Составное состояние и подсостояние

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. 6.6). В этом случае размеры графического символа составного состояния увеличиваются, так чтобы вместить в себя все подсостояния.

Рис. 6.6. Графическое представление составного состояния с двумя вложенными в него последовательными подсостояниями

 

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 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. Хотя объект продолжает находиться в составном состоянии, введение в рассмотрение последовательных подсостояний позволяет учесть более тонкие логические аспекты его внутреннего поведения.

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. Это можно объяснить следующим образом. Каждая совокупность вложенных последовательных подсостояний представляет собой подавтомат того автомата, которому принадлежит рассматриваемое составное состояние. Поскольку каждый автомат может иметь по определению единственное начальное и единственное конечное состояния, то для подавтомата это условие также должно выполняться (рис. 6.7).

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. 6.7).

Рис. 6.7. Пример составного состояния с двумя вложенными последовательными подсостояниями

 

Некоторых пояснений могут потребовать переходы. Два из них специфицируют событие-триггер набор цифры, которое имеет имя «цифра» с параметром "n". В качестве параметра, как нетрудно предположить, выступает отдельная цифра на диске телефонного аппарата. Переход из начального подсостояния нетриггерный, поскольку он не содержит никакой строки текста. Последний переход в конечное подсостояние не имеет события-триггера, но имеет сторожевое условие, проверяющее правильность набранного номера абонента. Только в случае истинности этого условия телефонный аппарат может перейти в конечное подсостояние, которое характеризует суперсостояние «дозвон до абонента» в целом.

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. 6.8). В этом случае по определению объект может находиться только в одном из последовательных подсостояний подавтомата. Таким образом, для абстрактного примера (рис. 6.8) 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).

Рис. 6.8. Графическое изображение составного состояния с вложенными параллельными подсостояниями

 

Поскольку каждый регион вложенного состояния специфицирует некоторый подавтомат, то для каждого из вложенных подавтоматов могут быть определены собственные начальное и конечные подсостояния (рис. 6.8). При переходе в данное 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. Например, отдельный подавтомат, специфицирующий составное состояние, может быть настолько большим по масштабу, что его визуализация затруднит общее представление диаграммы состояний. В подобной ситуации допускается не раскрывать на исходной диаграмме состояний данное составное состояние, а указать в правом нижнем углу специальный символ-пиктограмму (рис. 6.9). В последующем диаграмма состояний для соответствующего подавтомата может быть изображена отдельно от основной с необходимыми комментариями.

Рис. 6.9. Составное состояние со скрытой внутренней структурой и специальной пиктограммой

 

Историческое состояние

Как было отмечено выше, формализм обычного автомата не позволяет учитывать предысторию в процессе моделирования поведения объектов. Однако функционирование целого ряда систем основано на возможности выхода из отдельных состояний с последующим возвращением в это же состояние. При этом может оказаться необходимым учесть ту часть деятельности, которая была выполнена на момент выхода из этого состоянии, чтобы не начинать ее выполнение сначала. Для этой цели в языке UML существует историческое состояние.

Историческое состояние (history state) применяется в контексте составного состояния. Оно используется для запоминания того из последовательных подсостояний, которое было текущим в момент выхода из составного состояния. При этом существует две разновидности исторического состояния: недавнее и давнее (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Графическое изображение недавнего (а) и давнего (б) исторического состояния

 

Недавнее историческое состояние (shallow history state) обозначается в форме небольшой окружности, в которую помещена латинская буква "Н" (рис. 6.10, а). Это состояние обладает следующей семантикой. Во-первых, оно является первым подсостоянием в составном состоянии, и переход извне в это составное состояние должен вести непосредственно в это историческое состояние. Во-вторых, при первом попадании в недавнее историческое состояние оно не хранит никакой истории (история пуста). Другими словами, при первом переходе в недавнее историческое состояние оно заменяет собой начальное состояние подавтомата.

Далее следует последовательное изменение вложенных подсостояний. Если в некоторый момент происходит выход из вложенного состояния (например, в случае некоторого внешнего события), то это историческое состояние запоминает то из подсостояний, которое являлось текущим на момент выхода. При следующем входе в это же составное состояние историческое подсостояние уже имеет непустую историю и сразу отправляет подавтомат в запомненное подсостояние, минуя все предшествующие ему подсостояния.

Историческое состояние теряет свою историю в тот момент, когда подавтомат доходит до своего конечного состояния. При этом недавнее историческое состояние запоминает историю только того подавтомата, к которому он относится. Другими словами, этот тип состояния способен запомнить историю только одного с ним уровня вложенности.

