Диаграмма состояний, автомата (statechart diagram)

Рассмотренная выше диаграмма классов представляет собой логическую модель статического представления моделируемой системы. Речь идет о том, что на данной диаграмме изображаются только взаимосвязи структурного характера, не зависящие от времени или реакции системы на внешние события. Однако для большинства физических систем, кроме самых простых и тривиальных, статических представлений совершенно недостаточно для моделирования процессов функционирования подобных систем, как в целом, так и их отдельных подсистем и элементов.

Рассмотрим простой пример. Любое техническое устройство, такое как телевизор, компьютер, автомобиль, телефонный аппарат в самом общем случае может характеризоваться такими своими состояниями, как «исправен» и «неисправен». Интуитивно ясно, какой смысл вкладывается в каждое из этих понятий. Более того, использование по назначению данного устройства возможно только тогда, когда оно находится в исправном состоянии. В противном случае необходимо предпринять совершенно конкретные действия по его ремонту и восстановлению работоспособности.

Однако понимание семантики понятия состояния представляет определенные трудности. Дело в том, что 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. Поэтому при построении диаграмм состояний необходимо использовать специальные понятия, которые и будут рассмотрены в данной главе.

Ранее было отмечено, что 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. В отличие от других диаграмм 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.Хотя диаграммы состояний чаще всего используются для описания поведения отдельных экземпляров классов (объектов), но они также могут быть применены для спецификации функциональности других компонентов моделей, таких как варианты использования, актеры, подсистемы, операции и методы.

Диаграмма состояний по существу является графом специального вида, который представляет некоторый автомат. Понятие автомата в контексте UML обладает довольно специфической семантикой, основанной на теории автоматов. 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, образуя вложенные диаграммы более детального представления отдельных элементов модели. Для понимания семантики конкретной диаграммы состояний необходимо представлять не только особенности поведения моделируемой сущности, но и знать общие сведения по теории автоматов.

Автоматы

Автомат (state machine) в языке UML представляет собой некоторый формализм для моделирования поведения элементов модели и системы в целом. В метамодели UML 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 рассмотренная выше 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. 6.1).

Рис. 6.1. 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 в пределе время перехода из одного состояния в другое равно нулю (если дополнительно ничего не сказано). Другими словами, переход объекта из состояния в состояние происходит мгновенно.При этом 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. Хотя ни в графе состояний, ни на диаграмме состояний время нахождения системы в том или ином состоянии явно не учитывается, 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. Это отношение характеризует потенциальную возможность перехода системы из рассматриваемого состояния в некоторое другое состояние. Очевидно, для достижимости состояний необходимо наличие связывающего их ориентированного пути в графе состояний.

Формализм автоматов допускает вложение одних автоматов в другие для уточнения внутренней структуры отдельных более общих состояний (макросостояний). 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. 6.1) 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. С точки зрения моделируемого поведения определяющим является сам факт нахождения объекта в том или ином состоянии, но никак не последовательность состояний, в результате которой объект перешел в текущее состояние.

2. В каждый момент времени автомат может находиться в одном и только в одном из своих состояний. При этом автомат может находиться в отдельном состоянии как угодно долго, если не происходит никаких событий. Необходимость моделирования параллельных процессов приводит к рассмотрению в контексте одной модели нескольких автоматов, каждый из которых специфицирует отдельный процесс поведения.

3. Хотя процесс изменения состояний автомата происходит во времени, явно концепция времени не входит в формализм автомата. Это означает, что длительность нахождения автомата в том или ином состоянии, а также время достижения того или иного состояния никак не специфицируются. Другими словами, время на диаграмме состояний присутствует в неявном виде, хотя для отдельных событий может быть указан интервал времени и в явном виде. Поскольку диаграмма состояний предназначена для моделирования поведения объекта, которое определяется асинхронными событиями, эти события могут происходить в заранее неизвестные моменты времени.

4. Количество состояний автомата должно быть обязательно конечным (в языке UML рассматриваются только конечные автоматы), и все они должны быть специфицированы явным образом. При этом отдельные псевдосостояния могут не иметь спецификаций (начальное и конечное состояния). В этом случае их назначение и семантика полностью определяются из контекста модели и рассматриваемой диаграммы состояний.

5. Граф автомата не должен содержать изолированных состояний и переходов. Это условие означает, что для каждого из состояний, кроме начального, должно быть определено предшествующее состояние. Каждый переход должен обязательно соединять два состояния автомата. Допускается переход из состояния в себя, такой переход еще называют «петлей».

6. 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). В языке UML исключение конфликтов возможно на основе введения так называемых сторожевых условий, которые будут рассмотрены ниже.

