UML State Diagrams. A. Fantechi 1/4/2010. Macchina a Stati Finiti. (Automa a stati finiti, Finite State Machine, FSM)

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1 UML State Diagrams A. Fantechi 1/4/2010 Macchina a Stati Finiti (Automa a stati finiti, Finite State Machine, FSM) Descrizione grafica del comportamento di una FSM on Lamp On on off Lamp Off off

2 Macchina a Stati Finiti (Automa a stati finiti, Finite State Machine, FSM) Descrizione formale del comportamento di una FSM: Una FSM M è una quadrupla (S, s 0, E, R) dove: S è un insieme finito di stati s 0! S è lo stato iniziale E è un insieme di eventi (trigger) R " S x E xs è la relazione di transizione. (s 1, e, s 2 )! R si scrive anche s 1 e s 2 Nondeterminismo Spesso si usa una funzione di transizione invece di una relazione di transizione: R: S x E # S In questo modo il prossimo stato è sempre determinato univocamente dall evento di input. Caso di nondeterminismo -->

3 Uscite, azioni Uscite generate dall automa: Lamp On on Lamp On print( on ) on on/print( print( on ) on off Lamp Off off off Lamp Off off Macchina di Mealy Macchina di Moore Descrizione formale macchine Mealy e Moore Una Macchina di Mealy è una sestupla (S, s 0, E, R, O, o) dove: S è un insieme finito di stati s 0! S è lo stato iniziale E è un insieme di eventi (trigger) R : S x E # S è la funzione di transizione. O è un insieme di possibili uscite o : S x E # O è la funzione di uscita Una Macchina di Moore è una sestupla (S, s 0, E, R, O, o) dove: S è un insieme finito di stati s 0! S è lo stato iniziale E è un insieme di eventi (trigger) R : S x E # S è la funzione di transizione. O è un insieme di possibili uscite o : S # O è la funzione di uscita (determinismo)

4 Extended Finite State Machines (EFSM) Estensione con variabili ( extended state ) on ctr : Integer Lamp On on/ctr := ctr + 1 off off Lamp Off EFSM Una EFSM (di Mealy) è definita da: Un insieme di segnali di input (input alphabet) Un insieme di segnali di output (output alphabet) Un insieme di stati Un insieme di transizioni segnale di trigger guardia azione Un insieme di variabili (extended state variables) Un indicazione di stato iniziale (stato iniziale + valore iniziale delle variabili) Un insieme di stati finali (vuoto nel caso di macchina non terminante)

5 Harel Statecharts Create da David Harel (I-Logix) alla fine degli anni 80, come ulteriore estensione delle EFSM Formano la base del modello comportamentale di UML Supportano Stati annidati (gerarchie di stati) Azioni su Transizioni Entry (ingresso in uno stato) Exit (uscita da uno stato) Attività eseguite all interno di uno stato (Do) Guardie History Eventi di Broadcast Regioni Ortogonali (AND-States) 9 Basic UML Statechart Diagram Initial pseudostate top state top State Trigger Ready Transition Final state Done stop/ctr := 0 stop Action

6 Che tipo di comportamento? In generale, le EFSM sono adatte per descrivere un comportamento dicreto, event-driven inappropriate per modellare comportamento continuo in UML non ci sono strumenti per modellare un comportamento continuo threshold time Comportamento Event-Driven Evento = un tipo di occorrenza di qualcosa di osservabile interazioni: Invocazione sincrona di un metodo di un oggetto (call event) Ricezione asincorna di un segnale (signal event) Occorrenza di istanti di tempo (time event) Scadenza di un intervallo Tempo di clock o di calendario Aggiornamento del vlore di una variabile (change event) Istanza di un Evento (Event Instance) = un istanza di un tipo di evento che accade in un certo istante di tempo e che non ha durata

7 Comportamento Event-Driven - UML In linea di principio, si può parlare di comportamento eventdriven per un qualsiasi tipo di sistema In UML, il comportamento event-driven è quello manifestato dagli oggetti. Quindi possiamo associare agli oggetti di una classe un comportamento event-driven specificato attraverso uno state diagram. La semantica degli state diagram UML è data principalmente in relazione ad oggetti attivi Comportamento di un oggetto Passivo - Modello Generale Trattamento dello specifico metodo richiesto void:offhook (); {busy = true; obj.reqdialtone(); }; Initialize Object Wait Wait for for Request Handle Request Terminate Object

