Sơ đồ trạng thái là gì
Sơ đồ biểu đồ trạng thái, còn được gọi là sơ đồ máy trạng thái, là một công cụ mô hình hóa trực quan phổ biến được sử dụng trong kỹ thuật phần mềm để biểu diễn hành vi của các hệ thống phức tạp. Sơ đồ biểu đồ trạng thái mô tả các trạng thái khác nhau mà một hệ thống có thể ở vào và các sự kiện hoặc điều kiện gây ra chuyển đổi giữa các trạng thái. Đây là một công cụ mô hình hóa mạnh mẽ có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm phát triển phần mềm, kỹ thuật điều khiển và mô hình hóa quy trình kinh doanh. Trong hướng dẫn toàn diện này, chúng ta sẽ khám phá các khái niệm và yếu tố chính của sơ đồ biểu đồ trạng thái, cũng như cách phát triển chúng cho các loại hệ thống khác nhau.
Sơ đồ trạng thái là một phần của Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất (UML), là một ngôn ngữ mô hình hóa trực quan mang tính tổng quát được sử dụng để biểu diễn các hệ thống phần mềm. Sơ đồ trạng thái là một trong các sơ đồ hành vi của UML, được dùng để mô hình hóa hành vi động của một hệ thống. Các sơ đồ hành vi khác trong UML bao gồm sơ đồ hoạt động, sơ đồ trường hợp sử dụng và sơ đồ tuần tự. Sơ đồ trạng thái thường được sử dụng trong kỹ thuật phần mềm để mô hình hóa hành vi của các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như hệ thống nhúng hoặc giao thức mạng, nơi hành vi của hệ thống phụ thuộc vào trạng thái hiện tại và các đầu vào mà nó nhận được. Sơ đồ trạng thái là một công cụ hữu ích để trao đổi ý tưởng thiết kế và yêu cầu giữa các nhà phát triển phần mềm, kiến trúc sư hệ thống và các bên liên quan.
Khi nào nên sử dụng sơ đồ trạng thái
Sơ đồ trạng thái có thể được sử dụng để mô hình hóa hành vi động của bất kỳ hệ thống nào có số lượng trạng thái hữu hạn và các chuyển đổi trạng thái. Một số ví dụ về các hệ thống có thể được mô hình hóa bằng sơ đồ trạng thái bao gồm:
- Hệ thống phần mềm: Sơ đồ trạng thái có thể được sử dụng để mô hình hóa hành vi của các hệ thống phần mềm, chẳng hạn như giao diện người dùng, hệ thống điều khiển và giao thức truyền thông.
- Hệ thống phần cứng: Sơ đồ trạng thái cũng có thể được sử dụng để mô hình hóa hành vi của các hệ thống phần cứng, chẳng hạn như mạch điện tử, thiết bị cơ khí và quy trình sản xuất.
- Hệ thống sinh học: Sơ đồ trạng thái có thể được sử dụng để mô hình hóa hành vi của các hệ thống sinh học, chẳng hạn như hệ miễn dịch, mạng thần kinh và các con đường hóa sinh.
- Quy trình kinh doanh: Sơ đồ trạng thái có thể được sử dụng để mô hình hóa hành vi của các quy trình kinh doanh, chẳng hạn như xử lý đơn hàng, quản lý hàng tồn kho và dịch vụ khách hàng.
Nói chung, bất kỳ hệ thống nào có thể được mô tả dưới dạng các trạng thái rời rạc và các chuyển đổi trạng thái đều có thể được mô hình hóa bằng sơ đồ trạng thái. Sức mạnh của sơ đồ trạng thái nằm ở khả năng ghi lại sự phức tạp trong hành vi của một hệ thống theo cách đơn giản và trực quan, làm cho chúng trở thành một công cụ hữu ích cho mô hình hóa và phân tích hệ thống.
Các thành phần của sơ đồ trạng thái
Các thành phần của sơ đồ trạng thái là các thành phần đồ họa được sử dụng để biểu diễn các trạng thái, chuyển đổi, đầu vào và đầu ra của một máy trạng thái hữu hạn. Dưới đây là phần giải thích ngắn gọn về từng thành phần này:
- Trạng thái: Trạng thái biểu diễn các điều kiện hoặc tình huống mà một hệ thống có thể ở vào tại bất kỳ thời điểm nào. Chúng được biểu diễn bằng các hình tròn hoặc hình elip trong sơ đồ trạng thái. Mỗi trạng thái nên được đánh nhãn bằng tên hoặc mô tả rõ ràng để làm rõ trạng thái đó đại diện cho điều gì.