Состояние (state)

Вся концепция динамической системы основывается на понятии состояния системы. 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. Как правило, имеют значение только такие свойства, которые отражают динамический или функциональный аспект ее поведения. В этом случае состояние будет характеризоваться некоторым инвариантным условием, включающим в себя только значимые для поведения класса атрибуты и их значения.

Рис. 6.2.Графическое изображение состояний на диаграмме состояний

Состояние на диаграмме изображается прямоугольником со скругленными вершинами (рис. 6.2). 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. 6.2, а). В противном случае в первой из них записывается имя состояния, а во второй – список некоторых внутренних действий или переходов в данном состоянии (рис. 6.2, б). При этом под действием в языке UML понимают некоторую атомарную 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. Поскольку состояние системы является составной частью процесса ее функционирования, рекомендуется в качестве имени использовать глаголы в настоящем времени (звенит, печатает, ожидает) или соответствующие причастия (занят, свободен, передано, получено). Имя у состояния может отсутствовать, т. е. оно является необязательным для некоторых состояний. В этом случае состояние является анонимным, и если на диаграмме состояний их несколько, то все они должны различаться между собой.

Список внутренних действий.Эта секция содержит 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. При этом выражение действия может использовать любые атрибуты и связи, которые принадлежат области имен или контексту моделируемого объекта. 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, за исключением той особенности, что выход из этого состояния или повторный вход в него не происходит. Это означает, что действия входа и выхода не выполняются.

В качестве примера состояния рассмотрим ситуацию ввода пароля пользователя при аутентификации входа в некоторую программную систему (рис. 6.3). 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.

Рис. 6.3.Пример состояния с непустой секцией внутренних действий

Начальное состояние представляет собой частный случай состояния, которое не содержит никаких внутренних действий (псевдосостояния). В этом состоянии находится объект по умолчанию в начальный момент времени. Оно служит для указания на диаграмме состояний графической области, от которой начинается процесс изменения состояний. Графически начальное состояние в языке UML обозначается в виде закрашенного кружка (рис. 6.4, а), из которого может только выходить стрелка, соответствующая переходу.

Рис. 6.4. Графическое изображение начального и конечного состояний на диаграмме состояний

На самом верхнем уровне представления объекта переход из начального состояния может быть помечен событием создания (инициализации) данного объекта. В противном случае переход никак не помечается. Если этот переход не помечен, то он является первым переходом в следующее за ним состояние.

Конечное (финальное) состояние представляет собой частный случай состояния, которое также не содержит никаких внутренних действий (псевдосостояния). В этом состоянии будет находиться объект по умолчанию после завершения работы автомата в конечный момент времени. Оно служит для указания на диаграмме состояний графической области, в которой завершается процесс изменения состояний или жизненный цикл данного объекта. Графически конечное состояние в языке UML обозначается в виде закрашенного кружка, помещенного в окружность (рис. 6.4, б), в которую может только входить стрелка, соответствующая переходу.

Переход (transition)

Простой переход (simple transition) представляет собой отношение между двумя последовательными состояниями, которое указывает на факт смены одного состояния другим. Пребывание моделируемого объекта в первом состоянии может сопровождаться выполнением некоторых действий, а переход во второе состояние будет возможен после завершения этих действий, а также после удовлетворения некоторых дополнительных условий. В этом случае говорят, что переход срабатывает, Или происходит срабатывание перехода. До срабатывания перехода объект находится в предыдущем от него состоянии, называемым исходным состоянием, или в источнике (не путать с начальным состоянием – это разные понятия), а после его срабатывания объект находится в последующем от него состоянии (целевом состоянии).

Переход осуществляется при наступлении некоторого события: окончания выполнения деятельности (do activity), получении объектом сообщения или приемом сигнала. На переходе указывается имя события. Кроме того, на переходе 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. Исходное и целевое состояния перехода в себя совпадают. 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. 6.1). 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>).

Термин событие (event) требует отдельного пояснения, поскольку является самостоятельным элементом языка UML. 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.

Семантика понятия события фиксирует внимание на внешних проявлениях качественных изменений, происходящих при переходе моделируемого объекта из состояния в состояние. Например, при включении электрического переключателя происходит некоторое событие, в результате которого комната становится освещенной. После успешного ремонта компьютера также происходит немаловажное событие – восстановление его работоспособности. Если поднять трубку обычного телефона, то, в случае его исправности, мы ожидаем услышать тоновый сигнал. И этот факт тоже является событием.

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. 6.1 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. После имени события могут следовать круглые скобки для явного задания параметров соответствующего события-триггера. Если таких параметров нет, то список параметров со скобками может отсутствовать.