8 Oggetti Passivi e Macchine a Stati mapping: Initialize Object Wait for Event on Lamp On on/print( on ) Handle Event Terminate Object off Lamp Off stop off Oggetti e flussi di controllo (threads) Oggetti Passivi: flusso di controllo esterno Oggetti Attivi: proprio flusso di controllo Initialize Initialize Object Object Wait Wait for for Request Request Handle Handle Request Request Initialize Initialize Object Object Wait Wait for for Request Request Handle Handle Request Request Terminate Terminate Object Object Terminate Terminate Object Object

9 Flussi concorrenti Initialize Initialize Object Object Wait Wait for for Request Request Handle Handle Request Request Terminate Terminate Object Object Un oggetto passivo può essere attraversato da flussi concorrenti: --> problema di sincronizzazione Un oggetto attivo ha un proprio, unico, flusso: la concorrenza si ottiene con due oggetti attivi, istanze distinte della stessa classe Oggetti Attivi e Macchine a Stati Oggetti Attivi con il proprio flusso di controllo anactiveobject #currentevent : Event poll/defer created start + start ( ) + poll ( ) + stop ( ) start/^master.ready() ready ready stop/ poll/^master.ack() Le variabili di stato esteso sono gli attributi dell oggetto.

10 Semantica degli Oggetti Attivi ActiveObject: Coda di eventi Run-to-completion model Run-to-completion model Il run-to-completion model step definisce come avviene una transzione tra due configurazioni della macchina a stati. Configurazione = stato corrente + valore delle variabili di stato esteso + situazione della coda in ingresso Un evento in coda (received) può essere prelevato (dispatched) dalla coda e trattato solo quando l elaborazione dell evento precedente è terminata (consumed). Durante uno step di run-to-completion può essere eseguita una sequenza di varie attività, che possono includere la modifica di un attributo locale, l invio di un segnale, l invocazione di un metodo di un altro oggetto, la rimozione di un evento dalla coda di ingresso

11 Stati UML Initializing Valve ValveOk: Boolean = FALSE ValveAperture: int = 0 cmdsize: int entry / ValveOK = TestValve( ) do / OpenTo(cmdSize: int) exit / printmessage(valveaperature) Sintassi completa event parameters event name guard action list A T1(int r)[r < 0] / f(r) entry / g(x), h(y) exit / m(a), n(b) do / act(a,y,z) defer / e1, e2 e3 / p(x,y), q(z) entry actions exit actions activities state name B deferred events internal transition state 22

12 Eventi Un evento può essere: Una condizione che diventa vera (guardia) Ricezione di un esplicito segnale da un altro oggetto Ricezione di una chiamata a un metodo da un altro oggetto Timeout (passage of a specified interval) Eventi possono causare transizioni di stato (etichette sulle) Transizioni event-name (parameter list) [guard] / action expression event-name nome dell evento di trigger per la transizione parameter list parametri con tipo (opzionale) guard espressione Booleana sui parametri e sugli attributi dell oggetto (variabili) action-expression lista di operazioni da eseguire quando la transizione viene selezionata: la lista è eseguita atomicamente

13 Esempi di etichette sulle transizioni JustDoIt JustDoIt(x) JustDoIt(x: int) JustDoIt(x) [x>0] JustDoIt [y<10] / print(y) JustDoIt(x,y) [x>y+10] / print (x+y); target->gensignal(nike.makemoney(muchodollaro)) Tipi di Eventi UML definisce 4 tipi di eventi Signal Event Ricezione di un segnale Asinchrono e.g. evflameon Call Event Ricezione di un invocazione di un metodo e.g. op(a,b,c) Change Event Aggiornamento del valore di una variabile (condivisa) Time Event Scadenza di un tempo Relativo (intervallo) Raggiungimento di un tempo Assolute e.g. tm(pulsewidthtime)

14 State Entry and Exit Actions LampOn entry/lamp.on(); exit/lamp.off(); e2 e1 Ordine delle Azioni: un caso semplice Exit actions precedono le transizioni Entry action seguono le transizioni LampOn entry/lamp.on(); exit/printf printf( exiting ); off/printf printf( to to off ); LampOff entry/lamp.off(); exit/printf printf( exiting ); Sequenza di azioni risultante printf( exiting ); printf( to to off ); lamp.off(); off/printf printf( needless ); printf( exiting ); printf( needless ); needless ); lamp.off();

15 Transizioni Interne Self-transitions Non provocano l esecuzione di entry e exit actions transizione interna triggered da un off event LampOff entry/lamp.off(); exit/printf printf( exiting ); off/null; State ( Do ) Activities thread concorrente che esegue fino a che: l attività è completata oppure si esce dallo stato con una transizione uscente Error entry/printf printf( error! error! ) do/while (true) alarm.ring(); do activity

16 Guardie Esecuzione Condizionale di transizioni Le guardie (predicati Booleani) non devono avere side-effect bid [value < 100] /reject Selling bid [value >= 200] /sell Happy bid [(value >= 100) & (value < 200)] /sell Unhappy Static Conditional Branching Abbreviazione grafica per evidenziare una signola transizione uscente Selling Happy bid [value < 100] /reject [value >= 200] /sell [(value >= 100) & (value < 200)] /sell Unhappy

17 Dynamic Conditional Branching Choice pseudostate: le guardie vengono valutate solo quando viene raggiunto lo pseudostato. Selling Happy bid /gain := calculatepotentialgain(value) [gain < 100] /reject [gain >= 200] /sell Dynamic choicepoint Unhappy [(gain >= 100) & (gain < 200)] /sell Macchine a stati gerarchiche stati decomposti ricorsivamente in macchine a stati off/ LampOff entry/lamp.off() on/ LampOn entry/lamp.on() on/ flash/ on/ LampFlashing 1sec/ FlashOn entry/lamp.on() 1sec/ FlashOff entry/lamp.off()

18 OR States Migliorano la scalabilità Migliorano la comprensibilità Permettono la decomposizione gerarchica di un problema (divide-and conquer) Possibilità: Stati annidati sullo stesso diagramma Stati annidati su diagrammi separati aka submachines 35 Sintassi state ev_2 nested state or-states

19 OR States Statechart gerarchica entry/ Print(ErrCode)

20 Group Transitions Transizioni a più alto livello nella gerarchia di stati Default transition to the initial pseudostate off/ LampOff entry/lamp.off() on/ LampOn entry/lamp.on() flash/ on/ LampFlashing 1sec/ FlashOn entry/lamp.on() 1sec/ FlashOff entry/lamp.off() Group transition Completion Transitions Triggered da un evento di completion generato automaticamente quando uno macchina immediatamente annidata termina Committing completion transition (no trigger) Phase1 Phase2 CommitDone

21 Regole di Triggering Due o più transizioni possono avere lo stesso evento trigger La transizione più interna ha la precedenza Un evento in coda è consumato sia che attivi una transizione sia che non attivi alcuna transizione. LampFlashing on/ off/ FlashOn FlashOff on/ Ordine delle azioni annidate Da fuori a dentro le azioni entry Da dentro a fuori le azioni exit U entry: f() exit: g(a,b) first f() then x(c) U1 entry: x(c) exit: y() A first y() then g(a,b) 42

22 Deferred Events Gli eventi in coda che non possono attivare una transizione vengono scartati, fino a che un evento in grado di attivare una transizione non venga trovato nella coda. Deferred events Se però un evento è in una deferred list, non viene scartato e rimane in coda (finchè rimane nella deferred list) Se l oggetto transisce in uno stato dove l evento non è più presente in una deferred list, tale evento viene scartato. Deferred event off/ LampOff entry/lamp.off() off/defer on/ LampOn entry/lamp.on() Ordine delle Azioni: Caso Complesso S1 exit/exs1 S11 exit/exs11 E/actE S2 entry/ens2 inits2 S21 entry/ens21 sequenza di esecuzione delle Azioni, in caso di triggering della transizione exs11! exs1! acte! ens2! inits2! ens21

23 Ortogonalità Viste multiple simultanee sulla stessa entità age financialstatus Child Poor Adult Retiree Person Rich AND-States Gli stati possono essere decomposti in OR-States Uno stato (super-stato) può essere decomposto in un numero qialsiasi di OR-States Quando l oggetto si trova in un super-stato, deve trovarsi in UNO dei suoi OR-substates. oppure AND-State Uno stato (super-stato) può essere decomposto in un numero qialsiasi di AND-States (regioni ortogonali) Quando l oggetto si trova in un super-stato, deve trovarsi in TUTTI i suoi AND-substates attivi. Regioni separate da linee tratteggiate

24 Regioni Ortogonali Combinazione di descrizioni multiple simultanee age financialstatus Child Poor Adult age financialstatus Retiree Child Rich Adult Poor Retiree Rich AND-States

25 AND-States transition state initial pseudostate conditional pseudostate and-states Regioni Ortogonali - Semantica Tutte le regioni ortogonali reagiscono allo stesso evento, (in principo) simultaneamente. legalstatus financialstatus LawAbiding Poor Outlaw robbank/ Rich robbank/

26 AND-States & Concorrenza Gli AND-states non sono necessariamente concorrenti Semantica degli AND-states tipicamente a interleaving UML usa la concorrenza tra oggetti attivi come principale modo di modellare la concorrenza Gli AND-states possono essere implementati come threads concorrenti, ma questa non è l unica strategia di implementazione corretta. Uso concettualmente errato dell ortogonalità Uso di regioni per modellare oggetti attivi independenti Person1 Person2 Person1 Child Person2 Child Adult Adult Retiree Retiree Soluzione: --> due istanze dello stesso oggetto attivo!!!

