红绿灯状态机——状态、转移与驱动

红绿灯自己会变——红灯到时间变绿，绿灯到时间变黄，黄灯又回到红。这件再普通不过的事，拆开看就是三件事：状态、转移、驱动。把三件事各写一段代码，一个会自己切换的红绿灯就跑起来了。

你天天见红绿灯，但有没有想过它到底“在跑什么”？大多数路口的红绿灯不看你有没有车，也不按按钮——它只是在一个固定节奏上，把当前的颜色换成下一个，周而复始。

命令式编程的核心一句话能讲完：让某个状态在循环里不断改变。但“状态随时间改变”这种说法太抽象，听着像定义，不像程序。这篇用一个红绿灯把它钉死。钉死之后你会发现，所谓状态机，就是三件事——状态、转移、驱动。

红绿灯的三件事

先别碰代码，把红绿灯这件事拆开。

第一件是状态：此刻是什么颜色。红绿灯任一时刻只能是红、绿、黄三种之一，不会“半个红”，也不会又红又绿。

第二件是转移：从这个状态，下一步去哪个状态。红绿灯的规则固定得不能再固定——红变绿，绿变黄，黄变红，一个圈。

第三件是驱动：谁来推着它往前走。红绿灯不会自己跳，是时间在推——每隔一会儿，走一步。

状态、转移、驱动，缺一不可。没有状态，程序不知道“现在在哪”；没有转移，它不知道“下一步去哪”；没有驱动，它永远停在原地。

这三件事凑齐，就是一台状态机。

状态：用 symbol 给颜色起个名

Racket 里表示“红灯”，最自然的写法是 'red——前面一个引号，后面一个名字。

'red
;; 'red

(symbol? 'red)
;; #t

这个 'red 叫 symbol（符号）。引号的意思是：这个名字就代表它自己，不是要去查找的变量。你可以把它想成一张写着 red 的标签。

为什么不用字符串 "red"？字符串也能跑，但字符串是给人读的文本，而状态只是一个身份标记。

symbol 是写着名字的标签，比字符串更适合做状态。 比较两个 symbol 是否相等，是一步到位的 eq?：

(eq? 'red 'red)
;; #t

(eq? 'red 'green)
;; #f

三个状态先定下来：'red、'green、'yellow。

转移：一个 next 函数

转移规则是红→绿→黄→红。写成函数，就一个 case：

(define (next state)
 (case state
 [(red) 'green]
 [(green) 'yellow]
 [(yellow) 'red]))

case 拿一个值去匹配，每条 [(red) 'green] 读作：碰到 'red，就给 'green。当前是 'red 给 'green，是 'green 给 'yellow，是 'yellow 绕回 'red。

把它放进交互区试：

(next 'red)
;; 'green

(next 'green)
;; 'yellow

(next (next (next 'red)))
;; 'red 转一圈，回来了

注意 next 里没有时间、没有打印、没有 sleep——给它一个状态，它吐出下一个状态，别的什么都不做。

它是个纯函数：同一个状态进去，永远是同一个下一个状态出来。 这一点很关键。状态机的“规则”应该是死的、可预测的，把所有变化都留给驱动那一层。

驱动：让它自己跑起来

光有 next，红绿灯还不会动——你只是定义了“下一个是谁”，没人去问。驱动就是那个不断发问、不断推进的循环。

最直白的写法，就是命令式编程里那个熟悉的形状：一个变量存当前状态，循环里打印、等待、再把它盖写成下一个。把 next 和 run 放进一个文件：

#lang racket

(define (next state)
 (case state
 [(red) 'green]
 [(green) 'yellow]
 [(yellow) 'red]))

(define (run state rounds)
 (for ([i (in-range rounds)])
 (displayln state) ; 打印当前状态
 (flush-output) ; 立刻刷到屏幕
 (sleep 1) ; 等 1 秒
 (set! state (next state)))) ; 推进到下一个状态

(run 'red 6)

跑起来，终端里每秒换一行：

red
green
yellow
red
green
yellow

这里的 state 是个会变的变量——每轮 set! 把它盖写成下一个状态。前面说“状态随时间改变”，落到代码里就是这一行 set!。

这正是命令式编程最典型的形态：一个变量，存着程序此刻的样子，被循环一步步推着往前走。

三行小注解：displayln 打印并换行；flush-output 强制把这一行立刻送到屏幕，不然输出可能攒在缓冲区里、最后一口气全吐出来；sleep 1 暂停 1 秒，参数是秒，也能写 0.5。

同一台机器，换个不靠 set! 的写法——递归：

(define (run state rounds)
 (cond
 [(zero? rounds) (void)]
 [else (displayln state)
 (flush-output)
 (sleep 1)
 (run (next state) (sub1 rounds))]))

这里没有任何赋值——每一轮递归，把“下一个状态”作为参数传给自己。“状态随时间改变”照样成立，只是“时间”变成了递归的层数，“状态”变成了那个参数。同一台机器，两种驱动方式：一个靠改变量，一个靠传参数。

关于 sleep：在文件里跑更直观

这段代码在 DrRacket 的交互区里能跑，但你可能会觉得它“一顿一顿”——交互区自己也在跑编辑器的事件循环，sleep 和即时打印会被它干扰，输出有时会攒着一起冒出来。

想看到干净的一秒一跳，把上面的代码存成文件，用命令行直接跑：

racket traffic.rkt

这没什么要“修”的——只是交互区本来就不是为定时任务设计的。凡是带 sleep、要看出节奏的程序，跑文件最直观。

让它更像真红绿灯：每个灯亮不同时长

真路口的红绿灯，绿灯亮得久，黄灯一闪就过。给每个状态配一个时长，状态机就开始贴近现实：

#lang racket

(define (next state)
 (case state
 [(red) 'green]
 [(green) 'yellow]
 [(yellow) 'red]))

(define (duration state)
 (case state
 [(red) 3]
 [(green) 5]
 [(yellow) 1]))

(define (run state rounds)
 (cond
 [(zero? rounds) (void)]
 [else (displayln state)
 (flush-output)
 (sleep (duration state)) ; 按状态决定等多久
 (run (next state) (sub1 rounds))]))

(run 'red 6)

现在红灯停 3 秒、绿灯 5 秒、黄灯 1 秒。三件事的结构一个没动——状态还是那三个 symbol，转移还是那个 next，只把“等多久”从写死的 1 换成了查表。

状态机的好处在这里显出来了：每个状态可以自带数据（时长、计数、分数），规则不变，行为更丰富。

想要画面：big-bang 是另一条驱动

终端里一行行打印，已经能看清这台机器在跑。如果你想要一个真窗口、三个会变色的圆，Racket 的 2htdp/universe 给了 big-bang：你给它一个初始状态、一个按时钟触发的 tick 处理器（就是你的 next），再给一个按状态画圆的绘图函数。

状态、转移两件事一字不改——变的只是驱动，从 sleep 循环换成 big-bang 的时钟，再额外加一件“画”。这一篇先用命令行把三件事讲透，画面留到你想要个能炫耀的演示时再说。

状态机无处不在

红绿灯只是最小的一台。一旦你养成“状态、转移、驱动”这三件套的眼光，会到处看见它：自动售货机的投币→选择→出货、TCP 连接的握手→传输→关闭、游戏角色的站立→跳跃→下落、登录框的输入→校验→成功。每一个都是一个当前状态，一条通往下一个状态的规则，外加一个推着它往前的事件或时钟。

把一台红绿灯拆成状态、转移、驱动三段代码，“状态随时间改变”就从一个抽象说法，变成了你能跑、能改、能预测的程序。状态机，也就这么回事。