ステートマシン図とは？ 10分でわかりやすく解説

システムの設計や開発を行う際、状態とその遷移を明確に表現することは非常に重要です。しかし、複雑なシステムの状態と遷移を文章や表だけで表現するのは難しく、開発者や関係者の間で認識の齟齬が生じやすくなります。そこで、システムの状態と遷移を視覚的に表現するためのツールとして注目されているのがステートマシン図です。本記事では、ステートマシン図の基本概念や表記法、作成手順、活用方法などについて、10分でわかりやすく解説します。

ステートマシン図とは何か

ステートマシン図の定義と概要

ステートマシン図とは、システムの状態と状態遷移を視覚的に表現するためのダイアグラムの一種です。オブジェクト指向設計やシステム設計において、オブジェクトやシステムの振る舞いを明確にするために使用されます。ステートマシン図は、UML（Unified Modeling Language）の一部であり、「状態図」と呼ばれることもあります。

ステートマシン図では、システムが取りうる状態と、その状態間をどのような条件・イベントで行き来するのかを整理します。状態は、システムがある時点で満たしている条件や状況を表し、状態遷移は、ある状態から別の状態へ移行するためのトリガーやアクションを表します。

例えば、ECサイトの「注文」の状態を考えると、「カートに商品が入っている」「注文受付済み」「決済完了」「発送済み」「キャンセル」といった状態と、それらの間を行き来する「注文ボタン押下」「決済エラー」「出荷処理完了」などのイベントを整理することで、仕様の漏れや矛盾を見つけやすくなります。

状態と状態遷移の説明

ステートマシン図における主要な要素は、以下の通りです。

1. 状態（State）：システムがある時点で取りうる条件や状況を表します。各状態は名前を持ち、必要に応じて、その状態に入ったとき・滞在中・抜けるときに実行されるアクションやアクティビティを記述します。
2. 状態遷移（Transition）：ある状態から別の状態へ移行するためのトリガーやアクションを表します。矢印で表現され、トリガーイベントや条件、遷移時に実行されるアクションをラベルとして記述します。
3. 初期状態（Initial State）：ステートマシンの開始点を表す特殊な状態です。図中では塗りつぶされた黒い丸で表現されます。
4. 最終状態（Final State）：ステートマシンの終了点を表す特殊な状態です。塗りつぶされた黒い丸を白い円が囲んだ記号で表現されます。

状態遷移は、特定の条件やイベントが満たされたときに発生します。例えば、「ボタンが押されたとき」「センサーの値が一定を超えたとき」「タイマーが満了したとき」などがトリガーになります。状態遷移が発生すると、システムは現在の状態から次の状態へ移行し、その際に関連するアクション（ログ出力、画面遷移、処理の開始など）を実行します。

ステートマシン図の役割と重要性

ステートマシン図は、以下のような役割を果たし、システム開発において重要な意味を持ちます。

1. システムの振る舞いの明確化：ステートマシン図は、システムの状態と状態遷移を視覚的に表現することで、システムの動的な振る舞いを明確にします。これにより、開発者や利害関係者は、画面遷移や内部処理の流れを直感的に理解しやすくなります。
2. 要件の整理とコミュニケーション：ステートマシン図を作成すると、要件の整理が進み、関係者間のコミュニケーションがスムーズになります。図を使って議論することで、「この状態からは戻れないのか」「エラー時はどこへ遷移するのか」といった要件の漏れや不整合を早期に発見し、修正することができます。
3. 設計品質の向上：ステートマシン図を用いてシステムを設計することで、状態と状態遷移を体系的に整理し、設計の品質を向上させることができます。複雑な条件分岐が多い処理ほど、図を作ることで抜け漏れや矛盾を見つけやすくなります。
4. テストケースの作成：ステートマシン図は、テストケースを作成する際の重要な情報源となります。各状態と状態遷移をカバーするようにテストケースを設計することで、システムの網羅的なテストが可能となり、想定外の動作を減らせます。

ステートマシン図を使うメリット

ステートマシン図を使用することで、以下のようなメリットが得られます。

1. 動的な振る舞いを視覚的に把握できる：文章やフローチャートでは表現しにくい「状態の変化」を、ステートマシン図であればシンプルな形で表現できます。これにより、システムの動作を直感的に理解しやすくなります。
2. 要件の漏れや不整合を早期に発見できる：ステートマシン図を作成するプロセス自体が、要件の洗い出し・整理の作業になります。状態間の遷移を書き出すことで、「このエラーからの復帰パスがない」といった問題に早い段階で気付くことができます。
3. 開発者間のコミュニケーションが円滑になる：ステートマシン図を使って議論することで、開発者やテスター、ビジネス側のメンバーが同じ絵を見ながら話ができます。共通の理解を持つことで、仕様の解釈違いを減らし、効率的な開発が可能になります。
4. テスト設計が容易になる：各状態と状態遷移を網羅するようにテストケースを設計すれば、「この状態からこの状態へ必ず遷移できるか」「不正なイベントが来た場合に正しく無視されるか」など、動作確認の観点を漏れなく洗い出せます。
5. 保守性が向上する：ステートマシン図は、システムの動的な振る舞いを明確に表現するため、仕様書としても役立ちます。新しい開発者が参加した場合でも、図を参照することで全体像をつかみやすくなり、「なぜこの条件分岐があるのか」といった背景理解もスムーズになります。

