Тема: Построение диаграммы состояний (statechart diagram)

Краткие теоретические сведения. Рассмотренная выше диаграмма классов представляет собой логическую модель статического представления моделируемой системы. Характеристика состояний системы не зависит (или слабо зависит) от логической структуры, зафиксированной в диаграмме классов. Поэтому при рассмотрении состояний системы приходится на время отвлечься от особенностей ее объектной структуры и мыслить совершенно другими категориями, образующими динамический контекст поведения моделируемой системы.

Каждая прикладная система характеризуется не только структурой составляющих ее элементов, но и некоторым поведением или функциональностью. Для общего представления функциональности моделируемой системы предназначены диаграммы вариантов использования, которые на концептуальном уровне описывают поведение системы в целом. Сейчас наша задача заключается в том, чтобы представить поведение более детально на логическом уровне, тем самым раскрыть сущность ответа на вопрос: " В процессе какого поведения система обеспечивает необходимую функциональность? ".

Для моделирования поведения на логическом уровне в языке UML могут использоваться сразу несколько канонических диаграмм: состояний, деятельности, последовательности и кооперации, каждая из которых фиксирует внимание на отдельном аспекте функционирования системы. Диаграмма состояний описывает процесс изменения состояний только одного класса, а точнее - одного экземпляра определенного класса, т. е. моделирует все возможные изменения в состоянии конкретного объекта. При этом изменение состояния объекта может быть вызвано внешними воздействиями со стороны других объектов или извне. Именно для описания реакции объекта на подобные внешние воздействия и используются диаграммы состояний.

Главное предназначение этой диаграммы - описать возможные последовательности состояний и переходов, которые в совокупности характеризуют поведение элемента модели в течение его жизненного цикла.

Диаграмма состояний по существу является графом специального вида, который представляет некоторый автомат. Вершинами этого графа являются состояния и некоторые другие типы элементов автомата (псевдосостояния), которые изображаются соответствующими графическими символами. Дуги графа служат для обозначения переходов из состояния в состояние. Диаграммы состояний могут быть вложены друг в друга, образуая вложенные диаграммы более детального представления отдельных элементов модели. Компонентами диаграммы состояний являются:

-состояния и подсостояния,

-переходы.

Автомат (state machine) в языке UML представляет собой некоторый формализм для моделирования поведения элементов модели и системы в целом. Автомат является пакетом, в котором определено множество понятий, необходимых для представления поведения моделируемой сущности в виде дискретного пространства с конечным числом состояний и переходов. С другой стороны, автомат описывает поведение отдельного объекта в форме последовательности состояний, которые охватывают все этапы его жизненного цикла, начиная от создания объекта и заканчивая его уничтожением. Каждая диаграмма состояний представляет некоторый автомат.

Простейшим примером визуального представления состояний и переходов на основе формализма автоматов может служить ситуация с исправностью технического устройства, такого как компьютер. В этом случае вводятся в рассмотрение два самых общих состояния: " исправен" и " неисправен" и два перехода: " выход из строя" и " ремонт". Графически эта информация может быть представлена в виде изображенной ниже диаграммы состояний компьютера (рис. 6.3.1).

Рисунок 6.3.1. Простейший пример диаграммы состояний для технического устройства типа компьютер

Основными понятиями, входящими в формализм автомата, являются состояние и переход. Главное различие между ними заключается в том, что длительность нахождения системы в отдельном состоянии существенно превышает время, которое затрачивается на переход из одного состояния в другое. Предполагается, что переход объекта из состояния в состояние происходит мгновенно.

Поведение моделируется как последовательное перемещение по графу состояний от вершины к вершине по связывающим их дугам с учетом их ориентации. Для графа состояний системы можно ввести в рассмотрение специальные свойства.

Одним из таких свойств является выделение из всей совокупности состояний двух специальных: начального и конечного. Предполагается, что последовательность изменения состояний упорядочена во времени. Другими словами, каждое последующее состояние всегда наступает позже предшествующего ему состояния.

Еще одним свойством графа состояний может служить достижимость состояний. Для достижимости состояний необходимо наличие связывающего их ориентированного пути в графе состояний.

Формализм автоматов допускает вложение одних автоматов в другие. В этом случае вложенные автоматы получили название подавтоматов. Подавтоматы могут использоваться для внутренней спецификации процедур и функций, образующих поведение исходного объекта. Например, состояние неисправности технического устройства (рис. 6.3.1) может быть детализировано на отдельные подсостояния, каждое из которых может характеризовать неисправность отдельных подсистем, входящих в состав данного устройства.

