Diagram stanów

Diagram stanów inaczej zwany również jako State Machine Diagram jest graficzną prezentacją maszyny stanów i jednym z 14 typów diagramów UML dla oprogramowań i systemów. Diagramy stanów przedstawiają model behawioralny składający się ze stanów, przejść stanu i działań. Diagramy stanu UML oparte są na koncepcji diagramów stanów autorstwa Davida Harela i przedstawiają dozwolone stany i przejścia, a także zdarzenia, które wpływają na te przejścia.

Podstawowe zastosowanie

Diagramy stanów używamy do opisywania zachowania obiektu obejmującego kilka przypadków użycia systemu, ale nie nadają się do opisu zachowań obejmujących współdziałanie wielu obiektów.

Stosując diagramy stanów, nie należy rysować ich dla każdego systemu. Mimo że jest to czasami stosowane, to prawie zawsze jest stratą czasu. Diagramy stanów stosuje się tylko kiedy występuje interesujące zachowanie, i tam, gdzie narysowanie diagramu stanów pomoże zrozumieć, jak zachodzi dany proces (K.Sobolewski 2018, s. 3).

Krótkie wprowadzenie do UML

Unified Modeling Language (UML), czyli Uniwersalny Język Modelowania, jest standardowym językiem używanym do modelowania systemów informatycznych. UML dostarcza zestaw notacji graficznych, które pozwalają na przedstawienie różnych aspektów systemu, takich jak struktura, zachowanie, interakcje i relacje między elementami. UML jest powszechnie stosowany w branży IT, zarówno przez architektów, projektantów, jak i programistów. Dzięki swojej wszechstronności i elastyczności, UML umożliwia tworzenie precyzyjnych i czytelnych modeli systemów informatycznych.

W UML istnieje 14 różnych typów diagramów, z których każdy służy do przedstawienia innych aspektów systemu. Jednym z tych typów diagramów są diagramy stanów, które pozwalają na modelowanie zachowania obiektów w systemie. Diagramy stanów są szczególnie przydatne w modelowaniu systemów oprogramowania, gdzie obiekty mogą mieć różne stany i przechodzić między nimi w odpowiedzi na zdarzenia. Diagramy stanów pozwalają na zobrazowanie tych stanów oraz przejść między nimi w sposób uporządkowany i czytelny. Diagram stanów składa się z okręgów, reprezentujących stany, oraz strzałek, reprezentujących przejścia między stanami. Może również zawierać akcje, warunki i zdarzenia, które wywołują przejścia. Diagramy stanów są używane do modelowania procesów biznesowych, protokołów komunikacyjnych, interakcji użytkowników z systemem, a także zachowania obiektów w programach komputerowych.

Diagramy stanów odgrywają ważną rolę w modelowaniu systemów oprogramowania. Pozwalają one na precyzyjne określenie zachowania obiektów w systemie i analizę ich przejść między różnymi stanami. Dzięki diagramom stanów można łatwo zidentyfikować przyczyny błędów i problemy związane z zachowaniem systemu. Diagramy stanów są szczególnie przydatne w projektowaniu systemów czasu rzeczywistego, gdzie obiekty muszą reagować na zewnętrzne zdarzenia w określonym czasie. Pozwalają one na modelowanie cyklu życia obiektów, wskazując na ich możliwe stany oraz przejścia między nimi. Ważnym aspektem diagramów stanów jest także ich czytelność. Dzięki przejrzystej notacji graficznej, diagramy stanów są łatwe do zrozumienia i interpretacji przez różne zainteresowane strony, takie jak programiści, testerzy, analitycy czy użytkownicy systemu.

Jak sporządzic diagram

Diagram stanów jest grafem złożonym ze:

• stanu początkowego (initial state) - to zainicjowanie maszyny stanowej w momencie jego utworzenia. Każdy diagram stanu zawiera tylko jeden taki stan. Do stanu początkowego nie dochodzą żadne przejścia.

