учебники, программирование, основы, введение в,

 

Моделирование параллельного поведения с помощью диаграмм состояний

Составное состояние и подсостояние
Моделирование сложных объектов и систем, как правило, связано с многоуровневым представлением их состояний. В этом случае возникает необходимость детализировать отдельные состояния, сделав их составными.
Составное состояние (composite state) - сложное состояние, которое состоит из других вложенных в него состояний.
Составное состояние называют также состоянием-композитом. Вложенные состояния выступают по отношению к составному состоянию как подсостояния (substate). И хотя между ними имеет место отношение композиции, графически все вершины диаграммы, которые соответствуют вложенным состояниям, изображаются внутри символа составного состояния. В этом случае размеры графического символа составного состояния увеличиваются, так чтобы вместить в себя все подсостояния.
Составное состояние может содержать или несколько последовательных подсостояний, или несколько параллельных конечных подавтоматов. Каждое состояние-композит может уточняться только одним из указанных способов. При этом любое из подсостояний, в свою очередь, может быть состоянием-композитом и содержать внутри себя другие вложенные подсостояния. Количество уровней вложенности составных состояний в языке UML не фиксировано.
Последовательные подсостояния (sequential substates) - вложенные состояния состояния-композита, в рамках которого в каждый момент времени объект может находиться в одном и только одном подсостоянии.
Поведение объекта в этом случае представляет собой последовательную смену подсостояний, от начального до конечного . Моделируемый объект или система продолжает находиться в составном состоянии, тем не менее, введение в рассмотрение последовательных подсостояний позволяет учесть более тонкие логические аспекты его внутреннего поведения.
В качестве примера моделируемой системы стоит рассмотреть обычный телефонный аппарат. Он может находиться в различных состояниях, в частности в состоянии 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: Телефонная трубка поднята и Набор телефонного номера. Фрагмент диаграммы состояний для этого примера содержит одно состояние-композит, которое состоит из двух последовательных подсостояний.
Некоторых пояснений могут потребовать переходы. Два из них специфицируют событие-триггер, которое имеет имя: набор цифры(n) с параметром n. В качестве параметра, как нетрудно предположить, выступает отдельная цифра на диске телефонного аппарата. Переход из начального подсостояния не содержит никакой строки текста. Последний переход в конечное подсостояние также не имеет события-триггера, но имеет сторожевое условие, проверяющее полноту набранного номера абонента. Только в случае истинности этого условия телефонный аппарат может перейти в конечное состояние для состояния-композита Дозвон до абонента.
Каждое составное состояние должно содержать в качестве вложенных состояний 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 состояние, то переход в это вложенное конечное состояние означает завершение нахождения объекта в данном составном 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 конечный подавтомат того конечного автомата, которому принадлежит рассматриваемое составное состояние. Поскольку каждый конечный автомат может иметь по определению единственное начальное и единственное конечное состояния, то для любого его конечного подавтомата это условие также должно выполняться.
Параллельные подсостояния (concurrent substates) - вложенные состояния, используемые для спецификации двух и более конечных подавтоматов, которые могут выполняться параллельно внутри составного состояния.
Каждый из конечных подавтоматов занимает некоторую графическую область 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.
Отдельные параллельные подсостояния могут, в свою очередь, состоять из нескольких последовательных подсостояний. В этом случае по определению моделируемый объект может находиться только в одном из последовательных подсостояний каждого подавтомата. Таким образом, для фрагмента диаграммы состояний допустимо одновременное нахождение объекта только в следующих подсостояниях: (А, В, Г), (Б, В, Г), (А, В, Д), (Б, В, Д).
Несовместимое подсостояние (disjoint substate) - подсостояние, в котором подсистема не может находиться одновременно с другими подсостояниями одного и того же составного состояния.
В этом контексте недопустимо нахождение объекта одновременно в несовместимых подсостояниях (А, Б, В) или (В, Г, Д).
Поскольку каждый регион вложенного состояния специфицирует некоторый конечный подавтомат, то для каждого из вложенных конечных подавтоматов могут быть определены собственные начальное и конечное состояния. При переходе в данное составное состояние каждый из конечных подавтоматов оказывается в своем начальном состоянии. Далее происходит параллельное выполнение каждого из этих конечных подавтоматов, причем выход из составного состояния будет возможен лишь в том случае, когда все конечные подавтоматы будут находиться в своих конечных состояниях. Если какой-либо из конечных подавтоматов пришел в свое финальное состояние раньше других, то он должен ожидать, пока и другие подавтоматы не придут в свои финальные состояния.
В некоторых случаях бывает желательно скрыть внутреннюю структуру составного состояния. Например, отдельный конечный 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. В последующем диаграмма состояний для соответствующего конечного подавтомата может быть изображена отдельно от основной диаграммы с необходимыми комментариями.

