Python中记住过去（模型状态）的五种方法

比眉伴天荒 2024-04-01 09:30 14阅读 0赞

在Python中记住过去（模型状态）的五种方法 从封闭函数和迭代器到状态机Python库

有人说...

"那些不能记住过去的人，注定要重复它"。G. Santayana, 1905

就像在现实生活中一样，在软件中，重要的是要知道 "状态 "是如何保存的，这可能是理想的行为或不是。状态是一个动态系统在某一时期的行为。

在软件中，系统的状态是通过保留一组相关变量的值来建模的。在一个更复杂的形式中，软件中的状态是通过状态机来建模的，其特征是状态、过渡，通常还有从一个状态过渡到另一个状态的概率。机器学习中的有限状态机（简称状态机）的例子是马尔科夫链和马尔科夫模型\[1\]。状态机在各种应用中都很重要。

安全关键型系统。例如，医疗设备\[2\]、配电系统\[3\]和运输系统，如铁路\[4\]、飞机\[5\]和自动驾驶汽车\[6\]。

区块链数据传输、存储和检索系统。区块链也被称为无限状态机\[7\]。

视频游戏\[8\]，对话式人工智能\[9\]，图形用户界面的实现\[10\]。

用BLAST(Basic Local Alignment Search Tool)寻找蛋白质序列的相似性\[11\]。

用于时间序列预测的深度状态空间模型\[12\]。

每个软件开发者都知道，要想在不同的函数调用之间保留一个变量的状态，最简单（也是最丑陋）的方法就是将这个变量声明为一个全局变量。但是，让我们忘掉丑陋，在管理一个虚构的、风景如画的地中海酒店的客人的用例中，描述五种不同的方法来模拟 Python 的状态。我们的酒店叫做Artemis Cypress（Artemis是古希腊的女神，而柏树是她的圣树）。

在创建管理酒店客人的功能时，我们将研究以下在 Python 中管理状态的方法。

空列表作为默认的函数参数。

Python闭包

迭代器

类变量

状态机Python库

1、默认函数参数的空列表

在我们讨论第一个用例之前，让我们注意以下几点。一般来说，将空列表作为默认函数参数是个坏主意。我们将在下面的用例中解释原因。

def roomsWithPet(roomNumber,lr=[]):
        lr.append(roomNumber)
        print(f"The rooms with pets are:  {lr}")
        return lr
        
    L=roomsWithPet(300)
    L=roomsWithPet(101)
    L=roomsWithPet(200)

在我们的第一个用例中，酒店的预订专家想跟踪有宠物的客人预订的房间，以便分配额外的清洁人员。因此，每当有客人预订了带宠物的房间时，她的软件就会调用下面的函数`roomsWithPet()`。

该函数需要一个位置参数（`roomNumber`）和一个命名参数`lr`，其默认值为一个空列表。这个函数被调用了三次，只有`roomNumber`这个参数。

`lr`发生了什么？ 在函数第一次被调用时，`lr`被创建并填充了`roomNumber`的值，随后的每一次，新的`roomNumber`值都被附加到第一次调用时创建的`lr`列表上。

因此，输出是：

The rooms with pets are:  [300]
    The rooms with pets are:  [300, 101]
    The rooms with pets are:  [300, 101, 200]

在我们的例子中，这是理想的行为，但在许多情况下，你想在每次函数调用时都创建一个新的列表，这就不是了。因此，重要的是要知道，把一个空列表作为默认参数传递给一个函数，在函数调用之间保留列表的状态。

2.Python 闭包

在我们的第二个用例中，四个在酒店参加会议的客人来到前台办理退房手续。这些客人是同一家公司的员工，在酒店共用一个大套房。接待员需要计算每个人的应付余额。她可以调用下面的函数，输入的参数是套房号（501）、入住天数（3）、套房价格/天（400美元），以及每个人的额外费用（在酒店餐厅用餐）。但是调用一个函数四次，每次只有最后一个参数不同，这有点麻烦。

def checkOut(roomN,rate,nights,extra):
        amountOwned=rate*nights+extra
        return amountOwned

