Eine State-Machine (oder Zustandsmaschine) ist ein Modell aus der Informatik und Systemtheorie, das ein System durch eine endliche Menge von Zuständen, Übergängen zwischen diesen Zuständen und Aktionen beschreibt. Diese Maschine wird häufig verwendet, um das Verhalten von Software, Hardware oder auch abstrakten Systemen zu modellieren. Hier sind die wesentlichen Komponenten und Konzepte einer State-Machine:
-
Zustände (States): Ein Zustand repräsentiert einen bestimmten Status oder eine Konfiguration des Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt. Jeder Zustand kann durch eine Menge von Variablen beschrieben werden, die den aktuellen Kontext oder die Bedingungen des Systems festhalten.
-
Übergänge (Transitions): Übergänge definieren den Wechsel von einem Zustand in einen anderen. Ein Übergang wird durch ein Ereignis oder eine Bedingung ausgelöst. Zum Beispiel kann der Druck auf einen Knopf in einem System ein Ereignis sein, das einen Übergang auslöst.
-
Ereignisse (Events): Ein Ereignis ist eine Aktion oder ein Input, der in das System eingespeist wird und möglicherweise einen Übergang zwischen Zuständen auslöst.
-
Aktionen (Actions): Aktionen sind Operationen, die als Reaktion auf einen Zustandswechsel oder innerhalb eines bestimmten Zustands ausgeführt werden. Diese können sowohl vor als auch nach einem Übergang stattfinden.
-
Startzustand (Initial State): Der Zustand, in dem das System anfängt, wenn es initialisiert wird.
-
Endzustände (Final States): Zustände, in denen das System als abgeschlossen oder beendet betrachtet wird.
Typen von State-Machines
-
Deterministische endliche Automaten (DFA): Jeder Zustand hat für jedes mögliche Ereignis genau einen festgelegten Übergang.
-
Nicht-deterministische endliche Automaten (NFA): Zustände können mehrere mögliche Übergänge für ein Ereignis haben.
-
Mealy- und Moore-Maschinen: Zwei Arten von Zustandsmaschinen, die sich durch die Art und Weise unterscheiden, wie die Ausgaben erzeugt werden. Bei einer Mealy-Maschine hängen die Ausgaben von den Zuständen und den Eingaben ab, während sie bei einer Moore-Maschine nur von den Zuständen abhängen.
Anwendungen
State-Machines werden in vielen Bereichen eingesetzt, darunter:
- Softwareentwicklung: Modellierung von Programmabläufen, insbesondere bei eingebetteten Systemen und Spieleprogrammierung.
- Hardwaredesign: Schaltungsdesign und -analyse.
- Sprachverarbeitung: Parsing und Erkennung von Mustern in Texten.
- Regelungstechnik: Steuerungssysteme in der Automatisierungstechnik.
Beispiel
Ein einfaches Beispiel einer State-Machine ist ein Getränkeautomat:
- Zustände: Wartet auf Münzeinwurf, Auswahl eines Getränks, Ausgabe des Getränks.
- Übergänge: Einwurf einer Münze, Auswahl eines Getränks, Ausgabe des Getränks und Rückgabe des Wechsels.
- Ereignisse: Einwurf von Münzen, Auswahlknopf drücken.
- Aktionen: Münzen zählen, Getränk freigeben, Wechselfach öffnen.
Durch die Verwendung von State-Machines können komplexe Systeme strukturiert und verständlich modelliert werden, was die Entwicklung, Analyse und Wartung erleichtert.
