Python设计模式 - UML - 状态图(State Machine Diagram)

简介

状态图主要用于描述对象在其生命周期中各种状态、状态之间的转换过程、触发状态转换的各种事件(条件)及执行的动作。

状态图构建步骤

　　　　- 找出适合用状态图描述的类、确定类中需要做状态图的重要对象

　　　　- 确定重要对象的主要状态、状态之间的转换事件、条件、动作、初次态等

　　　　- 细化状态之间的复杂转换和详细事件

　　　　- 精化复合状态、并发区域等

状态图与状态机

状态图的基础是状态机，熟悉状态图之前需要对状态机有大致的了解。

状态机是有限状态机的简称，可以用来模拟世界上的大部分事物。简单地说，状态机有三个特性、四个要素

• 工作原理：发生事件(Event)后，根据当前状态(Current State)决定执行的动作(Action)，并设置下一个状态(Next State)。以进程调度为例：

　　　　

• 三个特性

　　　　　　- 有限状态机的状态(State)总数是有限的

　　　　　　- 状态机任一时刻只处于一种状态之中

　　　　　　- 在特定的条件(也称事件Event)被满足时，状态机会执行相应的动作(Action)从一种状态转换(Transition)到另一个状态

• 四个要素

　　　　　　- 现态：当前所处状态

　　　　　　- 条件：又称为事件(Event)，当一个条件被满足时就会触发一个动作，引起状态的一次转换

　　　　　　- 动作：条件满足后触发的动作

　　　　　　- 次态：满足某种条件触发了相应动作后所转换到的新状态，"次态"和"现态"的概念都是相对的，状态转移后"次态"就变成了"现态"

状态图主要元素

• 状态(States)：表示对象在其生命周期中的某个阶段、条件或状况，包括状态名、内外部转换、进入退出动作等。用圆角矩形标识

　　　　　　

　　　　- 内部结构：状态的内部结构可以由以下部分组成，除状态名外其他都是可选的，根据实际情况而定

　　　　　　　　    - 状态名(State Name): 状态名称

　　　　　　　　　- 进入/退出动作(Entry/Exit Action): 进入和退出动作

　　　　　　　　　- 内部转移(Internal Transition): 不会发生状态的转移

　　　　　　　　　- 内部动作(Do Action): 状态保持不变时执行的动作

　　　　　　　　　- 子状态(Submachine State): 适用于复合状态场景

　　　　　　　　　- 延迟事件(Deferred Event): 在本状态下暂时不处理，但不被丢弃，而是延迟到其他状态中处理的事件

　　　　- 初始状态(Initial States)：用实心圆点标识

　　　　　　

　　　　- 结束状态(Final States)：用圆形内嵌圆点标识，一个状态图可以由多个结束状态。

　　　　　　

　　　　- 复合状态(Compound States)：一个状态可以被嵌套在另一个状态之中，被嵌套的状态叫子状态，包含子状态的状态就称为复合状态，以两种形式出现：

　　　　　　　　　　- 顺序复合状态：复合状态中的所有子状态都是互斥的不能同时存在，且在对象生命周期中的任一时刻只能处于一个子状态

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　- 并发复合状态：复合状态中有两个或多个可以并发执行的子状态

　　　　　　　　　　　　

　　　　- 历史状态(History States)：复合状态场景中记住退出时的子状态，下次可以直接越过外层状态直接进入子状态

　　　　　　　　　　- 浅历史状态(Shallow History State)：只记住复合状态最外层的历史。用标识

　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　- 深历史状态(Deep History State)：记住复合状态所有层次子状态的历史。用标识

　　　　　　　　　　　　　

• 动作(Actions)：可执行的原子级操作。用正斜杠后间隔的文字标识

• 事件(Event)：事件可以分成调用事件、变化事件、时间事件和信号事件等

　　　　　　

　　　　- UML表示法

　　　　　　

