DFA的编程实现(含源代码、实验报告)剖析

实验一（一）程序设计语言及其编译器实现概览（2小时）
实验目的：学习一门简单的程序设计语言的定义及其编译器实现
实验任务：针对一门简单的程序设计语言，阅读其定义文档，初步了解其编译器的源代码。

实验内容：
（1）选择一门语言：TINY或其它语言也可（需自备其编译器的源代码）。

（2）阅读其定义文档，了解语言定义的方法，包括：词法、语法、语义、运行时环境、目标机器、目标语言等内容。

（3）了解其编译器源代码。

•对TINY语言编译器，其源代码由多个文件组成，请弄清楚每个文件的作用是什么。

详情请见《编译原理及实践》第 1.7节。

请做一个C++工程文件（Win32 Console Application, tiny.dsp），把它们组织起来，然后编译成可执行文件(tiny.exe)，即为TINY 语言编译器。

然后用它编译TINY语言示例源代码(sample.tny)。

看看编译生成的目标文件(sample.tm)是怎样的。

要运行目标程序，还需要一个虚拟机，名为TM机。

TM 机是以软件形式存在的，其源代码为tm.c，需要编译生成可执行文件tm.exe。

然后将目标程序作为TM机的输入运行TM机即可得到所期待的结果。

要求读懂main.c、globals.h、util.h、scan.h和util.c、scan.c等文件，三人一组进行讨论，给每一行加上注释，总结你们各自对程序的理解和阅读程序的收获，每组提交1份加了注释的文件和心得。

有能力的同学可加上tm.c。

实验一（二）DFA的编程实现（2小时）
实验目的：通过本次实验，加深对DFA及其识别的语言的理解，学习对一般的DFA的表达方法与编程实现方法。

实验任务：编写一个C语言程序，模拟实现DFA识别字符串的过程。

实验内容：（1）DFA的输入；（2）DFA的存储与读写；（3）DFA的正确性检查；（4）DFA 的语言集列表显示；（5）DFA的规则字符串判定；
内容说明：
（1）DFA的输入：
分别输入DFA的“字符集”、“状态集”、“开始状态”、“接受状态集”、“状态转换表”等内容，并保存在设定的变量中。

（2）DFA的存储与读写：
将上述DFA的五元组保存在一个文本文件中，扩展名指定为.dfa。

请自行设计DFA文件的存储格式，并说明其含义。

能将保存在内存变量中的DFA写入DFA文件，也能将DFA 文件读入内存中。

（思考：对稀疏DFA（转换表中为空的地方较多）或用“或”表达转换的DFA（如下的测试用例三），如何改进DFA转换表的表达。

）
（3）DFA的正确性检查：
检查所有集合的元素的唯一性。

检查“开始状态”是否唯一，并是否包含在“状态集”中。

检查“接受状态集”是否为空，并是否包含在“状态集”中。

检查“状态转换表”是否满足DFA的要求。

检查“状态转换表”并非填满时的处理是否得当…
（4）DFA的语言集列表显示：
输入待显示的字符串的最大长度N，输出以上定义的DFA的语言集中长度≤N的所有规则字符串。

（提示：注意算法中while循环的次数）
（5）DFA的规则字符串判定：
输入（或用字符集随机生成）一个字符串，模拟DFA识别字符串的过程判定该字符串是否是规则字符串（属于DFA的语言集）。

测试用例：
DFA（一）
DFA（二）
DFA（三）
实验要求：
按照《编译原理及实践》参考书第二章中描述的“while循环+双层case选择”的算法
编程实现一般的DFA。

要求能通过以上三个测试用例的测试。

完成内容中（1）（5）部分，可得C。

完成内容中（1）（2）（5）部分，可得B。

完成内容中（1）（2）（4）（5）部分，可得A。

完成全部内容，可得奖励。

判定算法概要：
准备：开始状态s0, 接受状态集F, 状态转换表T(s, c), s∈S, c∈∑
c = getchar();
s = 开始状态s0;
while ( c != EOF ) // 输入未结束则循环…
{
s = T(s, c);
if (s == NULL)
error();
c = getchar();
}
if (s ∈接受状态集F)
accept ();
else
error ();
通用DFA存储格式的建议：（用以上的第三个测试DFA为例）
3 // 字符集中的字符个数(以下两行也可合并成一行)
/ * o // 以空格分隔的字符集。