- Chuyển đổi: Chuyển đổi biểu diễn sự thay đổi từ một trạng thái này sang trạng thái khác phản ứng với một đầu vào. Chúng được biểu diễn bằng các mũi tên hoặc đường trong sơ đồ trạng thái. Mỗi chuyển đổi nên được đánh nhãn bằng đầu vào hoặc sự kiện kích hoạt chuyển đổi.
- Đầu vào: Đầu vào biểu diễn các sự kiện hoặc điều kiện kích hoạt chuyển đổi từ một trạng thái này sang trạng thái khác. Chúng có thể được biểu diễn bằng nhãn trên các mũi tên hoặc đường trong sơ đồ trạng thái.
- Đầu ra: Đầu ra biểu diễn các hành động hoặc kết quả xảy ra khi thực hiện một chuyển đổi. Chúng không nhất thiết phải có trong sơ đồ trạng thái, nhưng có thể được biểu diễn bằng nhãn trên các mũi tên hoặc đường, hoặc ngay trong các trạng thái.
- Trạng thái ban đầu: Trạng thái ban đầu là trạng thái mà hệ thống bắt đầu trước khi nhận bất kỳ đầu vào nào. Nó được biểu diễn bằng một mũi tên chỉ vào hình tròn hoặc hình elip của trạng thái ban đầu.
- Trạng thái cuối: Trạng thái cuối là trạng thái mà hệ thống chuyển đến khi đã hoàn thành nhiệm vụ. Nó được biểu diễn bằng một hình tròn hoặc hình elip kép.
Bằng cách sử dụng các thành phần này trong sơ đồ trạng thái, bạn có thể mô hình hóa hành vi động của một hệ thống theo cách rõ ràng, súc tích và dễ hiểu. Sơ đồ trạng thái là một công cụ mạnh mẽ dành cho các kỹ sư phần mềm và các chuyên gia khác cần mô hình hóa và phân tích các hệ thống có số lượng trạng thái và chuyển đổi trạng thái hữu hạn.
Vẽ sơ đồ trạng thái
Việc phát triển sơ đồ trạng thái dựa trên một vấn đề bao gồm nhiều bước. Dưới đây là quy trình chung mà bạn có thể tuân theo:
- Xác định vấn đề: Xác định rõ vấn đề mà bạn muốn mô hình hóa bằng sơ đồ trạng thái. Hiểu rõ các đầu vào, đầu ra và các trạng thái của hệ thống.
- Xác định các trạng thái: Xác định tất cả các trạng thái có thể có của hệ thống, bao gồm trạng thái ban đầu và trạng thái cuối. Sử dụng nhãn rõ ràng và súc tích để mô tả mỗi trạng thái.
- Xác định đầu vào và đầu ra: Xác định các đầu vào hoặc sự kiện gây ra hệ thống chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Xác định các đầu ra hoặc hành động xảy ra như kết quả của mỗi chuyển đổi.
- Tạo các chuyển đổi trạng thái: Sử dụng mũi tên hoặc đường nối mỗi trạng thái với trạng thái tiếp theo mà hệ thống chuyển đến khi xảy ra đầu vào hoặc sự kiện. Đánh nhãn mỗi chuyển đổi bằng đầu vào hoặc sự kiện kích hoạt nó.
- Tinh chỉnh sơ đồ trạng thái: Xem xét và tinh chỉnh sơ đồ trạng thái để đảm bảo nó mô hình hóa chính xác hệ thống và bao gồm đầy đủ thông tin liên quan. Đơn giản hóa sơ đồ tối đa để dễ đọc và hiểu hơn.
- Kiểm thử sơ đồ trạng thái: Kiểm thử sơ đồ trạng thái bằng cách mô phỏng các đầu vào hoặc sự kiện khác nhau và theo dõi hành trình của hệ thống qua các trạng thái. Đảm bảo rằng các đầu ra hoặc hành động xảy ra phù hợp với hành vi mong đợi của hệ thống.
