Глава 21. Автоматы

С помощью взаимодействий (см. главу 15) можно моделировать поведение сооб­щества совместно работающих объектов (см. главу 13). Автомат же позволяет моделировать поведение отдельного объекта. Автомат (State machine) описывает поведение в терминах последовательности состояний, через которые проходит объект в течение своей жизни, отвечая на события, а также его реакций на эти события.

Автоматы используются для моделирования динамических аспектов системы. По большей части под этим понимается описание жизни экземпляров класса (см. главы 4 и 9), прецедентов (см. главу 16) и системы (см. главу 31) в целом. Экзем­пляры могут реагировать на такие события, как сигналы, операции или истечение промежутка времени. Когда происходит событие, в зависимости от текущего со­стояния объекта имеет место та или иная деятельность. Деятельность (Activity) -это занимающее некоторое время неатомарное вычисление внутри автомата. Ре­зультатом деятельности является некоторое действие, составленное из атомарных вычислений, которое приводит к изменению состояния модели или возврату зна­чения. Состояние (State) объекта - это ситуация в его жизни, на протяжении ко­торой он удовлетворяет некоторому условию, осуществляет определенную дея­тельность или ожидает какого-то события.

Визуализировать автомат можно двумя способами: выделяя передачу потока управления от одной деятельности к другой (с помощью диаграммы деятельно­сти, см. главу 19) или выделяя потенциальные состояния объектов и переходы между ними (с помощью диаграммы состояний, см. главу 24).

Хорошо структурированные автоматы подобны хорошо структурированным алгоритмам - они эффективны, просты, адаптируемы к разным ситуациям и про­сты для понимания.

Введение

Рассмотрим «жизнь» домашнего термостата в прохладный осенний день. Ранним утром ничто не тревожит его покой. Температура в доме стабильная;

если не задует сильный ветер и не налетит ураган, то снаружи температура меняться тоже не будет. Ближе к рассвету картина меняется. Над горизонтом встает солнце, и наружная температура слегка поднимается. Начинают просыпаться домочадцы; вот кто-то вылез из кровати и подкрутил регулятор. Оба этих события существенны для домашней климатической системы. Наш термостат начинает ве­сти себя как все порядочные термостаты и отдает команду либо обогревателю (чтобы подогреть воздух), либо кондиционеру (чтобы его охладить).

После того как обитатели дома ушли на работу или в школу, движение прекра­щается, и температура снова становится постоянной. Но тут может вмешаться ав­томатическая программа и приказать термостату понизить температуру, чтобы не расходовать зря электричество и газ. Термостат снова принимается за работу. Ближе к концу дня автоматическая программа снова «оживает», но на этот раз велит поднять температуру, поскольку вот-вот семейство начнет собираться, и дом к этому моменту должен стать уютным.

Вечером, когда дом наполнен теплом, исходящим от человеческих тел, а на плите готовится еда, у термостата полно работы - он должен включать то обогрева­тель, то кондиционер, чтобы температура оставалась постоянной. Наконец, ночью все снова успокаивается,

Многие программные системы ведут себя аналогично термостату. Сердечный стимулятор работает круглосуточно, но адаптируется к изменениям кровяного давления или выполняемой человеком работе. Сетевой маршрутизатор тоже ра­ботает непрерывно, незаметно перенаправляя потоки битов, а иногда модифици­руя свое поведение в ответ на команды администратора сети. Сотовый телефон работает по запросам, отвечая на действия своего владельца и на сообщения из локальных ячеек сотовой сети связи.

В UML статические аспекты системы моделируются с использованием таких элементов, как диаграммы классов и диаграммы объектов (моделирование струк­турных аспектов системы рассматривается в частях 2 и 3 данной книги). Они по­зволяют визуализировать, специфицировать и документировать все, что существу­ет внутри системы, включая классы, интерфейсы, компоненты, узлы, прецеденты, отдельные экземпляры всех перечисленных сущностей, а также их отношения друг с другом.

Динамические аспекты системы в UML моделируются с помощью автоматов и взаимодействий (см. главу 15). Если взаимодействие моделирует сообщество объектов, которые совместно работают для выполнения некоторого действия, то автомат моделирует жизненный цикл отдельного объекта, будь то экземпляр клас­са, прецедент или даже система в целом. На протяжении своей жизни объект может столкнуться с различными событиями (см. главу 20), такими как сигнал, запрос на выполнение операции, создание или уничтожение объекта, истечение промежутка времени или изменение некоторого условия. В ответ на событие объект выполняет некоторое действие, то есть атомарное вычисление, приводящее к изменению состо­яния объекта или возврату значения. Таким образом, на поведение объекта оказы­вает влияние его прошлое. Объект может «получить» событие, отреагировать на него выполнением действия, а затем изменить свое состояние. Если после этого он получит другое событие, то реакция на него в общем случае может быть иной, в зависимости от состояния, в которое он пришел после предыдущего события.

Автоматы применяются для моделирования поведения любого элемента мс ли, но чаще всего - классов, прецедентов или системы в целом. Автоматы можно визуализировать двумя способами. Во-первых, с помощью диаграммы действий (см. главу 19) можно сконцентрировать внимание на действиях, происходят внутри объекта. Во-вторых, с помощью диаграмм состояний (см. главу 24) можно сосредоточиться на поведении объекта при упорядоченном поступлении событий, что особенно полезно при моделировании реактивных систем.

В UML имеются средства для графического представления состояний, перехо­дов, событий и действий, как показано на рис. 21.1. Эта нотация позволят визуа­лизировать поведение объекта так, чтобы подчеркнуть наиболее важные элемен­ты его жизненного цикла.