::new());current_section = Some(section);main_state = MainState::Section;} else if line.starts_with(';') {main_state = MainState::Comment;}}MainState::Section => {if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') {// 当遇到新的 Section 时，创建新的 Section 对应的 HashMaplet section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();properties.insert(section.clone(), HashMap::new());current_section = Some(section);} else if line.starts_with(';') {sub_state = SubState::Comment;} else if !line.is_empty() {if let Some(section) = &current_section {let section_properties = properties.get_mut(section).unwrap();if let Some(key_value) = extract_key_value(line) {let (key, value) = key_value;// 将键值对添加到当前 Section 的 HashMap 中section_properties.insert(key, value);}}sub_state = SubState::Key;}}MainState::Comment => {if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') {// 当遇到新的 Section 时，创建新的 Section 对应的 HashMaplet section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();properties.insert(section.clone(), HashMap::new());current_section = Some(section);main_state = MainState::Section;}}}match sub_state {SubState::Start => {if line.starts_with(';') {sub_state = SubState::Comment;} else if !line.is_empty() {if let Some(section) = &current_section {let section_properties = properties.get_mut(section).unwrap();if let Some(key_value) = extract_key_value(line) {let (key, value) = key_value;// 将键值对添加到当前 Section 的 HashMap 中section_properties.insert(key, value);}}sub_state = SubState::Key;}}SubState::Comment => {if line.starts_with('[') && line.ends_with(']') {// 当遇到新的 Section 时，创建新的 Section 对应的 HashMaplet section = line[1..line.len() - 1].trim().to_owned();properties.insert(section.clone(), HashMap::new());current_section = Some(section);main_state = MainState::Section;sub_state = SubState::Start;} else if !line.starts_with(';') && !line.is_empty() {if let Some(section) = &current_section {let section_properties = properties.get_mut(section).unwrap();if let Some(key_value) = extract_key_value(line) {let (key, value) = key_value;// 将键值对添加到当前 Section 的 HashMap 中section_properties.insert(key, value);}}sub_state = SubState::Key;}}SubState::Key => {if line.starts_with(';') {sub_state = SubState::Comment;} else if !line.is_empty() {if let Some(section) = &current_section {let section_properties = properties.get_mut(section).unwrap();if let Some(key_value) = extract_key_value(line) {let (key, value) = key_value;// 将键值对添加到当前 Section 的 HashMap 中section_properties.insert(key, value);}}}}}}properties
}

其中：

// 用于提取键值对
fn extract_key_value(line: &str) -> Option<(String, String)> {let parts: Vec<&str> = line.splitn(2, '=').map(str::trim).collect();if parts.len() == 2 {let key = parts[0].to_owned();let value = parts[1].to_owned();Some((key, value))} else {None}
}

可以使用该