UML Zustandsdiagramm

Was ist ein UML Zustandsdiagramm?

Wenn du ein robustes und effizientes System erstellen möchtest, ist es wichtig, die Konzepte und Prinzipien hinter den UML Zustandsdiagrammen zu verstehen.

Die Unified Modeling Language (UML) ist eine weit verbreitete Modellierungssprache, die Softwareentwicklungsteam hilft, komplexe Systeme mithilfe visueller Modelle zu erstellen. Eines der wichtigsten Diagramme ist das UML Zustandsdiagramm, mit dem sich das Verhalten eines Objekts oder Systems im Laufe der Zeit modellieren lässt.

Dieser Artikel ist ein umfassender Leitfaden zu UML Zustandsdiagrammen. Wir geben einen Überblick und behandeln die verschiedenen Arten von Zustandsdiagrammen. Darüber hinaus zeigen wir dir, wie du ein UML Zustandsdiagramm erstellen kannst, und erklären die zu verwendenden Begriffe und Symbole.

Einführung in UML Zustandsdiagramme

Zustandsdiagramme sind ein leistungsfähiges Tool, um das Verhalten eines Systems oder Objekts in Reaktion auf Ereignisse oder Änderungen darzustellen. Entwicklungsteams verwenden sie, um den Arbeitsablauf und die Entscheidungsprozesse des Systems zu planen oder zu verstehen. Diese Diagramme sind besonders nützlich bei der Modellierung komplexer Systeme oder solcher mit vielen Zuständen oder Wechselwirkungen zwischen den Zuständen.

Beim Erstellen eines Zustandsdiagramms können Entwickler*innen veranschaulichen, wie sich ein System im Laufe der Zeit oder in Reaktion auf verschiedene Ereignisse verhält. So können sie potenzielle Probleme erkennen und die Leistung des Systems optimieren.

Zweck von Zustandsdiagrammen

Der Hauptzweck eines Zustandsdiagramms besteht darin, das Verhalten eines Objekts oder Systems im Zeitverlauf oder als Reaktion auf Ereignisse zu modellieren. Durch die grafische Darstellung von Zuständen, Übergängen und Ereignissen können Entwicklungsteam die Arbeitsabläufe und Entscheidungsprozesse eines Systems verstehen.

Auf diese Weise können Entwicklungsteams potenzielle Probleme erkennen und die Leistung des Systems optimieren. Zustandsdiagramme sind besonders nützlich bei der Modellierung komplexer Systeme, die viele Entscheidungen treffen müssen, oder bei Systemen mit vielen Zuständen oder Wechselwirkungen zwischen Zuständen.

Diese werden zur Modellierung eines breiten Spektrums von Systemen verwendet, von einfachen Maschinen bis hin zu komplexen Softwaresystemen.

Beispiel für das Verwenden eines Zustandsdiagramms

Betrachten wir ein einfaches Beispiel: einen Benutzer Anmeldeprozess auf einer Website oder einer App. Dies veranschaulicht, wie Zustandsdiagramme die verschiedenen Zustände visualisieren, die Benutzer*innen während der Anmeldung durchlaufen können. In diesem Beispiel sind die wichtigsten Zustände wie folgt:

• Ruhezustand: der Benutzer ist nicht angemeldet

• Eingabe von Benutzerinformationen: der Benutzer gibt einen Benutzernamen und ein Passwort ein

• Überprüfung der Benutzerinformationen: Das System prüft, ob der Benutzername und das Kennwort übereinstimmen.

• Anmeldung: Der Benutzer meldet sich erfolgreich bei dem Konto an.

• Fehlschlag: Der Benutzername oder das Kennwort ist falsch

Wenn der Benutzer den Benutzernamen und das Kennwort korrekt eingibt, wechselt er vom Zustand "Eingabe der Benutzerinformationen" zum Zustand "Anmeldung". Andernfalls kehren sie in den Zustand "Leerlauf" zurück, wenn entweder der Benutzername oder das Kennwort falsch sind. Dieses Beispiel zeigt, wie leistungsfähig Zustandsmaschinen Diagramm sein können, um komplexe Prozesse genau und effektiv zu verstehen.