このように、ステートマシン図はシステムの状態と状態遷移を明確に表現することで、開発の効率化、品質向上、コミュニケーションの円滑化に大きく貢献します。

ステートマシン図の基本的な表記法

状態の表し方

ステートマシン図において、状態は丸角の長方形（角が丸い矩形）で表現されます。各状態には、誰が見ても意味が分かるような名前を付けることが重要です。

状態の中には、必要に応じて以下のような情報を記述できます。

• 状態名（例：待機中、処理中、エラー）
• エントリアクション（状態に入ったときに実行される処理）
• ドゥアクティビティ（状態にいる間、継続的に実行される処理）
• エグジットアクション（状態から抜けるときに実行される処理）

状態が複雑になりすぎる場合は、サブステートマシン（状態の中にさらに状態図を持つ構造）を使うことで整理することもできます。

状態遷移の表現方法

状態間の遷移は、状態を結ぶ矢印で表現されます。矢印のラベルには、状態遷移のトリガーとなるイベントや条件、および遷移時に実行されるアクションを記述します。一般的には、次の書式で表記します。

イベント [ガード条件] / アクション

• イベント：ボタン押下、メッセージ受信、タイムアウトなど、遷移を引き起こす事象
• ガード条件：その遷移が実行されるために満たすべき条件（任意）
• アクション：遷移が発生した際に実行される処理（ログ出力、値の更新など）

例えば、「決済ボタン押下」「在庫が1以上」「在庫を1減らす」という3つを表現したい場合、

決済ボタン押下 [在庫 > 0] / 在庫を1減らす

と記述することで、シンプルかつ明確に表現できます。

初期状態と最終状態の示し方

ステートマシン図には、初期状態と最終状態という特殊な状態が存在します。

• 初期状態：ステートマシンの開始点を表します。塗りつぶされた黒い丸で表現され、通常はここから最初の状態へ矢印が伸びています。
• 最終状態：ステートマシンの終了点を表します。塗りつぶされた黒い丸を白い円で囲んだ記号で表現されます。複数の終了パターンがある場合は、最終状態を複数配置することもできます。

初期状態と最終状態を明示しておくことで、「どこから始まり、どこまで行けば一連の処理が完了なのか」が読み手に伝わりやすくなります。

ステートマシン図の構成要素

ステートマシン図の主な構成要素をまとめると、以下のようになります。

これらの構成要素を適切に組み合わせることで、システムの動的な振る舞いを明確に表現することができます。ステートマシン図を作成する際は、状態の命名や状態遷移の定義に注意を払い、図の可読性と理解しやすさを高めることが重要です。

ステートマシン図の作成手順

ステートマシン図を作成する際は、いきなり図を描き始めるのではなく、段階を踏んで整理していくとスムーズです。ここでは、基本的な作成手順を紹介します。

システムの状態の洗い出し

まず、対象とするシステムの状態を洗い出します。状態とは、システムがある時点で取りうる条件や状況のことです。次のような観点から状態を特定していきます。

• システムの動作モードや動作状態（例：待機中／処理中／エラー）
• ユーザーからの入力やシステムからの出力に応じて変化する状態
• エラーや例外的な状況（例：タイムアウト、認証失敗）

状態の名前は、後から図を見た人にも意味が伝わるよう、簡潔で具体的なものを選びます。状態の数が多すぎると図が複雑になってしまうため、似た状態をまとめるなど、適度な抽象度で状態を定義することも大切です。

状態間の遷移条件の特定

次に、状態間の遷移条件を特定します。遷移条件とは、ある状態から別の状態へ移行するきっかけとなるトリガーやアクションのことです。以下のような観点から整理していきます。

• 状態遷移のトリガーとなるイベントや条件（ボタン押下、データ到着、時間経過など）
• 遷移時に実行されるアクション（ログ出力、値の更新、画面表示の変更など）
• 遷移の前提条件や制約事項（ログイン済みであること、残高が0以上であること、など）

これらを整理し、可能であれば「イベント[ガード]/アクション」の形式に落とし込んでおくと、図を描く際にスムーズです。必要に応じて、正常系と異常系（エラー時）の遷移を分けて整理すると、抜け漏れを防ぎやすくなります。

ステートマシン図の作図

状態と遷移条件が特定できたら、実際にステートマシン図を作図します。図の作成には、以下の手順を踏みます。

1. 初期状態と最終状態を配置する。
2. 各状態を丸角の長方形で図中に配置する。
3. 状態間の遷移を矢印で表現する。
4. 遷移の矢印にトリガー・条件・アクションを記述する。

図の可読性を高めるために、状態の配置や矢印の向き・交差に注意を払います。また、状態や遷移に関する補足説明があれば、図中の注記や別紙の説明として整理します。複雑になりすぎる場合は、サブステートマシンや図の分割も検討しましょう。