Исторические состояния

Обычный конечный автомат не позволяет учитывать предысторию в процессе моделирования поведения систем и объектов. Однако функционирование ряда систем основано на возможности выхода из отдельного состояния-композита с последующим возвращением в это же состояние. Может оказаться необходимым учесть ту часть деятельности, которая была выполнена на момент выхода из этого состояния-композита, чтобы не начинать ее выполнение сначала. Для этой цели в языке UML существует историческое состояние.
Историческое состояние (history state) - псевдосостояние, используемое для запоминания того из последовательных подсостояний, которое было текущим в момент выхода из составного состояния.
Историческое состояние применяется только в контексте составного состояния. При этом существует две разновидности исторического состояния: неглубокое или недавнее и глубокое или давнее.
Неглубокое историческое состояние (shallow history state) обозначается в форме небольшой окружности, в которую помещена латинская буква "H". Это состояние обладает следующей семантикой. Во-первых, оно является первым подсостоянием в составном состоянии, и переход извне в рассматриваемое составное состояние должен вести непосредственно в данное историческое состояние. Во-вторых, при первом попадании в неглубокое историческое состояние оно не хранит никакой истории. Другими словами, при первом переходе в недавнее историческое состояние оно заменяет собой начальное состояние соответствующего конечного подавтомата.
Далее могут последовательно изменяться вложенные подсостояния. Если в некоторый момент происходит выход из составного состояния (например, в случае наступления некоторого события), то рассматриваемое историческое состояние запоминает то из подсостояний, которое было текущим на момент выхода из данного составного состояния. При последующем входе в это составное состояние неглубокое историческое подсостояние имеет непустую историю и сразу отправляет конечный подавтомат в запомненное подсостояние, минуя все предшествующие ему подсостояния.
Историческое состояние теряет свою историю в тот момент, когда конечный подавтомат доходит до своего конечного состояния. При этом неглубокое историческое состояние запоминает историю только того конечного подавтомата, к которому оно относится. Другими словами, этот тип псевдосостояния способен запомнить историю только одного с ним уровня вложенности.
Если запомненное подсостояние также является составным состоянием, а при выходе из исходного составного состояния необходимо запомнить подсостояние второго уровня вложенности, то в этом случае следует воспользоваться более сильным псевдосостоянием - глубоким историческим состоянием.
Глубокое историческое состояние (deep history state или состояние глубокой истории) также обозначается в форме небольшой окружности, в которую помещена латинская буква "H" с дополнительным символом "*", и служит для запоминания всех подсостояний любого уровня вложенности для исходного составного состояния.

