如何使用Java模拟XN*2图灵机

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题目描述：

对于XN*2图灵机进行模拟，任意给定的十进制数，转换为收缩扩展二进制的编码，再编程模拟此Turing机的运行过程，要求输出从开始运行起的每一步骤的结果。用C或C++或Java或Python语言实现程序解决问题。

要求：1. 程序风格良好（使用自定义注释模板）；

2. 提供友好的输入输出，并进行输入数据的正确性验证。

源代码：

import java.util.*; /** * @description: 该类模拟XN*2图灵机，对任意给定的十进制数，转换为收缩扩展二进制的编码，并可输出运行中每一步骤的结果 */public class TuringMachine {     private int internalState; // 图灵机的内态    private String binCode; // 二进制编码    Function f = new Function(); // 需要用到的方法    List binCodeList = new ArrayList<>(); // 用来存放二进制编码     static int r = 0; // 当r为1时机器向右移动一格    static int s = 0; // 当s为1时机器停止运行     TuringMachine() {        internalState = 0;        binCode = "0";    }     public int getInternalState() {        return internalState;    }     public void setInternalState(int internalState) {        this.internalState = internalState;    }     public String getBinCode() {        return binCode;    }     public void setBinCode(String binCode) {        this.binCode = binCode;    }     /**     * @description: 模拟图灵机的运行过程     * @param: [binCode 二进制编码]     * @return: void     */    public void runProcess(String binCode) {        binCodeList = f.toArrayList(binCode); // 将二进制码binCode转换为ArrayList类型存放在binCodeList中        // for循环对binCodeList进行遍历，根据当前内态的值判断该执行哪条指令        for (int i = 0; i < binCodeList.size(); i++) {            r = 1;            // 当s==1时机器停止，跳出循环            if (s == 1) {                break;            }            switch (getInternalState()) {                // 内态为0时执行指令1                case 0:                    instruction_1(binCodeList.get(i), i, binCodeList);                    break;                // 内态为1时执行指令2                case 1:                    instruction_2(binCodeList.get(i), i, binCodeList);                    break;                // 内态为10时执行指令3                case 10:                    instruction_3(binCodeList.get(i), i, binCodeList);                    break;                // 内态为11时执行指令4                case 11:                    instruction_4(binCodeList.get(i), i, binCodeList);                    break;                default:                    break;            }        }        System.out.println("XN*2图灵机计算的最终结果为：");        f.toDecNum(f.toString(binCodeList)); // 将binCodeList转换为String类型的二进制编码binCode，再转换为int类型的十进制数decNum    }     /**     * @description: 根据指令对每一步骤结果进行打印     * 指令1: 0 0 -> 0 0 R     * 0 1 -> 1 0 R     * 指令2: 1 0 -> 0 1 R     * 1 1 -> 10 0 R     * 指令3: 10 0 -> 11 1 R     * 指令4: 11 0 -> 0 1 STOP     * @param: [input 输入, i 循环的次数从0开始, binCodeList 存放二进制编码binCode]     * @return: void     */    private void instruction_1(String input, int i, List binCodeList) {        System.out.println("当前的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + input);        if (input.equals("0")) {            System.out.println("执行此条指令后的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + binCodeList.get(i) + "，右移");            System.out.println("此步骤的结果为：");            System.out.println(f.toString(binCodeList));        }        if (input.equals("1")) {            setInternalState(1);            binCodeList.set(i, "0");            System.out.println("执行此条指令后的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + binCodeList.get(i) + "，右移");            System.out.println("此步骤的结果为：");            System.out.println(f.toString(binCodeList));        }        System.out.println();    }     private void instruction_2(String input, int i, List binCodeList) {        System.out.println("当前的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + input);        if (input.equals("0")) {            setInternalState(0);            binCodeList.set(i, "1");            System.out.println("执行此条指令后的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + binCodeList.get(i) + "，右移");            System.out.println("此步骤的结果为：");            System.out.println(f.toString(binCodeList));        }        if (input.equals("1")) {            setInternalState(10);            binCodeList.set(i, "0");            System.out.println("执行此条指令后的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + binCodeList.get(i) + "，右移");            System.out.println("此步骤的结果为：");            System.out.println(f.toString(binCodeList));        }        System.out.println();    }     private void