- Cập nhật sơ đồ trạng thái: Cập nhật sơ đồ trạng thái khi cần thiết dựa trên kết quả kiểm thử và phản hồi từ các bên liên quan.
Bằng cách tuân theo các bước này, bạn có thể phát triển một sơ đồ trạng thái mô hình hóa chính xác hành vi của một hệ thống và giúp bạn hiểu rõ hơn về vấn đề đang gặp phải. Hãy nhớ giữ sơ đồ rõ ràng và súc tích, đồng thời tìm kiếm phản hồi từ người khác để đảm bảo mô hình phản ánh chính xác hệ thống.
Giải thích sơ đồ trạng thái
Để giải thích một sơ đồ trạng thái, hãy thực hiện các bước sau:
- Xác định trạng thái ban đầu: Trạng thái ban đầu là trạng thái mà hệ thống bắt đầu trước khi nhận bất kỳ đầu vào nào. Trạng thái này được đánh dấu trong sơ đồ.
- Theo dõi các chuyển tiếp: Bắt đầu từ trạng thái ban đầu, hãy theo dõi các chuyển tiếp trong sơ đồ phản ứng với các đầu vào. Mỗi chuyển tiếp dẫn đến một trạng thái mới, đại diện cho trạng thái hoặc tình huống mới của hệ thống.
- Hiểu các đầu ra: Khi hệ thống chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, nó có thể tạo ra các đầu ra ảnh hưởng đến hệ thống hoặc môi trường của nó. Các đầu ra này có thể được suy ra từ sơ đồ hoặc được ghi rõ trên các chuyển tiếp hoặc trạng thái.
- Xác định các vòng lặp hoặc chu trình: Một vòng lặp hoặc chu trình
Ví dụ: Đồng hồ số
Mô tả vấn đề: Phát triển một sơ đồ trạng thái cho một đồng hồ số có thể hiển thị giờ, phút và giây.
Đồng hồ nên có các tính năng sau:
- Đồng hồ nên hiển thị thời gian hiện tại theo giờ, phút và giây.
- Người dùng nên có thể thiết lập thời gian bằng cách sử dụng các nút cho giờ, phút và giây.
Phát triển sơ đồ trạng thái dựa trên mô tả
Giải thích
- Sơ đồ trạng thái hiện tại bắt đầu từ trạng thái ban đầu “Clock_Display” hiển thị thời gian hiện tại.
- Người dùng có thể thiết lập giờ, phút hoặc giây bằng cách chuyển sang trạng thái “Set” tương ứng.
- Sau khi người dùng thiết lập giờ, phút hoặc giây, đồng hồ sẽ chuyển trở lại trạng thái “Clock_Display” và lưu thời gian mới.
- Hành động “Cập nhật màn hình” được kích hoạt sau mỗi chuyển trạng thái để làm mới màn hình với thời gian hiện tại.
Sơ đồ trạng thái này mô hình hóa hành vi của một đồng hồ số với chức năng cơ bản là thiết lập và hiển thị thời gian. Nó thể hiện các trạng thái khác nhau mà đồng hồ có thể ở và các chuyển tiếp xảy ra khi người dùng tương tác với đồng hồ.
Một ví dụ khác: Máy bán hàng tự động
Vấn đề: Phát triển một sơ đồ trạng thái cho máy bán hàng tự động bán đồ ăn vặt và đồ uống. Máy bán hàng tự động chấp nhận đồng xu và tiền giấy, và giá của các mặt hàng là cố định. Máy bán hàng tự động nên hoàn tiền thừa nếu người dùng nạp quá nhiều tiền.
Yêu cầu:
- Máy bán hàng tự động nên có màn hình để hiển thị cho người dùng số tiền họ đã nạp và giá của mặt hàng đã chọn.
- Người dùng nên có thể chọn một mặt hàng từ danh sách các mặt hàng có sẵn.
- Máy bán hàng tự động nên kiểm tra xem người dùng đã nạp đủ tiền để mua mặt hàng đã chọn hay chưa.
- Nếu người dùng nạp quá nhiều tiền, máy bán hàng tự động nên hoàn tiền thừa.
- Nếu người dùng nạp tiền không đủ, máy bán hàng tự động nên hiển thị thông báo yêu cầu nạp thêm đồng xu/tiền giấy.