Сторожевое условие (guard condition), если оно есть, всегда записывается в прямых скобках после события-триггера и представляет собой некоторое булевское выражение. Напомним, что булевское выражение должно принимать одно их двух взаимно исключающих значений: «истина» или «ложь». Из контекста диаграммы состояний должна явно следовать семантика этого выражения, а для записи выражения может использоваться синтаксис языка объектных ограничений, основы которого изложены в приложении.

Введение для перехода сторожевого условия позволяет явно специфицировать семантику его срабатывания. Если сторожевое условие принимает значение «истина», то соответствующий переход может сработать, в результате чего объект перейдет в целевое состояние. 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. Однако вычисление истинности сторожевого условия происходит только после возникновения ассоциированного с ним события-триггера, инициирующего соответствующий переход.

В общем случае из одного состояния может быть несколько переходов с одним и тем же событием-триггером. При этом никакие два сторожевых условия не должны одновременно принимать значение «истина». Каждое из сторожевых условий необходимо вычислять всякий раз при наступлении соответствующего события-триггера.

Графически фрагмент логики моделирования почтовой программы может быть представлен в виде следующей диаграммы состояний (рис. 6.5). Это достаточно условный пример для демонстрации основных принципов и не отражает полную функциональность и состояния системы.

Рис. 6.5. Диаграмма состояний для моделирования почтовой программы-клиента

Как можно заключить из контекста, в начальном состоянии программа не выполняется, хотя и имеется на компьютере пользователя. В момент ее включения происходит ее активизация. В этом состоянии программа может находиться неопределенно долго, пока пользователь ее не закроет, т. е. не выгрузит из оперативной памяти компьютера. После окончания активизации программа переходит в конечное состояние. В активном состоянии программы пользователь может читать сообщения электронной почты, создавать собственные послания и выполнять другие действия, не указанные явно на диаграмме.

Однако при необходимости получить новую почту, пользователь должен установить телефонное соединение с провайдером, что и показано явно на диаграмме верхним переходом. Другими словами, пользователь инициирует событие-триггер «установить телефонное соединение». В качестве параметра этого события выступает конкретный телефонный номер модемного пула провайдера. Далее следует проверка сторожевого условия «телефонное соединение установлено», которое следует понимать как вопрос. Только в случае положительного ответа «да», т. е. «истина», происходит переход почтовой программы-клиента из состояния «активизация почтовой программы» в состояние «загрузка почты с сервера провайдера». В противном случае (линия занята, неверный ввод пароля, отключенный логин) никакой загрузки почты не произойдет, и программа останется в прежнем своем состоянии.

Второй триггерный переход на диаграмме инициирует автоматический разрыв телефонного соединения с провайдером после окончания загрузки почты на компьютер пользователя. В этом случае событие-триггер «закончить загрузку почты» происходит после проверки сторожевого условия «почтовый ящик на сервере пуст», которое также следует понимать в форме вопроса. При положительном ответе на этот вопрос (вся почта загружена или ее просто нет в ящике) почтовая программа прекращает загрузку почты и переходит в состояние активизации. В случае же отрицательного ответа загрузка почты будет продолжена.

Выражение действия.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. Атомарность действия означает, что оно не может быть прервано никаким другим действием до тех пор, пока не закончится его выполнение. Данное действие может оказывать влияние, как на сам объект, так и на его окружение, если это с очевидностью следует из контекста модели. Выражение записывается после знака "/" в строке текста, присоединенной к соответствующему переходу.

В общем случае, выражение действия может содержать целый список отдельных действий, разделенных символом ";". Обязательное требование – все действия из списка должны четко различаться между собой и следовать в порядке их записи. На синтаксис записи выражений действия не накладывается никаких ограничений. Главное – их запись должна быть понятна разработчикам модели и программистам. Поэтому чаще всего выражения записывают на одном из языков программирования, который предполагается использовать для реализации модели.

В качестве примера выражения действия (см. рис. 6.5) может служить "разорвать телефонное соединение (телефонный номер), которое должно быть выполнено сразу после установления истинности («истина») сторожевого условия «почтовый ящик на сервере пуст».

Другим примером может служить очевидная ситуация с выделением графических объектов на экране монитора при однократном нажатии левой кнопки мыши. Имеется в виду обработка сигналов от пользователя при выделении тех или иных графических примитивов (пиктограмм). В этом случае соответствующий переход может иметь следующую строку текста: "нажата и отпущена левая кнопка мыши (координаты) [координаты в области графического объекта] / выделить объект (цвет). Результатом этого триггерного перехода может быть, например, активизация некоторых свойств объекта (размер файла в строке состояния) или последующее его удаление в корзину.