CC BY
71
22. Наумов Л. А., Шалыто А. А. Искусство программирования лифта. Объектно-ориентированное программирование с явным выделением состояний // Информационно-управляющие системы. - 2003. - № 6. - С.38-49; Мир ПК - Диск. - 2004. - № 2. - С 18. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru.
23. E. Gamma, R. Helm, R. Johnson, J. Vlissides. Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. - Addison Wesley, Reading, Mass., 1995.
УДК 004.432.4
ТЕКСТОВЫЙ ЯЗЫК АВТОМАТНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ FSML ДЛЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО СРЕДСТВА UNIMOD
И.А. Лагунов
(Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики)
Инструментальное средство UniMod позволяет проектировать и исполнять автоматные программы. Основное его ограничение - возможность только визуального описания конечных автоматов. В статье рассматриваются текстовый язык автоматного программирования FSML (Finite State Machine Language) и его редактор, позволяющие описывать автоматы в указанном средстве с помощью текстового языка автоматного программирования.
Ключевые слова: автоматное программирование, UniMod, текстовый язык
Введение
В настоящее время в сфере разработки программного обеспечения широко используются объектно-ориентированные языки программирования. Однако для широкого класса задач управления традиционный объектно-ориентированный подход является не самым оптимальным. В этом случае SWITCH-технология, предложенная в работах [1, 2] для поддержки автоматного программирования, является, пожалуй, наиболее естественным решением.
К настоящему моменту было выполнено несколько попыток облегчить применение этой сравнительно молодой парадигмы программирования [3]. Создаются графические среды, позволяющие создавать и редактировать графы переходов автоматов [4, 5]. Одну из таких сред предоставляет проект UniMod [4]. Это надстройка для интегрированной среды разработки Eclipse [6], позволяющая строить графы переходов автоматов, интерпретировать или компилировать автоматные программы на одном из объектно-ориентированных языков, проверять корректность построения графов переходов, а также отлаживать созданную программу непосредственно в среде разработки. Однако используемый в этом проекте способ описания конечных автоматов с помощью графического редактора весьма трудоемок.
Для решения этой проблемы автором был создан текстовый язык автоматного программирования FSML и реализован его редактор (Editor), который используется в инструментальном средстве UniMod 2. При этом синтаксический анализатор языка и некоторые возможности редактора FSMLEditor реализованы на основе SWITCH-технологии и инструментального средства UniMod.
Описание языка
Язык FSML предназначен для текстового представления конечных автоматов и их связей. Его возможности позволяют с использованием синтаксиса, близкого к синтак-
сису языка программирования Java, описать события, состояния, вложенные автоматы, переходы и другие элементы автоматной модели.
Рассмотрим пример реализации на предложенном языке модели пешеходного светофора с таймером (листинг 1). Полное описание синтаксиса языка приведено в [7].
Листинг 1. Код примера на языке FSML
1 uses trafficlight.provider.TrafficSignalProvider;
2
3 statemachine TrafficLightWithTimer {
4
5 trafficlight.object.RedLamp red;
6 trafficlight.object.GreenLamp green;
7 trafficlight.object.Timer timer;
8
9 initial Init {
10 transitto Inactive;
11 }
12 Active {
13 on switch transitto Inactive;
14
15 initial InitActive {
16 execute red.turnOn, timer.reset
17 transitto Red;
18 }
19 Red {
20 on tick if timer.value == 0
21 execute red.turnOff, green.turnOn, timer.reset
22 transitto Green;
23 on tick else
24 execute timer.decrement;
25 }
26 Green {
27 on tick if timer.value < 5
28 execute green.turnBlinking, timer.decrement
29 transitto GreenBlinking;
30 on tick else
31 execute timer.decrement;
32 }
33 GreenBlinking {
34 on tick if timer.value == 0
35 execute green.turnOff, red.turnOn, timer.reset
36 transitto Red;
37 on tick else
38 execute timer.decrement;
39 }
40 }
41 Inactive {
42 on enter execute red.turnOff, green.turnOff, timer.turnOff;
43 on switch transitto Active;
44 on stop transitto Final;
45 }
46 final Final {
47 }
48 }_
На листинге 2 приведена вырезка из кода на языке программирования Java для поставщика событий TrafficSignalProvider, в которой описываются события. На листингах 3 и 4 приведены вырезки из кода для объектов управления RedLamp и Timer
соответственно, в которых описываются действия. Код объекта управления GreenLamp аналогичен объекту управления RedLamp.
