Slide 1 Lezione 7. Modelli a stati  [GJM91, sez ], [BRJ99, Capp. 19, 20, 21]  Finite State Machines - definizioni, applicabilita’, esempi  Prodotto di FSM  XFSM: Extended FSM  Reti di XFSM  Esempio: Dispatcher  UML State diagrams e Statecharts  UML Activity diagrams

Slide 2 Formalismi rispetto Data/Function/Control FSM = Finite State Machines XFSM = Extended FSM PN = Petri Net Pr/T = Predicate/Transition O-O = Object-Oriented Design DFD = Data Flow Diagrams ER = Entity-Relation diagrams ADT = Abstract Data Types Z

Slide 3 FSM - Definizioni  Un FSM e’ una quintupla M = (Q, q0, F, I,  ), dove:  Qinsieme finito di stati  q0  Qstato iniziale  F  Q stati finali  Ialfabeto finito di inputs   funzione di transizione  : Q x I --> Q, tipicam. parziale  Un FSM e’ rappresentato da un grafo diretto:  Arco sse  (q1, i) = q2  Mealy FSM: viene associato anche un output a ogni transizione  Moore FSM: viene associato un output a ogni stato q1q2 i

Slide 4 Applicabilità di FSMs FSM inputoutput * Descrive aspetti di controllo del sistema. Lo stato della FSM è il ‘luogo’ corrente del controllo, come il program counter * Caratterizza la reattività del sistema: il suo comportamento in risposta a stimoli * Descrive anche aspetti funzionali del sistema, modellando una funzione che trasforma il flusso di input in flusso di output Data flow e FSM sono entrambi modelli comportamentali. Una FSM non mostra il flusso dei dati fra parti del sistema, ma è associabile a un nodo di un data-flow diagram * Utilizzabile in fase Requirements per modelli astratti del sistema, per software specification, e in fase di (Detailed) Design per modellare algoritmi

Slide 5 Esempio - Controllo di impianto chimico Versione base Raffinamento Restart

Slide 6 FSM per generazione/riconoscimento di linguaggi regolari am o i amo a t e n Linguaggio finito Linguaggio infinito

Slide 7 Esercizio  Con quale State Machine si genera il linguaggio infinito delle espressioni di parentesi bilanciate?  ( )  ( () ( ( ) ) )  ( ) ( ( ( ) ( ) ) ( ( ) ( ) ( ( ) ) ) ( ) ) ( ( ) ( ( ) ) )  ……...

Slide 8 Composizione di FSM ProducerConsumerBuffer consume readwrite produce Questa composizione in LOTOS si esprime così: (Producer[produce, write] ||| Consumer[read, consume]) |[read, write]| Buffer[read, write] Per ottenere un modello a stati di un sistema complesso a partire dai modelli a stati dei sottosistemi, assumendo interazione a rendez-vous (transizioni condivise).

Slide 9 p1p2 write produce FSM di Producer[produce, write]...

Slide 10 c2 c1 consumeread...Consumer[read, consume]...

Slide 11 b2b0b1 read write...Buffer[read, write]

Slide 12 c1 c2 c1 c2 p1p2 p1p2 p1p2 p1p2 p1p2 p1p2 write produce Prodotto degli stati c2 c1 consumeread b2b0b1 read write

Slide 13 verso Producer  Consumer  Buffer... c1 c2 c1 c2 p1p2 p1p2 p1p2 p1p2 p1p2 p1p2 write produce c2 c1 consume read b2 b0b1 read write produce write read consume

Slide 14 Producer  Consumer  Buffer produce write read consume

Slide 15 Extended FSM (XFSM) Trattano anche i dati, e la loro trasmissione

Slide 16 XFSM = (States, Vars, Trans, InQs, OutQs)  States = insieme di stati, con stato iniziale  Vars = insieme di variabili (locali)  Trans = insieme di transizioni etichettate  InQs = insieme di code di segnali/messaggi in input  OutQs = insieme di code di segnali/messaggi in output

Slide 17 Formato generale di una transizione From state Output su qualche OutQs Input da qualche InQs To state Condizione su Vars Effetto su Vars s5 Out2 ! ‘ok’ s7 [x = 0 AND y  99] y := y + dy In3 ? incr(dy) Esempio Se... …allora

Slide 18 Rete di XFSM’s = (X, Q)  X = {X(1), …, X(n)} insieme di XFSM’s  Q = insieme di code incluso in (Q’  Q”)  Q’ = {q(1), …, q(n)} Q(i) = coda in input a X(i)  Q” = {q(i,j) | 1  i  n, 1  j  n, i  j} q(i,j) = coda da X(i) a X(j)  X(i) usa le code q(j) in Q’ (j  i)  X(i) usa le code q(i,j) in Q” (j  i)

Slide 19 Esempio - Dispatcher a 2 input ChanA s2 Control Q := nil lengthQ := 0 ChanB ReplA ReplB Processing Unit s1 ChanA ? a1: msg [Parity(a1) = OK, lengthQ < 10] Q := append (Q, a1); lengthQ := lengthQ+1 ReplA! ‘nack’ ChanA ? a1: msg [Parity(a1)  OK] [lengthQ = 10] ProcessingUnit ! Q; Q := nil; lengthQ := 0 ChanB Control ? ‘stop’ ChanB...

Slide 20 Statecharts - generalità  Interaction diagrams modellano cooperazione fra parecchi oggetti nell’ambito di una singola use-case;  statecharts modellano comportam. di singolo oggetto (che deve rispondere a stimoli asincroni, a comportamento dipendente dal passato) nell’ambito di parecchie use case. Ma modellano anche: interfacce, sotto-sistemi  Activity diagrams enfatizzano attività e passaggio di controllo; statecharts enfatizzano stati, transizioni di stato dovute a una serie di possibili eventi, risposte del sistema agli eventi (reattività), e ordinamento delle transizioni

Slide 21 Esempio di statechart

Slide 22 Stati Struttura generale Inoltre lo stato puo’ avere sottostati, sequenziali o concorrenti Puo’ mancare (stato anonimo) Puo’ essere un’altra SM, o una sequenza di azioni. Entrambe sono interrompibili da eventi che fanno uscire da ‘Tracking’

Slide 23 Transizioni  Source state anche piu’ di uno  Event trigger signal, op call, time (‘after’), state change (‘when’)  [Guard condition] valutata subito dopo trigger event; se FALSA, trigger event è perduto; puo’ riferirsi a stati di altre SM.  / Action atomica - signal, op call su questo o altri oggetti visibili; creaz. / distr. di oggetti  Target state anche piu’ di uno...

Slide 24 Eventi Eventi asincroni: - segnale, - pass. di tempo, - cambio di stato - operation call asincrona Eventi sincroni - operation call (sincrona, di default) Eventi interni ed esterni...

Slide 25 - Segnale (evento asincrono)  E’ un oggetto che viene spedito (thrown) dall’oggetto A e ricevuto (caught) dall’oggetto B Subito dopo la spedizione, A è libero di procedere; non attende risultati  Tipicamente modella ‘eccezioni’ (C++, Java)  Appare come causa o effetto di una trans. in una state machine etichetta di una interazione in interaction diagram effetto di una operazione di un dato oggetto  Un segnale è simile a una classe puo’ avere attributi (i parametri trasmessi), e operazioni puo’ formare gerarchie di generalizzazione che possono essere ricevuti

Slide 26 Gerarchie di segnali - Eccezioni Gerarchie di segnali: modellano i tipi di segnale che un oggetto attivo può ricevere Una transizione causata da HardwareFault puo’ essere causata anche da BatteryFault, MovementFault,... Le eccezioni che un oggetto puo’ spedire (throw) attraverso le sue operazioni Template class (parametric)

Slide 27 - Call (evento sincrono)  L’oggetto A chiama Op() di B, e B ha una state machine SM(B): il controllo passa da A a B, con A in attesa la transizione (s1) ==> (s2) con trigger event Op() in SM(B) viene iniziata Op() viene completamente eseguita (è una delle operazioni di B) Lo stato finale (s2) viene raggiunto in SM(B) Il controllo torna ad A, che riceve anche l’eventuale risultato della operazione Tuttavia sono possibili anche call asincrone, e call a oggetti senza SM. Messaggi non previsti vengono lasciati cadere.

Slide 28 - Passaggio di tempo, cambiamento di stato (eventi asincroni) Oppure: ‘after 1 ms since exiting idle’ Passaggio di tempo: - ‘after’ + espressione temporale Cambiamento di stato o condizione: - ‘when’ + espressione booleana che viene valutata continuamente Oppure: ‘when altitude < 1000’

Slide 29 Sottostati sequenziali - History state (H*) denota deep history state Lo stato finale cancella la storia I sottostati ereditano le transizioni dei superstati

Slide 30 Sottostati concorrenti (ortogonali) In alternativa a un oggetto la cui SM ha sottostati concorrenti, si possono usare piu’ oggetti attivi

Slide 31 Esempio da [F77] CheckingDispatching WaitingDelivered [all items checked && all items available] [all items checked && some items not in stock] Item Received [all items available]Delivered do / check itemdo/ initiate delivery / get first item [not all items checked] / get next item Item Received [some items not in stock] Xxx = Trigger event

Slide 32 CheckingDispatching Waiting Delivered [all items checked && all items available] [all items checked && some items not in stock] Item Received [all items available]Delivered do / check itemdo/ initiate delivery / get first item [not all items checked] / get next item Item Received [some items not in stock] Delivered Cancelled

Slide 33 Waiting Delivered Checking Dispatching Cancelled Rejected AuthorizingAuthorized cancelled delivered

Slide 34 Oggetti con/senza state machine  Oggetti senza state machine reagiscono solo a messaggi sincroni, cioè operation calls »se arrivano messaggi asincroni, cioe segnali, sono ignorati comportamento indipendente dalla loro storia  Oggetti con state machine devono reagire anche a segnali, e in modo dipendente dalla storia  Anche le interfacce possono avere state- machines, che vengono regolarmente ereditate

Slide 35 Activity diagrams  Mentre interaction diagrams (simili a Gantt charts) enfatizzano le interazioni fra oggetti che si scambiano messaggi (e flusso di controllo)  … activity diagrams enfatizzano le attività che vengono svolte dagli oggetti, e lo scambio di flusso di controllo da attività a attività.  Sono simili a flow charts, e a Pert charts usati per documentare il workflow di un progetto.  In UML sono usati anche per modellare la dinamica di: sistema, sottosistema, classe operazione (==> flow-chart delle singole azioni) uno scenario di una use case collaborations

Slide 36 Esempio (another activity diagram)

Slide 37 Action state / activity state; branch Action (esecuzione atomica, e rapida…): - call operation - send signal - create/destroy an object - compute expression and assign var. (i messaggi che etichettano i link degli interaction diagrams, e le transizioni delle statecharts) = nested activity diagram, o state machine Un activity state può avere entry/exit actions, come gli stati delle statecharts Unico tipo di trans.; esecuzione istantanea

Slide 38 Join, fork; swimlanes 1 ==> N M ==> 1 (*) Fork e join si devono bilanciare, come le parentesi in una espressione. (**) La state machine di Synch mouth() puo’ mandare messaggi alla state machine di Stream audio() (***) La presenza di oggetti manipolati dalle attività rende i diagrammi simili ai data flow

Slide 39 Activity diagram come flow-chart... …per descrivere il funzionamento di operazioni (di classi)