案例研究：使用UML狀態圖建模銀行自動櫃員機系統

狀態圖，或稱狀態機圖，是統一建模語言（UML）用於建模系統的動態行為。它們展示了物件或系統如何根據事件在不同狀態之間轉換，使其成為類似銀行自動櫃員機（ATM）等反應式系統的理想工具。本案例研究探討狀態圖如何呈現ATM的行為，ATM是一種熟悉且具有明確狀態與事件驅動轉換的現實世界系統。透過檢視ATM的生命周期，我們將強調狀態圖中的關鍵概念，包括狀態、轉換、動作、複合狀態以及無觸發轉換。本案例研究還示範了像Visual Paradigm之類的工具如何簡化此類圖表的建立。

以下是使用Visual Paradigm的狀態機圖建模編輯器所建立的狀態機圖：

狀態圖的關鍵概念

狀態圖透過定義以下內容來捕捉系統的行為：

• 狀態：系統生命週期中的特定條件或情境（例如「閒置」或「服務客戶」）。

• 轉換：由事件觸發的狀態間移動（例如插入卡片）。

• 動作：進入、退出或在狀態間轉換時執行的活動（例如讀取卡片）。

• 複合狀態：包含子狀態以進行層次化建模的狀態（例如「服務客戶」包含「客戶驗證」等子狀態）。

• 初始狀態與終止狀態：系統行為的起始點與可能的終止點。

• 無觸發轉換：無需明確事件的自動轉換（例如從自我測試狀態轉至閒置狀態）。

這些概念對於建模行為取決於當前狀態與外部刺激的系統至關重要，例如ATM。

案例研究：銀行ATM系統

系統概覽

銀行ATM支援客戶進行現金提領、存款及餘額查詢等交易。其行為為事件驅動，具有根據使用者操作（例如插入卡片、輸入PIN）或系統狀態（例如通過自我測試）而變化的明確狀態。狀態圖是建模此行為的有效工具，因其能清楚定義ATM的狀態、轉換與動作，確保設計、實作與維護時具備結構化的呈現。

狀態與描述

ATM運作於以下狀態：

1. 關機

   • 描述: 自動櫃員機已關機，無法與使用者互動。這是系統啟動前的初始狀態。

   • 主要特徵: 在自動櫃員機啟動前，無法進行任何操作。

2. 自我測試

   • 描述: 開機後，自動櫃員機會進入此狀態以執行診斷測試，檢查卡機、鍵盤和現金發放機等組件。

   • 結果:

     • 通過: 自動櫃員機轉換至「待機」狀態。

     • 失敗: 自動櫃員機轉換至「無法服務」狀態。

   • 主要特徵: 此狀態確保自動櫃員機在服務客戶前處於可運作狀態。

3. 無法服務

   • 描述: 若自我測試失敗或發生嚴重錯誤（例如現金發放機故障），即進入此狀態。自動櫃員機無法運作，需進行維修。

   • 主要特徵: 作為最終狀態，直到修復或重置為止。

4. 待機

   • 描述: 自動櫃員機已啟動、可運作，並等待客戶插入銀行卡或信用卡以啟動交易。

   • 主要特徵: 客戶互動的主要等待狀態。

5. 服務客戶

   • 描述: 當客戶插入卡片時進入的複合狀態。涵蓋從驗證到交易完成的所有客戶互動。

   • 進入動作: 讀取卡片（ATM讀取卡片資訊）。

   • 退出動作: 吐卡（ATM釋放卡片）。

   • 子狀態:

     • 客戶驗證

       • ATM提示客戶輸入密碼，並進行驗證。

       • 若密碼錯誤，ATM可能允許重試（例如最多三次機會），然後才吐卡。

     • 選擇交易

       • 客戶選擇交易類型（例如：提款、存款、餘額查詢）。

     • 交易

       • ATM處理所選交易（例如：發放現金、接受存款、顯示餘額）。

       • 完成後，ATM會返回「空閒」狀態。

轉移

ATM根據事件或條件在不同狀態間轉移。主要轉移包括：

展示的關鍵概念

此狀態圖展示了狀態圖的幾個核心概念：

• 狀態：ATM 的行為被劃分為不同的狀態（例如：關機、空閒、服務客戶），每種狀態代表一種特定條件。

• 轉移：卡插入或密碼驗證等事件會觸發狀態變更，明確定義系統的流程。

• 動作：進入動作（例如：讀卡）和退出動作（例如：退卡）指定狀態變更期間的活動。

• 複合狀態：「服務客戶」狀態包含子狀態（客戶驗證、選擇交易、交易），支援層次化建模。

• 初始與終止狀態：「關機」是初始狀態，而「停用」則作為終止狀態，直到維修完成為止。

• 無觸發轉移：若自檢成功，「自檢」至「空閒」的轉移會自動發生，無需明確事件觸發。

為什麼要為ATM使用狀態圖？

狀態圖非常適合用於建模ATM，原因如下：

• 有限狀態：ATM 具有一組明確的狀態（例如：空閒、服務客戶），用以定義其行為。

• 事件驅動行為：轉移由使用者操作（例如插入卡片、輸入PIN）或系統條件（例如自我測試結果）觸發。

• 層次結構：像「服務客戶」這樣的複合狀態，可讓複雜互動的建模更加詳細。

• 利益相關者清晰理解：此圖表提供了一個視覺化表示，開發人員、設計師和利益相關者都能輕易理解，有助於系統設計與維護。

使用 Visual Paradigm 建立狀態圖

Visual Paradigm 是一款強大的 UML 建模工具，可簡化狀態圖的建立。其功能包括：

• 拖放介面：輕鬆新增狀態、轉移和動作。

• 模擬工具：測試狀態轉移以驗證圖表的邏輯。

• 範本：使用預先建構的範本（例如 ATM 系統）以加速建模。

• 程式碼產生：從圖表產生程式碼骨架（例如 Java、C++）。

• 協作：支援即時團隊編輯與評論，適用於協作專案。

在 Visual Paradigm 中建立 ATM 狀態圖的步驟如下：

1. 開啟 Visual Paradigm 並選擇圖表 > 新增 > 狀態機圖.

2. 使用拖放編輯器新增狀態（例如：關機、自我測試、待機）。

3. 使用適當的觸發條件繪製轉移（例如：「開機」、「插入卡片」）。

4. 定義動作（例如：readCard, ejectCard）用於進入、離開或轉移。

5. 使用模擬測試流程並確保準確性。

結論

銀行自動櫃員機狀態圖有效地展示了UML狀態圖如何模擬現實世界系統的行為。透過定義明確的狀態、事件驅動的轉移和動作，該圖表提供了ATM運作的結構化表示。這種方法增強了理解，促進了系統設計，並支援實現與維護。像Visual Paradigm之類的工具讓建立、測試和分享這些圖表變得更容易，確保系統開發過程中的準確性與協作。