$\bigodot$

• stanów (state) - jest etapem cyklu życia obiektu. Obiekt przebywający w danym stanie spełnia określony warunek. Występują w formie prostokąta o zaokrąglonych rogach.

$\subset \supset$

• przejść (transition) - korelacja pomiędzy dwoma stanami wskazująca, że obiekt znajdujący się w pierwszym stanie wykona pewne akcje i przejdzie do drugiego stanu. Występują w formie strzałek.

$\longrightarrow$

• decyzji (decision) - ukazuje wybór między dwiema (lub więcej) wartościami logicznymi wydarzenia. Zwiększa czytelność diagramu, ale nie zawsze występuje w diagramie stanów (R. Plebaniak 2013, s. 14).

$\nwarrow \nearrow$

• Stanu końcowego (Final state) - może być ich kilka. Stan końcowy uzyskuje się z zainicjowanych zdarzeń i kończy proces. Nie można przejść do innych stanów (M. Fleck 2011, s. 1-5).

$\bigotimes$

Rodzaje zdarzeń

W diagramie stanów występują również zdarzenia. Zdarzenia są opisane jako te, które pojawiają się w wewnętrznym przedziale przejściowym stanu lub na przejściu między stanami. Zdarzenie jest chwilą, która może być znacząca na zachowanie obiektów w dalszym procesie (R.Klimek, 2014, s. 4-12). Występują cztery typy zdarzeń:

• Zdarzenie wywołania - polegające na wywołaniu operacji.
• Zdarzenie sygnałowe - reprezentuje nazwany obiekt, asynchronicznie wysyłany przez jeden obiekt i odbierany przez drugi.
• Zdarzenie zmiany - występuje, gdy określony warunek zostanie. spełniony.
• Zdarzenie czasowe - występuje po upływie określonego czasu.

Diagram stanów a schemat blokowy

Tak naprawdę istnieje wiele metod, modeli oraz narzędzi służących do opisywania przebiegu procesów lub systemów sterowania. Wiele osób myli diagram stanów od schematu blokowego (flowcharts). Chociaż opisują te same problemy, to nie to samo (J.Castro 2002, s. 41-45).

• Przejścia procesu są znacznie wyraźniejsze w przypadku diagramu procesów, ponieważ nie są zobowiązane do sprawdzania tego samego.
• Schematy blokowe nie mają z natury koncepcji oczekiwania na coś, co się wydarzy. Inaczej działa diagram stanów, ponieważ przejście nie nastąpi, dopóki stan nie zostanie zakończony.
• Diagram stanów lepiej opisują działanie mechanizmu natomiast schematy blokowe lepiej opisują rozgałęzioną sekwencję działań.
• Diagram stanów w sposób naturalny hermetyzują grupy działań, a schematy blokowe nie.

Szeroki zakres zastosowania

Modele behawioralne obiektów. Diagramy stanów są niezwykle przydatne w tworzeniu modeli behawioralnych obiektów. Pozwalają one na opisanie i zobrazowanie różnych stanów, w jakich obiekt może się znajdować, oraz przejść pomiędzy tymi stanami. Przykładowo, jeśli mamy obiekt reprezentujący samochód, możemy użyć diagramu stanów, aby przedstawić różne stany, takie jak "zgaszony", "włączony", "jedzie" itp.

Diagramy stanów pozwalają nam również modelować zachowania obiektów w zależności od zdarzeń. Na przykład, jeśli obiekt reprezentuje drzwi, możemy użyć diagramu stanów, aby pokazać, jak drzwi reagują na różne zdarzenia, takie jak "otwarcie" czy "zamknięcie". Diagramy stanów umożliwiają nam więc zdefiniowanie, w jaki sposób obiekty zmieniają swoje stany w odpowiedzi na różne bodźce.

