конечные автоматы
реклама
Технология разработки программного обеспечения Конечные автоматы Введение • В системах сильно зависимых от состояний машины конечных состояний (конечные автоматы) могут существенно помочь понять логику их работы. • На языке UML диаграмма смены состояний называется диаграммой машины состояний. • В UML диаграмма машины состояний (state machine diagram) основывается на конечных автоматах Харлея. Определение конечного автомата • Конечный автомат – это система, имеющая конечное число состояний. • В любой момент времени автомат находится только в одном состоянии. • Переход состояний - это изменение текущего состояния, вызванное внешним событием. • В ответ на поступившее событие автомат может перейти в новое состояние или остаться в прежнем. • То, в какое состояние перейдет автомат, зависит как от текущего состояния, так и от события. • Побочным результатом перехода в новое состояние иногда является выполнение некоторого действия. Типы диаграмм состояний • Традиционная диаграмма смены состояний, которая не является иерархической, называется плоской диаграммой состояний (flat statechart). • Термин иерархическая диаграмма состояний (hierarchical statechart) используется для обозначения понятия иерархической декомпозиции состояний. События • Событие (его также называют дискретным сигналом или стимулом) - это некоторое явление, происходящее в определенный момент времени. • События являются атомарными (то есть не прерываемыми) и концептуально имеют нулевую продолжительность. – Примеры событий: • • • • «Карточка Вставлена в Банкомат», «Введен ПИН-код», «Нажат Тормоз», «Лифт Уехал». • События могут зависеть друг от друга. – Например, событие «Карточка Вставлена в Банкомат» всегда предшествует событию «Введен ПИН-код». • С другой стороны, события бывают и совершенно независимыми. – Например, событие «Карточка Вставлена в Банкомат» в Москве не зависит от события «Карточка Вставлена в Банкомат» в Новосибирске. Событие таймера • Событие таймера - это особое событие, описываемое ключевым словом after, которое говорит, что событие происходит по истечении промежутка времени, заданного выражением в скобках. – Например: after (10с) или after (промежуток времени). • На диаграмме состояний событие таймера вызывает выход из текущего состояния. • Промежуток времени измеряется от момента входа в состояние до момента выхода из него, обусловленного событием таймера. Состояние • Состояние описывает некоторую конкретную ситуацию, характеризуемую протяженностью во времени. • Наступление события обычно приводит к переходу конечного автомата из одного состояния в другое. • Но событие может и не иметь никаких последствий, то есть после его наступления автомат останется в прежнем состоянии. • Теоретически переход в новое состояние занимает нулевое время. • На практике время, необходимое для перехода в новое состояние, пренебрежимо мало по сравнению со временем, проведенным в данном состоянии. • Начальное состояние - это то состояние, в котором оказывается диаграмма состояний сразу после активизации. Объекты, использующие конечные автоматы и объекты • Хотя с помощью конечных автоматов можно построить модель всей системы, в объектноориентированном анализе и проектировании конечный автомат включается только в некотором объекте. • Данный объект зависит от состояния и всегда находится в одном из состояний, определенных конечным автоматом. • Конечный автомат объекта изображается в виде диаграммы состояний. • В объектно-ориентированной модели, зависящие от состояния, особенности работы системы описываются одним или несколькими конечными автоматами, каждый из которых инкапсулирован в отдельный объект. • Взаимодействие конечных автоматов происходит опосредованно, путем обмена сообщениями между содержащими их объектами. Примеры диаграмм состояний • Использование плоских диаграмм состояний показано на трех примерах: 1. диаграммы состояний электрической лампочки; 2. диаграмма состояний счета; 3. диаграмма состояний банкомата ; Пример 1: диаграммы состояний электрической лампочки • События обуславливают переходы состояний. • Когда переключатель устанавливается в положение «On» (включен), лампочке посылается событие turnOn. – В диаграммах состояний события считаются мгновенными, т. е. от переключателя к лампочке событие доходит мгновенно. • Лампочка получает событие turnOn и в ответ на него меняет свое состояние на On. • В этом суть автоматов – объекты могут менять состояние при получении события. • Лампочка переходит в состояние Off при получении события turnOff. • В некоторый момент может произойти событие burnOut (лампочка перегорает). – Оно завершает конечный автомат. Пример 2: диаграммы состояний счета • В данном примере показана простая диаграмма из двух состояний: начального