O代表任意非/和*的字符
5 // 状态个数(以下两行也可合并成一行)
1 2 3 4 5 // 状态编号。

若约定总是用从1开始的连续数字表示，则此行可省略
1 // 开始状态的编号。

若约定为1，则此行可省略
1 // 结束状态个数。

若约定为1，则此行可省略
5 // 结束状态的编号
2 -1 -1 // 状态1的所有出去的转换。

按字符集中的字符顺序给出。

-1表示出错状态
-1 3 -1
3 4 3
5 4 3
-1 -1 -1
实验报告：
同时上交纸质报告与电子版报告。

纸质报告以实验分析、实验中遇到的问题及解决方法、实验测试（含屏幕截图）、实验心得等为主，不得大量引用源程序（引用源程序总行数不得超过100行）。

电子版报告以源程序、测试用例、输出文件等为主，包括纸质报告的电子版，须确保提并的源程序能编译运行，否则不要上交。

电子版请发送到****************，邮件标题请写明学号、姓名与实验编号，形如：<实验一> <学号> <姓名>。

不得抄袭实验报告与源程序，否则后果自负！
提高内容：
（1）图形化的用户界面；
（2）任意DFA的状态转换图、状态转换表的图形绘制；
附实验报告源码
实验一DFA的编程实现
实验目的：
通过本次实验，加深对DFA及其识别的语言的理解，学习对一般的DFA的表达方法与编程实现方法。

实验任务：
编写一个C语言程序，模拟实现DFA识别字符串的过程。

实验内容：
（1）DFA的输入；（2）DFA的存储与读写；（3）DFA的正确性检查；（4）DFA的语言集列表显示；（5）DFA的规则字符串判定；
实验分析：
DFA的初始化
一个DFA的基本信息状态集、字符集、开始状态、结束状态集、状态转换表；
在程序中状态集、字符集、开始状态、结束状态集都用string类型来表示，即可不用考虑用户输入内容的长度。

但缺点是字符集只能是字符而不可以是字符串。

状态转换表：为三个字符的字符串，第一个为当前状态，第二个为输入字符，第三个为下一状态。

用vector容器存放转换函数的内容
字符串判断
初始化一个DFA，后可以通过一下算法判断一个字符串是否符合该DFA。

判定算法概要：
准备：开始状态s0, 接受状态集F, 状态转换表T(s, c), s∈S, c∈∑
c = getchar();
s = 开始状态s0;
while ( c != EOF ) // 输入未结束则循环…
{
s = T(s, c);
if (s == NULL)
error();
c = getchar();
}
if (s ∈接受状态集F)
accept ();
else
error ();
在实际编写代码中的体现为
void identify() //判断字符串
{
cout<<"请输入字符串"<<endl;
string str;
cin>>str;
int i=0;
char present=StartStates;
while(i<str.length())
{
present=move(present,str[i]);//move函数即去遍历转换表，返回下个状态
if(present=='N') // N 即为move返回错误的状态，
{
break;
}
i++;
}
if(FinalStates.find(present)!=FinalStates.npos)//如果返回的状态用find函数属于最终状态集则表示识别
cout<<"该自动机识别此字符串"<<endl;
else
cout<<"该自动机不识别此字符串"<<endl;
}
对DFA的存储与读写
将DNF的信息写入文件中，
第一行：字符集；
第二行：状态集;
第三行：开始状态；
第四行：结束状态集；
以下行写入状态转换表
按照既定的规定读取文件
中的数据将其赋值，然后
初始化DFA即可；
DFA的语言集列表显示：
这一个模块应该是这个实验中比较难的一部分了。

我并没有使用while循环的这个做法。

而是用函数递归，通过所有字符集的路径去遍历整个DFA。

最后将符合条件的字符串输出；
void Traversal(char present, int N,string strass="")//遍历DFA的语言集列表
{
if(present=='N'||N<0)//若路径已经大于N或者当前状态错误，停止递归return;
N--;
if(FinalStates.find(present)!=FinalStates.npos)
{
cout<<"该自动机识别字符串:"<<strass<<endl;
}
for(int i=0;i<Alphabet.length();i++)
{
string temp;
temp=strass;
strass+=Alphabet[i];
Traversal(move(present,Alphabet[i]),N,strass);
strass=temp;
}
}
递归终止条件的判断。

当N-- 时， N小于0，或者遍历到无路可走是便终止
遇到的问题:
对于递归的终止条件写得不够明确。

递归前对字符串赋值strass赋值，递归后应该还原，这一点没有想到。

调试了很久。

总结，对递归的具体编写还是不熟悉。

目前的代码，字符集和状态只能是一个字符，若要优化可以用vector<string>容器存储即可；
实验用例：
实验结果：DFA的初始化
判断字符串：
显示小于N的语言集：读取DFA文件：
实验总结：
在这次实验中，学习对一般的DFA的表达方法与编程实现方法。