Opisywanie zachowań systemu. Diagramy stanów są także używane do opisywania zachowań całego systemu. Pozwalają one na przedstawienie różnych stanów, w jakich system może się znajdować, oraz przejść pomiędzy tymi stanami. Na przykład, jeśli mamy system reprezentujący zamówienie online, możemy użyć diagramu stanów, aby pokazać różne etapy tego procesu, takie jak "przyjęcie zamówienia", "weryfikacja płatności", "przygotowanie do wysyłki" itp.

Diagramy stanów pozwalają nam również modelować zachowania systemu w zależności od różnych zdarzeń. Na przykład, jeśli mamy system reprezentujący system alarmowy, możemy użyć diagramu stanów, aby pokazać, jak system reaguje na różne zdarzenia, takie jak "wykrycie ruchu" czy "włączenie alarmu". Diagramy stanów umożliwiają nam więc zdefiniowanie, w jaki sposób system zmienia swoje stany w odpowiedzi na różne bodźce.

Proces tworzenia oprogramowania. Diagramy stanów odgrywają istotną rolę w procesie tworzenia oprogramowania. Są one często używane do modelowania zachowań i procesów, które mają zostać zaimplementowane w oprogramowaniu. Pozwalają one programistom na lepsze zrozumienie funkcjonalności systemu i na dokładne określenie wymagań.

Diagramy stanów są szczególnie przydatne w modelowaniu procesów, które mają skomplikowane zachowania. Pozwalają one na przedstawienie różnych stanów, w jakich może znajdować się system, oraz przejść pomiędzy tymi stanami. Dzięki temu programiści mogą łatwiej zrozumieć i zaimplementować logikę działania systemu.

Dodatkowo, diagramy stanów mogą być używane jako narzędzie do komunikacji między zespołem programistów a klientem. Przedstawienie zachowań systemu za pomocą diagramów stanów pozwala na lepsze zrozumienie, jak system będzie działał i jakie będą jego możliwości.

Modelowanie procesów biznesowych. Diagramy stanów znajdują również zastosowanie w modelowaniu procesów biznesowych. Pozwalają one na przedstawienie różnych etapów procesu oraz przejść pomiędzy tymi etapami. Przykładowo, jeśli mamy proces biznesowy reprezentujący zamówienie klienta, możemy użyć diagramu stanów, aby pokazać różne fazy tego procesu, takie jak "przyjęcie zamówienia", "weryfikacja dostępności", "przygotowanie do wysyłki" itp.

Diagramy stanów pozwalają nam również modelować zachowania procesów biznesowych w zależności od różnych zdarzeń. Na przykład, jeśli mamy proces biznesowy reprezentujący system obsługi reklamacji, możemy użyć diagramu stanów, aby pokazać, jak proces reaguje na różne zdarzenia, takie jak "otrzymanie reklamacji" czy "rozpatrzenie reklamacji". Diagramy stanów umożliwiają nam więc zdefiniowanie, w jaki sposób procesy biznesowe zmieniają swoje stany w odpowiedzi na różne bodźce.

Systemy sterowania i automatyka. Diagramy stanów mają również szerokie zastosowanie w systemach sterowania i automatyce. Pozwalają one na modelowanie różnych stanów, w jakich mogą się znajdować urządzenia, oraz przejść pomiędzy tymi stanami. Na przykład, jeśli mamy system sterowania oświetleniem, możemy użyć diagramu stanów, aby przedstawić różne stany oświetlenia, takie jak "włączone", "wyłączone", "tryb oszczędzania energii" itp.

Diagramy stanów pozwalają nam również modelować zachowania systemów sterowania w zależności od różnych zdarzeń. Na przykład, jeśli mamy system sterujący robotem, możemy użyć diagramu stanów, aby pokazać, jak robot reaguje na różne zdarzenia, takie jak "wykrycie przeszkody" czy "otrzymanie sygnału sterującego". Diagramy stanów umożliwiają nam więc zdefiniowanie, w jaki sposób systemy sterowania zmieniają swoje stany w odpowiedzi na różne bodźce.

