Основы построения диаграмм

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:

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. Другими словами, автомат «забывает» все состояния, которые предшествовали текущему в данный момент времени. Образно говоря, существует непрозрачная стена, отделяющая текущее состояние от прошлого поведения объекта.

Примечание 50

2. В каждый момент времени автомат может находиться в одном и только в одном из своих состояний. Это означает, что формализм автомата предназначен для моделирования последовательного поведения, когда объект в течение своего жизненного цикла последовательно проходит через все свои состояния. При этом автомат может находиться в отдельном состоянии как угодно долго, если не происходит никаких событий.

Примечание 51

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.

Примечание 52

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.

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».

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.

Таким образом, правила поведения объекта, моделируемого некоторым автоматом, определяются, с одной стороны, общим формализмом автомата, а с другой – его графическим изображением в языке UML в форме конкретной диаграммы состояний.

6.2. Состояние

Понятие состояния (state) является фундаментальным не только в метамоде-ли языка UML, но и в прикладном системном анализе. Ранее в главе 1 кратко были рассмотрены особенности представления динамических характеристик сложных систем, традиционно используемых для моделирования поведения. Вся концепция динамической системы основывается на понятии состояния системы. Однако семантика состояния в языке UML имеет целый ряд специфических особенностей.

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 элементов системы, 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.

Например, инвариант может представлять статическую ситуацию, когда объект находится в состоянии ожидания возникновения некоторого внешнего события. С другой стороны, инвариант используется для моделирования динамических аспектов, когда в ходе процесса выполняются некоторые действия. В этом случае моделируемый элемент переходит в рассматриваемое состояние в момент начала соответствующей деятельности и покидает данное состояние в момент ее завершения.

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

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-дёйствия '/' 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.