Мейер Бертран

Основы объектно-ориентированного программирования

Автор: Мейер Бертран

Название: Основы объектно-ориентированного программирования

Содержание

Лекция 1. Качество ПО

Лекция 2. Критерии объектной ориентации

Лекция 3. Модульность

Лекция 4. Подходы к повторному использованию

Лекция 5. К объектной технологии

Лекция 6. Абстрактные типы данных (АТД)

Лекция 7. Статические структуры: классы

Лекция 8. Динамические структуры: объекты

Лекция 9. Управление памятью

Лекция 10. Универсализация

Лекция 11. Проектирование по контракту: построение надежного ПО

Лекция 12. Когда контракт нарушается: обработка исключений

Лекция 13. Поддерживающие механизмы

Лекция 14. Введение в наследование

Лекция 15. Множественное наследование

Лекция 16. Техника наследования

Лекция 17. Типизация

Лекция 18. Глобальные объекты и константы

Лекция 1. Качество ПО

Качество - это цель инженерной деятельности; построение качественного ПО (software) - цель программной инженерии (software engineering). В данной книге рассматриваются средства и технические приемы, позволяющие значительно улучшить качество ПО. Прежде чем приступить к изучению этих средств и приемов, следует хорошо представлять нашу цель. Качество ПО лучше всего описывается комбинацией ряда факторов. В этой лекции мы постараемся проанализировать некоторые из них, покажем, где необходимы улучшения, и укажем дорогу в дальнейшем путешествии по лекциям этого курса.

Внешние и внутренние факторы

Все мы хотим, чтобы наше ПО было быстродействующим, надежным, легким в использовании, читаемым, модульным, структурным и т.д. Но эти определения описывают два разных типа качества. Наличие или отсутствие таких качеств, как скорость и простота использования ПО, может быть обнаружено его пользователями. Эти качества можно назвать внешними факторами качества.

Под словом "пользователи" нужно понимать не только людей, взаимодействующих с конечным продуктом, но и тех, кто их закупает, занимается администрированием. Такое свойство, например, как легкость адаптации продуктов к изменениям спецификаций - далее определенная в нашей дискуссии как расширяемость - попадает в категорию внешних факторов, поскольку она может представлять интерес для администраторов, закупающих продукт, хотя и не важна для "конечных пользователей", непосредственно работающих с продуктом.

Такие характеристики ПО, как модульность или читаемость, являются внутренними факторами, понятными только для профессионалов, имеющих доступ к тексту ПО.

В конечном счете, только внешние факторы имеют значение. Но ключ к достижению внешних факторов спрятан во внутренних факторах: для того, чтобы достичь видимого качества, проектировщики и конструкторы должны иметь внутренние приемы, позволяющие улучшать скрытые от пользователя качества.

Последующие лекции представляют описание набора современных технических средств достижения внутреннего качества. Однако за частностями не следует терять из вида общую картину; внутренние технические приемы не являются самоцелью - они лишь средство достижения внешних качеств нашего продукта.

Обзор внешних факторов

Рассмотрим самые важные внешние факторы качества, стремление к которым есть центральная задача ОО-построения ПО.

Корректность (Correctness)

Определение: корректность

Корректность - это способность ПО выполнять точные задачи так, как они определены их спецификацией.

Корректность является важнейшим качеством. Если система не делает того, что она должна делать, то все остальное - ее быстродействие, хороший пользовательский интерфейс - не имеет особого значения.

Но легче сказать, чем сделать. Даже первый шаг к корректности уже труден: необходимо в точной форме специфицировать технические требования к системе, что само по себе является тяжелой задачей.

