描述：
写一个图灵机模拟程序，该程序输入专用图灵机指令集及用户输入，模拟执行
图灵机程序，产生输出。
输入说明：
输入第一行为一个整数 n，表示专用图灵机指令集有 n 条指令。
接下来是 n+1 行
1）前 n 行为 n 条指令，每条指令由 5 个部分构成，每个部分用空格分隔，如下
所示：
当前状态 输入符号 输出符号 纸带移动方向 新状态
例如：ADD 0 1 L RETURN
其中，
“当前状态”和“新状态”为一个长度不超过 20 个字符的字符串
“输入符号”和“输出符号”各是一个字符，输入和输出符号有‘’，
‘0’，‘1’三种，其中‘’表示分界符，两个‘’之内的部分是有效
输入/输出。纸带其余部分填充‘#’表示空白
“纸带移动方向”也是一个字符，有三种可能：‘L’表示左移，‘R’表
示右移，‘N’表示不动
2）最后一行为一个长度不超过 100 的字符串，表示图灵机输入
该字符串由若干‘#’，两个‘’和若干‘0’，‘1’字符构成，‘#’表示纸
带上的空白，‘’表示输入分界符，‘0’和‘1’表示有效输入，如下所示：
#####101####
注意：有两种状态是固定字符串：“INIT”表示初始状态，“STOP”表示停机
状态，图灵机一开始处于初始状态（INIT）,纸带的读写头位于输入字符串的
得个''位置（右分界符）。
输出说明：
根据输入数据执行图灵机程序，在一行上打印出执行后的输出，只输出有效部
分，不输出‘#’，‘*’。
输入样例：
12
INIT * * N START
START * * R ADD
ADD 0 1 L RETURN
ADD 1 0 R CARRY
ADD * * L STOP
CARRY 0 1 L RETURN
CARRY 1 0 R CARRY
CARRY * 1 R OVERFLOW
OVERFLOW # * L RETURN
RETURN 1 1 L RETURN
RETURN 0 0 L RETURN
RETURN * * N STOP
##########101##########
输出样例：
110
样例说明：
该样例为执行二进制加 1 操作 y=x+1 的专用图灵机程序，输入为 101，输出为
110。
下面是一个 C++ 程序的示例，实现了上述图灵机的模拟功能：
#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include <vector>
using namespace std;
// 定义图灵机指令结构体
struct Instruction
{
string currentState; // 当前状态
char inputSymbol; // 输入符号
char outputSymbol; // 输出符号
char tapeMove; // 纸带移动方向
string newState; // 新状态
};
// 图灵机类
class TuringMachine
{
private:
// 用 map 存储指令集
map<pair<string, char>, Instruction> instructions;
// 当前状态
string currentState;
// 纸带
string tape;
// 当前位置
int position;
public:
TuringMachine(vector<Instruction> instrs);
void run();
};
// 构造函数，将指指令集转存到 map 中
TuringMachine::TuringMachine(vector<Instruction> instrs)
{
for (auto i : instrs)
{
instructions[make_pair(i.currentState, i.inputSymbol)] = i;
}
currentState = "INIT";
tape = "#####";
position = 2;
}
// 运行图灵机
void TuringMachine::run()
{
// 循环执行，直到进入终止状态
while (currentState != "ACCEPT" && currentState != "REJECT")
{
// 获取当前状态和当前位置的输入符号
char inputSymbol = tape[position];
// 根据当前状态和输入符号获取对应的指令
Instruction instr = instructions[make_pair(currentState, inputSymbol)];
// 修改当前状态
currentState = instr.newState;
// 修改当前位置的输出符号
tape[position] = instr.outputSymbol;
// 移动纸带
if (instr.tapeMove == 'L')
{
position--;
}
else if (instr.tapeMove == 'R')
{
position++;
}
}
// 输出最终状态
cout << currentState << endl;
// 输出纸带内容
cout << tape << endl;
}
int main()
{
// 输入指令数量
int n;
cin >> n;
// 输入指令集
vector<Instruction> instrs;
for (int i = 0; i < n; i++)
{
Instruction instr;
cin >> instr.currentState >> instr.inputSymbol >> instr.outputSymbol >> instr.tapeMove >> instr.newState;
instrs.push_back(instr);
}
// 输入图灵机输入
string input;
cin >> input;
// 初始化图灵机
TuringMachine tm(instrs);
// 设置纸带内容
tm.tape = "#####" + input + "#####";
// 运行图灵机
tm.run();
return 0;
}
为了实现图灵机的模拟，你需要定义一些数据结构来表示图灵机指令集，并实现按照指令执行的函数。
具体来说，你需要定义一个结构体表示一条指令，其中包含五个字段：当前状态，输入符号，输出符号，纸带移动方向，新状态。你可以使用字符数组来存储字符串字段，使用字符变量来存储字符字段。
然后，你需要定义一个数组，其中包含所有指令。接下来，你需要实现一个函数，该函数接受图灵机的当前状态，当前纸带上的字符以及图灵机指令集作为参数，并执行相应的指令。
在这个函数中，你可以遍历指令集，找到与当前状态和输入符号相匹配的指令，然后执行指令。执行指令的过程包括更新当前状态，写入输出符号，移动纸带指针以及输出当前纸带的字符串。