Porównanie diagramów stanów z innymi narzędziami

Schemat blokowy. Schemat blokowy jest jednym z najbardziej popularnych narzędzi stosowanych w analizie i projektowaniu systemów. Jest to graficzna reprezentacja algorytmu lub procesu, która składa się z bloków reprezentujących konkretne działania lub operacje, połączonych strzałkami wskazującymi na kolejność wykonywania tych działań.

Diagramy stanów różnią się od schematów blokowych, ponieważ skupiają się na opisie zachowania systemu w zależności od jego stanu. Diagramy stanów są bardziej odpowiednie do modelowania systemów reaktywnych, które reagują na zmiany w środowisku i przechodzą między różnymi stanami.

Porównując diagramy stanów z schematem blokowym, można zauważyć, że schemat blokowy jest bardziej ogólnym narzędziem, które może być stosowane do różnych rodzajów systemów. Diagramy stanów są bardziej precyzyjne i specjalizują się w modelowaniu systemów, w których kluczowe znaczenie mają stany i przejścia między nimi.

Diagramy Harel, Petriego, Mealy'ego i Moore'a. Diagramy stanów nie są jedyną notacją graficzną używaną do modelowania systemów. Istnieje wiele innych notacji, takich jak diagramy Harel, Petriego, Mealy'ego i Moore'a, które również służą do opisywania zachowania systemów.

Diagramy Harel, znane również jako stanowcze drzewa, rozszerzają podstawową notację diagramów stanów, dodając hierarchię stanów. Pozwalają one na bardziej zaawansowane modelowanie systemów, które składają się z wielu poziomów stanów. Diagramy Harel są szczególnie przydatne w modelowaniu systemów złożonych, w których istnieją różne warstwy abstrakcji.

Diagramy Petriego są używane do modelowania systemów równoległych i współbieżnych. Składają się z miejsc, które reprezentują stany systemu, i przejść, które opisują zmiany między tymi stanami. Diagramy Petriego są szczególnie przydatne w analizie systemów, które muszą być równolegle wykonywane.

Diagramy Mealy'ego i Moore'a są stosowane w projektowaniu cyfrowych układów logicznych. Różnią się od diagramów stanów tym, że opisują zachowanie systemu jako reakcję na zmiany wejścia, a nie zmiany stanu. Diagramy Mealy'ego i Moore'a są szczególnie przydatne w projektowaniu układów, które muszą reagować na zewnętrzne sygnały.

Porównując diagramy stanów z innymi notacjami graficznymi, można zauważyć, że każda z tych notacji ma swoje własne zastosowanie i cechy. Diagramy stanów są bardziej ogólne i mogą być stosowane do różnych typów systemów, podczas gdy inne notacje są bardziej wyspecjalizowane i służą do konkretnych rodzajów systemów.

Analiza i projektowanie systemów. Diagramy stanów są szeroko stosowane w analizie i projektowaniu systemów. Służą one do modelowania zachowania systemu w zależności od różnych stanów, w jakich może się znajdować. Analiza diagramów stanów pozwala na identyfikację możliwych stanów, przejść między nimi oraz akcji wykonanych w każdym z tych stanów.

Projektowanie systemów z wykorzystaniem diagramów stanów pozwala na zidentyfikowanie i zaprojektowanie odpowiednich przejść między stanami, uwzględniając różne warunki i akcje, które mają miejsce w systemie. Dzięki temu można lepiej zrozumieć i kontrolować zachowanie systemu w różnych sytuacjach.

Diagramy stanów są szczególnie użyteczne w analizie i projektowaniu systemów reaktywnych, które muszą dynamicznie reagować na zmiany w środowisku. Pozwalają one na modelowanie różnych scenariuszy i zachowań systemu, co umożliwia lepsze zrozumienie i optymalizację jego działania.

Testowanie oprogramowania. Diagramy stanów są również wykorzystywane w testowaniu oprogramowania. Służą one do modelowania różnych scenariuszy i przypadków użycia systemu, które mogą być następnie wykorzystane do przeprowadzenia testów jednostkowych, integracyjnych i systemowych.