Методы обеспечения корректности обычно условны. Серьезная система ПО, даже небольшая по нынешним меркам, использует столь многое, что невозможно гарантировать ее корректность, работая со всеми компонентами на одном уровне. Необходим многоуровневый подход:

Рис. 1.1.  Слои в разработке ПО

В условном подходе к корректности мы заботимся только о том, чтобы обеспечить корректность каждого уровня, основываясь на предположении, что нижележащие уровни корректны. Это единственно реалистичный подход, поскольку он позволяет разделить проблему и на каждой ступени сконцентрироваться на ограниченном круге задач. Нельзя проверить, что программа на языке высокого уровня корректна, если не предположить, что используемый компилятор корректно реализует язык. Это не слепое доверие компилятору, а разделение проблемы на две: проверка корректности компилятора и проверка корректности программы относительно семантики языка.

В методе, описанном в нашей книге, слоев даже больше: разработка ПО будет основываться на библиотеках компонентов повторного использования, используемых во многих приложениях.

Рис. 1.2.  Уровни в процессе разработки, включающем повторное использование

Здесь также применим условный подход: следует обеспечить корректность библиотек и корректность приложения при условии, что библиотеки корректны.

Многие практики полагают, что достижение корректности ПО связано с тестированием и исправлением ошибок. Мы же более амбициозны: в дальнейших лекциях исследуется ряд технических приемов, в частности типизация и метод утверждений, направленных на построение ПО, корректного с самого начала. Исправление ошибок и тестирование, конечно, остаются необходимыми как средства дополнительной проверки результата. Можно было бы пойти дальше и принять совсем формальный подход к построению ПО. Это не является целью наших лекций, как ясно из несколько "робких" терминов - "проверять", "гарантировать", "обеспечивать", используемых выше вместо слова "доказывать". Все же многие из описанных ниже технических приемов происходят непосредственно от математических методов формальной спецификации и верификации программ, проходя длинный путь к обеспечению идеала корректности.

Устойчивость (Robustness)

Определение: устойчивость

Устойчивость - это способность ПО соответствующим образом реагировать на аварийные ситуации.

Устойчивость дополняет корректность. Корректность относится к поведению системы в случаях, определенных спецификацией; устойчивость характеризует то, что происходит за пределами этой спецификации.

Рис. 1.3.   Устойчивость против корректности

Как видно из определения, устойчивость по своей природе более нечеткое понятие, чем корректность. Невозможно сказать, как в случае с корректностью, что в аварийных ситуациях система должна "выполнять свои задачи", поскольку ситуации выходят за пределы спецификации. Если бы эти задачи были известны, аварийный случай стал бы частью спецификации, и мы бы снова вернулись в область корректности.

Это определение "аварийной ситуации" нам еще понадобится при изучении обработки исключений (Об исключительных ситуациях см. лекция 12). Оно подразумевает, что понятия нормальной и аварийной ситуации всегда относительны по отношению к заданной спецификации; ситуация аварийна, если она выходит за рамки спецификации. Если расширить спецификацию, аварийные случаи становятся нормальными - даже если они соответствуют таким нежелательным событиям, как, например, ошибочный ввод пользователя.

Термин "нормальный" в этом смысле не означает "желательный", а просто "запланированный в проекте ПО". Хотя на первый взгляд может показаться парадоксальным, что ошибочный ввод может называться нормальным случаем, любой другой подход опирается на субъективные критерии и, таким образом, бесполезен.

Всегда будут существовать случаи, на которые спецификация явно не распространяется. Роль требования устойчивости - удостовериться, что и в таких случаях система не приводит к непоправимой ситуации; она должна выдать соответствующее сообщение об ошибке, гладко завершить работу или войти в так называемый режим "постепенного вывода из работы".

Расширяемость (Extendibility)

Определение: расширяемость

Расширяемость - это легкость адаптации ПО к изменениям спецификации.

Предполагается, что ПО должно быть гибким (soft) , и в принципе, оно такое и есть; ничего нет проще, чем изменить программу, если у вас есть доступ к ее исходному коду. Просто используйте свой любимый текстовый редактор.