下面是一个示例代码，它实现了以上功能：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define MAX_INSTRUCTIONS 100
#define MAX_STATE_NAME_LENGTH 20
#define MAX_TAPE_LENGTH 100
// 定义图灵机指令结构体
typedef struct {
char current_state[MAX_STATE_NAME_LENGTH + 1];
char input_symbol;
char output_symbol;
char move_direction;
char new_state[MAX_STATE_NAME_LENGTH + 1];
} instruction;
// 定义图灵机结构体
typedef struct {
instruction instructions[MAX_INSTRUCTIONS];
int num_instructions;
char tape[MAX_TAPE_LENGTH + 1];
int tape_index;
char current_state[MAX_STATE_NAME_LENGTH + 1];
} turing_machine;
// 执行图灵机指令
void execute_instruction(turing_machine *tm) {
// 遍历指令集，找到与当前状态和输入符号相匹配的指令
for (int i = 0; i < tm->num_instructions; i++) {
instruction inst = tm->instructions[i];
if (strcmp(inst.current_state, tm->current_state) == 0 &&
inst.input_symbol == tm->tape[tm->tape_index]) {
// 执行指令
strcpy(tm->current_state, inst.new_state);
tm->tape[tm->tape_index] = inst.output_symbol;
if (inst.move_direction == 'L') {
tm->tape_index--;
} else if (inst.move_direction == 'R') {
tm->tape_index++;
}
break;
}
}
}
int main() {
// 读入图灵机指令集
turing_machine tm;
scanf("%d", &tm.num_instructions);
for (int i = 0; i < tm.num_instructions; i++) {
scanf("%s %c %c %c %s", tm.instructions[i].current_state,
&tm.instructions[i].input_symbol, &tm.instructions[i].output_symbol,
&tm.instructions[i].move_direction, tm.instructions[i].new_state);
}
// 读入图灵机输入
scanf("%s", tm.tape);
// 初始化图灵机状态
strcpy(tm.current_state, "INIT");
tm.tape_index = 0;
// 执行图灵机程序
while (strcmp(tm.current_state, "HALT") != 0) {
execute_instruction(&tm);
}
// 输出图灵机输出
printf("%s\n", tm.tape);
return 0;
}
上述代码实现了图灵机的模拟。在 main 函数中，首先读入图灵机指令集和图灵机输入，然后初始化图灵机状态。接下来，进入循环执行图灵机程序。在循环内部，调用 execute_instruction 函数执行指令。循环结束后，输出图灵机输出。
仅供参考的实例【c++模拟图灵机】，链接：https://www.codenong.com/cs106479935/
以下是用 C 语言描述图灵机模拟程序的示例代码：
Copy code
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define MAX_INSTRUCTIONS 100 // 最大指令数
#define MAX_INPUT_LENGTH 100 // 最大输入长度
// 图灵机指令
typedef struct {
char current_state[20]; // 当前状态
char input_symbol; // 输入符号
char output_symbol; // 输出符号
char move_direction; // 纸带移动方向
char new_state[20]; // 新状态
} Instruction;
int main() {
int n;
scanf("%d", &n); // 读入指令数
Instruction instructions[MAX_INSTRUCTIONS]; // 图灵机指令集
// 读入指令
for (int i = 0; i < n; i++) {
scanf("%s %c %c %c %s", instructions[i].current_state, &instructions[i].input_symbol, &instructions[i].output_symbol, &instructions[i].move_direction, instructions[i].new_state);
}
char input[MAX_INPUT_LENGTH]; // 图灵机输入
scanf("%s", input);
int tape_head = 0; // 纸带头位置
char current_state[20] = "INIT"; // 当前状态
// 执行图灵机程序
while (strcmp(current_state, "STOP") != 0) {
// 在指令集中查找匹配的指令
Instruction *inst = NULL;
for (int i = 0; i < n; i++) {
if (strcmp(instructions[i].current_state, current_state) == 0 && instructions[i].input_symbol == input[tape_head]) {
inst = &instructions[i];
break;
}
}
// 如果找到了匹配的指令，则执行指令
if (inst != NULL) {
input[tape_head] = inst->output_symbol; // 更新纸带上的符号