Формализм обычного автомата основан на выполнении следующих обязательных условий:

1. Автомат не запоминает историю перемещения из состояния в состояние.

1. В каждый момент времени автомат может находиться в одном и только в одном из своих состояний.
2. Длительность нахождения автомата в том или ином состоянии, а также время достижения того или иного состояния никак не специфицируютс, т.е. время на диаграмме состояний присутствует в неявном виде, хотя для отдельных событий может быть указан интервал времени и в явном виде.

1. Количество состояний автомата должно быть обязательно конечным (начальное и конечное состояния).
2. Каждый переход должен обязательно соединять два состояния автомата. Допускается переход из состояния в себя, такой переход еще называют " петлей".
3. Автомат не должен содержать конфликтующих переходов, т. е. таких переходов из одного и того же состояния, когда объект одновременно может перейти в два и более последующих состояния (кроме случая параллельных подавтоматов).

Состояние. В языке UML под состоянием понимается абстрактный метакласс, используемый для моделирования отдельной ситуации, в течение которой имеет место выполнение некоторого условия. Состояние может быть задано в виде набора конкретных значений атрибутов класса или объекта, при этом изменение их отдельных значений будет отражать изменение состояния моделируемого класса или объекта.

Следует заметить, что не каждый атрибут класса может характеризовать его состояние.

Состояние на диаграмме изображается прямоугольником со скругленными вершинами (рис. 6.3.2).

Рисуннок 6.3.2. Графическое изображение состояний на диаграмме состояний

Этот прямоугольник, в свою очередь, может быть разделен на две секции горизонтальной линией. Если указана лишь одна секция, то в ней записывается только имя состояния (рис. 6.3.2, а). В противном случае в первой из них записывается имя состояния, а во второй - список некоторых внутренних действий или переходов в данном состоянии (рис. 6.3.2, б). При этом под действием в языке UML понимают некоторую операцию, выполнение которой приводит к изменению состояния или возврату некоторого значения (например, " истина" или " ложь" ).

Имя состояния представляет собой строку текста, которая раскрывает содержательный смысл данного состояния. Имя всегда записывается с заглавной буквы. Для идентификации имени состояния рекомендуется использовать глаголы в настоящем времени (звенит, печатает, ожидает) или соответствующие причастия (занят, свободен, передано, получено). Имя у состояния может отсутствовать. В этом случае состояние является анонимным, и если на диаграмме состояний их несколько, то все они должны различаться между собой.

Список внутренних действий. Рассмотрим перечень внутренних действий или деятельностей, которые выполняются в процессе нахождения моделируемого элемента в данном состоянии. Каждое из действий записывается в виде отдельной строки и имеет следующий формат:

< метка-действия '/' выражение-действия>

Метка действия указывает на обстоятельства или условия, при которых будет выполняться деятельность, определенная выражением действия. Если список выражений действия пустой, то разделитель в виде наклонной черты '/' может не указываться.

Перечень меток действия имеет фиксированные значения в языке UML, которые не могут быть использованы в качестве имен событий. Эти значения следующие:

• entry - эта метка указывает на действие, специфицированное следующим за ней выражением действия, которое выполняется в момент входа в данное состояние (входное действие);
• exit - эта метка указывает на действие, специфицированное следующим за ней выражением действия, которое выполняется в момент выхода из данного состояния (выходное действие);
• do - эта метка специфицирует выполняющуюся деятельность (" do activity" ), которая выполняется в течение всего времени, пока объект находится в данном состоянии, или до тех пор, пока не закончится вычисление, специфицированное следующим за ней выражением действия.

В последнем случае при завершении события генерируется соответствующий результат;

• include - эта метка используется для обращения к подавтомату, при этом следующее за ней выражение действия содержит имя этого подавтомата.

Во всех остальных случаях метка действия идентифицирует событие, которое запускает соответствующее выражение действия. Эти события называются внутренними переходами и семантически эквивалентны переходам в само это состояние.

В качестве примера состояния рассмотрим ситуацию ввода пароля пользователя при аутентификации входа в некоторую программную систему (рис. 6.3.3). В этом случае список внутренних действий в данном состоянии не пуст и включает 4 отдельных действия, первые два из которых стандартные и описаны выше, а два последних определяются своей спецификацией.

Рисунок 6.3.3. Пример состояния с непустой секцией внутренних действий

Начальное состояние представляет собой частный случай состояния, которое не содержит никаких внутренних действий. В этом состоянии находится объект по умолчанию в начальный момент времени. Графически начальное состояние в языке UML обозначается в виде закрашенного кружка (рис. 6.3.4, а), из которого может только выходить стрелка, соответствующая переходу.