instruction_3(String input, int i, List binCodeList) {        System.out.println("当前的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + input);        if (input.equals("0")) {            setInternalState(11);            binCodeList.set(i, "1");            System.out.println("执行此条指令后的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + binCodeList.get(i) + "，右移");            System.out.println("此步骤的结果为：");            System.out.println(f.toString(binCodeList));        }        System.out.println();    }     private void instruction_4(String input, int i, List binCodeList) {        System.out.println("当前的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + input);        if (input.equals("0")) {            setInternalState(0);            binCodeList.set(i, "1");            System.out.println("执行此条指令后的内态为：" + getInternalState() + "，输入为：" + binCodeList.get(i) + "，STOP");            System.out.println("此步骤的结果为：");            System.out.println(f.toString(binCodeList));        }        s = 1;        System.out.println();    }     public static void main(String[] args) {        TuringMachine tm = new TuringMachine(); // 创建TuringMachine的实例tm        System.out.println("请输入一个十进制数：");        Scanner scanner = new Scanner(System.in);        try {            int decNum = scanner.nextInt();            tm.setBinCode(tm.f.toBinCode(decNum)); // 将十进制数转换为二进制编码并赋值给binCode            System.out.println();            tm.runProcess(tm.getBinCode()); // 运行图灵机        } catch (InputMismatchException ex) {            System.out.println("输入有误！");        }    } } /** * @description: 该类具有图灵机TuringMachine运行过程中所需要的一些方法 */class Function {     /**     * @description: 将十进制数转换为二进制编码     * @param: [decNum 十进制数]     * @return: java.lang.String     */    public String toBinCode(int decNum) {        String binCode = "";        String binNum = Integer.toBinaryString(decNum); // 十进制数转换为二进制数        binNum += ","; // 用,标识此二进制数到此已完整，后面的0都忽略不计        System.out.println("这个数的二进制表示为：" + binNum);        // 利用for循环对二进制数binNum中的字符进行遍历，根据其中的每个字符得出二进制编码binCode        for (int i = 0; i < binNum.length(); i++) {            // 0 -> 0            if (binNum.charAt(i) == '0') {                binCode += "0";                // 1 -> 10            } else if (binNum.charAt(i) == '1') {                binCode += "10";                // , -> 110            } else if (binNum.charAt(i) == ',') {                binCode += "110";            }        }        binCode = "0" + binCode + "00";        System.out.println("这个数的二进制编码为：" + binCode);        return binCode;    }     /**     * @description: 将二进制编码转换为十进制数     * @param: [binCode 二进制编码]     * @return: int     */    public int toDecNum(String binCode) {        int decNum = 0;        String binNum = "";        // 先利用for循环对ArrayList类型的binCode进行遍历，根据其中的每个元素得出二进制编码binCode        for (int i = 0; i < binCode.length(); i++) {            // 0 -> 0            if (binCode.charAt(i) == '0') {                binNum += "0";            } else if (binCode.charAt(i) == '1') {                // 10 -> 1                if (binCode.charAt(i + 1) == '0') {                    binNum += "1";                    i++;                    // 110 -> ,                } else if (binCode.charAt(i + 1) == '1') {                    binNum += ",";                    break;                }            }        }        System.out.println("二进制表示：" + binNum);        decNum = Integer.parseInt(binNum.substring(0, binNum.length() - 1), 2); // 将二进制编码binCode转化为十进制数        System.out.println("十进制表示：" + decNum);        return decNum;    }     /**     * @description: 将二进制编码binCode存放到binCodeList中     * @param: [binCode 二进制编码]     * @return: java.util.List     */    public List toArrayList(String binCode) {        binCode = binCode.replaceAll("", " ").trim(); // 将binCode中的每个字符用空格分隔开，并去掉首尾的空格        // 根据分隔符空格分隔出binCode中的每个字符存放到binCodeList中        List binCodeList = new ArrayList<>(Arrays.asList(binCode.split(" ")));        return binCodeList;    }     /**     * @description: 将binCodeList转换为二进制编码binCode     * @param: [binCodeList 存放binCode的容器]     * @return: java.lang.String     */    public String toString(List binCodeList) {        String binCode = String.join("", binCodeList);        return binCode;    } }

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