Petri 网络改进 UML 动态模型：理论和计算机科学中的持久性影响

107理论 计算机 科学 电子 说明 书 44 第 4 号（ 2001 ）URL：http://www.elsevier.nl/locate/entcs/volume44.html13Pages 的用 Petri nets 改进 UML*Luciano巴里斯Departmentdi电子 化E信息 化 ，Politecnico 技术di米兰 广场Leonardo da Vinci ， 32 。I - 20133 意大利 米兰1Maur o PEZZ`E计算机 科学 ， 自动 化 和 通信 部门 ，访问 量`ADEGLiStudy i Di米兰oBICoCCA 、Via Bicocca degli Arcimboldi，8，佛罗伦萨意大利 I - 20126 意大利 米兰2abstractUML是面向对象模型的OMG标准表示法。It is easy，graphi—cal and appealing，but in several cases still too.容易的，偶然的，偶然的UML是强建模的手段，提供了大量的营养符号，用于代表开发下系统的diagrammatic notations，但缺陷模拟和真正的可管理性能力。UML是非常精确和广泛的，如果我们建议合成细节，但它的语义是精确的，因为这些信息。科学家和用户，用标准化和有限条款（UML2.0）together，正在试图克服这个问题，但就像侧和尾，他们这是在限制UML固有的影响力。永久 失效 （ 英语 ： Moreover ， several formalization ef - fortsconcentrated on its static elements （ for example ， inheritance ） ）没 看见 。in这个Paper 纸we建议The Paring of uml dynamic 动态Model同High Level timedpetri nets （ HLTPN ） to obtain a fluxible and customizable means to reason on thedynamic aspects of object-oriented models ， to simulate particular parts of thesemodels ， and if necessary analyze them . 时间 的 Petri 网 （ HLTPN ） 对 这些 模型 的 动态 细节 进行 分析 ， 必要 时 分析 它们 。The proposal exploits rules toclased be main UML elements with formal semantics in terms of functionallyequivalent HLTPns and to show results （ from execution and analysis ） asdecorations to UML symbols.（在功能上等同于HLTPNS的条款中使用形式语义并显 示 结 果 ） 。 Besides sketching the approach ， the paper presents also someexperiences we have gained so far with it and a studio to identify other possibleuses of the dual de fine of the finition 我们 已经 完成 了 一些 经验 ， 以及 一 项 研究 议程 ， 以 确定 其他 可能 的 用途notation 。Key Words：UML；Petri Nets；正式频谱；模拟；分析ⓍC2001出版 社DByelsevier科学 家EB. V. Open 开放Access 的Under 下面ccBY-NC - ND 的许可证 。BARESI，PEZZE`1081Introduction介绍Informal methods are still ahead in the competition with formal ones.在与正式 公 司 的 竞 争 中 保 持 头 脑 。 Syntac tic richness ， user friendliness ，simplicity，and volexibility of informal methods win over strong simulationand analysis capabilities 或 由 正 式 的 ones [17.11]. 同 步 富 裕 ， 用 户 的friendliness，简单性，以及信息方法的影响力克服强大的模拟和分析能力或During requirements elicitation ， static aspects are precient ， and thelim—its of informal methods do not a supplect the quality of the results.需要推理，静态方面是突出的，以及信息方法的lim—它不是一个证明结果的质量。However，dynamic aspects quickly become crucial in the softwaredevelopment process. However，软件开发过程中的动态细节很容易成为crucial。模拟 和 分析 动态 特性 的 可能 性 是否 需要 持续 时间规格 鉴定CAN Deeply a 电池The Costs of发展And 3 、 成果 的 质量 （ qual - ityof results ） 。 Unfortunately informal methods provide weak support tosimulation and analysis and thus o insu有效模拟和分析ca—pabilities.UML完美的镜像当前状态的实践：它是syntactically rich的，用户友好的，简单的，和影响，但它破坏了形式性要求严格支持模拟和分析。Scientists（[5]），Companies（[10]）和标准组织（[15]）正在试图超越以供应方式破坏形式的弱点。调查 的 approaches so far are mostly limitedto static semantic aspects ， important ， but not on firecient to provide fullsimulation and analysis . 重要 的 ， 但 不是 有效 的 提供 完整 模拟 和 分析能力 。本论文概述了一种使用高级别定时Petri网（HLTPNs，[8]）实现UML的方法。本文 来源 ： FIRST OVEVIEW变量semantic 的aspects of uml byreference 介 绍 TO A 简 单 样 品 | Then ， it presents a novel approach tocomplement UML with HLTPNS ， which introduces dynamic semanticswithout a影响，用户friendliness，和简单性.最 后 ， 实验 确保 支持 早期模拟 和 分析 的 可能 性接近 的 。2On 正式uml完全形式化的一个符号要求其与—crete and abstract syntax及其静态和动态语义的定义。具体的语法描述了注释元素的图形胃口。抽象概念元素属于符号和indi—找到可能的关系。静态语义描述了元素的静态含义，并将它们的相互关系联系起来。最终 ， Thedynamic 动态SEMANTICS种子由 Finnes The Behaviors Described 的by The Notations 的UML 是 一 个 复杂 的 模型 ， 因为 购买 严格 的 互补 性 说明 ： 使用 案例 ， 类 图 ， 交互 图 ， 状态 图 ， 和Activity 活动*这项 工作 得到 了 SALADIN 项目 下 科学 和 技术 研究 部 的 支持 ， 并 由 TATOOS 下 的 米兰 理工 大学 提供计划 。1EMAIL ：baresi@elet.polimi.it2EMAIL ：pezze@disco.unimib.itBARESI，PEZZE`109diagrams 图为Requirements 需求elicitation And规格 。 some of them ，寿司as uses 使用案例 ，主要Description The structure 结构of The系统 ，while 的others ，E.G. ， state - charts 聚焦 行为 者UML 提供 了 一 个 严格 的 定义 具体 的 和 抽象 的 所有 包含 的 注释 的 语法 ， 但 不 完全形式 化 静态 和 动态 。Semantics 。将形式语义提供给UML的问题已经被解决。Some work pairs UMLwith general—purpose formal methods （ UML 通 用 形 式 方 法 ） 为 了Example ，VDMTools ，生产by IFAD ，Pair 爸爸The uml class Diagram使用 vdm + + ， 可 实现 面向 对象 扩展 到 vdm 。其它工作形式描述UML的具体细节。For example ， France et al. formalize elements of theUML meta-model using Z [ 2 ] ; Lilius 和 Paltor formalize UML statechartsto allow （ 以下 简称 为 UML 元 模型 使用 Z ）uml（ 具体 ）Model TOBE可 分析by means of型号 Check [ 4 ] 恩格斯et Al 。 ” （ [ 4 ] ）Provideways 方式为transforming 转换uml Interaction 相互 作用diagrams 图在 Java代码 中 ， 形式 化 请求 的 含义 是 隐含 的 ， 并且 是 强制 要求 去 定义与 请求 有关 的 翻译 机制 。其他工作超级项目更容易限制劳动精确度。For example ， 的puml group presents an architectural reorganization建筑 结构 改革of uml based 基础on A sound 声音And严格Meta Modeling模型MML （ 英语 ： MML ） [ 6 ]结果已经使用到一个更精确的UML2.0（[15]）到对象管理组（OMG）的问题。他们通过良好形式规则的手段提高UML的精确度，但不要地址动态语义。目标是更多地扩展到UML（专业）而不是它的语义。As another example ， we want tomindion （ 另 一 个 例子 ， 我们 想要 思考 ）Alloy [ 12 ] 虽然 他们 没有 对 UML 进行 限制 ， 但 类似 于 它 ， 但 明亮 且 形式 化 的 声音 声明 对于 特定 的 面向 对象 。系统 |对于那些形式UML 模型的符号的总和，在particular the ones thatdescribe the structure of the system such as the use cases or class dia—grams ， the formal de definition of the dynamic semantics is not strictlynecessary for de definning and analyzing these notations themselves.对于那些作为使用案例或类别的系统结构，例如dia—grams，动态语义的形式定义并不严格要求分析这些符号。对于其他注释，在particular the onesthat de the behavior of the system such as stacharts or interaction diagrams，形式的定义的动态语义是re—quired to provide the needed simulation andexecution capabilities。However ， 我们 需要 的 动态 模型 ， 我们 需要的 帐户 不仅 是 符号 ， 它 定义 了 行为 细节 ， 但 也 有 一些 注意到 ， 它 定义 了 结构 ， 提供 了 一 个 连贯 的 语义 框架 为 残疾 人 的观点 。系统 。在本文中，我们展示了通过对类图和统计数据的focusing方法。Class diagrams mainly de ficine the structure of the system.（类图通常会定义系统的结构。 为了Example ，The class Diagram shown 截图in Figure数字1 Indicates 索引that our our气体关于 - Motion问题is作曲of A气体车站，two pumps And三 个司机 们.这只是系统元素的主要方法和阿蒙族阶级之间可能的相互作用的指示。但它没有提供关于系统操作行为者的信息，因为可以通过统计数据来定义这指定了classes的操作行为人。ForBARESI，PEZZE`110example ， the statecharts of 例如 ， 统计 数据Figure 数字2 DescriptionThe状态And过渡of The课堂of The系统 。BARESI，PEZZE`111司机3uses2112比利时Pump（ ）servePumpgetmoney（）气体车站3usesFig. 1。 车站 等级 The Gas Station ClassDiagram在these diagrams，we followed the convention that events and actions mustbe formulated in terms of available methods.在这份报告中，我们遵循了公约中那些事件和行动必须在可行方法中制定出来的。4.一个典型的例子是，一个函数可以表示为（Req（<方法>）2.完整的方法论（因此，cos（<方法>））. 4.如何执行下列操作：_Req（<方法>）），则execute a method（因此，tan（<方法>））.对于 简单 性 的 缘故 ， 我们 没有 建议 的 属性 ， 因为 我们 应该 有 生产 的 含义 条件 才 能 评估事件 。7.在美国，几乎所有的运营商都可以通过他的统计得到验证，Although the operational behavior is captured mainly by the statecharts ，形式化的动态语义要求信息提供某些类型的图（并且可能是交互图）以正确地合并设备统计学的语义。Class diagrams提供了一个框架，即如何使用它们之间的相互作用来进行多个类别的分类。动态 图 描述 了 如何使 接口 “ 实施 ” 和 消息 实际 上 是 前 - 变化 的 among课堂 。3Adding Dynamic Semantics to 使用 动态 种子uml2.以下是详细的介绍：The few approaches，proposed so far，that addressthe providing dynamic semantics to UML follow a traditional schema thatprovide a defixed mapping to a formal model，thus reducing the fluexibilityof the informal model （ 注 1 ） . 例 如 ， Such a schema has been widelyexploited in the nineties for structural analysis but failed in providing reallyusable solutions.（对于结构分析的理论，只不过在提供合理可用的解决方案时失败了）。Although the rea—sons for fairing may be tracked toseveral causes，our experience within some industrial projects indicates thatthe reduced fluexibility falls among the main causes.我们的一些工业项目的经验表明，影响力下降对主要原因造成影响。简而言之，一个简单的模式包含在de定义一个映射通过一套影响规则，可以easily be extended tocope with splicerent解释—tions for the same model。一个方案已经由Paige（[16]）和Baresi等人进行了初步的调查。 ” [ 2 ] 。在本文中，我们将推荐一个基于Petri网络的操作方案用于将形式语义用于UML，我们将展示一个基于规则的方案可以被采用以预测影响语义到UML。UML 特别 介绍FEA -BARESI，PEZZE`112货币（getmoney）Req （ 服务 ）伺服（ Serve）com （ 泵 ）COM（ getmoney）Req（ Pump ）Req（Pump）：(a) class司机（ 二 ） 班级PumpCOM（ serve ）服务货币（ getmoney）货币 （ getmoney ）Req （ 服务 ）(c) 气体 类别车站Fig. 2. The状态 图 Statecharts为The气体车站样品这使得非规范扩展：主要国家是用于规范化系统的符号的变量，以及构成特定定义的僵化历史框架的缺席。我们 将 展示 它 的 可靠 性 。petrinets为地址 Addressing寿司Problems And The应用 性of A规则基于 UML的 编程We show how to provide formal semantics to a specify composed ofa class diagram and some statistecharts diagrams ， thus we address the（ 我们 如何 提供 形式 术语 ）问题of生产形式SEMANTICS 种子TO Aheterogeneous 健康Set of Notations 的如何 将 规则 的 各个 部分 用于 定义 dif - ferent notations 的 语义 可以 应用 于 命令 到 地址 形式 化 的 一种 模式 ， 破坏 了 一 个 僵化 的 问题发展 框架 。Figure 3 shows the Petri net semantics for the statecharts of the GasStation.图3展示了第2节中的Petri网语义。完整 的 动态 语义 具有 高 级别 的 时间 表 网 ， which augment tokens with data ， and complementtransitions with predicates ， action and time functions ，3. The nets ofFigure 3 可以 被 遗忘automatically ：• Each class is rendered with as many pairs of places as its method.许多地方都是它的方法。given a method 给予 方法M ，TOKEN IN 地方MinMeans 那些M已 申请 ; Token 已 申请M Out Means 那些M已 完成 其DrivingReadyTANKINGidle泵ReadyPumping的idle伺服BARESI，PEZZE`113Execution 。3全部细节of The nets of Figure 数字3 are介绍in The Appendix 的 。BARESI，PEZZE`114通告司机容泵• 美国 各州 用 培养 皿 网 的 位置 进行 建模 ， 并 使用 培养 皿 进行建模 的 状态 图 网 的 传递 状态 （ States of the statecharts aremodeled with places of the Petri nets ，and transitions of thestatecharts are modeled with 培养 皿 网 ）TRASSIONS 。• 美国 国会 议员 ： 美国 国会 大厦 的 建立 与 转换 Relation amongstates and transitions in the statecharts are modeled with arcsbetween通讯员Places 地点And过渡of The petri nets 。• 统计数据中的活动和行动对应于服务请求、服务完成以及服务完成的知识。提供服务的相应费用必须不断添加，当翻译类时，必须支付；必须添加必要服务的费用。本文 中 使用 的 惯例 是 在 left-hand 侧 提供 的 服务 of The petri net ， while 的Required 需要 服务are on TheRight-Hand Side 。• Instances are modeled with tokens ; thus we present the system with threedrivers ， a gas station and two （ 英语 ： instances are modeled withtokens ; thus we present the system with three drivers ， a gas station andtwo ） （ 英语 ： Thus we present the system with three drivers ， a gasstation ）泵 。Drivingidlegetmoney（）serve（）容Pump（）Pump（）关闭Readyopen开放TANKINGPumping的(a) class司机（ 二 ） 班级Pumpidlegetmoney（）serve（）伺服(c)气体 类别车站Fig. 3。 The Petri nets for the Gas Station 附近 的 景点样品• Pair of places are merged by following the rule that two pairs for the sameservice ， one asking for the service ， and the other supplying it ，PayleaveReadytank坦BARESI，PEZZE`115become a single pair which maintains all previous connections ， （ 职位空缺 ， 服务 和 其他 人 来 替代 它 ）（ arcs ） 。这是一个典型的例子：The way the statecharts（Petri nets）must beconnected is not shown ex—plicitly by these diagrams.（这是一个数字。The Feasibility of the Connection 是 连接 的 一 部分classBARESI，PEZZE`116TRTRTRTRMMM1MM21tSCTranAAPCACAIo34Io12Io12diagram ， but interaction diagrams ， which take into account possibledynamic bindings between invocations and actual services ， 则 应 该 是 使用—nections的活动状态。In this example，the connections are extremelyeasy：we can simply collapse the pairs of places with the same name在这里，我们可以简单地收集那些被称为“神圣名字”的地方。下一篇：机器人：网，其对应的是类司机And the one associated with class（与一个阶级有关）Gas Station气体站have a pair of places with table让孩子有个地方货币getmoney司机寻求服务并等待其完成，加油站提供IT—self的服务。Thus，the two Petri nets can be connected by collapsing the two pairs ofplaces，leaving incoming and outgoing arccs untouched.（我们两个人的地方，消失了，无法打开窗户，无法打开窗户）合并 操作 可BE形式 化byThe规则of Figure 数字4.(a) ASG生产（ 二 ） SGG生产Fig. 4. Example 样品规则TO Connect请求TO服务英 文 片 名 The Rule Comprises ASGG （ Abstract Syntax GraphGrammar ） ——SGG （ Semantic Graph Grammar ） 制 作 。 ASGGproduction de how the abstract view of the UML model is modified；SGGproduction speci how the functionally equivalent Petri net is modifiedcorrespondingly. ASGG production如何改变UML模型的抽象观点已经改变。The ASGG Production Selects Two （ 英 语 ： The ASGG ProductionsSelects Two ）方法Objects （ The Two Nodes M-Labeled on the Left-HandSide of the Production ） （ 位于 生产 者 的 两侧 ， 且 不在 最 重要 的地方 ） Deletes One of Them （ 节点 编号 2 ， 哪里 有 一块 田 ， 但 不是 在 权利 的 手上 ）SIDE of The生产 （ Production ） 、And connect allState 状 态 转 型 elements connected to the deleted one with the left one（ right-hand side and context ） （ 元素 连接 到 被 删除 的 一 个 元素 ） 。Similarly ， the SGG production identi defines the Two pairs ofPetri net places ， which （ 英语 ： The Two pairs of Petri net places ）通讯 员TO The two方法Objects ，Deletes The Pair 爸爸通讯 员到 指定 的节点 的 syntactic production ， 并 连接 到 与 所有 过渡 的 关系 ， 被 选择 的 伴侣 已 连接 到 means of new Petri net arcs 。To add a variablenumber of elements，in this case：添加一个变量号的元素，在此情况下BARESI，PEZZE`117arcs我们使用特殊的edges，called meta—edges，which trigger suitablesub—productions。基于 规则 的 规则做法And The use 使用of Meta-edges的are detailed in” [ 1 ] 。Figure 5 shows the complete Petri net，which corresponds to the wholegas station problem，obtained by applying the rule of Figure 4 three times（图5展示了完整的Petri网，which corresponds to the whole gas站问题，被应用了图的规则4三次）TOPair 爸爸all Service 服务Requests同The服务themselves 。BARESI，PEZZE`118DrivingTANKINGidleFig. 5。 完整 的 PetrinetidlePumping的4关于 UML SemanticModel 模式by 形式 化dynamic 动态SEMANTICS 种子aspects of UML ，petri netsallow为2 . UML 规格 分析 。petri nets support various kinds of analysiswith sentient cost and precision.佩特里网络支持各种分析kinds。我们专注于核心技术 用于分析动态细节：模拟，反应性分析和模型检查。分析方法 论Work on petri nets ，while 的软件工程 师饰 Would像用于表示 属性 和 在 其 UML 规格 定义 的 术语 中 的 实验 结果 。Thus，将UML映射到Petri nets的schema presented in this paper should be augmentedto allow the mapping of results from Petri nets back to UML specifications.Thus，在本文中介绍了面向Petri nets的UML映射，应该是增强的。在这里，我们假设那吸一个映射exists。感 兴趣 的 读者 可以 阅读” [ 1 ] 。模拟包括构造设备序列和在UML状态的术语中可视化它们。模拟是计算性的，无思想的，完全自动数学的，直观的。它可以揭示故障并为终端用户提供重要反馈，thus支持both真正的定义和对规格的验证.例如，模拟的Petri网，该模型的动态语义的气体站问题可以帮助终端用户理解系统的定义行为，并使他们早期验证了规范的定义，并可以重新看到可能的失败。在 图 6 中 的 执行 顺序 说明 ， 因为 可以 通过 模拟Petri 网 ， 它 是 不 正确 的 ， 直到 它 所有 的 驱动 程序泵在 spluerentamount 的of gas同尊重TO什么They Pay为 。在 这种 情况 下 ， 故障 可以 追溯 到 一 个 设计 错误 ： 软件 工程师 没有 识别 出 驱动 程序 启用 到 Pump from ready pumps ， Thus驾驶员 1 CAN泵From Pump 2 的，启用为司机 2. Unfortunately The模拟 的低 计算 成本 在 分析 能力 方面 处于 可控 水平 。Simu—lation can revealfailures anymore ， but cannot exabsence of undesirable behaviors. 简 单 —ation可以揭示任何更多的现象，但没有证据表明不必要的行为。Thus ，Once corrected the fault in the speciation ， 模拟 （ 华硕 ， 刚才 Correctedthe fault in the speciation ）will willgetmoney（）serve（）通告司机容泵容PayleaveReady伺服Readytank坦克关闭open开放Pump（）BARESI，PEZZE`119petri netFirings公司D1D2D3GSP1P2DrivingDrivingDrivingidleidleidleD1（D1）ReadyDrivingDrivingidleidleidleenablePump（P1）ReadyDrivingDriving伺服idleidle容（P1）ReadyDrivingDriving伺服ReadyidlenotifyDriver（D1）ReadyDrivingDrivingidleReadyidle支付（D2）ReadyReadyDrivingidleReadyidleenablePump（P2）ReadyReadyDriving伺服Readyidle容（P2）ReadyReadyDriving伺服ReadyReadynotifyDriver（D2）ReadyReadyDrivingidleReadyReady坦克（D1）TANKINGReadyDrivingidleReadyReady公开（P2）TANKINGReadyDrivingidleReadyPumping的Close（P2）TANKINGReadyDrivingidleReadyidle梁（D1）DrivingReadyDrivingidleReadyidle坦克（D2）DrivingTANKINGDrivingidleReadyidle公开（P1）DrivingTANKINGDrivingidlePumping的idleClose（P1）DrivingTANKINGDrivingidleidleidle梁（D2）DrivingDrivingDrivingidleidleidlePetri net firings are indicated with a transition name and a token identifier.（Petri net firings是由一个转换名称和一个令牌标识符索引的）The tokenidentifier indicates the token that causes the transition to fire either among thethree drivers（identifier Di）or among the two pumps（identifier Pi）.（令牌标识符索引的转换导致了三位驾驶员一起前进或两个人一起前进）列D1，D2，D3，GS，P1和P2对应于三种类型驱动程序（Di）的状态，状态气体站（GS）和类型泵（Pi）的两种状态。 他在论文中提到了培养皿网络上的签名序列建模状态的进化。这是一个很好的例子，因为它是一个典型的例子，Each tuple corresponds to the state entered by the statecharts after the firing of thetransition on the same line。Fig. 6。 图为所见的Petri净气体试验场的序列。A失败in The uml规格 鉴定虽然我们并没有揭示失败，但我们却得出了这样的结论：错误的定义是免费的。Reachability