С другой стороны, запомненное состояние, в свою очередь, также может являться составным состоянием. Давнее историческое состояние (deep history state) обозначается в форме небольшой окружности, в которую помещена латинская буква "Н" с символом "*" (рис. 6.10, б) и служит для запоминания всех подсостояний любого уровня вложенности для текущего подавтомата.

Простым примером, иллюстрирующем применение недавнего исторического состояния, может служить логика работы почтовой программы-клиента. Предположим, при запуске этой программы мы находимся в состоянии написания нового сообщения, причем набран уже значительный фрагмент текста. Почтовая программа может быть сконфигурирована таким образом, что в фиксированные моменты времени (например, каждые 30 минут) она проверяет наличие новых сообщений на сервере провайдера при удаленном доступе. Очевидно, что очередной дозвон, хотя и прерывает работу редактора, не должен привести к потере набранного фрагмента текста.

В этом случае составное состояние «работа редактора» должно содержать вложенное историческое подсостояние, которое запоминает выполненную работу. После окончания дозвона и загрузки новой почты (в случае ее наличия) мы должны вернуться к сохраненному фрагменту нашего сообщения и продолжить работу редактора программы.

Синхронизирующие состояния. Как уже было отмечено, поведение параллельных подавтоматов независимо друг от друга, что позволяет реализовать многозадачность в программных системах. Однако в отдельных случаях может возникнуть необходимость учесть в модели синхронизацию наступления отдельных событий. Для этой цели в языке UML имеется специальное псевдосостояние, которое называется синхронизирующим состоянием.

Синхронизирующее состояние (synch state) обозначается небольшой окружностью, внутри которой помещен символ звездочки "*". Оно используется совместно с переходом-соединением или переходом-ветвлением для того, чтобы явно указать события в других подавтоматах, оказывающие непосредственное влияние на поведение данного подавтомата.

Для иллюстрации использования синхронизирующих состояний рассмотрим упрощенную ситуацию с моделированием процесса постройки дома. Предположим, что постройка дома включает в себя строительные работы (возведение фундамента и стен, возведение крыши и отделочные работы) и работы по электрификации дома (подведение электрической линии, прокладка скрытой электропроводки и установка осветительных ламп). Очевидно, два этих комплекса работ могут выполняться параллельно, однако между ними есть некоторая взаимосвязь.

В частности, прокладка скрытой электропроводки может начаться лишь после того, как будет завершено возведение фундамента и стен. А отделочные работы следует начать лишь после того, как будет закончена прокладка скрытой электропроводки. В противном случае отделочные работы придется проводить повторно. Рассмотренные особенности синхронизации этих параллельных процессов учтены на соответствующей диаграмме состояний с помощью двух синхронизирующих состояний (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Диаграмма состояний для примера со строительством дома

 

 

Сложные переходы

Рассмотренное выше понятие перехода является вполне достаточным для большинства типичных расчетно-вычислительных задач. Однако современные программные системы могут реализовывать очень сложную логику поведения отдельных своих компонентов. Может оказаться, что для адекватного представления процесса изменения состояний семантика обычного перехода для них недостаточна. С этой целью в языке UML специфицированы дополнительные обозначения и свойства, которыми могут обладать отдельные переходы на диаграмме состояний.

Переходы между параллельными состояниями. В отдельных случаях переход может иметь несколько состояний-источников и несколько целевых состояний. Такой переход получил специальное название – параллельный переход. Введение в рассмотрение параллельного перехода обусловлено необходимостью синхронизировать и/или разделить отдельные подпроцессы на параллельные нити без спецификации дополнительной синхронизации в параллельных подавтоматах.

Графически такой переход изображается вертикальной черточкой. Если параллельный переход имеет две или более входящих дуг (рис. 6.11, а), то его называют соединением (join). Если же он имеет две или более исходящих из него дуг (рис. 6.11, б), то его называют ветвлением (fork). Текстовая строка спецификации параллельного перехода записывается рядом с черточкой и относится ко всем входящим (исходящим) дугам.

