ГЛАВА 6 Диаграмма состояний (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, в главах 1 и 4, 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. Диаграмма состояний представляет динамическое поведение сущностей, на основе спецификации их реакции на восприятие некоторых конкретных событий. Системы, которые реагируют на внешние действия от других систем или от пользователей, иногда называют реактивными. Если такие действия инициируются в произвольные случайные моменты времени, то говорят об асинхронном поведении модели.
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, образуая 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.
6.1. 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.
В общем случае автомат представляет динамические аспекты моделируемой системы в виде ориентированного графа, вершины которого соответствуют состояниям, а дуги – переходам. 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. Речь идет о том, что навигация или ориентированный путь в графе состояний определяет специальное бинарное отношение на множестве всех состояний системы. 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.
В языке UML понятие автомата дополнено специальной семантикой входящих в соответствующий пакет элементов. Далее в этой главе будут рассмотрены основные элементы поведения, которые образуют концептуальный базис, необходимый для правильного построения диаграмм состояний.
Формализм обычного автомата основан на выполнении следующих обязательных условий:
