UML--状态图的基本概念和作用

状态图的含义

1）状态机
状态机是一种记录下给定时刻状态的设备，它可以根据各种不同的输入对每个给定的变化改变其状态或引发一个动作。比如：计算机操作系统中的进程调度和缓冲区调度都是一个状态机。

在UML中，状态机由对象的各个状态和连接这些状态的转换组成， 是展示状态与状态转换的图。

在面向对象的软件系统中，一个对象无论多么简单或者多么复杂，都必然会经历一个从开始创建到最终消亡的完整过程，这个过程通常被称为对象的生命周期。一般来说，对象在其生命周期内是不可能完全孤立的，它必然会接受消息来改变自身，或者发送消息来影响其他对象。而状态机就是用于说明对象在其生命周期中响应时间所经历的状态序列以及其对这些事件的响应。在状态机的语境中，一个事件就是一次激发的产生，每个激发都可以触发一个状态转换。

状态机由状态、转换、事件、活动和动作五部分组成。

• 状态：
  状态指的是对象在其生命周期中的一种状况，处于某个特定状态中的对象必然会满足某些条件、执行某些动作或者是等待某些事件。一个状态的生命周期是一个有限的时间阶段。

• 转换：
  转换指的是两个不同状态之间的一种关系，表明对象在第一个状态中执行一定的动作，并且在满足某个特定条件下由某个事件触发进入第二个状态。

• 事件：
  事件指的是发生在时间和空间上的对状态机来讲有意义的那些事情。事件通常会引起状态的变迁，促使状态机从一种状态切换到另一种状态，如信号、对象额度创建和销毁等。

• 活动：
  活动指的是状态机中进行的非原子操作。

• 动作：
  动作指的是状态机中可以执行的哪些原子操作。所谓原子操作，指的是他们在运行的过程中不能被其他消息中断，必须一直执行下去，以至最终导致状态的变更或者返回一个值。

状态图

一个状态图（Statechart Diagram）本质上就是一个状态机，或者是状态机的特殊情况，它基本上是一个状态机中元素的一个投影，这也就意味着状态图包括状态机的所有特征。

状态图描述了一个实体基于事件反映的动态行为，显示了该实体是如何根据当前所处的状态对不同的事件作出反应的。

在UML中，状态图由表示状态的节点和表示状态之间转换的带箭头的直线组成。状态的转换由事件触发，状态和状态之间由转换箭头连接。每一个状态图都有一个初始状态（实心圆），用来表示状态机的开始。还有一个中止状态（半实心圆），用来表示状态机的终止。状态图主要由元素状态、转换、初始状态、中止状态和判定等组成，一个简单的状态图如下：

1）状态：
状态用于对实体在其生命周期中的各种状况进行建模，一个实体总是在有限的一段时间内保持一个状态。状态由一个带圆角的矩形表示，状态的描绘素应该包括名称、入口和出口动作、内部转换和嵌套状态。如下图，为一个简单状态：

• 状态名
  指的是状态的名字，通常用字符串表示，其中每个单词的首字母大写。状态名可以包含任意数量的字母、数字和除了冒号“：”以外的一些字符，可以较长，甚至连续几行。但是一定要注意一个状态的名称在状态图所在的上下文中应该是唯一的，能够把该状态和其他状态区分开。

• 入口和出口动作
  一个状态可以具有或者没有入口和出口动作。入口和出口动作分别指的是进入和退出一个状态时所执行的“边界”动作。

• 内部转换
  指的是不导致状态改变的转换。内部转换中可以包含进入或者退出该状态应该执行的活动或动作。

• 嵌套状态
  状态分为简单状态（Simple State）和组成状态（Composite State）。简单状态是指在语义上不可分解的、对象保持一定属性值的状况，简单状态不包含其他状态：而组成状态是指内部嵌套有子状态的状态，在组成状态的嵌套状态图部分包含的就是此状态的子状态。

2）转换：
在UML的状态建模机制中，转换用带箭头的直线表示，一端连接源状态，箭头指向目标状态。转换还可以标注与此转换相关的选项，如事件、监护条件和动作等，如下图所示。注意：如果转换上没有标注触发转换的事件，则表示此转换自动进行。

在状态转换机制中需要注意的五个概念如下：

• 状态源（Source State）：指的是激活转换之间对象处于的状态。如果一个一个状态处于源状态，当它接收到转换的触发事件或满足监护条件时，就激活了一个离开的转换。
• 目标状态（Event State）：指的是转换完成后对象所处的状态。
• 事件触发器（Event Trigger）：指的是引起源状态转换的事件。事件不是持续发生的，它只发生在时间的一点上，对象接收到事件，导致源状态发生变化，激活转换并使监护条件得到满足。
• 监护条件（Guard Condition）：是一个布尔表达式。当接收到触发事件要触发转换时，要对该表达式求值。如果表达式为真，则激活转换：如果表达式为假，则不激活转换，所接收到的触发事件丢失。
• 动作（Action）：是一个可执行的原子计算。

3）初始状态：
每个状态图都应该有一个初始状态，它代表状态图的起始位置。初始状态是一个伪状态（一个和普通状态有连接的假状态），对象不可能保持在初始状态，必须要有一个输出的无触发转换（没有事件触发器的转换）。通常初始状态上的转换是无监护条件的，并且初始状态只能作为转换的源，而不能作为转换的目标。在UML中，一个状态图只能有一个初始状态，用一个实心圆表示。

4）终止状态：
终止状态是一个状态图的终点，一个状态图可以拥有一个或者多个终止状态。对象可以保持在终止状态，但是终止状态不可能有任何形式的和触发转换，它的目的就是为了激发封装状态上的转换过程的结束。因此，终止状态只能作为转换的目标而不能作为转换的源，在UML中，终止状态用一个含有实心圆的空心圆表示。

5）判定：
活动图和状态图中都有需要根据给定条件进行判断，然后根据不同的判断结果进行不同转换的情况。实际就是工作流在此处按监护条件的取值发生分支，在UML中，判定用空心菱形表示。

状态图的作用

状态图的作用主要体现在以下几个方面。

• 状态图清晰地描述了状态之间的转换顺序，通过状态的转换顺序也就可以清晰地看出事件的执行顺序。如果没有状态图我们就不可避免地要使用大量文字来描述外部事件的合法顺序。
• 清晰的事件顺序有利于程序员在开发程序时避免出现事件顺序错误的情况。例如，对于一个网上销售系统，在用户处于登录状态前是不允许购买商品的，这就需要程序员开发程序的过程中加以限制。
• 状态图清晰地描述了状态转换时所必需的触发事件、监护条件和动作等影响转换的因素，有利于程序员避免程序中非法事件的进入。例如，飞机起飞前半小时不允许售票，在状态图中就可以清晰地看到，可以提醒程序员不要遗漏这些限制条件。
• 状态图通过判定可以更好地描述工作流因为不同的条件发生的分支。例如，当一个班的人数少于10人的时候需要和其他班合为一班上课，大于10人则单独上课，在状态图中就可以很明确地表达出来。

总之一个简洁完整的状态图可以帮助一个设计者不遗漏任何事情，最大程度地避免程序中错误的发生。