и конечного. • Когда открывается счет с положительным балансом, событие «Счет Открыт» вызывает переход в начальное состояние «Счет Хороший». • Последующие события «Вклад» и «Обычное Снятие Денег» не изменяют состояния при условии, что баланс счета остается положительным. Диаграмма состояния счета • Однако событие «Разрешенное Снятие Денег», приводящее к отрицательному балансу, вызывает переход в состояние «Превышены Расходы по Счету». • В этом состоянии могут произойти другие события «Разрешенное Снятие Денег». • Последующее событие «Долг Погашен» вызывает обратный переход в состояние «Счет Хороший». • Наконец, при закрытии счета производится переход в конечное состояние, изображаемое в виде закрашенного круга внутри не закрашенного («бычий глаз»). Пример 3: диаграмма состояний банкомата • Начальное состояние данной диаграммы – «Простаивает». • При получении события «Карточка Вставлена» банкомат переходит в состояние «Ожидание ПИН-кода», в котором ждет, пока клиент введет ПИН-код. • При получении события «ПИН-код Введен» банкомат переходит в состояние «Проверка ПИН-кода», в котором выясняет, совпадает ли введенный клиентом ПИН-код с тем, что хранится в базе данных банковского сервера. • Из состояния «Проверка ПИН-кода» возможно четыре перехода. 1.Если ПИН-коды совпадают, осуществляется переход по ветке «Правильный ПИН-код» в состояние «Ожидание Выбора Клиента». 2.Если ПИН-коды не совпадают, то по ветке «Неправильный ПИН-код» осуществляется возврат в состояние «Ожидание ПИН-кода», и система предлагает клиенту повторить ввод. 3.Если и после третьей попытки клиент указывает неправильный код, то совершается переход «Три Неудачи» в состояние «Конфискация». 4.если карточка оказалась утерянной или украденной, то также совершается переход «Три Неудачи» в состояние «Конфискация». • Кроме того, клиент может нажать клавишу отмены, после чего карточка будет возвращена, а транзакция прервана. Диаграмма состояний банкомата • В состоянии «Ожидание Выбора Клиента» клиент может выбрать нужную операцию, например «Снятие Денег». • Диаграмма состояний получает событие «Выбрано Снятие Денег» и переходит в состояние «Обработка Запроса на Снятие». • Если снятие разрешено, то диаграмма оказывается в состоянии «Выдача Наличных». • После получения события «Наличные Выданы» банкомат переходит в состояние «Печать», в котором печатается чек, а затем в состояние «Возврат». • После возврата карточки, о чем сигнализирует событие «Карточка Возвращена», мы попадаем в состояние «Завершение». • Из состояния «Завершение» производится переход в начальное состояние «Простаивает» после получения события таймера. • Событие таймера обозначается After («Промежуток Времени»), – где «Промежуток Времени» - это продолжительность нахождения в состоянии «Завершение» (от момента входа в это состояние до момента выхода, вызванного событием таймера). Действие • С переходом состояний может быть ассоциировано действие. • Действие (action) - это некоторое вычисление, осуществляемое в результате перехода в новое состояние. • Действие инициируется переходом. • Оно производится, а затем заканчивается. • Действие выполняется мгновенно в момент перехода, то есть концептуально его продолжительность равна нулю. • На практике время, затрачиваемое на выполнение действия, очень мало по сравнению с длительностью пребывания автомата в некотором состоянии. • На диаграмме состояний действие изображается путем пометки перехода следующим образом: событие [условие] / действие. – Например, когда банкомат переходит из состояния «Ожидание ПИН-кода» в состояние «Проверка ПИНкода» в результате события «ПИН-код Введен», выполняется действие «Проверить пин-код». • Этот переход помечен так: ПИН-код введен / Проверить пин-код. Пример действия • Фрагмент диаграмма состояний банкомата с добавленными действиями. Переход с несколькими действиями • С переходом может быть связано несколько действий. • Такие действия выполняются одновременно, и поэтому между ними не должно быть никаких зависимостей. – Например, неправильно включать два одновременных действия: «Рассчитать Изменение» и «Показать Изменение». • В таком случае имеется подчиненность одного действия другому, поскольку нельзя показать изменение до того, как оно рассчитано. • Для решения данной проблемы нужно ввести промежуточное состояние «Расчет Изменения». – действие «Рассчитать Изменение» выполняется при входе в это состояние, – действие «Показать Изменение» - при выходе из этого состояния. Деятельности • Помимо действий в результате перехода состояния могут выполняться деятельности. • Деятельность (activities) - это некоторое вычисление, выполняемое, пока автомат находится в данном состоянии. • В отличие от действия, деятельность занимает конечное время. • Деятельность