Проблема расширяемости это проблема масштаба. Для маленьких программ изменение не является обычно большой проблемой, но по мере увеличения ПО адаптация становится все труднее. Большая программная система часто видится как огромный карточный дом, удаление одного элемента может привести к разрушению всего построения.

Нам нужна расширяемость, поскольку в основе ПО лежит человеческий феномен, склонный к изменчивости. Даже в научных расчетах, где можно ожидать, что законы физики неизменны, наше понимание этих законов и их моделирование будет изменяться.

Традиционные подходы к построению ПО не уделяли должного внимания изменениям. Они скорее исходили из идеального взгляда на жизненный цикл ПО, где требования замораживаются после завершения первоначальной ступени анализа. Последующий процесс посвящался проектированию и построению решения при фиксированных требованиях. Это вполне понятно: на том этапе развития дисциплины задача состояла в разработке надежных технических приемов для постановки и решения фиксированных проблем. Но сейчас стало возможным признать и рассмотреть центральный вопрос - что делать, если проблема изменяется в ходе ее решения. Изменения характерны для процесса разработки ПО: меняются требования, наше понимание требований, алгоритмы, представление данных, приемы реализации. Поддержка изменений является основной целью объектной технологии и постоянной темой нашей книги.

Хотя многие из технических приемов, улучшающих расширяемость, можно объяснить во вводных курсах и на небольших примерах, их значимость становится явной только для больших проектов. Для улучшения расширяемости важны два принципа:

[x]. Простота построения: простая архитектура легче адаптируется к изменениям, чем сложная.

[x]. Децентрализация: чем более автономны модули, тем выше вероятность того, что простое изменение затронет только один или небольшое количество модулей и не вызовет цепную реакцию изменений во всей системе.

ОО-метод - это, прежде всего, метод создания архитектуры системы, позволяющий проектировщику производить системы с простой и децентрализованной структурой даже для больших систем. Простота и децентрализация будут в следующих лекциях постоянными темами обсуждений, ведущих к ОО-принципам.

Повторное использование (Reusability)

Определение: повторное использование

Повторное использование есть способность элементов ПО служить для построения многих различных приложений.

Необходимость и возможность повторного использования возникает из наблюдений сходства систем - системы ПО часто имеют похожую схему. Следует использовать это сходство и не изобретать велосипед заново. Понимание этой схемы даст возможность повторно применять созданный элемент ПО во многих других разработках.

Повторное использование влияет на все остальные аспекты качества ПО. Поскольку решение проблемы повторного использования в сущности означает, что нужно писать меньше программ, следовательно, можно прилагать больше усилий (при той же общей стоимости) к улучшению других факторов, таких как, например, корректность и устойчивость.

При создании индустрии ПО необходимость повторного использования становится насущной проблемой.

Повторное использование будет играть важную роль в обсуждениях в последующих лекциях, одна из которых (лекция 4) фактически полностью посвящена углубленному рассмотрению этого фактора качества, его конкретной пользе и связанным с ним возникающим проблемам.

Совместимость (Compatibility)

Определение: совместимость

Совместимость - это легкость сочетания одних элементов ПО с другими.

Совместимость важна, поскольку мы не разрабатываем элементы ПО в вакууме: им необходимо взаимодействовать друг с другом. Но при этом слишком часто возникают проблемы, поскольку суждения разных элементов об остальном мире противоречивы. Простейшим примером может служить широкое разнообразие несовместимых файловых форматов, из-за чего, например, одна программа не может непосредственно использовать результат работы другой программы.

Ключ к совместимости находится в однородности построения и в стандартных соглашениях на коммуникации между программами. Эти подходы включают:

[x]. Стандартные форматы файлов, как в системе Unix, где каждый текстовый файл - это просто последовательность символов.

[x]. Стандартные структуры данных, как в системе Lisp, где все данные, а также программы, представлены бинарными деревьями (называемыми списками).