对课本提供的算法有了更深刻的认识。

在编写和调试代码的过程中对自身的编程能力也有了很大的提高。

对自动机和其识别语言有了更透彻的理解。

在动手编程之前一定要好好明确实验的理论准备和思路的理清，能帮助我们在实验过程中少走更多的弯路。

总之在这次实验中收获很多，提高了动手能力和分析问题的能力。

源代码：
//构造一个DFA
#include<iostream>
#include<string>
#include<vector>
#include<fstream>
using namespace std;
class TransitionTable
{
public:
char present; //当前状态
char next; //下一状态
char input; //输入字符
TransitionTable(char P,char I,char D)
{
present=P;
next=D;
input=I;
}
};
class DFA
{
public:
DFA()
{
cout<<"1、手动输入，2、读取txt文件"<<endl;
int select;
cin>>select;
if(select==1)
inti();
if(select==2)
read();
}
string States; //状态集
char StartStates; //开始状态
string FinalStates; //结束状态集
string Alphabet; //字符集
vector<TransitionTable> Trans; //转换函数
void inti() //初始化自动机
{
cout<<"请输入有限状态集S："<<endl;
cin>>States;
cout<<"请输入字符集A："<<endl;
cin>>Alphabet;
cout<<"请输入转换函数MOVE --格式为：当前状态-输入字符-下一状态：(输入#结束输入)"<<endl;
int j=0;
while(true)
{
char input[4];
cin>>input;
if(strcmp(input,"#")==0)
break;
TransitionTable Temp(input[0],input[1],input[2]);
Trans.push_back(Temp);
}
cout<<"请输入开始状态集S0："<<endl;
cin>>StartStates;
cout<<"请输入结束状态集F："<<endl;
cin>>FinalStates;
}
void identify() //识别字符串
{
cout<<"请输入字符串："<<endl;
string str;
cin>>str;
int i=0;
char present=StartStates;
while(i<str.length())
{
present=move(present,str[i]);//move函数即去遍历转换表，返回下个状态
if(present=='N')// N 即为move返回错误的状态，
{
break;
}
i++;
}
if(FinalStates.find(present)!=FinalStates.npos)//如果返回的状态用find函数属于最终状态集则表示识别
cout<<"该自动机识别此字符串"<<endl;
else
cout<<"该自动机不识别此字符串"<<endl;;
}
char move(char P,char I) //move 转换函数
{
for(int i=0;i<Trans.size();i++)
{
if(Trans[i].present==P&&Trans[i].input==I)
return Trans[i].next;
}
return 'N';
}
void read() //从txt文件中读取DNF的信息
{
char temp[10];
fstream ff("DNF.txt",ios::in);
ff.getline(temp,10);
Alphabet=temp;
ff.getline(temp,10);
States=temp;
ff.getline(temp,10);
StartStates=temp[0];
ff.getline(temp,10);
FinalStates=temp[0];
while(!ff.eof())
{
ff.getline(temp,10);
TransitionTable Temp(temp[0],temp[1],temp[2]);
Trans.push_back(Temp);
}
}
/*将DNF的信息写入文件中，
第一行：字符集；
第二行：状态集;
第三行：开始状态；
第四行：结束状态集；
以下行写入状态转换表*/
void write()
{
fstream ff("DNF.txt",ios::out);
ff<<Alphabet<<endl;
ff<<States<<endl;
ff<<StartStates<<endl;
ff<<FinalStates<<endl;
for(int i=0;i<Trans.size();i++)
ff<<Trans[i].present<<Trans[i].input<<Trans[i].next<<endl;
ff.close();
}
void Traversal(char present, int N,string strass="") //遍历DFA的语言集列表显示{
if(present=='N'||N<0)
return;
N--;
if(FinalStates.find(present)!=FinalStates.npos)
{
cout<<"该自动机识别字符串:"<<strass<<endl;
}
else if(FinalStates.find(present)==FinalStates.npos&&N<0) return ;
for(int i=0;i<Alphabet.length();i++)
{
string temp;
temp=strass;
strass+=Alphabet[i];
Traversal(move(present,Alphabet[i]),N,strass);
strass=temp;
}
}
};
int main()
{
DFA example;
example.identify();
int N;
cout<<"请输入N"<<endl;
cin>>N;
example.Traversal(example.StartStates,N);
example.write();
system("pause");
return 0;
}
/*测试用例
输入状态转换表
0a1
0b2
1b2
2a1
1a3
2b3
3a3
3b3
#
0a1
0b2 2a1 1b2 1a3 2b5 3a3 5b5 3b4 5a6 6b4 4a6 6a3 4b5 */。