Python闭包为我们提供了一种更优雅的方式来做到这一点。它们是内部函数，可以访问外部函数中的值，甚至在外部函数执行完毕之后\[13\]。换句话说，闭包函数有能力记住外层函数的值，即使这些值已经不在内存中了\[14\]。总的来说，当我们不想写一个类时，Python闭包提供了一个很好的方法来进行数据隐藏，这是实现数据隐藏最常见的方法。

def balanceOwned(roomN,rate,nights):
        def increaseByMeals(extra):
            amountOwned=rate*nights+extra
            print(f"Dear Guest of Room {roomN}, you have", 
            "a due balance:", "${:.2f}".format(amountOwned))
            return amountOwned
        return increaseByMeals
        
    ba = balanceOwned(201,400,3)
    ba(200)
    ba(150)
    ba(180)
    ba(190)

在下面的代码片段中，内部函数 `increaseByMeals()` 是一个闭包函数，因为它记住了外部函数 `balanceOwned()` 的值，即使在后者执行之后。因此，这使得我们可以写出以下代码，其中`balanceOwned()`只被调用一次，并在其执行后，我们用每个客人的餐费调用它四次。

更加优雅了。现在的输出是。

Dear Guest of Room 201, you have a due balance: $1400.00
    Dear Guest of Room 201, you have a due balance: $1350.00
    Dear Guest of Room 201, you have a due balance: $1380.00
    Dear Guest of Room 201, you have a due balance: $1390.00

3.迭代器

在我们的第三个用例中，酒店的客人可以预约瑜伽教练或体育教练的个人课程。在下面的代码中，D是一个字典，键是房间号，值是 "Y "或 "PT"（"Y "表示要求的瑜伽教练，"PT "表示要求的身体教练）。

D = {
        "123":"Y","111":"PT","313":"Y","112":"Y","201":"PT"}
    ff = filter(lambda e:e[1]=="Y", D.items())
    print(next(ff))
    print(next(ff))

每天早上，一个新的字典被创建，其中房间号是根据请求的时间输入的。然后，为了得到请求瑜伽的房间，执行随后的 filter() 命令。现在中央服务器已经为瑜伽教练准备好了。

每次瑜伽教练要求去下一个房间时，服务器只需调用 next(ff)，就会返回下一个排队等候瑜伽教练的房间。这样一来，瑜伽教练就不需要就下一个房间的去向相互沟通。一个简单的迭代器保留了房间如何被服务的整体状态，而next()命令将我们带到下一个需要被服务的房间。

输出结果是。

('123', 'Y')
    ('313', 'Y')

4.类变量和状态机Python库

在本节中，我们将讨论上述在Python中保留状态的最后两种方法。

类变量。这些是在类的结构中定义的变量，在类被构造时声明，并由类的所有实例共享。如果一个类的实例改变了一个类的变量，那么该类的所有实例都会受到影响，通过这种方式，类的变量在类的实例之间保留它们的状态。

Python 状态机库，是一个开源的库\[15\]，允许定义状态和从状态到状态的转换动作。

我们将在最后一个用例中展示类变量和Python状态机库的使用，这个用例为我们酒店的桑拿房的使用提供了模型。酒店在两个不同的地方有两个桑拿房，每个都可以容纳两个人。

class Sauna(StateMachine):
        #Class variable that counts the number of class instances
        inst_counter=0
        def __init__(self):
           super().__init__()
           self.entryTimes=[]
           self.guestcount=0
           self.__roomnumbers=[]
           Sauna.inst_counter+=1
        
        #States
        empty = State('Empty', initial=True)
        space_avail = State('OneSpaceOccupied')
        full = State('NoSpace')
        
        #Transitions
        occupied = empty.to(space_avail)
        guestleft = space_avail.to(empty)
        nospace = space_avail.to(full)
        spacefortwo = full.to(empty)
        nomorefull = full.to(space_avail)
        
       
        #Actions on Transitions
        def on_enter_empty(self):
            print("Welcome to the Sauna Room!")
            