27 Interazioni tra Regioni Tipicamente, attraverso variabli condivise o riferimenti a cambio di stato delle altre regioni. Catch22 sanitystatus sane : Boolean flying : Boolean flightstatus request Grounding/ Crazy entry/sane := false; Sane (flying)/ entry/sane := true; Flying entry/flying := true; (~sane)/ Grounded entry/flying := false; (sane)/ AND-State Communication Gli AND-states possono communicare via: Broadcast events Ricevuti da tutti gli AND-states attivi Propagated events Una transizione in un AND-state può inviare un evento sentito da un altro AND-state Guardie [IS_IN( state )] usa il substate di un AND-state in una guardia Attributi Siccome gli AND-states fano parte dello stesso oggetto, vedono tutti gli attributi dell oggetto (variabili condivise)

28 Propagazione e Broadcast / 55 Fork e Join Transizioni verso/da regions ortogonali: age Child Adult Retiree Staff Member Manager employee

29 Transizioni Complesse fork S1 S1_1 S e2 S1_2 e5 join A B e1 e5 S2_1 e3 S2_2 S2 e4 C pseudostates initial pseudostate history pseudostate conditional pseudostate terminal pseudostate

30 Pseudostates Symbol Symbol Name Symbol Symbol Name C or Branch Pseudostate (type of junction pseudostate) H (Shallow) History Pseudostate T or Terminal or Final Pseudostate H* (Deep) History Pseudostate * or n Synch Pseudostate Initial or Default Pseudostate Fork Pseudostate Junction Pseudostate Join Pseudostate [g] Merge Junction Pseudostate (type of junction pseudostate) [g] Choice Point Pseudostate label Stub Pseudostate History Ritorno a uno stato gerarchico già visitato deep /shallow history suspend/ Diagnostic1 Diagnosing Diagnostic2 Step11 Step21 resume/ H* Step12 Step22

31 Deep History Shallow History

32 Synch Pseudostate Permette di far scattare una transizione solo quando un insieme di transizioni è avvenuto Memorizza che una o più specifiche transizioni sono avvenute, Simile al posto (piazza, place) di una Rete di Petri Permette di sincronizzare più AND-States Synch Pseudostate Data Processing Waiting for Data Processing Datum Logging Data synch state Waiting to Process Alarms datasignal /active alarm ct = 0 * tm(displaytime) Synch Pseudostate with unbounded multiplicity Applying Alarm Filters done alarmraised User Monitoring Idle [else] C [active alarm ct > 0]/ gensignal(alarmraised) Waiting to accept /active alarm ct = 0 Displaying Alarms accept Alarm Processing 1 synch state

33 Stub Notation Abbreviazione notazionale: nessuna aggiunta semantica LampOff entry/lamp.off() flash/ LampFlashing off/ FlashOn on/ LampOn entry/lamp.on() on/ on/ FlashOff Submachines: Reference stub state reference Self Testing include / BITSubmachine On done(defaultmode) Operating include / OpsSubmachine toon(mode: tmode) defaultmode = mode; device Test RAM Test dotest Normal Failsafe Abort Off doramtest dodevicetest [recoverok] [else] tooff Unrecoverable Error errorfound C submachine indicator errorhandled

34 Submachines: Referenced submachine stub state Testing ROM device Test Testing Components Logging Test Results BITSubmachine entry / iserror = false; done done Testing RAM errorfound/ iserror = true; C Abort [else] RAM Test [iserror == false] Normal OpsSubmachine (m: tmode) C Failsafe [else] Normal Mode [m == normal] Demo Mode [m == failsafe] Failsafe Mode tooff errorfound doramtest subend dotest Normal dodevicetest Uso degli State Diagrams Specifica del comportamento di un sistema (necessita di uno strumento di editing) Simulazione (necessita di uno strumento di simulazione) Verifica (Model checking) (necessita di uno strumento di verifica) Generazione automatica del codice (necessita di un generatore di codice)

35 Credits Bruce Powel Douglass, Real-Time UML, Slides, Ilogix Gunnar Övergaard, Bran Selic, Conrad Bock, Behavioral Modeling, Object Modeling with OMG UML Tutorial Series, UML Revision Task Force, Nov. 2000