strcpy(current_state, inst->new_state); // 更新当前
// 根据指令移动纸带头
if (inst->move_direction == 'L') {
tape_head--;
} else if (inst->move_direction == 'R') {
tape_head++;
}
} else {
// 如果没有找到匹配的指令，则停机
strcpy(current_state, "STOP");
}
}
printf("%s\n", input); // 输出纸带内容
return 0;
}
首先我们需要一个字典，来存储每个状态的所有指令。然后根据给定的输入符号和输出符号来执行指令。如果当前状态是“INIT”，那么我们将从第一个字符开始执行指令。如果当前状态是“STOP”，则停止执行指令。如果当前状态不是“INIT”也不是“STOP”，则根据纸带移动方向来移动纸带，并将新状态设为当前状态。最后，输出结果。
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int size1 = 0; // size1存储二进制数的长度
int size2 = 0; // size2存储扩展二进制的长度
int size3 = 0; // size3存储按指令操作后的二进制长度
int size4 = 0; // size4存储收缩二进制的长度
// 通过transform()函数实现十进制转二进制
int* transform(int x)
{
int rem; // 存储x对2取余后的余数
int i = 0, j = 0;
int r;
int a[100]; // 数组a[]倒序存储十进制转换后的二进制
static int b[100]; // 数组b[]正序存储十进制转换后的二进制
while(x!=0) // 十进制转二进制
{
rem = x%2;
a[i] = rem;
i++;
x/=2;
}
for(r=i-1; r>=0; r--) // 通过for循环将二进制数正序存入数组b[]中
{
b[j] = a[r];
j++;
}
size1 = j;
return b;
}
// 通过extend()函数实现二进制的扩展
int* extend(int p[])
{
int i = 0, j, k;
static int c[100]; // 数组c[]存储扩展二进制
c[i] = 0; // 数组首位存入0
i++;
for(j=0; j<size1; j++)
{
k = p[j];
if(k==0) // 若从二进制数组中扫描到0，则将一个0存入扩展二进制数组c[]中
{
c[i] = 0;
i++;
}
else if(k==1) // 若从二进制数组中扫描到1，则将一个1、一个0依次存入扩展二进制数组c[]中
{
c[i] = 1;
i++;
c[i] = 0;
i++;
}
}
c[i] = 1;
i++;
c[i] = 1;
i++;
c[i] = 0;
size2 = i+1;
return c;
}
// 通过realize()函数实现对扩展二进制的按指令操作
int* realize(int q[])
{
int i, j = 0, k = 0;
int inner = 0; // inner为内态
for(i=0; i<size2+2; i++)
{
k = q[i];
if(k==0 && inner==0) // 输入为0，内态为0
{
q[i] = 0;
inner = 0;
}
else if(k==0 && inner==1) // 输入为0，内态为1
{
q[i] = 1;
inner = 0;
}
else if(k==0 && inner==10) // 输入为0，内态为10
{
q[i] = 1;
inner = 11;
}
else if(k==0 && inner==11) // 输入为0，内态为11
{
q[i] = 1;
inner = 0;
}
else if(k==1 && inner==0) // 输入为1，内态为0
{
q[i] = 0;
inner = 1;
}
else if(k==1 && inner==1) // 输入为1，内态为1
{
q[i] = 0;
inner = 10;
}
else if(k==1 && inner==10) // 输入为1，内态为10
{
q[i] = 0;
inner = 0;
}
}
size3 = i;
printf("%d", size3);
return q;
}
// 通过shrink()函数实现对操作结果的收缩
int* shrink(int r[])
{
int i, j = 0;
static int d[100];
for(i=1; i<size3-3; i++)
{
if(r[i]==0 && r[i+1]==0 )
{
d[j] = 0;
j++;
continue;
}
if(r[i]==0 && r[i+1]==1 && r[i+2]==0)
{
d[j] = 1;
j++;
continue;
}
}
size4 = j;
return d;
}
// 通过reverse()函数实现二进制转十进制
int reverse(int s[])
{
int sum = 0;
int i;
for(i=0; i<size4; i++)
{
sum += s[i] * (int)pow(2,(size4-1-i));
}
return sum;
}
void main()
{
int x; // 存放用户键入的整数
int i = 0;
printf("请输入一个十进制整数：\n");
scanf("%d", &x);
int*p;
p = transform(x);
printf("十进制数转换成二进制数为：\n");
for(i=0; i<size1; i++)
printf("%d", p[i]);
printf("\n");
int*q;
q = extend(p);
printf("扩展二进制数为：\n");
for(i=0; i<size2; i++)
printf("%d", q[i]);
printf("\n");
int*r;
r = realize(q);
printf("指令执行结束生成的二进制数：\n");
for(i=0; i<size3; i++)
printf("%d", r[i]);
printf("\n");
int*s;
s = shrink(r);
printf("图灵机计算结果的二进制数：\n");
for(i=0; i<size4; i++)
printf("%d", s[i]);
printf("\n");
int y;
y = reverse(s);
printf("图灵机计算结果的十进制数：\n");
printf("%d", y);
printf("\n");
}