начинается при входе в состояние и заканчивается при выходе из него. • Причина изменения состояния, приводящего к прекращению деятельности, обычно состоит в приходе некоторого события из источника, не связанного с деятельностью. • Однако иногда сама деятельность инициирует событие, приводящее к изменению состояния. • Один из способов показать деятельность на диаграмме состояний – – пометить переход в состояние, где она протекает: событие / enable деятельность, – а также пометить переход из этого состояния: событие / disable деятельность. • Для сокращения записи, можно вместо слов enable и disable ассоциировать деятельность с самим состоянием. • Для этого в прямоугольнике, представляющем состояние, записывают имя состояния и имя деятельности, разделяя их горизонтальной чертой. • Деятельность изображают в виде do / деятельность (здесь do -- зарезервированное слово). • Это означает, что деятельность начинается при входе в состояние и завершается при выходе из него. Диаграмма состояний системы круизконтроля с деятельностями Действия при входе и выходе • Некоторые действия можно записать более кратко, если связать их с самим состоянием, а не с переходами. • Для это используются действия при входе и при выходе, для которых применяются ключевые слова: entry и exit. – мгновенное действие, выполняемое при входе в состояние, обозначается как entry / действие, – мгновенное действие, выполняемое при выходе из него, - как exit / /действие. • Обычно действия при входе и выходе не используются, вместо этого помечаются переходы в данное состояние и из него. Действие при входе • Лучше всего применять действие при входе, в следующих ситуациях: – если есть несколько переходов в данное состояние; а при каждом переходе нужно выполнить одно и то же действие; – действие связано именно с входом в данное состояние, а не с выходом из предыдущего. • В этой ситуации действие изображается только в прямоугольнике состояния, а не на каждом ведущем в него переходе. • Действие при выходе удобно использовать в случаях: – если есть несколько переходов из данного состояния; – если при каждом переходе требуется одно и то же действие; – если действие связано именно с, выходом из данного состояния, а не с входом в следующее. • В такой ситуации действие изображается только в прямоугольнике состояния, а не на каждом исходящем из него переходе. Пример описания действия при входе • На рис. действия изображены на переходах. – действие «Индицировать Останов Системы» связано со всеми тремя переходами в состояние Останов, – действие «Отобразить Приветствие» - с двумя переходами в состояние Простаивает. Пример описания действия при входе (2) • Другой способ к изображению действий : – при входе в состояние Останов выполняется мгновенное действие «Индицировать Останов Системы», – при входе в состояние «Простаивает» - мгновенное действие «Отобразить Приветствие« Пример описания действия при выходе • Рассмотрим действие «Установить Значение Требуемой Скорости», • Оно выполняется после увеличения скорости в состоянии «Разгон» в ходе выполнения деятельности «Увеличить Скорость», поэтому изображено на обоих переходах из состояния Разгон. Пример описания действия при выходе (2) • Более краткая запись действия при выходе из состояния «Разгон»: Пример описания действия при выходе (2) • Деятельность «Увеличить Скорость» выполняется в течение всего времени пребывания в состоянии «Разгон». • При выходе из этого состояния сначала прекращается деятельность в нем, а затем выполняется действие при выходе. • Деятельность, выполняемая, пока автомат находится в данном состоянии, может сама возбуждать событие, вызывающее переход в новое состояние. – Например, деятельность «Возобновить Круиз-Контроль», которая осуществляется в состоянии «Возобновление», возбуждает событие «Выход на Крейсерский Режим», которое переводит диаграмму в состояние «Крейсерский Режим». • Выход из состояния «Возобновление» может быть обусловлен и другим событием, в частности «Нажат Тормоз», полученным из внешней среды. Синтаксис состояния • Событие keypress (нажатие клавиши) моделируется это как внутреннее событие, которое вызывает внутренний переход, инициирующий действие отобразить “*“. • Два специальных действия – вход и выход – ассоциированы со специальными событиями entry и exit. – У этих двух событий особая семантика. • Событие entry происходит мгновенно и автоматически при входе в состояние. – Это первое, что происходит, когда осуществляется вход в состояние. – Это событие обусловливает выполнение ассоциированного с ним действия на входе. • Событие exit – самое последнее, что происходит мгновенно и автоматически при выходе из состояния. – Обусловливает выполнение ассоциированного действия на выходе. Иерархические диаграммы состояний Иерархические