20.1. Автомати

Автомат (state machine) у мові UML є деяким формалізмом для моделювання поведінки елементів моделі і системи в цілому. У мета-моделі UML автомат є пакетом, у якому визначена множина понять, необхідних для представлення поведінки модельованої сутності у вигляді дискретного простору з кінцевим числом станів і переходів. Автомат описує поведінку окремого об'єкту у формі послідовності станів, які охоплюють всі етапи його життєвого циклу, починаючи від створення об'єкту й закінчуючи його знищенням. Кожна діаграма станів представляє деякий автомат.

Простим прикладом візуального представлення станів і переходів на основі формалізму автоматів може служити розглянута вище ситуація із справністю технічного пристрою, такого як комп'ютер. У цьому випадку вводяться в розгляд два найзагальніші стани: "справний" і "несправний" і два переходи: "вихід з ладу" і "ремонт". Графічно ця інформація може бути представлена у вигляді зображеної нижче діаграми станів комп'ютера (рис. 20.1).

Рис. 20.1. Простий приклад діаграми станів для технічного пристрою типу комп'ютер

Основними поняттями, що входять у формалізм автомата, є стан і перехід. Головна відмінність між ними полягає в тому, що тривалість знаходження системи в окремому стані істотно перевищує час, який витрачається на перехід з одного стану в інший. Передбачається, що час переходу з одного стану в інший дорівнює нулю (якщо додатково нічого не сказано). Іншими словами, перехід об'єкту зі стану в стан відбувається миттєво.

У загальному випадку автомат представляє динамічні аспекти модельованої системи у вигляді орієнтованого графа, вершинами якого є стани, а дуги – переходами. При цьому поведінка моделюється як послідовне переміщення графом станів від вершини до вершини за дугами, що зв'язують їх, з врахуванням їх орієнтації. Для графа станів системи можна ввести в розгляд спеціальні властивості.

Однією з таких властивостей є виділення зі всієї сукупності станів два спеціальних: початкового і кінцевого. Хоча ні в графі станів, ні на діаграмі станів час знаходження системи в тому або іншому стані явно не враховується, передбачається, що послідовність зміни станів впорядкована в часі. Іншими словами, кожний подальший стан завжди наступає пізніше за попередні стани.

Ще однією властивістю графа станів може служити досяжність станів. Мова йде про те, що навігація або орієнтований шлях в графі станів визначає спеціальне бінарне відношення на множині всіх станів системи. Це відношення характеризує потенційну можливість переходу системи з стану в деякий інший стан. Очевидно, для досяжності станів необхідно наявність орієнтованого шляху в графі станів.

Формалізм автоматів допускає вкладення одних автоматів в інші для уточнення внутрішньої структури окремих загальніших станів (макростанів). У цьому випадку вкладені автомати отримали назву підавтоматів. Підавтомати можуть використовуватися для внутрішньої специфікації процедур і функцій, створюючи поведінку початкового об'єкту. Наприклад, стан несправності технічного пристрою (рис. 20.1) може бути деталізований на окремі підстани, кожний з яких може характеризувати несправність окремих підсистем, що входять до складу даного пристрою.

У мові UML поняття автомату доповнене спеціальною семантикою вхідних у відповідний пакет елементів. Далі в цьому розділі будуть розглянуті основні елементи поведінки, які утворюють концептуальний базис, необхідний для правильної побудови діаграм станів.

Формалізм звичайного автомата заснований на виконанні наступних обов'язкових умов:

Автомат не запам'ятовує історію переміщення зі стану в стан. З погляду модельованої поведінки визначальним є сам факт знаходження об'єкту в тому або іншому стані, але ніяк не послідовність станів, у результаті якої об'єкт перейшов у поточний стан. Іншими словами, автомат "забуває" всі стани, які передували поточному в даний момент часу. Образно кажучи, існує непрозора стіна, що відокремлює поточний стан від минулої поведінки об'єкту.

Примітка

Дана умова може бути змінена явним чином для збереження деяких аспектів передісторії поведінки об'єкту на основі введення в розгляд так званих історичних станів, які будуть описані нижче у цьому розділі.

У кожний момент часу автомат може знаходитися в одному й лише в одному зі своїх станів. Це означає, що формалізм автомата призначений для моделювання послідовної поведінки, коли об'єкт протягом свого життєвого циклу послідовно проходить через всі свої стани. При цьому автомат може знаходитися в окремому стані як завгодно довго, якщо не відбувається ніяких подій.

Примітка

Цю умову обмежує застосування автоматів для моделювання послідовних процесів. Необхідність моделювання паралельних процесів приводить до розгляду в контексті однієї моделі декількох автоматів, кожний з яких специфікує окремий процес поведінки.

Хоча процес зміни станів автомату відбувається в часі, явно концепція часу не входить у формалізм автомата. Це означає, що тривалість знаходження автомата в тому або іншому стані, а також час досягнення того або іншого стану ніяк не специфікуються. Іншими словами, час на діаграмі станів присутній у неявному вигляді, хоча для окремих подій може бути вказаний інтервал часу і в явному вигляді.

Примітка

Концепція часу в явній формі враховується під час побудови діаграми діяльності, коли потрібно синхронізувати в часі процеси взаємодії декількох об'єктів моделі. Оскільки діаграма станів призначена для моделювання поведінки об'єкту, яка визначається асинхронними подіями, ці події можуть відбуватися в заздалегідь невідомі моменти часу.

Кількість станів автомата має бути обов'язкове кінцевою (у мові UML розглядаються тільки кінцеві автомати), і всі вони мають бути специфіковані явним чином. При цьому окремі псевдостани можуть не мати специфікацій (початковий і кінцевий стани). У цьому випадку їх призначення і семантика повністю визначаються з контексту моделі і даної діаграми станів.

Граф автомата не повинен містити ізольованих станів і переходів. Ця умова означає, що для кожного зі станів, окрім початкового, має бути визначений попередній стан. Кожний перехід повинен обов'язково сполучати два стани автомата. Допускається перехід зі стану в себе ж, такий перехід ще називають "петлею".

Автомат не повинен містити конфліктуючих переходів, тобто таких переходів з одного і того ж стану, коли об'єкт одночасно може перейти у два й більше подальших станів (окрім випадку паралельних підавтоматів). У мові UML виключення конфліктів можливе на основі введення так званих сторожових умов, які будуть розглянуті нижче.

Таким чином, правила поведінки об'єкту, що моделюється деяким автоматом, визначаються, загальним формалізмом автомата та його графічним зображенням у мові UML у формі конкретної діаграми станів.