ステートマシン図の検証と修正

作成したステートマシン図をそのまま使うのではなく、必ず検証と修正のステップを挟みます。次のような観点で図を見直します。

• すべての状態と遷移が適切に表現されているか（抜けている状態や遷移がないか）
• 状態や遷移の名称が適切で、わかりやすいか（曖昧な名前になっていないか）
• 遷移条件に漏れや不整合がないか（ある状態から戻って来られない、など）
• 図全体として、システムの動的な振る舞いを正しく表現できているか

可能であれば、開発チーム内や関係者と一緒に図を確認し、「このパターンのときはどうなるのか」「ここでエラーが出たらどこへ行くのか」といった観点でレビューするのがおすすめです。ステートマシン図は、開発者や利害関係者とのコミュニケーションツールとしても重要なため、図の品質を高めることが必要不可欠です。

以上の手順を踏むことで、対象とするシステムのステートマシン図を作成することができます。ステートマシン図は、システムの動的な振る舞いを明確に表現し、開発の効率化や品質向上に役立ちます。

ステートマシン図の活用方法

ステートマシン図は、システム開発のさまざまな場面で活用することができます。ここでは、設計段階から保守フェーズまでの活用方法を順に見ていきます。

設計段階でのステートマシン図の利用

設計段階では、ステートマシン図を用いてシステムの動的な振る舞いを早い段階で明確にすることができます。例えば、以下のような使い方があります。

• 画面仕様やユースケースをもとに状態と遷移を洗い出し、図にまとめることで、仕様の全体像を可視化する。
• 「この状態からはどのイベントが有効か」「どんな場合にエラー状態に遷移するか」といった観点で設計の漏れや不整合を発見する。
• ステートマシン図を共有しながら、ビジネス側・開発側・インフラ側のメンバーが同じ前提で議論できるようにする。

設計段階でステートマシン図を活用することで、システムの動的な振る舞いを早期に明確化し、設計の品質を向上させることができます。

実装におけるステートマシン図の役割

実装段階でも、ステートマシン図は「実装すべき振る舞いの仕様書」として重要な役割を果たします。

• ステートマシン図を参照しながら、状態ごとの処理や状態遷移の条件をコードに落とし込むことで、仕様と実装のズレを減らせます。
• 状態管理用のクラスやステートパターン、状態遷移テーブルなどの実装方針を検討する際のベースとして利用できます。
• 実装の進捗を「どの状態・遷移まで実装できたか」という観点で管理できるため、タスク管理にも役立ちます。

特に複雑なワークフローやビジネスロジックを扱うシステムでは、ステートマシン図に沿って実装を進めることで、後から振る舞いを変更しやすくなるというメリットもあります。

テスト工程でのステートマシン図の活用

テスト工程では、ステートマシン図を参照することで、テストケースの設計が体系的かつ網羅的に行いやすくなります。例えば、次のような活用方法があります。

• ステートマシン図の各状態・各遷移を少なくとも1つ以上カバーするようにテストケースを設計し、網羅性を高める。
• 「ありえない遷移（不正なイベント）」に対して、システムがどのように振る舞うべきかを明確にし、その検証ケースを追加する。
• 不具合が発生した際に、「どの状態からどのイベントで問題が起きたのか」を図にマッピングし、原因を特定しやすくする。

ステートマシン図を活用してテストを設計・実行することで、システムの動的な振る舞いを検証し、品質の高いシステムを開発できます。

保守フェーズにおけるステートマシン図の重要性

システムの保守フェーズでも、ステートマシン図は長期的な運用を支える重要なドキュメントになります。

• 障害対応や問合せ対応の際に、ステートマシン図を参照することで、システムの動作や前後関係を素早く把握できる。
• システムの変更や機能追加を行う際、どの状態や遷移に影響するのかを把握しやすくなり、影響範囲の見積もりがしやすくなる。
• 新しく参加した開発者や運用担当者が、ステートマシン図を通じてシステムの振る舞いを学ぶことで、立ち上がりの時間を短縮できる。

保守フェーズでの変更が積み重なっていくと、「最初の設計意図」と「現在の実装」が乖離しやすくなります。ステートマシン図を変更のたびに更新しておくことで、この乖離を防ぎ、システムの健全性を保ちやすくなります。

以上のように、ステートマシン図は、設計・実装・テスト・保守といったライフサイクル全体で活用できる強力なツールです。システムの動的な振る舞いを明確化し、開発の効率化、品質向上、コミュニケーションの円滑化を実現できます。

まとめ

ステートマシン図は、システムの状態と状態遷移を視覚的に表現することで、動的な振る舞いを明確にし、開発の効率化や品質向上に役立つ重要な図です。状態と遷移条件を適切に定義し、基本的な表記法に沿って図を作成・検証することで、複雑な仕様も整理しやすくなります。

また、ステートマシン図は設計段階だけでなく、実装・テスト・保守の各フェーズでも活用できます。開発者間や関係者との共通言語としてステートマシン図を活用することで、システムの動きに対する認識のズレを減らし、システムの適切な管理と継続的な改善を支援できます。今後、状態が多く複雑なシステムを設計・開発する際には、ステートマシン図を積極的に取り入れてみてください。

ステートマシン図に関するFAQ