Schlüsselkomponenten

UML Zustandsdiagramme enthalten drei Hauptkomponenten: Zustände, Übergänge, Ereignisse und Aktionen.

Zustände stellen die verschiedenen Zustände oder Bedingungen dar, in denen sich das System befinden kann. Übergänge zeigen die Pfade zwischen diesen Zuständen. Ereignisse stellen die verschiedenen Auslöser dar, die dazu führen können, dass das System von einem Zustand in einen anderen wechselt. Und Aktionen zeigen, was passiert, wenn ein Ereignis eine Zustandsänderung auslöst. Zusammen bilden diese Komponenten eine visuelle Darstellung des Systemverhaltens.

Zustände können entweder einfach oder zusammengesetzt sein. Einfache Zustände beziehen sich auf einen einzigen Zustand oder eine einzige Bedingung, während zusammengesetzte Zustände eine Gruppe von Zuständen oder Bedingungen darstellen. Darüber hinaus können auch Übergänge entweder einfach oder zusammengesetzt sein. Ein einfacher Übergang stellt einen direkten Pfad zwischen zwei Zuständen dar. Zusammengesetzte Übergänge stellen einen komplexeren Pfad dar, der mehrere Zustände umfasst.

Ereignisse können entweder intern oder extern sein. Interne Ereignisse werden innerhalb des Systems ausgelöst. Externe Ereignisse werden jedoch von einer externen Quelle ausgelöst. Entwickler verwenden Ereignisse, um zu modellieren, wie das System auf verschiedene Auslöser und Übergänge zwischen Zuständen reagiert.

Arten von Zustandsdiagrammen

Zustandsdiagramme sind eine Art von Verhaltensdiagramm, das in der UML Modellierung verwendet wird, um das Verhalten eines Systems zu beschreiben. Es gibt zwei Haupttypen von Zustandsautomatendiagrammen: Verhaltenszustandsautomaten und Protokollzustandsautomaten.

Verhaltensbasierte Zustandsautomaten

Verhaltensbasierte Zustandsautomaten sind eine häufigere Art von Zustandsautomaten. Sie werden verwendet, um Systeme mit komplexem Verhalten zu modellieren, wie z. B. ein Ampelsystem oder einen Verkaufsautomaten. In einem Verhaltenszustandsautomaten wird das Verhalten des Systems als eine Reihe von Zuständen, Übergängen und Ereignissen modelliert. Die Zustände stellen die verschiedenen möglichen Bedingungen oder Modi dar, in denen sich das System befinden kann. Die Übergänge hingegen stellen die Ereignisse dar, die das System dazu veranlassen, von einem Zustand in einen anderen zu wechseln.

Bei einer Ampelanlage könnten die Zustände beispielsweise "grünes Licht", "gelbes Licht" und "rotes Licht" sein. Ereignisse wie eine ablaufende Zeitschaltuhr oder ein sich der Kreuzung näherndes Auto lösen die Übergänge zwischen diesen Zuständen aus.

Verhaltensbasierte Zustandsautomaten sind besonders nützlich bei der Modellierung komplexer Systeme mit vielen möglichen Zuständen und Übergängen.

Protokoll Zustandsautomaten

Protokoll Zustandsautomaten werden verwendet, um Systeme zu modellieren, die auf der Grundlage eines bestimmten Protokolls oder einer Reihe von Regeln funktionieren. In einem Protokoll Zustandsautomaten wird das Verhalten des Systems als eine Reihe von Beschränkungen für die Übergänge zwischen den Zuständen modelliert. Die Zustände stellen die verschiedenen möglichen Zustände oder Modi dar, in denen sich das System befinden kann, während die Beschränkungen die Regeln darstellen, die die Übergänge zwischen diesen Zuständen regeln.

