Tilakoneet

State machines

Olli Savolainen

http://savolai.net/

Taustaa: Ohjelmistokehitys ja koneiden ohjaaminen

Ohjelmistokehityksessä tulee usein vastaan tilanteita, joissa

• Ohjelman tai laitteen käyttöä ohjaa jokin prosessi
   
• Ohjelman täytyy pitää kirjaa siitä, missä kohtaa prosessia milläkin ajanhetkellä ollaan
   
• Ohjelma käyttäytyy eri tavoilla riippuen siitä, missä tilassa, eli missä kohtaa prosessia ollaan

Tilakoneet toiminnan hallinnassa

Tilakone on ohjelmallinen kuvaus:
 

• Prosessin vaiheista (tilat; esim toasting, baking)
• Prosessin toimintaympäristön käyttäytymisestä (tapahtumat; esim DOOR_CLOSE)

• Ohjelman tai laitteen käyttäytymisestä kyseisessä toimintaympäristössä; tilojen toiminnot, esim. set_temperature(0);

(Wikipedia)

Tilakoneiden perusteet

• Tilakone alkaa umpinaisesta pallosta, josta on nuoli siihen tilaan, josta tilakoneen suoritus alkaa
   
• Varsinaiset tilat ovat UML:ssä laatikoita
   
• Ympäristön käyttäytyminen eli tapahtumat merkitään nuolin
   
• Tilakoneen loppuminen voidaan merkitä umpinaisella pallolla, joka on ympyröity

Tilakone: Tilat

• Tilat merkitään laatikoina
  • Tiloilla on nimi (laatikon yläosa)
     
  • Tilojen aiheuttama sovelluksen käyttäytyminen:
    • Tiloilla voi olla saapumis- ja poistumistoimintoja (laatikon alaosa, entered/entry: ja exit:)

Huom! Kaikki sovelluksen käyttäytyminen tulee olla ilmaistuna tilakoneessa: Jos sitä ei ole tilan entered/exit/tms. tapahtumana, sitä ei tapahdu!

Esimerkki: https://wiki.metropolia.fi/display/koneautomaatio/Yksinkertainen+Caps+Lock+-tilakonemalli

Tilakone: tapahtumat

• Tilakoneessa siirtyminen tilasta toiseen onnistuu tapahtumien seurauksena
  • Tapahtuman nimi merkitään tilasta toiseen vedetyn nuolen yhteyteen
  • Jos nuolen yhteyteen ei ole merkitty tapahtumaa, kyseisestä tilasta toiseen ei voida koskaan siirtyä kyseistä nuolta pitkin
    • (poikkeuksena aloitustilapallo, josta siirrytään ensimmäiseen tilaan automaattisesti koneen käynnistyessä)

Tilakone: tapahtumat 2

Samasta tilasta ei voi lähteä montaa nuolta, jotka seuraavat samasta tapahtumasta

• Toisin sanoen: tilakone ei voi siirtyä kahteen eri tilaan yhtäaikaa
   
• (→ Jos järjestelmässä on N tapahtumaa ja M tilaa, nuolien [siirtymien] korkein mahdollinen määrä tilakoneessa on M×N)
   

Tilakoneiden käyttäytymisen ohjaus

Tilakoneen käyttäytyminen (tilasta toiseen siirtyminen)  voi vaihdella kahdella eri tavalla:

• Tilasta on useampi siirtymänuoli, jotka reagoivat eri tapahtumiin ja johtavat eri tiloihin siirtymiseen
• Tilakoneessa käytetään haarautumista (merkitään salmiakkikuviolla) joka johtaa eri tilaan riippuen totuusarvon vertailun tuloksesta

Tilakoneen käyttäytymisen ohjaus

Sisäiset muuttujat ja haarautuminen

• Tilakoneen sisäiset muuttujat määritellään yleensä nuolen tilakoneen alkutilasta (umpinainen pallo) ensimmäiseen tilaan, esim KERROS=1, TAVOITEKERROS=1
   
• Sisäisiä muuttujia voidaan käyttää haarautumisen (salmiakkikuvio) yhteydessä
• Huomaa, että salmiakkikuvioon osoittavassa nuolessa oltava myös nimetty tapahtuma!

Tilakoneen käyttäytymisen ohjaus

Sisäiset muuttujat ja haarautuminen

Tavallisia ohjelmointikielen vertailuoperaattoreita (< > <= >= !) käytetään haarautumisen/salmiakkikuvion totuusarvovertailussa
(Salmiakkikuviosta pois johtava nuoli)

• Esim. hissiesimerkki:
  • Salmiakkikuviosta lähtevä yksi nuoli, jossa lukee KERROS<TAVOITEKERROS, toinen jossa lukee KERROS>TAVOITEKERROS ja kolmas, jossa lukee KERROS==TAVOITEKERROS
  • Ks. myös Tuubissa:
    tivolikone-tiedote,
    pullonpalautuskone-
    tehtävä

Sisäkkäiset tilakoneet

• Joskus on tarpeen tehtä monimutkaisempia tilakoneita, joissa jotkin tilat sisältävät kokonaisia erillisiä tilakoneita
   
  • → Ns. sisäkkäiset tai alitilakoneet
    (hierarkkiset tilakoneet)
     
  • Näin voidaan hahmottaa isompi kokonaisohjelma yhtenä tilakoneena (Esim. pullonpalautus),
    • ja yksittäinen alitehtävä sisäkkäisenä tilakoneena (esim. yksittäisen pullonpalautukseen syötetyn kappaleen/pullon tunnistaminen)

Yhtäaikaiset, paralleeliset tilakoneet

• Joskus sisäkkäiset tilakoneet voivat olla paralleelisia eli yhtäaikaisia (ks. seuraava kalvo)

Ks. esim. http://www.dossier-andreas.net/software_architecture/fsm.html

Paralleelinen sisäkkäinen tilakone

Palautusnappulan käsittely käynnissä kappaleenkäsittelyn kanssa yhtäaikaisesti!