Przy użyciu diagramów stanów można zidentyfikować różne ścieżki wykonania systemu oraz warunki i akcje, które mają miejsce w poszczególnych stanach. Dzięki temu można skonstruować zestaw testów, które pokrywają wszystkie możliwe przejścia i zachowania systemu.

Testowanie oprogramowania za pomocą diagramów stanów pozwala na identyfikację błędów i nieprawidłowego zachowania systemu w różnych warunkach. Pozwala również na weryfikację poprawności implementacji systemu i sprawdzenie, czy spełnia on określone wymagania.

Korzyści wynikające z użycia diagramów stanów

Użycie diagramów stanów w projektach przynosi wiele korzyści. Poniżej przedstawione zostaną najważniejsze z nich.

• Łatwość wizualizacji: Diagramy stanów są łatwe do zrozumienia i czytelne. Dzięki nim można w prosty sposób przedstawić cały proces wizualnie, co ułatwia zrozumienie i interpretację dla wszystkich osób zaangażowanych w projekt.
• Identyfikacja problemów: Diagramy stanów pozwalają na identyfikację potencjalnych problemów i wyzwań, które mogą wystąpić w trakcie projektu. Dzięki temu można wcześniej przewidzieć problemy i podjąć odpowiednie działania zapobiegawcze.
• Optymalizacja procesów: Korzystanie z diagramów stanów umożliwia identyfikację obszarów, które mogą być zoptymalizowane w celu zwiększenia efektywności projektu. Można zidentyfikować zbędne etapy, które można usunąć lub zoptymalizować, co prowadzi do oszczędności czasu i zasobów.
• Wyjaśnienie złożonych procesów: Diagramy stanów są szczególnie przydatne w przypadku złożonych procesów. Dzięki nim można zobrazować cały proces w sposób uporządkowany i przystępny dla wszystkich zaangażowanych stron.

Wyzwania i potencjalne problemy związane z diagramami stanów

Mimo wielu korzyści wynikających z użycia diagramów stanów, istnieją również wyzwania i potencjalne problemy, które należy wziąć pod uwagę.

• Skomplikowane procesy: W przypadku skomplikowanych procesów, diagramy stanów mogą stać się bardzo zawiłe i trudne do zrozumienia. W takich przypadkach należy zwrócić uwagę na czytelność i uproszczenie diagramu.
• Zmienne warunki: W pewnych przypadkach, procesy mogą zmieniać się w zależności od warunków zewnętrznych. Diagramy stanów mogą nie uwzględniać tych zmiennych warunków, dlatego należy być świadomym tego i dostosować diagramy, jeśli to konieczne.
• Brak aktualizacji: Diagramy stanów powinny być regularnie aktualizowane w celu odzwierciedlenia zmian w procesie. Brak aktualizacji może prowadzić do nieścisłości i niezgodności między diagramem a rzeczywistym procesem.

Diagram stanów — artykuły polecane

GERT — Behavior driven development — Indukcja eliminacyjna — Układ ergonomiczny — Eksploracja danych — Typizacja — Odśmiecanie pamięci — Sieci neuronowe — Oscylator

Bibliografia

• Castro J. (2002), State and Activity Diagrams IV. State and Activity Diagrams, Information Systems Analysis and Design
• Chonoles M. (2013), UML 2 For Dummies, John Wiley & Sons Inc, New York
• Fleck M. (2011), State Diagrams, College of Engineering in Illinois, nr 173
• Harel D. (2012), Algorithmics: The Spirit of Computing, Springer, Canada
• Klimek R. (2014), Maszyny stanowe, Laboratorium Informatyki AGH, Kraków
• Plebaniak R. (2013), Modelowanie i analiza systemów informatycznych
• Sobolewski K. (2010), Diagramy stanów, Kiedy stosować diagramy stanów

Autor: Krzysztof Dwornik