Этой программе соответствуют диаграмма связей и диаграмма состояний, представленные на рис. 1 и 2 соответственно. Средства ¥$>ЫЬ и итЫоё позволяют сгенерировать эти диаграммы по коду программы и автоматически расположить их на плоскости. Приведенные диаграммы оптимизированы вручную для большей наглядности.
Листинг 2. Объявление событий в поставщике событий TrafficSignalProvider
public class TrafficSignalProvider implements EventProvider { /**
* @unimod.event.descr Full stop signal */
public static final String STOP = "stop"; /**
* @unimod.event.descr Switch on/off the traffic-light */
public static final String SWITCH = "switch";
/**
* @unimod.event.descr Next tick of system timer happened */
public static final String TICK = "tick";
Листинг 3. Объявление действий в объекте управления RedLamp
public class RedLamp implements ControlledObject { /**
* @unimod.action.descr switches the lamp on */
public void turnOn(StateMachineContext context) {
/* Обработка действия */ }
/**
* @unimod.action.descr switches the lamp off */
public void turnOff(StateMachineContext context) {
/* Обработка действия */ }
/**
* @unimod.action.descr switches the lamp to blinking mode */
public void turnBlinking(StateMachineContext context) {
/* Обработка действия */ }
}
Листинг 4. Объявление действий в объекте управления Timer
public class Timer implements ControlledObject { /**
* @unimod.action.descr current value of timer */
public int value(StateMachineContext context) {
/* Обработка действия */ }
/**
* @unimod.action.descr decrement timer value */
public void decrement(StateMachineContext context) {
/* Обработка действия */ }
/**
* @unimod.action.descr reset timer */
public void reset(StateMachineContext context) {
/* Обработка действия */ }
/**
* @unimod.action.descr turn off */
public void turnOff(StateMachineContext context) {
/* Обработка действия */ }
}
Рис. 1. Диаграмма связей для светофора
Рис. 2. Диаграмма состояний для светофора
Рассмотрим код программы на языке FSML более подробно. Сначала объявляется поставщик событий данной системы:
• trafficlight.provider.TrafficSignalProvider - он предоставляет следующие события:
o stop - сигнал завершения работы системы; o switch - сигнал включения/выключения светофора; o tick - сигнал от системного таймера.
После этого объявляется автомат TrafficLightwithTimer и его объекты управления. Каждой из физических частей светофора соответствует свой объект управления:
• traf f iclight. obj ect. RedLamp red - красная лампа. Этот объект управления имеет следующий интерфейс:
o turnOn - включить лампу; o turnOff - выключить лампу;
o turnBlinking - включить лампу в режиме мигания;
• trafficlight.object.GreenLamp green - зеленая лампа. Этот объект управления аналогичен предыдущему;
• traf f iclight. obj ect. Timer timer - табло таймера. Этот объект управления имеет следующий интерфейс:
o value - получить текущее значение таймера; o decrement - уменьшить значение таймера на единицу; o reset - сбросить таймер к начальному значению; o turnOff - выключить табло таймера.
Оставшуюся часть программы занимают описания состояний и переходов между ними. В рассмотренном примере, помимо начального (initial Init) и конечного (final Final) состояний автомата, присутствуют следующие состояния:
• Active - светофор включен. Это сложное состояние, содержащее основной цикл работы светофора, состоящий из четырех состояний:
o InitActive - начальное состояние после включения светофора; o Red - включен красный сигнал светофора; o Green - включен зеленый сигнал светофора; o GreenBlinking - включен зеленый мигающий сигнал светофора;
• Inactive - светофор выключен.