        def on_enter_space_avail(self):
            print("One sauna seat available!")
            currentT = DT.now()
            self.__roomnumbers.append(random.randint(1,30))
            self.entryTimes.append(currentT.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"))
            self.guestcount+=1
            
        def on_enter_full(self):
            print("Sorry, the Sauna Room is full!")
            self.__roomnumbers.append(random.randint(1, 30))
            currentT = DT.now()
            self.entryTimes.append(currentT.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"))
            self.guestcount+=1
            
        def on_enter_full(self):
            print("Sorry, the Sauna Room is full!")
            self.__roomnumbers.append(random.randint(1, 30))
            currentT = DT.now()
            self.entryTimes.append(currentT.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"))
            self.guestcount+=1
            
        def getEntryTimes(self):
            return self.entryTimes
        
        def getGuestCount(self):
            return self.guestcount
        
        @classmethod
        def getSaunaCount(cls):
            return Sauna.inst_counter
              
        @property
        def getroomnumbers(self):
            return self.__roomnumbers
        
        
        cycle= occupied | nospace | spacefortwo

我们下面的桑拿房类继承自状态机，并有一个类变量`inst_counter`，用于计算该类的实例数量，每次调用该类的构造函数时都会递增。我们为每个桑拿房定义了三种状态：空（0个客人）、空闲（一个客人）和满（两个客人）。然后，我们给可能的过渡起名字。例如，`nospace`意味着我们已经从`space_avail`状态过渡到`full`状态。

在定义了过渡之后，我们定义了过渡的动作。例如，函数`on_enter_space_avail()`实现了当一个客人进入先前空的桑拿房时的动作。除了打印出有一个桑拿房座位可用外，该函数还增加实例变量`guestcount`。工作人员想知道每个房间有多少客人使用过，以评估特定桑拿房位置的受欢迎程度。

获取当前时间。然后将其追加到列表`entryTimes`中，这是一个实例变量。知道进入的时间是很有用的，这样在繁忙的时候，工作人员可以安排额外的毛巾等。

记录正在使用该房间的客人的房间号，将其追加到列表`roomnumbers`中。这是为了计费的目的（超过两个疗程/周，这是免费的，客人要为额外的疗程计费）。

在我们的案例中，房间号是随机生成的。另外，值得注意的是，`roomnumbers`列表是类的一个私有成员，为了访问它，我们定义了`getroomnumbers`这个属性。

最后，我们定义了循环，它是一个状态的管道（序列）：已被占用、无空间、空间二。

下面我们创建一个桑拿房的实例，并通过调用cycle()进行状态转换。

ArtemisSauna1 = Sauna()
    ArtemisSauna1.cycle()
    ArtemisSauna1.cycle()
    ArtemisSauna1.cycle()

输出显示如下。在第一次调用cycle()后，它处于被占用的状态，所以它打印出 "有一个桑拿座位"。在第二次调用后，它处于nospace状态，并打印出 "对不起，桑拿房已满"。在第三次调用后，它处于spacefortwo状态，并打印出 "欢迎来到桑拿房！"。

One sauna seat available!
    Sorry, the Sauna Room is full!
    Welcome to the Sauna Room!

现在，让我们得到一些额外的信息：客人的进入时间、当前状态、到目前为止的客人数量和房间号。

L=ArtemisSauna1.getEntryTimes()
    print(L)
    print(ArtemisSauna1.current_state)
    c=print(f"The number of guests is: {ArtemisSauna1.getGuestCount()}")
    ic=print(f"The number of used saunas is: {ArtemisSauna1.getSaunaCount()}")
    L3=ArtemisSauna1.getroomnumbers
    print(L3)

下面是上述代码的输出。正如预期的那样，我们目前处于空状态，到目前为止有两个客人使用了ArtemisSauna1，而且我们目前有一个Sauna类的实例。

['2022-06-10 14:46:35', '2022-06-10 14:46:35']
    State('Empty', identifier='empty', value='empty', initial=True)
    The number of guests is: 2
    The number of used saunas is: 1
    [28, 26]

Python 提供了许多保留状态的方法，或者换句话说，保持对进程的跟踪。这很有价值，特别是对于安全关键系统，软件同时跟踪许多物理过程的状态，并将状态变化映射到适当的行动。

另一方面，正如许多GUI（图形用户界面）开发者所证实的那样，最恼人的缺陷之一是GUI不响应用户的行动，而是被锁定在一个特定的状态。总之，无论我们的目标是否是保留状态，我们都需要注意Python的保留状态的特异性。

本文由[ mdnice ][mdnice]多平台发布

[mdnice]: https://mdnice.com/?platform=4