диаграммы состояний • Цель иерархических диаграмм состоит в том, чтобы воспользоваться основными идеями и визуальными преимуществами, которые дают плоские диаграммы, но в то же время избавиться от присущих им недостатков. • Любой иерархической диаграмме можно поставить в соответствие плоскую, поэтому семантически те и другие эквивалентны. • Иерархические диаграммы состояний способ, позволяющий справиться со сложностью модели. Иерархическая декомпозиция состояний • Иерархическая декомпозиция состояний: выделение «надсостояния», которое раскладывается на одно или несколько взаимосвязанных «подсостоянии». • Такая операция также называется декомпозицией ИЛИ, так как пребывание в некотором надсостояний означает, что диаграмма находится в одном и только одном из его подсостоянии. • Обозначения UML позволя.т показать надсостояние и подсостояния на одной или нескольких диаграммах в зависимости от уровня сложности. Пример иерархической декомпозиции состояния • В данном примере «надсостояние» «Обработка Ввода Клиента» состоит из подсостояний – «Ожидание ПИН-кода», – «Проверка ПИН-кода» и – «Ожидание Выбора Клиента». Пример иерархической диаграммы состояния Изображение иерархической декомпозиции состояния • В иерархической диаграмме надсостояние изображается в виде внешнего прямоугольника с закругленными углами, в левом верхнем углу которого записывается имя надсостояния. • Подсостояния изображаются внутренними прямоугольниками с закругленными углами.) • Когда система оказывается в надсостояний обработка «Ввода Клиента», она находится в одном и только одном из подсостоянии – «Ожидание ПИН-кода», – «Проверка ПИН-кода» или – «Ожидание Выбора Клиента». • Отметим, что каждый переход в надсостояние «Обработка Ввода Клиента» - это переход в одно и только одно подсостояние диаграммы нижнего уровня. • Любой выход из надсостояния — это выход из какого-то его подсостояния. – Например, входное событие «Карточка Вставлена» вызывает переход в подсостояние «Ожидание пин-кода», внутреннего для надсостояния «Обработка Ввода Клиента». Рекомендации по разработке диаграмм состояний • имя состояния должно отражать такую ситуацию или такой промежуток времени, когда в системе что-то происходит. – Поэтому имя часто бывает существительным или прилагательным (например, Начало или Начальное) либо глаголом в третьем лице («Лифт Движется»). – Не следует употреблять для именования состояний глаголы в неопределенной форме (например, «Двигать Лифт»); • в пределах одной диаграммы имена всех состояний должны различаться. – Наличие двух состояний с одним и тем же именем приводит к неоднозначности; Рекомендации по разработке диаграмм состояний (2) • из каждого состояния должен быть выход. – Очень часто встречаются диаграммы, в которых нет конечного состояния; • плоская диаграмма в любой момент времени находится только в одном состоянии. – Два состояния, например Лифт Движется и Лифт на Этаже, не могут быть активными одновременно. – Одно состояние должно следовать за другим; • для иерархических диаграмм применимы следующие правила: – если речь идет о последовательной иерархической диаграмме (декомпозиция ИЛИ), то пребывание в некотором надсостояний означает пребывание в одном и только одном из его подсостояний; – если используется параллельная иерархическая диаграмма (декомпозиция И), то пребывание в некотором надсостояний означает пребывание в одном из подсостояний каждой диаграммы нижнего уровня; • не следует путать события и действия. – Событие - это причина перехода состояний, а действие его следствие; • событие происходит в некоторый момент времени. – Имя события должно пояснять, что именно произошло, например: Вызов Вверх, Дверь Закрылась; • действие - это команда, – например: Остановить, Закрыть Дверь, Поддерживать Скорость; • действие выполняется мгновенно. • деятельность продолжается все время, пока диаграмма находится в данном состоянии; • с одним переходом состояний может быть ассоциировано несколько действий. – Концептуально все эти действия выполняются одновременно, поэтому нельзя говорить о порядке их выполнения. – Следовательно, между действиями не может быть никаких зависимостей. – Если же зависимость существует, то необходимо ввести промежуточное состояние; • условие - это булевое значение. – Если переход помечен конструкцией событие [условие], то он происходит только тогда, когда в момент возникновения события условие истинно. – Условие остается истинным на протяжении конечного промежутка времени. – Переход «Разогнаться [Торможения Нет]» предназначен специально для того, чтобы предотвратить смену состояния в случае, если в момент возникновения события «Разогнаться» нажата педаль тормоза; • действия, деятельности и условия необязательны. – Используйте их только при необходимости.