Заметим, что это далеко не единственная и не лучшая реализация автомата, управляющего светофором. Можно произвести декомпозицию и выделить содержимое состояния Active в отдельный автомат, сделав его вложенным в это состояние. Это позволит упростить как программу на языке FSML, так и соответствующую диаграмму состояний.
Особенности языка
Выделим особенности данного языка автоматного программирования. Напомним, что он ориентирован на использование в инструментальном средстве UniMod 2.
Текстово-визуальный подход к разработке автоматных программ не реализован полноценно ни в одном из существующих инструментальных средств.
Система MPS [8] предлагает возможность просмотра диаграммы состояний создаваемого автомата. Однако на данный момент в ней невозможно создание графических редакторов. Это исключает возможность редактирования диаграммы состояний в виде графа. В то же время эта возможность может быть полезна для внесения быстрых изменений в структуру автомата, а текстовый ввод удобен для быстрого первоначального описания автомата. Инструментальное средство UniMod [4], наоборот, значительно теряет в эффективности, не позволяя редактировать автомат в текстовом представлении. Именно этот недостаток исправляет язык FSML.
Явное задание графа переходов позволяет гарантировать его изоморфность программе, что избавляет программиста от многих ошибок уже на этапе описания автомата. Кроме того, этого значительно облегчает проверку валидности графа переходов.
Интеграция с объектно-ориентированным кодом необходима для использования языка автоматного программирования на практике, поскольку, за исключением языка TABP [9], эти языки [10-14] не являются универсальными. Однако большая часть существующих автоматных языков реализует интеграцию с помощью трансляции кода программы в код на одном из языков общего назначения. При этом происходит разбор текста программы и преобразование ее в абстрактное синтаксическое дерево (АСД), по которому генерируется код на языке общего назначения (рис. 3).
Рис. 3. Стандартная схема интеграции автоматного языка с объектно-ориентированным кодом
Такая «непрозрачная» связь затрудняет разработку на этих языках, так как сгенерированный код намного сложнее читать, чем исходный код или диаграмму состояний. Подходом к выполнению этого требования выгодно отличается система MPS, на основе которой созданы два языка автоматного программирования. Она позволяет редактировать абстрактное представление программы, а, следовательно, модель конечного автомата в памяти. Затем эта модель может быть транслирована в любой из языков общего назначения или в графическое изображение диаграммы состояний.
Язык FSML совместно с инструментальным средством UniMod выгодно отличаются от других средств автоматного программирования. Можно выделить два главных отличия схемы на рис. 4 от схемы на рис. 3, соответствующей другим текстовым языкам автоматного программирования:
• с помощью парсера FSMLParser сразу строится конкретная автоматная UniMod-модель вместо абстрактного синтаксического дерева автоматной программы;
• существует и активно используется обратная связь с объектно-ориентированным кодом на языке Java - через поставщики событий и объекты управления автомата.
Эти два отличия в совокупности позволяют работать непосредственно с моделью автомата, запуская его в режиме интерпретации. В этом случае отпадает необходимость трансляции автоматного кода в код на языке общего назначения. Однако такая возможность имеется при необходимости применения компилятивного подхода.
Автоматная модель может модифицироваться через графический редактор в виде диаграмм UniMod и через текстовый редактор, использующий парсер языка FSMLParser и генератор fml-программ FSMLGenerator.
Переиспользование компонентов кода позволяет решить проблему дублирования кода и является необходимым требованием при создании сложных систем. Однако в случае языка автоматного программирования это достаточно сильное требование, полноценная реализация которого может свести почти на нет преимущества такого языка. Такая реализация использована в языке State Machine [14]. В результате он является очень громоздким, требуя для каждого состояния создание отдельного класса, объявление и инициализацию дополнительных переменных. Поэтому требуется найти компромисс между удобством проектирования и удобством кодирования.