[x]. Стандартные пользовательские интерфейсы, как в различных версиях Windows, OS/2 и MacOS, где все инструменты опираются на единую парадигму для коммуникации с пользователем, основанную на стандартных компонентах, таких как окна, значки, меню и т. д.

Большая общность достигается при определении стандартных протоколов доступа ко всем важным элементам, управляемым программами. Такова идея, лежащая в основе абстрактных типов данных и ОО-подхода, а также так называемого связующего программного обеспечения (middleware), например CORBA и Microsoft's OLE-COM (ActiveX).

Эффективность (Efficiency)

Определение: эффективность

Эффективность - это способность ПО как можно меньше зависеть от ресурсов оборудования: процессорного времени, пространства, занимаемого во внутренней и внешней памяти, пропускной способности, используемой в устройствах связи.

Почти синонимом эффективности является слово "производительность" (performance). В программистском сообществе есть два типичных отношения к эффективности:

[x]. Некоторые разработчики одержимы проблемами производительности, что заставляет их прилагать много усилий к предполагаемой оптимизации.

[x]. Существует общая тенденция недооценки вопросов эффективности, вытекающая из справедливых убеждений, существующих в промышленности:"сделай правильно, прежде чем сделать быстро" и "модель компьютера будущего года все равно будет на 50% быстрее".

Часто один и тот же человек в разное время высказывает разные типы отношения и является то доктором Abstract, то мистером Microsecond - происходит раздвоение личности, как в известной истории про доктора Джекила и мистера Хайда.

Где же истина? Разработчики часто явно излишне заботятся о микрооптимизации. Как уже отмечалось, эффективность не дорого стоит, если ПО некорректно. Можно привести новое изречение: "не беспокойтесь о быстродействии ПО, если оно к тому же и неверно". Забота об эффективности должна сопоставляться с другими целями, такими как расширяемость и возможность повторного использования. Оптимизация может сделать ПО настолько специализированным, что оно не будет годно для повторного использования и в случаях изменения спецификации. Более того, постоянно растущая мощь компьютерного оборудования позволяет нам слегка расслабиться и не стараться использовать последний байт или микросекунду.

Все это, однако, не умаляет важности эффективности. Никому не нравится, когда приходится ждать ответа от интерактивной системы или покупать дополнительную память для работы программы. Поэтому необдуманное отношение к производительности неприемлемо. Если конечная система медленно работает или громоздка, то начинают жаловаться и те, кто заявлял, что "скорость не так уж важна".

В этом вопросе отражается то, что я считаю главной характеристикой создания ПО. Построение ПО трудно именно потому, что оно требует принятия во внимание многих различных требований, часть из которых, например корректность, абстрактны и концептуальны, в то время как другие, например эффективность, конкретны и связаны со свойствами компьютерного оборудования.

Некоторые ученые считают разработку ПО отраслью математики, для некоторых инженеров - это отрасль прикладной технологии. На самом деле это и то, и другое. Разработчик ПО должен соединить абстрактные понятия с их конкретными реализациями, математику корректных вычислений с временными и пространственными ограничениями, возникающими из физических законов и ограниченности оборудования. Необходимость ублажать и ангелов, и чудищ - центральная проблема создания ПО.

Постоянное увеличение компьютерной мощи, каким бы оно ни было впечатляющим, не может заменить эффективность, по крайней мере, по трем причинам:

[x]. Тот, кто покупает больший и более быстрый компьютер, хочет видеть действительные выгоды от дополнительной мощности - решать новые задачи, более быстро работать со старыми задачами, решать более важные версии старых задач за то же время. Если новый компьютер решает старые задачи за то же самое время - это нехорошо!