- Máy bán hàng tự động nên phát hành mặt hàng đã chọn nếu người dùng đã nạp đủ tiền và hoàn tiền thừa nếu cần thiết.
Dựa trên các yêu cầu này, chúng ta có thể phát triển một sơ đồ trạng thái cho máy bán hàng tự động, thể hiện các trạng thái khác nhau mà máy có thể ở và các chuyển tiếp xảy ra khi người dùng tương tác với máy.
Phát triển sơ đồ biểu đồ trạng thái cho máy bán hàng tự động
Giải thích
Sơ đồ trạng thái này mô hình hóa hành vi của máy bán hàng tự động phân phát thanh kẹo và hoàn tiền nếu người dùng nạp tiền thừa. Nó hiển thị các trạng thái khác nhau mà máy có thể ở vào và các chuyển tiếp xảy ra khi người dùng tương tác với máy.
- Sơ đồ trạng thái bắt đầu từ trạng thái ban đầu “Đang chờ” hiển thị thông báo cho người dùng để nạp tiền.
- Người dùng có thể nạp một đồng xu, điều này chuyển máy bán hàng tự động sang trạng thái “Đang chờ.”
- Nếu người dùng nạp một số tiền không đủ, máy bán hàng tự động sẽ ở lại trạng thái “Đang chờ” và hiển thị thông báo cho người dùng nạp thêm tiền.
- Nếu người dùng nạp đủ tiền để mua một thanh kẹo, máy bán hàng tự động sẽ chuyển sang trạng thái “Phát hành.”
- Trong trạng thái “Phát hành,” máy bán hàng tự động kiểm tra xem người dùng đã nạp đủ tiền để mua kẹo hay chưa. Nếu có, nó sẽ phát hành kẹo và hoàn tiền nếu cần. Nếu không, nó sẽ chuyển trở lại trạng thái “Đang chờ” và hiển thị thông báo cho người dùng nạp thêm tiền.
- Nếu cần hoàn tiền cho người dùng, máy bán hàng tự động sẽ chuyển sang trạng thái “Hoàn tiền” và trả lại tiền thừa.
- Sau khi phát hành kẹo hoặc hoàn tiền, máy bán hàng tự động sẽ chuyển trở lại trạng thái “Đang chờ” để chờ khách hàng tiếp theo.
Sơ đồ trạng thái này mô hình hóa hành vi của máy bán hàng tự động phân phát thanh kẹo và hoàn tiền nếu người dùng nạp tiền thừa. Nó hiển thị các trạng thái khác nhau mà máy có thể ở vào và các chuyển tiếp xảy ra khi người dùng tương tác với máy.
Tóm tắt
Sơ đồ biểu đồ trạng thái là một công cụ mô hình hóa trực quan được sử dụng để biểu diễn hành vi của các hệ thống phức tạp. Trong hướng dẫn toàn diện này, chúng tôi cung cấp cái nhìn tổng quan về các khái niệm và yếu tố chính của sơ đồ biểu đồ trạng thái, cũng như hướng dẫn từng bước để phát triển chúng cho các loại hệ thống khác nhau.
Để minh họa quá trình, chúng tôi cung cấp hai ví dụ đơn giản và vẽ sơ đồ biểu đồ trạng thái cho mỗi ví dụ. Ví dụ đầu tiên là một đồng hồ số hiển thị thời gian theo giờ, phút và giây. Sơ đồ biểu đồ trạng thái mô tả các trạng thái khác nhau của đồng hồ, chẳng hạn như “cài đặt thời gian” và “hiển thị thời gian”, cùng với các chuyển tiếp giữa chúng.
Ví dụ thứ hai là một máy bán hàng tự động bán đồ ăn vặt và đồ uống. Sơ đồ biểu đồ trạng thái hiển thị các trạng thái khác nhau mà máy bán hàng tự động có thể ở vào, chẳng hạn như “đang chờ” và “phát hành sản phẩm”, cũng như các sự kiện hoặc điều kiện gây ra các chuyển tiếp giữa các trạng thái đó.
Bằng cách tuân theo hướng dẫn từng bước và hiểu rõ các yếu tố chính của sơ đồ biểu đồ trạng thái, người đọc sẽ có thể tạo ra các sơ đồ hiệu quả để mô hình hóa và thiết kế các hệ thống phức tạp trong nhiều lĩnh vực khác nhau.