In einem Kommunikationsprotokoll könnten die Zustände zum Beispiel "Leerlauf", "Senden" und "Empfangen" sein. Die Beschränkungen zwischen diesen Zuständen würden die Regeln für die Datenübertragung festlegen, einschließlich Dingen wie Fehlerprüfung und Flusskontrolle.

Systeme mit strengen Betriebsregeln, wie z. B. ein Kommunikationsprotokoll oder ein Datenbanksystem, werden in der Regel durch Protokollzustandsautomaten modelliert. Diese helfen Designteams und Entwicklungsteamms dabei, den korrekten und konsistenten Betrieb des Systems sicherzustellen und potenzielle Probleme oder verbesserungswürdige Bereiche zu identifizieren.

So erstellst du ein UML Zustandsdiagramm

Beim Erstellen eines Zustandsdiagramms werden die verschiedenen Zustände, die ein Objekt annehmen kann, und die Übergänge zwischen diesen Zuständen dargestellt. Im Folgenden werden die Schritte zur Erstellung eines Diagramms erläutert:

1. Identifiziere Zustände und Übergänge

Der erste Schritt bei der Erstellung eines Zustandsdiagramms besteht darin, die verschiedenen Zustände und Übergänge zu identifizieren, die das System haben kann. Wie bereits erwähnt, stellen die Zustände die verschiedenen Bedingungen oder Situationen dar, in denen sich das System befinden kann. Und die Übergänge stellen die Pfade zwischen diesen Zuständen dar. Die Identifizierung aller möglichen Zustände und Übergänge ist wichtig, um ein vollständiges und genaues Diagramm zu erstellen.

Wenn du zum Beispiel einen Verkaufsautomaten entwirfst, könnten die verschiedenen Zustände "Leerlauf", "Geld eingeworfen", "Produkt ausgewählt", "Ausgabe" und "Produkt ausgegeben" sein. Die Übergänge zwischen diesen Zuständen könnten sein: "Geld einwerfen", "Produkt auswählen", "Produkt ausgeben" und "Wechselgeld zurückgeben".

2. Definiere Ereignisse und Aktionen

Sobald die Zustände und Übergänge klar sind, besteht der nächste Schritt darin, die Ereignisse und Aktionen zu definieren, die im System auftreten. Ereignisse stellen die Auslöser dar, die das System von einem Zustand in einen anderen versetzen. Und Aktionen stellen das Verhalten oder den Prozess dar, der als Reaktion auf ein Ereignis auftritt. Um ein vollständiges und genaues Diagramm zu erstellen, musst du alle möglichen Ereignisse und Aktionen definieren.

Im Beispiel des Verkaufsautomaten könnten die Ereignisse "Geld eingeworfen", "Produkt ausgewählt", "Produkt ausgegeben" und "Wechselgeld zurückgegeben" lauten. Die Aktionen könnten lauten: "Prüfen, ob genug Geld eingeworfen wurde, "Ausgeben des ausgewählten Produkts" und "Rückgabe des Wechselgelds, falls erforderlich".

3. Organisiere die Diagrammelemente

Der letzte Schritt besteht darin, alles in das Diagramm einzuordnen. Dazu kannst du eine Vielzahl von Notationen und Symbolen verwenden. Diese stellen die verschiedenen Zustände, Übergänge, Ereignisse und Aktionen im System dar. Es gibt die Zustandsschreibweise, die Übergangsschreibweise, die Pseudozustandsschreibweise und die zusammengesetzte Zustandsschreibweise.

Wenn du möchtest, kannst du die UML Zustandsdiagramm Vorlage von Miro verwenden, um den Einstieg zu erleichtern. Diese ist vollständig anpassbar und kann entsprechend deinen Bedürfnissen geändert werden. 