Рисунок 6.3.4. Графическое изображение начального и конечного состояний на диаграмме состояний

Конечное (финальное) состояние представляет собой частный случай состояния, которое также не содержит никаких внутренних действий. В этом состоянии будет находиться объект по умолчанию после завершения работы автомата в конечный момент времени. Графически конечное состояние в языке UML обозначается в виде закрашенного кружка, помещенного в окружность (рис. 6.3.4, б), в которую может только входить стрелка, соответствующая переходу.

Простой переход (simple transition) представляет собой отношение между двумя последовательными состояниями (исходном и целевом состоянии), которое указывает на факт смены одного состояния другим.

Переход осуществляется при наступлении некоторого события: окончания выполнения деятельности (do activity), получении объектом сообщения или приемом сигнала. На переходе указывается имя события, и могут указываться действия, производимые объектом в ответ на внешние события при переходе из одного состояния в другое. Срабатывание перехода может зависеть не только от наступления некоторого события, но и от выполнения определенного условия, называемого сторожевым условием. Объект перейдет из одного состояния в другое в том случае, если произошло указанное событие и сторожевое условие приняло значение " истина".

Переход может быть направлен в то же состояние, из которого он выходит. В этом случае его называют переходом в себя. Этот переход изображается петлей со стрелкой и отличается от внутреннего перехода. При переходе в себя объект покидает исходное состояние, а затем снова входит в него. При этом всякий раз выполняются внутренние действия, специфицированные метками entry и exit.

На диаграмме состояний переход изображается сплошной линией со стрелкой, которая направлена в целевое состояние (например, " выход из строя" на рис. 6.3.1). Каждый переход может помечен строкой текста, которая имеет следующий общий формат:

< сигнатура события> '['< сторожевое условие> ']' < выражение действия>.

При этом сигнатура события описывает некоторое событие с необходимыми аргументами:

< имя события> '('< список параметров, разделенных запятыми> ')'.

Событие. Формально, событие представляет собой спецификацию некоторого факта, имеющего место в пространстве и во времени. Про события говорят, что они " происходят", при этом отдельные события должны быть упорядочены во времени. После наступления некоторого события нельзя уже вернуться к предыдущим событиям, если такая возможность не предусмотрена явно в модели.

В языке UML события играют роль стимулов, которые инициируют переходы из одних состояний в другие. В качестве событий можно рассматривать сигналы, вызовы, окончание фиксированных промежутков времени или моменты окончания выполнения определенных действий. Имя события идентифицирует каждый отдельный переход на диаграмме состояний и может содержать строку текста, начинающуюся со строчной буквы. В этом случае принято считать переход триггерным, т. е. таким, который специфицирует событие-триггер. Например, переходы на рис. 6.3.1 являются триггерными, поскольку с каждым из них связано некоторое событие-триггер, происходящее асинхронно в момент выхода из строя технического устройства или в момент окончания его ремонта.

Если рядом со стрелкой перехода не указана никакая строка текста, то соответствующий переход является нетриггерным, и в этом случае из контекста диаграммы состояний должно быть ясно, после окончания какой деятельности он срабатывает.

Сторожевое условие (guard condition), если оно есть, всегда записывается в прямых скобках после события-триггера и представляет собой некоторое булевское выражение. Если сторожевое условие принимает значение " истина", то соответствующий переход может сработать. Если же сторожевое условие принимает значение " ложь", то переход не может сработать, и при отсутствии других переходов объект не может перейти в целевое состояние по этому переходу

Примером события-триггера может служить разрыв телефонного соединения с провайдером Интернет-услуг после окончания загрузки электронной почты клиентской почтовой программой (при удаленном доступе к Интернету). В этом случае сторожевое условие есть не что иное, как ответ на вопрос: " Пуст ли почтовый ящик клиента на сервере провайдера? ". В случае положительного ответа " истина", следует отключить соединение с провайдером, что и делает автоматически почтовая программа-клиент. В случае отрицательного ответа " ложь", следует оставаться в состоянии загрузки почты и не разрывать телефонное соединение.

Графически фрагмент логики моделирования почтовой программы может быть представлен в виде следующей диаграммы состояний (рис. 6.3.5)

Рисунок 6.3.5. Диаграмма состояний для моделирования почтовой программы-клиента

Выражение действия (action expression) выполняется в том и только в том случае, когда переход срабатывает. Представляет собой атомарную операцию (достаточно простое вычисление), выполняемую сразу после срабатывания соответствующего перехода до начала каких бы то ни было действий в целевом состоянии. В качестве примера выражения действия (см. рис. 6.3.5) может служить " разорвать телефонное соединение (телефонный номер), которое должно быть выполнено сразу после установления истинности (" истина" ) сторожевого условия " почтовый ящик на сервере пуст".