Рис. 4. Схема интеграции языка FSML с объектно-ориентированным кодом
В языке FSML существует два варианта повторного использования кода: • вложенные автоматы позволяют повторно использовать компоненты логики;
• поставщики событий и объекты управления на языке Java позволяют использовать стандартные техники объектно-ориентированного программирования для повторного использования кода.
Краткость и понятность синтаксиса языка является простым, но немаловажным фактором. В целом, от него зависит эффективность использования языка автоматного программирования.
Описание редактора языка
Редактор состоит из лексического и синтаксического анализаторов, генератора объектных автоматных моделей, систем валидации и автоматического завершения ввода. В перспективе планируется добавить отладчик кода программы и генератор fsml-программ из объектной автоматной модели.
Рассмотрим более подробно каждый элемент. Лексический анализатор (FSMLLexer) осуществляет чтение входной цепочки символов и их группировку в элементарные конструкции, называемые лексемами. Синтаксический анализатор (автомат FSML) выполняет разбор исходной программы, используя поступающие лексемы, а также семантический анализ программы. Генератор объектных автоматных моделей (FSMLToModel) строит конечное представление автомата, сохраненного в fsml-программе. Система валидации проверяет код _/™/-программы на наличие синтаксических и семантических ошибок. Система автодополнения (автоматического завершения ввода) предоставляет пользователю список строк, при добавлении которых редактируемая программа будет синтаксически верна. Отладчик предоставляет средства для интерактивного поиска нетривиальных семантических ошибок. Генератор fsm/-программ осуществляет обратную связь, преобразуя отображаемые визуально объектные модели автоматов в программы на языке FSML. Это позволит пользователю полноценно редактировать конечные автоматы как в текстовом представлении, так и в визуальном.
Теперь рассмотрим функции редактора языка FSML и соответствующие им проектные решения. Структура редактора изображена на рис. 5.
Поставщик событий
Рис. 5. Структура редактора языка FSML
При построении редактора языка автоматного программирования использовались автоматы.
1. Основной функцией данного редактора является построение автоматной модели по программе на языке FSML. Автоматная модель - это внутреннее представление диаграмм состояний автоматов и схемы их связей с поставщиками событий и объектами управления. Для реализации этой функции редактор языка FSML включает в себя синтаксический анализатор (автомат FSML) и генератор объектной автоматной модели (FSMLToModel). Эти средства естественно представляются в виде событийной системы. Поэтому было решено реализовать их на основе автоматного подхода с использованием пакета UniMod [4]. Синтаксический анализатор - это система, которая получает события в виде поступающих лексем и управляет генератором объектной модели. Таким образом, синтаксический анализатор реализован в виде конечного автомата FSML, лексический анализатор - в виде поставщика событий-лексем FSMLLexer, генератор объектной автоматной модели - в виде объекта управления FSMLToModel для этого автомата. Для выполнения рассматриваемой функции автомату также требуются вспомогательные данные, реализованные в виде объектов управления ObjectContext и Stack.
2. Дополнительная функция редактора - валидация программы. Она позволяет автоматически находить ошибки в программе. Эта система использует данные, генерируемые лексическим и синтаксическим анализаторами, поэтому для нее достаточно единственной зависимости - от объекта FSMLLexer.
3. Система автодополнения обеспечивает автоматическое завершение ввода пользователя. Автоматный подход значительно упрощает реализацию этой функции. Для этого используется построенный автомат, который позволяет получить набор ожидаемых лексем в каждом состоянии. Поэтому система автодополнения имеет зависимости от объектов управления автомата, хранящих необходимые данные. Кроме того, для обработки ошибок автомат дополняется всеми недостающими переходами с помощью алгоритма, предложенного в работе [15].