　　　　- 事件分类：事件按传送范围分为外部事件和内部事件，按事件源类型分为调用、变化、时间、信号、延迟事件等类型。

　　　　 　　　　- 按传送范围分

　　　　　　　　　　　　- 外部事件：系统与外部参与者之间传送的事件

　　　　　　　　　　　　- 内部事件：系统内部各对象之间传送的事件

　　　　　　　　　- 按事件源类型分

　　　　　　　　　　　　- 调用事件(Call Event)：对象对调用操作的接收

　　　　　　　　　　　　- 变化事件(Change Event)：依赖于指定属性值的布尔表达式条件发生改变的事件

　　　　　　　　　　　　- 时间事件(Time Event)：计算时间的表达式条件被满足的事件

　　　　　　　　　　　　- 信号事件(Singal Event)：两个对象之间进行通信的规范和载体

　　　　　　　　　　　　- 延迟事件(Deferred Event): 在本状态下暂时不处理，但不被丢弃，而是延迟到其他状态中处理的事件

• 转换(Transitions)：状态之间在某个事件或条件驱动下的切换过程。用状态之间带文字描述的有向箭头线标识，根据外部、内部、进入、退出转换的区别而不同。

　　　　 

　　　　　　- 状态转换五要素

　　　　　　　　　　- 初态：转换前的状态

　　　　　　　　　　- 触发事件：转换的触发条件

　　　　　　　　　　- 警备条件(Guard Condition)：布尔表达式，决定是否激活转换。不是所有的事件都会引起状态的转移，比如关机事件在开机状态下才会激活

　　　　　　　　　　- 动作：转换激活时的操作

　　　　　　　　　　- 次态：转换后的状态

　　　　　　　　

　　　　　　- 自身转移(Self-Transitions)：状态有返回自身状态的转移

　　　　　　　　

　　　　　　- 复杂转换：

　　　　　　　　　　- 外部转换：对事件(Event)做出响应，执行相应的动作(Action)，引起状态(State)变化。格式：事件(参数)[警备条件]/动作

　　　　　　　　　　- 内部转换：对事件(Event)做出响应，执行相应的动作(Action)，但并不引起状态(State)变化。格式：事件(参数)[警备条件]/动作

　　　　　　　　　　　　　　　用单向弧形箭头标识

　　　　　　　　　　- 进入转换：当进入某个状态(State)时执行某个动作(Action)。格式：entry/动作

　　　　　　　　　　- 退出转换：当退出某个状态(State)时执行某个动作(Action)。格式：exit/动作

• 进入节点(Enter Point)：忽略初始化过程，直接通过一个节点进入状态的情况

　　　　

• 退出节点(Exit Point)：直接通过一个节点退出状态的情况

　　　　

• 并发区域(Concurrency Regions)：一个复合状态中有两个或两个以上并行执行的子状态机，并发子状态机覆盖的流程称为并发区域。

　　　并发区域中可能没有初始状态、技术状态，其中每个子状态机还可以进一步分解为顺序组成状态。

　　　　

状态图示例

以线程调度及状态转换为例

状态图与活动图的区别

　　　　　- 描述对象：状态图是描述对象的状态转换，面向对象；活动图是描述执行系统中用例的具体步骤，面向过程

　　　　　- 侧重点：状态图的重点是对象的各个状态机状态之间的转换事件、条件、动作等；活动图的重点是对象行为遵循的规则　　　

　　　　　- 触发事件：状态图中的状态转换需要触发事件及满足相应的警备条件；活动图中的状态转换是自动顺序执行的，无需触发事件

　　　　　- 对象范围：状态图中的状态转换通常只是一个对象内部的状态变迁；活动图中的状态转换可以用不同的泳道（对应于不同的对象）划分

状态图注意事项

　　　　

　　　　- 不必为类中的每个对象都创建状态图，只为那些比较复杂的、状态比较多的对象创建状态图

　　　　- 并不是所有的事件都会引起状态的转换，如内部转换

　　　　- 转换在满足警备条件是才会响应事件

　　　　- 复杂状态图可以在总状态图中隐藏子状态细节，并且单独的子状态图展示相应的细节

　　　　- 根据实际需要适当使用复合状态、并发区域