Составное состояние (composite state) - такое сложное состояние, которое состоит из других вложенных в него состояний. Последние будут выступать по отношению к первому как подсостояния (substate). Хотя между ними имеет место отношение композиции, графически все вершины диаграммы, которые соответствуют вложенным состояниям, изображаются внутри символа составного состояния (рис. 6.3.6). В этом случае размеры графического символа составного состояния увеличиваются, так чтобы вместить в себя все подсостояния. Составное состояние может содержать два или более параллельных подавтомата или несколько последовательных подсостояний. Каждое сложное состояние может уточняться только одним из указанных способов. При этом любое из подсостояний, в свою очередь, может

Рисунок 6.3.6. Графическое представление составного состояния с двумя вложенными в него последовательными подсостояниями

являться составным состоянием и содержать внутри себя другие вложенные подсостояния. Количество уровней вложенности составных состояний не фиксировано в языке UML.

Последовательные подсостояния (sequential substates) используются для моделирования такого поведения объекта, во время которого в каждый момент времени объект может находиться в одном и только одном подсостояний. Поведение объекта в этом случае представляет собой последовательную смену подсостояний, начиная от начального и заканчивая конечным подсостояниями. Для примера рассмотрим в качестве моделируемого объекта обычный телефонный аппарат. Он может находиться в различных состояниях, одним из которых является состояние дозвона до абонента. Очевидно, для того чтобы позвонить, необходимо снять телефонную трубку, услышать тоновый сигнал, после чего набрать нужный телефонный номер. Таким образом, состояние дозвона до абонента является составным и состоит из двух последовательных подсостояний: " поднять телефонную трубку" и " набрать телефонный номер". Фрагмент диаграммы состояний для этого примера содержит одно составное состояние и два последовательных подсостояний (рис. 6.3.7).

Рисунок 6.3.7. Пример составного состояния с двумя вложенными последовательными подсостояниями

Составное состояние может содержать в качестве вложенных подсостояний начальное и конечное состояния. При этом начальное подсостояние является исходным, когда происходит переход объекта в данное составное состояние. Если составное состояние содержит внутри себя конечное подсостояние, то переход в это вложенное конечное состояние означает завершение нахождения объекта в данном вложенном состоянии. Важно помнить, что для последовательных подсостояний начальное и конечное состояния должны быть единственными в каждом составном состоянии.

Параллельные подсостояния (concurrent substates) позволяют специфицировать два и более подавтомата, которые могут выполняться параллельно внутри составного события. Каждый из подавтоматов занимает некоторую область (регион) внутри составного состояния, которая отделяется от остальных горизонтальной пунктирной линией. Если на диаграмме состояний имеется составное состояние с вложенными параллельными подсостояниями, то объект может одновременно находиться в каждом из этих подсостояний.

Однако отдельные параллельные подсостояния могут, в свою очередь, состоять из нескольких последовательных подсостояний (подавтоматы 1 и 2 на рис. 6.3.8). В этом случае по определению объект может находиться только в одном из последовательных подсостояний подавтомата. Таким образом, для абстрактного примера (рис. 6.3.8) допустимо одновременное нахождение объекта в подсостояниях (1, 3, 4), (2, 3, 4), (1, 3, 5), (2, 3, 5). Недопустимо нахождение объекта одновременно в подсостояниях (1, 2, 3) или (3, 4, 5).

Рисунок 6.3.8. Графическое изображение составного состояния с вложенными параллельными подсостояниями

При переходе в составное состояние каждый из подавтоматов оказывается в своем начальном подсостояний. Далее происходит параллельное выполнение каждого из этих подавтоматов, причем выход из составного состояния будет возможен лишь в том случае, когда все подавтоматы будут находиться в своих конечных подсостояниях.

Если какой-либо из подавтоматов пришел в свое конечное состояние раньше других, то он должен ожидать, пока и другие подавтоматы не придут в свои конечные состояния.

В некоторых случаях бывает желательно скрыть внутреннюю структуру составного состояния. В подобной ситуации допускается не раскрывать на исходной диаграмме состояний данное составное состояние, а указать в правом нижнем углу специальный символ-пиктограмму (рис. 6.3.9). В последующем диаграмма состояний для соответствующего подавтомата может быть изображена отдельно от основной с необходимыми комментариями.

 

 

Рисунок 6.3.9. Составное состояние со скрытой внутренней структурой и специальной пиктограммой

 

Лабораторная работа №6.4

Тема: Построение диаграмм деятельности (activity diagram)

123456Следующая ⇒

Поделиться: