什麼是狀態圖
狀態圖，也稱為狀態機圖，是軟件工程中廣泛使用的視覺化建模工具，用於描述複雜系統的行為。狀態圖描述了系統可能處於的各種狀態，以及導致狀態之間轉換的事件或條件。這是一種強大的建模工具，可用於多種應用，包括軟件開發、控制工程和業務流程建模。在本全面指南中，我們將探討狀態圖的核心概念和組成元素，以及如何為不同類型的系統開發狀態圖。
狀態圖是統一建模語言（UML）的一部分，UML 是一種通用的視覺化建模語言，用於表示軟件系統。狀態圖是 UML 中的行為圖之一，用於模擬系統的動態行為。UML 中其他行為圖包括活動圖、用例圖和序列圖。狀態圖在軟件工程中廣泛用於模擬複雜系統的行為，例如嵌入式系統或網絡協議，這些系統的行為取決於其當前狀態以及所接收的輸入。狀態圖是開發人員、系統架構師和利益相關者之間溝通設計理念和需求的寶貴工具。
何時使用狀態圖
狀態圖可用於模擬任何具有有限狀態和狀態轉換的系統的動態行為。可以使用狀態圖建模的一些系統示例包括：
- 軟件系統：狀態圖可用於模擬軟件系統的行為，例如使用者介面、控制系統和通訊協定。
- 硬體系統：狀態圖也可用於模擬硬體系統的行為，例如電子電路、機械裝置和製造流程。
- 生物系統：狀態圖可用於模擬生物系統的行為，例如免疫系統、神經網絡和生物化學途徑。
- 業務流程：狀態圖可用於模擬業務流程的行為，例如訂單處理、庫存管理以及客戶服務。
一般而言，任何可以用離散狀態和狀態轉換來描述的系統，都可以使用狀態圖進行建模。狀態圖的強大之處在於它們能夠以簡單且直觀的方式捕捉系統行為的複雜性，使其成為系統建模與分析的寶貴工具。
狀態圖的元素
狀態圖的元素是用於表示有限狀態機的狀態、轉換、輸入和輸出的圖形組件。以下是這些元素的簡要說明：
- 狀態：狀態代表系統在任何給定時間可能處於的條件或情況。在狀態圖中，狀態以圓形或橢圓形表示。每個狀態都應標註名稱或描述，以清楚表明該狀態的含義。
- 轉換：轉換代表系統在接收到輸入後從一個狀態轉移到另一個狀態的變化。在狀態圖中，轉換以箭頭或線條表示。每個轉換都應標註觸發轉換的輸入或事件。
- 輸入：輸入代表觸發從一個狀態轉移到另一個狀態的事件或條件。它們可以以狀態圖中箭頭或線條上的標籤形式表示。
- 輸出：輸出代表轉換發生時產生的動作或結果。它們不一定會出現在狀態圖中，但可以以箭頭或線條上的標籤，或狀態本身中的標籤形式表示。
- 初始狀態：初始狀態是系統在接收任何輸入之前所處的狀態。它以指向初始狀態圓形或橢圓的箭頭表示。
- 終止狀態：終止狀態是系統完成任務後所轉移至的狀態。它以雙重圓形或雙重橢圓表示。
透過在狀態圖中使用這些元素，您可以以清晰、簡潔且易於理解的方式模擬系統的動態行為。狀態圖是軟件工程師及其他需要對具有有限狀態和狀態轉換的系統進行建模與分析的專業人士的強大工具。
繪製狀態圖
根據問題開發狀態圖涉及多個步驟。以下是您可以遵循的一般流程：
- 識別問題：明確識別您希望使用狀態圖建模的問題。理解系統的輸入、輸出和狀態。
- 定義狀態：識別系統可能處於的所有狀態，包括初始狀態和終止狀態。使用清晰且簡明的標籤來描述每個狀態。
- 定義輸入和輸出：識別導致系統從一個狀態轉移到另一個狀態的輸入或事件。定義每次轉換後產生的輸出或動作。
- 建立狀態轉換：使用箭頭或線條，將每個狀態連接到系統在輸入或事件發生時所轉移至的下一個狀態。用觸發轉換的輸入或事件標註每個轉換。
- 優化狀態圖：審查並優化狀態圖，以確保其準確地模擬系統並包含所有相關資訊。盡可能簡化圖形，使其更易於閱讀和理解。
- 測試狀態圖：通過模擬不同的輸入或事件，追蹤系統在各狀態間的路徑，來測試狀態圖。確保所產生的輸出或動作與系統的預期行為一致。
- 更新狀態圖：根據測試結果和利益相關者的反饋，必要時更新狀態圖。
透過遵循這些步驟，您可以開發出準確模擬系統行為的狀態圖，並幫助您更好地理解手頭的問題。請記住保持圖形清晰且簡潔，並尋求他人的反饋，以確保模型準確反映系統。
解讀狀態圖
要解讀狀態圖，請遵循以下步驟：
- 識別初始狀態：初始狀態是系統在接收任何輸入之前所處的狀態。此狀態在圖中會被標示。
- 跟隨轉移：從初始狀態開始，根據輸入在圖中跟隨轉移。每個轉移都會引導至一個新狀態，代表系統的新狀態或情境。
- 理解輸出：當系統從一個狀態轉移到另一個狀態時，可能會產生影響系統或其環境的輸出。這些輸出可從圖中推斷，或明確標示在轉移或狀態上。
- 識別任何迴圈或循環：迴圈或循環
範例：數位鐘
問題描述：設計一個狀態圖，用於顯示小時、分鐘和秒的數位鐘。
時鐘應具備以下功能：
- 時鐘應顯示目前的時間，包括小時、分鐘和秒。
- 使用者應能使用小時、分鐘和秒的按鈕來設定時間。
根據描述建立狀態圖
解讀
- 狀態圖現在從初始狀態「Clock_Display」開始，顯示目前的時間。
- 使用者可透過轉移到相應的「設定」狀態來設定小時、分鐘或秒。
- 使用者設定完小時、分鐘或秒後，時鐘會轉回「Clock_Display」狀態，並儲存新的時間。
- 在任何狀態轉移後，會觸發「更新顯示」動作，以目前時間更新顯示。
此狀態圖模擬了具有設定與顯示時間基本功能的數位鐘行為。它展示了時鐘可能處於的各種狀態，以及使用者與時鐘互動時所發生的轉移。
另一個範例：自動販賣機
問題：設計一個自動販賣機的狀態圖，用於販售零食與飲料。自動販賣機接受硬幣與紙鈔，且商品價格固定。若使用者投入過多金額，自動販賣機應找零。
需求：
- 自動販賣機應具備顯示螢幕，用以顯示使用者投入的金額以及所選商品的價格。
- 使用者應能從可選商品清單中選擇商品。
- 自動販賣機應檢查使用者是否投入足夠金額以購買所選商品。
- 若使用者投入過多金額，自動販賣機應找零。
- 若使用者投入金額不足，自動販賣機應顯示訊息，要求投入更多硬幣或紙鈔。
- 若使用者投入足夠金額，自動販賣機應發放所選商品，並在必要時找零。
根據這些需求，我們可以設計自動販賣機的狀態圖，以顯示機器可能處於的不同狀態，以及使用者與機器互動時所發生的轉移。
為自動販賣機設計狀態圖
解讀
此狀態圖模擬了自動販賣機的行為，當使用者投入過多金額時會退還零錢。它展示了機器可能處於的各種狀態，以及使用者與機器互動時所發生的轉移。
- 此狀態圖從初始狀態「閒置」開始，顯示訊息提示使用者投入硬幣。
- 使用者可以投入一枚硬幣，這會使自動販賣機轉移到「等待」狀態。
- 如果使用者投入的金額不足，自動販賣機將保持在「等待」狀態，並顯示訊息提示使用者再投入更多硬幣。
- 如果使用者投入足夠購買糖果的金額，自動販賣機將轉移到「發放」狀態。
- 在「發放」狀態下，自動販賣機會檢查使用者是否已投入足夠購買糖果的金額。若是，則發放糖果並在必要時退還零錢；若否，則轉回「等待」狀態，並顯示訊息提示使用者再投入更多硬幣。
- 若需退還零錢給使用者，自動販賣機將轉移到「退還」狀態並退還零錢。
- 在發放糖果或退回零錢後，自動販賣機將轉回「閒置」狀態，等待下一位顧客。
此狀態圖模擬了自動販賣機的行為，當使用者投入過多金額時會退還零錢。它展示了機器可能處於的各種狀態，以及使用者與機器互動時所發生的轉移。
總結
狀態圖是一種用於表示複雜系統行為的視覺化建模工具。在本全面指南中，我們概述了狀態圖的核心概念與要素，並提供針對不同類型系統開發狀態圖的逐步指南。
為說明此過程，我們提供兩個簡單範例，並為每個範例繪製狀態圖。第一個範例是一個數位鐘，顯示小時、分鐘和秒。狀態圖呈現了時鐘的各種狀態，例如「設定時間」和「顯示時間」，以及它們之間的轉移。
第二個範例是一台販賣零食與飲料的自動販賣機。狀態圖顯示了自動販賣機可能處於的不同狀態，例如「閒置」和「發放商品」，以及導致這些狀態之間轉移的事件或條件。
透過遵循逐步指南並理解狀態圖的關鍵要素，讀者將能夠建立有效的圖表，用以模擬和設計各種領域中的複雜系統。