🔄 Lecture 08 · State Machine Diagrams

UML State Diagrams

الـ Class diagram = structure. والـ Sequence diagram = interaction between objects. أما الـ State diagram = behavior of one object over time — يعني إزاي الـ object بيتنقل من state لـ state. مهم في Question 2 (2 marks في Winter 2025، و 4 marks في Winter 2023).

← All Lectures 🎯 Practice Quiz

Chapters

Event Types

Worked Examples

Practice Qs

What is a State Diagram?

3 أسامي لنفس الـ diagram: State Diagram = State Machine Diagram = Statechart.

📖 Definition

الـ State diagram بيوصف الـ behavior بتاع:

A whole system، أو
Some part of a system، أو
An individual object (الأكتر شيوعاً).

🔑 الفكرة الأساسية

في أي point in time، النظام/الـ object بيكون في state معين.
كونه في state يعني أنه هيتصرف بشكل محدد ردًا على الـ events.
بعض الـ events بتسبب change of state (transition).
في الـ state الجديد، الـ behavior بيكون مختلف.

🧮 الـ Formal View

State diagram = directed graph:

Nodes = states (الحالات)
Arcs (edges) = transitions (الانتقالات)

💡 الفرق المهم عن الـ Sequence diagramالـ Sequence = إزاي objects كتيرة بتتفاعل لتنفيذ use case. الـ State = حياة object واحد بمرور الزمن. الاتنين dynamic بس بزاوية مختلفة.

Basic Elements — الرموز الأساسية

5 رموز لازم تعرفهم.

🎨 الرموز الـ 5

StateName

State

Rounded rectangle مع اسم الـ state

Initial State

Solid black circle — البداية

Final / End State

Black circle محاطة بـ ring — النهاية

━━▶

Transition

Arrow من state لـ state

event [guard] / action

Label

Event بيعمل trigger للـ transition

⌽

Self-Transition

Arrow من state لنفسها

💡 ايه يعني "State"؟

State = a set of values for the attributes of the given object.
الـ object بيفضل في الـ state ده لحد ما event يحصل ويسبب transition.

مثال: Traffic Light — الـ attributes ممكن تكون: color = "red", activeForSeconds = 0. لو الـ color attribute اتغير لـ "green"، يبقى الـ state اتغير.

Transitions & Events

Transition = change of state. والـ Event = اللي بيسبب الـ transition.

➡️ Transition

الـ Transition بيمثل تغيير في الـ state ردًا على event. الـ label على الـ transition بيوصف:

الـ Event (الأهم).
[Guard] (شرط اختياري).
/ Action (action اختياري).

event(parameters) [guard] / action

مثال: requestToRegister(student) [classSize < max] / createRegistration

📞 Mini Example — Telephone

idle

off-hook

dial tone

ⓘ off-hook = event · idle, dial tone = states · ━━▶ = transition

3 Event Types ⭐

External · Internal · Temporal. الدكتور بيحب يسأل عن الفرق.

🌐 External Event

= System Event

سببه حاجة برّه الـ system boundary.

مثال: الـ Cashier بيضغط زر enter item على POS terminal.

🔧 Internal Event

سببه حاجة جوّه الـ system boundary.

Operation invoked via message من object تاني داخلي.

مثال: Object بيستدعي method على object تاني — فينتج عنه event.

⏰ Temporal Event

سببه occurrence of a specific date/time أو passage of time.

الـ syntax: after(30s) أو at(midnight).

مثال: Red light → Green light بعد 30s.

📌 ملحوظةالـ Temporal events بتتكتب بـ after(...) للـ duration أو at(...) لـ specific time. شائعة في الـ state diagrams.

Activities vs Actions ⭐

الفرق المهم: Action = instantaneous. و Activity = takes time.

⚡ Action

Takes NO noticeable time (instantaneous)

الـ Action بيحصل في 3 حالات:

On transition — مع الانتقال نفسه
On entry — لما ندخل state معين
On exit — لما نخرج من state معين

أمثلة: readCard, ejectCard, startMotor, stopMotor

Syntax: entry / actionName
Or: exit / actionName

🏃 Activity

Takes a period of time (ongoing)

الـ Activity بيحصل while in state:

بياخد فترة زمنية ملحوظة
ممكن الـ system يخرج من الـ state لما يخلص الـ activity (completion)
أو يخرج لو event آخر يقطعها (interruption — early exit)

أمثلة: play music, play dial tone, download file

Syntax: do / activityName

📝 Concrete Example — ATM

Serving Customer entry / readCard exit / ejectCard do / process transaction

الـ entry / readCard = action بتحصل مرة واحدة لما ندخل الـ state.
الـ do / process transaction = activity بتشتغل طول ما إحنا في الـ state.
الـ exit / ejectCard = action بتحصل لما نخرج من الـ state.

Guards & Conditional Transitions

Guard = شرط بوليان لازم يكون true عشان الـ transition تحصل.

🔒 Guard Syntax

event [boolean expression] / action

الـ guard بيتكتب بين [ ]. لو الـ event حصل بس الـ guard مش true، فالـ transition ما بتحصلش.

مثال: Course Registration

OpenNotEnoughStudents

[classSize ≥ minimum]

OpenEnoughStudents

لو classSize ≥ minimum = true، فالـ transition بتحصل. لو false، فالـ state ما يتغيرش.

⚙️ Self-Transitions with Guards

الـ State diagram ممكن يكون فيه transition من state لنفسها. ده مفيد لما نحتاج نعمل action بدون تغيير state.

مثال: requestToRegister(student) / createRegistration — self-transition بـ action. الـ state يفضل OpenNotEnoughStudents بس createRegistration بيتعمل.

Nested / Composite States

State جوّه state. مفيد لتنظيم الـ complexity في الـ diagram.

🪆 Composite State (Substate)

الـ Composite state بيحتوي على substates داخله. شكله مستطيل أكبر فيه states أصغر جوّاه.

الفوائد:

تنظيم — بتقلل عدد الـ transitions الظاهرة في الـ diagram.
الـ outer state بتنطبق على كل الـ substates (مثلاً: exit من أي substate = exit from composite).
Easier reading and maintenance.

مثال: ATM — Serving Customer composite

Serving Customer

entry / readCard · exit / ejectCard

→ Authenticate → Select Trans. → Transaction →

الـ outer transitions (مثلاً cancel) بتشتغل من أي substate داخل Serving Customer. مفيش داعي نضيف cancel arrow من كل substate لوحده.

💡 متى نستخدم composite states؟لما عندك مجموعة من الـ states ليها common behavior (مثلاً كلهم ممكن يتلغوا بـ cancel) أو بتنتمي لنفس الـ logical phase (مثل phases of serving customer).

5 Worked Examples

أمثلة كاملة من السلايدز: Tic-Tac-Toe · Traffic Light · Garage Door · Online Chess · ATM.

🎮 Tic-Tac-Toe Game

→

XTurn

XPlays

OTurn

Final states: XWin · OWin · Tie

Transitions with guards:

XTurn → XWin [XPlays & 3 X's in a row]
XTurn → Tie [XPlays & Board Full & Not 3 X's]
OTurn → OWin [OPlays & 3 O's]

🚦 Traffic Light (Temporal Events)

RedLight

after(30s)

GreenLight

after(25s)

YellowLight

YellowLight → RedLight [after(5s)] — يكمل الدورة

كل الـ transitions بتستخدم temporal events (after(...)). مفيش external triggers.

🚪 Automatic Garage Door (Actions)

Closed entry / stop motor

↕ pressButton ↕

Opening entry / run motor forwards

↓ openingCompleted

Open entry / stop motor

↓ pressButton

Closing entry / run motor in reverse

↓ closingCompleted → Closed

كل state عنده entry action بـ stop motor أو run motor. الـ pressButton ممكن يقاطع (interrupt) الـ opening وينقله لـ closing.

♟️ Online Chess (UI Screens)

Enter

Welcome

New Account

Standings

Play

Results

Transitions: Welcome → New Account [Create New Account], Welcome → Standings [Login], Standings → Play [Choose Opponent], Play → Results [Finish Game], Results → Standings [Continue].

دي state diagram لـ UI flow — بنشوفها في الـ apps.

🏧 ATM (Composite States)

أكثر example معقد. فيه composite state للـ Serving Customer.

Off → Self Test [turn on / startup]
Self Test → Idle (success)
Idle → Serving Customer [cardInserted]
Inside Serving Customer (composite): Authenticate → Selecting → Transaction → end
Serving Customer → Idle [cancel]
Idle → Maintenance [service]
Maintenance → Out of Service [failure]
Out of Service → Off [turn off / shutDown]

💡 Composite Patternالـ Serving Customer composite بتحتوي substates للـ authentication flow. لو حصل cancel من أي substate، فالـ ATM يرجع لـ Idle. ده استخدام نظيف للـ composite.

🎯

Practice Quiz — Lecture 8

8 أسئلة على State Diagrams. Question 2 من كل امتحان فيه 2-4 marks على state diagram.

Question 1 Practice — concept

A state diagram describes the behavior of:

A Multiple interacting objects over time

B An individual object (or a system) over time

C Static structure of the system

D Use case relationships

✅ الإجابة الصح: B — Individual object / system State diagram = behavior of one object (أو one system as a whole) عبر الزمن.

A — ده الـ Sequence diagram (multiple objects). · C — ده الـ Class diagram. · D — ده الـ Use Case diagram.

Question 2 Practice — events

A traffic light changes after 30 seconds. What type of event is this?

A External Event

B Internal Event

C Temporal Event

D Composite Event

✅ الإجابة الصح: C — Temporal Event after(30s) = passage of time = Temporal event.

A (External) — لما الـ trigger من برّه (مثل user click). · B (Internal) — من object داخلي. · D (Composite) — مفيش composite event؛ الـ composite بيكون للـ states.

Question 3 Practice — action vs activity

Inside a state box, you see do / play music. This is:

A An activity (takes time)

B An entry action

C An exit action

D A guard condition

✅ الإجابة الصح: A — Activity الـ keyword do / يدل على activity (ongoing). الـ play music بياخد فترة.

B — Entry action syntax: entry / actionName. · C — Exit action syntax: exit / actionName. · D — الـ Guards بتكون بين [ ].

Question 4 Practice — transition syntax

Given the transition label buy(item) [funds >= price] / debitAccount, what does [funds >= price] represent?

A An event

B An action

C A state name

D A guard condition

✅ الإجابة الصح: D — Guard اللي بين [ ] = guard (boolean expression). لو true → الـ transition تحصل.

A (event) — هو buy(item) قبل الـ guard. · B (action) — debitAccount بعد الـ /. · C — مش state name.

Question 5 Practice — symbols

What represents the start state in a state diagram?

A A circle with a ring around it

B A solid black circle

C A rounded rectangle with "start" inside

D A diamond shape

✅ الإجابة الصح: B — Solid black circle الـ Initial state = filled black circle.

A — هو الـ end state (black circle محاطة بـ ring). · C — الـ regular states بتكون rounded rectangles ومعاها الاسم، مش كلمة start. · D — الـ Diamond ده في activity diagrams (decision).

Question 6 Practice — composite

An ATM diagram shows a composite state called ServingCustomer with substates inside, and a cancel transition from ServingCustomer to Idle. What does this mean?

A Cancel only works in the first substate

B Cancel works only when there are no substates

C Cancel works from any substate inside ServingCustomer

D Cancel is forbidden inside the composite

✅ الإجابة الصح: C — From any substate الـ Transition من الـ outer boundary للـ composite بتشتغل من أي substate جوّاها. دي الفائدة الأساسية للـ composite states.

A, B, D — كلهم بيناقضوا فكرة الـ composite states.

Question 7 Practice — when used

When is a state diagram the most useful kind of UML diagram?

A When modeling many objects interacting

B When modeling code structure

C When modeling an object/system with distinct states and transitions between them

D When listing all user actions

✅ الإجابة الصح: C الـ State diagram بيبقى مفيد لما عندك object/system في حالات مختلفة (modes)، ومعاه events بتسبب transitions. أمثلة: ATM, Order lifecycle, Door, Game.

A — ده sequence diagram. · B — ده class diagram. · D — ده use case diagram.

Question 8 Practice — comprehensive

An Order in an e-commerce site has states: Placed → Paid → Shipped → Delivered. The customer can Cancel from any state before Shipped. Which UML element best represents this?

A Cancel transitions from each state separately to a Cancelled state

B A composite state grouping Placed+Paid, with a single Cancel transition from the composite to Cancelled

C A guard condition on the Shipped state

D Mark Cancelled as the initial state

✅ الإجابة الصح: B — Composite state الطريقة الأنظف: composite state يشمل Placed و Paid، والـ Cancel يطلع من الـ composite boundary. ده بيقلل عدد الـ arrows وبيعكس الـ logical grouping (orders اللي ممكن تتلغى).

A — يشتغل، لكنه بيلخبط الـ diagram. الـ composite أنظف. · C — Guard على state غير منطقي هنا. · D — Cancelled لازم يكون final state، مش initial.

📋

Cheat Sheet

كل الرموز والـ syntax والمصطلحات.

🎨 Symbols

●

Initial state (solid black circle)

⊙

Final state (black circle + ring)

Rounded rect

State (with name inside)

━━▶

Transition (arrow)

Big rect ⊃ rects

Composite state with substates

📝 Transition Label Syntax

event

name of event (mandatory)

event(params)

event with parameters

[guard]

boolean condition (optional)

/ action

action to perform (optional)

after(t)

temporal event syntax

⚡ Action vs Activity

Action

Instantaneous (no time)

entry / x

Action on entering state

exit / x

Action on exiting state

/ x (on transition)

Action during transition

do / x

Activity (ongoing, takes time)

📢 3 Event Types

External

From outside system (button click)

Internal

From inside (object → object)

Temporal

after(t) or at(time)

🆚 Diagram Differences

Class Diagram

Static structure

Use Case Diagram

User-system interactions (high level)

Sequence Diagram

Multi-object dynamic flow

State Diagram

Single object/system behavior over time

✅ Question 2 Checklist (State part)

Initial state (●) + Final state(s)

All meaningful states identified

Each transition has event label

Guards [in brackets] where needed

Use composite for grouped behavior

Use after(t) for time triggers

⚡

Rapid Revision

Flashcards · Common Mistakes · What the doctor loves.

3 أسماء للـ State Diagram؟

tap

State Diagram · State Machine · Statechart

3 Event Types؟

tap

External · Internal · Temporal

Action vs Activity؟

tap

Action = instant · Activity = takes time (do /)

Initial state symbol؟

tap

● Solid black circle

Final state symbol؟

tap

⊙ Black circle with ring

Transition label syntax؟

tap

event(params) [guard] / action

Temporal event syntax؟

tap

after(30s) · at(midnight)

Composite state — ايه فايدته؟

tap

Group substates with common transitions (e.g., cancel from any)

State diagram describes؟

tap

Behavior of one object/system over time

Self-transition ايه؟

tap

Arrow من state لنفسها (e.g., for actions)

🚨 Common Mistakes

1. خلط Action و ActivityAction = instantaneous (entry/exit/on-transition). و Activity = takes time (do /). الـ do / بيدل دايماً على activity.

2. نسيان Initial State أو Final Stateأي state diagram لازم يبدأ بـ ● initial state. لو فيه نهاية للـ behavior، حط ⊙ final state.

3. نسيان labels على الـ transitionsكل transition لازم لها label (event). بدون event، الـ transition ما تحصلش بشكل مفهوم.

4. خلط State Diagram و Sequence DiagramState = behavior of ONE object over time. و Sequence = interaction between MANY objects. لو السؤال عن إزاي objects بتتكلم، ده Sequence. لو عن إزاي الـ status بيتغير، ده State.

5. عدم استخدام composite statesلما عندك transition مشترك من كذا state (مثل cancel من أي state)، استخدم composite. غير كده الـ diagram هيبقى cluttered بأسهم كتيرة.

⭐ What Dr. El-Ramly Loves

🔥 الأسئلة المتكررة على Lec 8

Question 2 (2-4 marks) — بيدي object مثل Message, Order, Booking ويطلب state diagram. ركز على Initial → states → Final + transitions مع events.
Message states (Winter 2025): Received → Read → Deleted → Purged.
Order states (Winter 2023): Placed → Pdf Valid → Confirmed → Processing → Shipped، مع Cancelled كـ alternate path.
Composite states — للـ flows اللي فيها grouped behaviors.
Guards — لما الـ transition مشروطة (e.g., classSize ≥ minimum).

🎯 نصيحةلما ترسم state diagram في الامتحان: ابدأ بقائمة الـ states، بعدين الـ events اللي بتسبب transitions، وبعدها ارسم. متبدأش بالـ drawing مباشرة — ممكن تنسى states أو transitions.