Рис. 6.11. Графическое изображение параллельного перехода из параллельных состояний (а) и параллельного перехода в параллельные состояния (б)

 

Срабатывание параллельного перехода происходит следующим образом. В первом случае (переход-соединение) переход срабатывает, если имеет место событие-триггер для всех исходных состояний этого перехода, и выполнено (при его наличии) сторожевое условие. При срабатывании перехода-соединения одновременно покидаются все исходные состояния перехода (состояния 1 и 2) и происходит переход в целевое состояние. При этом каждое из исходных состояний перехода должно принадлежать отдельному подавтомату, входящему в состав автомата (процессу 1).Во втором случае (ветвление) происходит расщепление автомата на два подавтомата, образующих параллельные ветви вложенных подсостояний. При этом после срабатывания перехода моделируемый объект одновременно будет находиться во всех целевых состояниях этого перехода (состояния 3 и 4). Далее процесс изменения состояний будет протекать согласно ранее рассмотренным правилам для составных состояний.

Переходы между составными состояниями. Переход, стрелка которого соединена с границей некоторого составного состояния, обозначает переход в составное состояние (переход b на рис. 6.12). Он эквивалентен переходу в начальное состояние каждого из подавтоматов (возможно, единственному), входящих в состав данного суперсостояния. Переход, выходящий из составного состояния (переходы f и g на рис. 6.12), относится к каждому из вложенных подсостояний. Это означает, что объект может покинуть составное суперсостояние, находясь в любом из его подсостояний. Для этого вполне достаточно выполнения события и сторожевого условия.

Рис. 6.12. Различные варианты переходов в (из) составное состояние

 

Иногда желательно реализовать ситуацию, когда выход из отдельного вложенного состояния соответствовал бы выходу и из составного состояния тоже. В этом случае изображают переход, который непосредственно выходит из вложенного подсостояния за границу суперсостояния (переход с на рис. 6.12). Аналогично, допускается изображение переходов, входящих извне составного состояния в отдельное вложенное состояние (переход а на рис. 6.12).

 

 

Пример

В завершение этого раздела рассмотрим диаграмму состояний, которая представляет собой пример моделирования поведения конкретного объекта – процесса функционирования телефонного аппарата (рис. 6.14). Этот пример иллюстрирует все основные особенности графической нотации, используемой при построении диаграммы состояний.

Кратко прокомментируем основные особенности этого примера. Данная диаграмма состояний представляет единственный автомат с одним составным состоянием. Вне этого составного состояния имеется только одно состояние «ожидание», которое характеризует исправный и подключенный к телефонной сети телефонный аппарат. Переход в следующее состояние происходит при поднятии телефонной трубки. Переход с атомарным действием «подать тоновый сигнал» переводит аппарат в составное состояние, а точнее – в начальное его подсостояние.

Рис. 6.14. Диаграмма состояний процесса функционирования телефонного аппарата

 

Далее телефонный аппарат будет находиться в состоянии «тоновый сигнал». При этом будет непрерывно издавать этот сигнал до тех пор, пока не произойдет событие-триггер «набор цифры (п)», либо не истечет 15 секунд с момента поднятия трубки. В первом случае аппарат перейдет в состояние «набор номера», а во втором – в состояние «истечение времени ожидания». Последняя ситуация может быть результатом сомнений по поводу «звонить – не звонить?», следствием чего могут стать гудки в трубке. При этом нам ничего не остается делать, как опустить ее на рычаг.

При наборе номера выполняется событие-триггер "набор цифры (п) со сторожевым условием «номер неполный». Это означает, что если набранный телефонный номер не содержит необходимого количества цифр, то нам следует продолжать набор очередной цифры, оставаясь в состоянии «набор номера».

Если же набранный номер полный, то можно перейти в состояние «неверный номер» или «соединение». В случае неверного номера (сторожевое условие «неверный» истинно) ничего не остается, как покинуть составное состояние, опустив трубку на рычаг. Если же номер верный, то происходит соединение по этому номеру.

Однако в результате соединения может оказаться, что аппарат абонента занят (переход в состояние «занято») либо свободен (переход в состояние «звонок у абонента»). В первом случае можно повторить дозвон, предварительно опустив трубку на рычаг (выход из составного состояния). Во втором случае происходит проверка сторожевого условия «разговор доступен». Если оно истинно, что соответствует снятию трубки абонентом, начинается телефонный разговор. В противном случае (это условие не выполняется, т. е. оно ложно) телефон абонента будет продолжать звонить, извещая нас об отсутствии последнего либо о невозможности по какой-либо причине вести разговор по телефону. При этом нам ничего не остается, как опустить трубку на рычаг.

Если же разговор состоялся, то после слов прощания и выполнения сторожевого условия «подтверждение» на окончание разговора мы снова опускаем трубку. При этом телефонный аппарат переходит в состояние «ожидание», в котором может находиться неопределенно долго.