Заключение
Итак, создан текстовый язык FSML для представления конечных автоматов и реализован редактор этого языка FSMLEditor, предназначенный для использования совместно с инструментальным средством UniMod. В совокупности эти две компоненты имеют существенные преимущества перед существующими средствами автоматного программирования:
• текстово-визуальный подход к описанию конечных автоматов;
• естественное сочетание автоматного и объектно-ориентированного подходов при разработке программ;
• современные средства для работы с кодом, такие как валидация ошибок и автоматическое завершение ввода.
Отметим, что текстовый редактор FSMLEditor реализован с использованием инструментального средства UniMod. Таким образом, на основе автоматного подхода создан эффективный инструмент автоматного программирования.
Литература
1. Шалыто А. А. SWITCH-технология. Алгоритмизация и программирование задач логического управления. - СПб: Наука, 1998. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru/books/switch/1
2. Шалыто А.А., Туккель Н.И. SWITCH-технология - автоматный подход к созданию программного обеспечения «реактивных» систем // Программирование. - 2001. - № 5. - С. 45-62. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru/works/switch
3. Шалыто А. А. Парадигма автоматного программирования / Международная научно-техническая мультиконференция «Проблемы информационно-компьютерных технологий и мехатроники». Материалы международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы». Т. 1. - Таганрог: НИИМВС, 2007. - С. 191-194.
4. Гуров В. С., Мазин М. А., Нарвский А. С., Шалыто A. А. UML. SWITCH-технология. Eclipse // Информационно-управляющие системы. - 2004. - № 6. - С. 12-17. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru/works/UML-SWITCH-Eclipse.pdf
5. Решетников Е. О. Инструментальное средство для визуального проектирования автоматных программ на основе Microsoft Domain-Specific Language Tools. Бакалаврская работа / СПбГУ ИТМО. - 2007.
6. Решетников Е. О. Инструментальное средство для визуального проектирования автоматных программ на основе Microsoft Domain-Specific Language Tools. Бакалаврская работа. СПбГУ ИТМО. 2007. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru/download/StateMachineDesigner2/doc/StateMachineDesigner2.pdf
7. Среда разработки Eclipse. - Режим доступа: http://www.eclipse.org
8. Язык программирования FSML. - Режим доступа: http://unimod.sourceforge.net/wiki/index.php/FSML
9. Дмитриев С. Языково-ориентированное программирование: следующая парадигма // RSDN Magazine. - 2005. - № 5.
10. Дмитриев С. Языково-ориентирвоанное программирование: следующая парадигма. -Режим доступа: http://www.rsdn.ru/article/philosophy/LOP.xml
11. Цымбалюк Е.А. Текстовый язык автоматного программирования TABP. Магистерская диссертация / СПбГУ ИТМО. 2008.
12. Язык AsmL. - Режим доступа: http://research.microsoft.com/fse/asml
13. Язык SMC. - Режим доступа: http://smc.sf.net
14. Степанов О.Г., Шалыто А.А., Шопырин Д.Г. Предметно-ориентированный язык автоматного программирования на базе динамического языка Ruby // Информационно-управляющие системы. - 2007. - № 4. - С. 22-27. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru/works/_2007_10_05_aut_lang.pdf
15. Гуров В. С., Мазин М. А., Шалыто А. А. Текстовый язык автоматного программирования // Тезисы докладов международной научной конференции, посвященной памяти профессора А.М. Богомолова «Компьютерные науки и технологии». - Саратов: СГУ, 2007. - С. 66-69. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru/works/_2007_10_05_mps_textual_language.pdf
16. Шамгунов Н.Н. Разработка методов проектирования и реализации поведения программных систем на основе автоматного подхода. Диссертация ... канд. техн. наук / СПбГУ ИТМО. - 2004. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru/disser/shamg_disser.pdf
17. Гуров В.С., Мазин М.А. Создание системы автоматического завершения ввода с использованием пакета UniMod // Вестник II Межвузовской конференции молодых ученых. Т.1. - СПбГУ ИТМО, 2005. - С. 73-87.