Notationen und Symbole in UML Zustandsdiagrammen

Das Verständnis der UML Notationen und Symbole ist entscheidend für das Erstellen genauer und effektiver Zustandsdiagramme. Im Folgenden werden einige der gebräuchlichsten Notationen und Symbole näher erläutert:

Zustandsnotation

Zustände sind die Bausteine eines Zustandsdiagramms. Diese stellen die verschiedenen Zustände dar, in denen sich ein System befinden kann. Zustände werden durch ein Rechteck mit abgerundeten Ecken dargestellt. Das Rechteck enthält den Namen des Zustands. Der Anfangszustand wird durch einen ausgefüllten Kreis dargestellt, der an das Rechteck angehängt ist, während der Endzustand durch einen Kreis mit einem Punkt im Inneren des Rechtecks gekennzeichnet ist.

Wenn wir zum Beispiel eine Ampelanlage modellieren, könnten wir Zustände für "Grünes Licht", "Gelbes Licht" und "Rotes Licht" haben. Der Anfangszustand wäre "Rotes Licht" und der Endzustand wäre "Grünes Licht".

Übergangsnotation

Ein Übergang stellt die Bewegung zwischen Zuständen in einem Zustandsdiagramm dar. Diese werden durch eine Linie dargestellt, die die beiden Zustände miteinander verbindet. Der Auslöser für den Übergang wird neben die Linie geschrieben, während die Aktion, die während des Übergangs stattfindet, oberhalb der Linie steht. Optional kannst du einem Übergang Schutzmechanismen hinzufügen, um zusätzliche Einschränkungen für den Übergang festzulegen.

Beispielsweise könnte ein Übergang von "Grünes Licht" zu "Gelbes Licht" durch einen Timer ausgelöst werden, und die Aktion während des Übergangs könnte das Einschalten des gelben Lichts sein. Ein Wächter könnte hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass der Übergang nur stattfindet, wenn sich keine Autos auf der Kreuzung befinden.

Übliche Übergangsarten sind:

• Eingehender Übergang

• Interne Übergänge

• Ausgehende Übergänge

• Einzelne Übergänge

• Endliche Zustandsübergänge

Pseudo-Zustands-Notation

Du kannst einen Entscheidungs-, Eintritts- oder Austrittspunkt mit einem Pseudozustand modellieren. Ein kleiner Kreis stellt diesen temporären Zustand mit einem Buchstaben darin dar. Diese werden verwendet, um komplexe Übergänge zu modellieren, die mehrere Bedingungen oder Aktionen beinhalten.

Ein Pseudozustand stellt beispielsweise einen Entscheidungspunkt in einer Ampelanlage dar. Wenn keine Autos an der Kreuzung warten, kann das System direkt von "Rotlicht" auf "Grünlicht" umschalten. Wenn jedoch Autos warten, kann das System zu einem Pseudozustand übergehen, der auswertet, ob es Autos in allen Richtungen gibt, bevor es zu "Grünes Licht" übergeht.

Einige häufig verwendete Übergangsarten sind:

• Einfahrt-Pseudozustand

• Auswahl-Pseudozustand

• Beenden-Pseudozustand

• Deep-History-Pseudozustand

Notation für zusammengesetzte Zustände

Ein zusammengesetzter Zustand ist ein Zustand, der Unterzustände enthält. Diese zusammengesetzten Zustände werden durch ein Rechteck mit abgerundeten Ecken dargestellt. Dieses Rechteck enthält kleinere Zustände, Übergänge und andere Diagrammelemente. Diese werden zur Modellierung komplexer Systeme verwendet, die mehrere Zustandsebenen aufweisen.

Ein zusammengesetzter Zustand könnte zum Beispiel ein Ampelsystem mit mehreren Kreuzungen darstellen. Der Top-Level-Zustand könnte das gesamte System darstellen, während die Unterzustände eine einzelne Kreuzung repräsentieren. Jeder Unterzustand hätte seine eigenen Zustände und Übergänge, wodurch ein detaillierteres und genaueres Systemmodell möglich wäre.

Wenn du diese Notationen und Symbole verstehst, kannst du genaue und effektive UML Zustandsdiagramme erstellen. Ganz gleich, ob du ein Ampelsystem, einen Verkaufsautomaten oder eine komplexe Softwareanwendung entwirfst, Zustandsdiagramme sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass sich dein System korrekt und effizient verhält.