 

Пример 2

Диаграмму состояний можно использовать для описания работы интерфейса программы. Ниже пример диаграммы описывающей одну из форм приложения «Записная книжка» для записи, хранения и поиска адресов и телефонов. Ключ – значение для поиска.

 

С1 - нажатие кнопки Найти;

С2 - нажатие кнопки ОК сообщения об ошибке;

СЗ - нажатие кнопки ОК сообщения об ошибке;

С4 - нажатие кнопки Новый поиск;

С5 - нажатие кнопки Сохранить;

С6 - нажатие кнопки Удалить;

С7 - нажатие кнопки Выход;

С8 - нажатие кнопок навигатора: Первый, Последний, Предыдущий, Следующий (на диаграмме не показано)

 

Рис. 9.12. Диаграмма переходов состояний режима поиска/ корректировки

с обозначенными событиями переходов

 

Компонент	Обработчик событий	Выполняемые действия
NewButton	NewButtonClick	Очистка полей для ввода новой записи
AddButton	AddButtonClick	Добавление записей в файл
Exit l Button	ExitlButtonClick	Выход из системы
FindButton	FindButtonClick	Если изменены ключевые поля, то поиск первой записи, удовлетворяющей ключам, если нет, то следующей
ClearButton	ClearButtonClick	Очистка ключевых полей
ReWriteButton	ReWriteButtonClick	Сохранение записи после корректировки
DeleteButton	DeleteButtonClick	Удаление найденной записи
NButton	NButtonClick	Навигация по записям файла: переход к первой записи, к предыдущей, к следующей и к последней
Exit2Button	Exit2ButtonClick	Выход из системы

 

Заключительные рекомендации по построению диаграмм состояний

По своему назначению диаграмма состояний не является обязательным представлением в модели и как бы «присоединяется» к тому элементу, который, по замыслу разработчиков, имеет нетривиальное поведение в течение своего жизненного цикла. Наличие у системы нескольких состояний, отличающихся от простой дихотомии «исправен – неисправен», «активен – неактивен», «ожидание – реакция на внешние действия», уже служит признаком необходимости построения диаграммы состояний. В качестве начального варианта диаграммы состояний, если нет очевидных соображений по поводу состояний объекта, можно воспользоваться этими суперсостояниями, рассматривая их как составные и уточняя их (детализируя их внутреннюю структуру) по мере рассмотрения логики поведения объекта.

При выделении состояний и переходов следует помнить, что длительность срабатывания отдельных переходов должна быть существенно меньшей, чем нахождение моделируемого объекта в соответствующих состояниях. Каждое из состояний должно характеризоваться определенной устойчивостью во времени. Другими словами, из каждого состояния на диаграмме не может быть самопроизвольного перехода в какое бы то ни было другое состояние. Все переходы должны быть явно специфицированы, в противном случае построенная диаграмма состояний является либо неполной, либо ошибочной.

При разработке диаграммы состояний нужно постоянно следить, чтобы объект в каждый момент мог находиться только в единственном состоянии. Если это не так, то данное обстоятельство может быть как следствием ошибки, так и неявным признаком наличия параллельности у поведения моделируемого объекта. В последнем случае следует явно специфицировать необходимое число подавтоматов, вложив их в то составное состояние, которое характеризуется нарушением условия одновременности.

Следует обязательно проверять, что никакие два перехода из одного состояния не могут сработать одновременно (требование отсутствия конфликтов у переходов). Наличие такого конфликта может служить признаком ошибки либо неявной параллельности типа ветвления рассматриваемого процесса на два и более подавтомата. Если параллельность по замыслу разработчика отсутствует, то необходимо ввести дополнительные сторожевые условия либо изменить существующие, чтобы исключить конфликт переходов. При наличии параллельности следует заменить конфликтующие переходы одним параллельным переходом типа ветвления.

Использование исторических состояний оправдано в том случае, когда необходимо организовать обработку исключительных ситуаций (прерываний) без потери данных или выполненной работы. При этом применять исторические состояния, особенно глубокие, надо с известной долей осторожности. Нужно помнить, что каждый из подавтоматов может иметь только одно историческое состояние. В противном случае возможны ошибки, особенно когда подавтоматы изображаются на отдельных диаграммах состояний.

И, наконец, следует отметить, что некоторые дополнительные конструкции автоматов, такие как точки динамического выбора (dynamic choice points) или точки соединения (junction points), в книге не нашли отражения. Это сделано по той причине, что данные модельные элементы хотя и позволяют моделировать более сложные аспекты динамического управления поведением объекта, не являются базовыми. Соответствующая информация содержится в оригинальной документации по языку UML.