Сложные переходы и псевдосостояния

Рассмотренное выше понятие перехода вполне достаточно для большинства типичных расчетно-аналитических задач. Однако современные программные системы могут реализовывать сложную логику поведения отдельных своих компонентов. Иногда 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.
В отдельных случаях возникает необходимость явно показать ситуацию, когда переход может иметь несколько исходных состояний или целевых состояний. Такой переход получил название - параллельный переход. Введение в рассмотрение параллельных переходов может быть обусловлено необходимостью синхронизировать и/или разделить отдельные процессы управления на параллельные нити без спецификации дополнительной синхронизации в параллельных конечных подавтоматах.
Графически такой переход изображается вертикальной черточкой, аналогично обозначению перехода в известном формализме сетей Петри. Если параллельный переход имеет две или более исходящих из него дуг, то его называют разделением (fork). Если же он имеет две или более входящие дуги, то его называют слиянием (join). Текстовая строка спецификации параллельного перехода записывается рядом с черточкой и относится ко всем входящим или исходящим дугам.
Срабатывание параллельного перехода происходит следующим образом. В первом случае происходит разделение составного конечного автомата на два конечных подавтомата, образующих параллельные ветви вложенных подпроцессов. При этом после срабатывания перехода-разделения моделируемая система или объект одновременно будет находиться во всех целевых подсостояниях этого параллельного перехода (подсостояния 1 и 2). Далее процесс изменения состояний будет протекать согласно ранее рассмотренным правилам для составных состояний.
Во втором случае переход-слияние срабатывает, если имеет место событие-триггер для всех исходных состояний этого перехода, и выполнено (при его наличии) сторожевое условие. При срабатывании перехода-слияния одновременно покидаются все исходные подсостояния перехода (подсостояния 3 и 4) и происходит переход в целевое состояние. При этом каждое из исходных подсостояний перехода должно принадлежать отдельному конечному подавтомату, входящему в составной конечный автомат (процессу Б).
Переход, стрелка которого соединена с границей составного состояния, обозначает переход в это составное состояние (переход a на Он эквивалентен переходу в начальное состояние каждого из конечных подавтоматов, входящих в состав данного состояния-композита. Переход f, выходящий из составного состояния , относится к каждому из вложенных состояний. Это означает, что моделируемая система или объект при наступления события f может покинуть данное составное состояние, находясь в любом из его вложенных состояний В и Г.
Иногда желательно реализовать ситуацию, когда выход из отдельного вложенного состояния соответствовал бы также выходу из составного состояния. В этом случае изображают переход, который непосредственно выходит из вложенного состояния и пересекает границу состояния-композита . Аналогично, допускается изображение переходов, входящих извне состояния-композита в отдельное вложенное состояние.
Переход d является внутренним для рассматриваемого состояния-композита и никак не влияет на выход из состояния-композита. Выход из данного составного состояния также возможен при наступлении события e, которое приводит в его конечное состояние, а из него - в состояние Е, находящееся вне данного состояния-композита.
В общем случае поведение параллельных конечных подавтоматов происходит независимо друг от друга, что позволяет, например, моделировать многозадачность в программных системах. Однако в отдельных ситуациях может возникнуть необходимость учесть в модели синхронизацию наступления отдельных событий и срабатывание соответствующих переходов. Для этой цели в языке UML имеется псевдосостояние, которое называется синхронизирующим состоянием или состоянием синхронизации.
Состояние синхронизации (synch state) - псевдосостояние в конечном автомате, которое используется для синхронизации параллельных областей конечного автомата.
Синхронизирующее состояние обозначается небольшой окружностью, внутри которой помещен символ звездочки "*". Оно используется совместно с переходом-слиянием или переходом-разделением для того, чтобы явно указать события в других конечных подавтоматах, оказывающие непосредственное влияние на поведение данного подавтомата.
Так, например, при включении компьютера с некоторой сетевой операционной системой параллельно начинается выполнение нескольких процессов. В частности, происходит проверка пароля пользователя и запуск различных служб. При этом работа пользователя на компьютере станет возможной только в случае успешной его аутентификации, в противном случае компьютер может быть выключен. Рассмотренные особенности синхронизации этих параллельных процессов учтены на соответствующей диаграмме состояний с помощью синхронизирующего состояния.

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 подобными состояниями, в качестве составных, уточняя их (детализируя их внутреннюю структуру) по мере рассмотрения логики поведения моделируемой системы или объекта.
При выделении состояний и переходов следует помнить, что длительность срабатывания отдельных переходов должна быть существенно меньшей, чем нахождение моделируемых элементов 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 (неадекватной), либо ошибочной с точки зрения нотации языка UML (ill formed).
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 поведения у моделируемого объекта. В последнем случае следует явно специфицировать необходимое число конечных подавтоматов, вложив их в то составное состояние, которое характеризуется нарушением условия одновременности.
Следует произвести обязательную проверку, чтобы никакие два перехода из одного состояния не могли сработать одновременно. Другими словами, необходимо выполнить требование отсутствия конфликтов у всех переходов, выходящих из одного и того же состояния. Наличие такого конфликта может служить признаком ошибки, либо параллельности или ветвления рассматриваемого процесса. Если параллельность по замыслу разработчика отсутствует, то следует 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, необходимо с известной долей осторожности. Нужно помнить, что каждый из конечных подавтоматов может иметь только одно историческое состояние. В противном случае возможны ошибки, особенно, когда подавтоматы изображаются на отдельных диаграммах состояний.

 
На главную | Содержание | < Назад....Вперёд >
С вопросами и предложениями можно обращаться по nicivas@bk.ru. 2013 г.Яндекс.Метрика