有限状态自动机(Finite State Automaton,简称FSA)是一种描述有限状态序列的数学模型,也被称为有限状态机(Finite State Machine,简称FSM)。在计算机科学领域,有限状态自动机广泛应用于文本处理、语言识别、编译原理等方面,是一种非常重要的理论工具。
1. 状态和转移
有限状态自动机由一组状态和一组转移函数组成。状态是表示机器所处的状态,转移函数将输入映射到输出,决定机器接下来要做什么。从一个状态到另一个状态之间的转移需要遵循一定的规则,这些规则可以用一张状态转移图表示。状态转移图中每个节点表示一个状态,每条边表示状态之间的转移,边上的标签表示触发转移的条件。
2. 类型
有限状态自动机分为两种类型:确定性有限状态自动机(Deterministic Finite Automaton,简称DFA)和非确定性有限状态自动机(Nondeterministic Finite Automaton,简称NFA)。DFA在每个状态下只有一条转移路径,任何输入只能触发一条转移路径。NFA则允许在某些状态下有多条转移路径,根据不同的输入可以选择不同的转移路径。
3. 正则语言
有限状态自动机可以表示正则语言,即满足一定规则的字符串集合。正则语言可以用正则表达式表示,正则表达式也可以转换为有限状态自动机。有限状态自动机可以接受一个输入字符串,判断该字符串是否属于某个正则语言,这一过程称为正则表达式匹配。
4. 应用
有限状态自动机在编译原理中的应用非常广泛。在编译器前端中,可以使用有限状态自动机实现词法分析器,将源代码中的字符串转换为一个个单词符号。在编译器后端中,可以使用有限状态自动机生成中间代码,并将其优化为机器代码。此外,有限状态自动机还可以用于图像识别、语音识别、模式匹配等领域。
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