[x]. Явный эффект повышения мощности компьютера сказывается тогда, когда велика доля "хороших" алгоритмов по отношению к плохим. Предположим, что новая машина работает в два раза быстрее, чем старая. Пусть n - размер решаемой задачи, а N - максимальный размер, при котором удается решить задачу на старом компьютере за приемлемое время. Если используется линейный алгоритм, временная сложность которого O(n) , то новый компьютер даст возможность решить задачу вдвое большего размера - 2*N. Для квадратичного алгоритма со сложностью O(n^2) увеличение N составит только 41%. Переборный алгоритм со сложностью O(2n) добавит к N только единицу - небольшое улучшение за такие деньги.

[x]. В некоторых случаях эффективность может влиять на корректность. Спецификация может устанавливать, что ответ компьютера на определенное событие должен произойти не позже, чем за определенное время, например, бортовой компьютер должен быть готов определить и обработать сообщение с сенсора рычага управления двигателя достаточно быстро, чтобы сработало корректирующее действие. Эта связь между эффективностью и корректностью не ограничивается приложениями, работающими "в реальном времени"; немногие люди заинтересуются моделью предсказания погоды, которой требуется 24 часа, чтобы предсказать погоду на завтра.

Приведу еще один пример, хотя возможно менее важный, но постоянно вызывавший у меня досаду. Система управления окнами моего компьютера, используемая мной какое-то время, иногда слишком медленно определяла, что курсор мыши передвинулся из одного окна в другое, так что набираемые на клавиатуре символы, предназначенные для одного окна, попадали в другое. В этом случае ограничение эффективности приводило к нарушению спецификации, то есть корректности, которая даже, казалось бы, в безобидном повседневном применении может привести к плохим последствиям: подумайте о том, что может случиться, если два окна используются для пересылки сообщений электронной почты двум различным корреспондентам. Даже более незначительные причины приводили к расторжению браков или к началу войн.

Поскольку эта книга сосредоточивается на концепциях создания ОО-ПО, а не на вопросах реализации, только немногие разделы явным образом имеют дело с производительностью. Но проблема эффективности присутствует везде. Когда представляется ОО-решение некоторой проблемы, рассматривается не только элегантность решения, но и его эффективность. Когда вводится новый ОО-механизм, будь это сборка мусора, динамическое связывание, параметризация или повторное наследование, за этим стоит знание того, что затраты на реализацию механизма будут приемлемы по времени и памяти. Всегда, по возможности, будут упоминаться последствия изучаемых технических приемов на производительность.

Эффективность - только один из факторов качества; мы не должны (как некоторые специалисты) позволять ему главенствовать в наших разработках. Но это один из важных факторов, и он должен приниматься во внимание и в построении систем ПО, и в создании языков программирования. Если вы забудете о производительности, производительность забудет о вас.

Переносимость (Portability)

Определение: переносимость

Переносимость - это легкость переноса ПО в различные программные и аппаратные среды.

Переносимость имеет дело с разнообразием не только физического оборудования, но чаще аппаратно-программного механизма, того, который мы действительно программируем, включающего операционную систему, систему окон, если она применяется, и другие основные инструменты. В дальнейшем в нашей книге будет использоваться слово "платформа" для обозначения аппаратно-программного механизма; примером платформы может служить "Intel X86 + Windows NT" (известная как "Wintel").

Существующие сегодня несовместимости различных платформ неоправданны. Для наивного наблюдателя единственным объяснением, кажется, заговор с целью ввести в заблуждение человечество вообще, и программистов в частности. Однако каковы бы ни были причины, разнообразие платформ делает переносимость главной заботой и разработчиков, и пользователей ПО.

Простота использования (Easy of Use)

Определение: простота использования

Простота использования - это легкость, с которой люди с различными знаниями и квалификацией могут научиться использовать ПО и применять его для решения задач. Сюда также относится простота установки, работы и текущего контроля.

Определение подчеркивает наличие различных уровней опытности потенциальных пользователей. Это требование ставит одну из важных проблем перед проектировщиками ПО, занимающимися простотой использования: как обеспечить подробное руководство и объяснения начинающим пользователям, не мешая умелым пользователям, которые сразу хотят приняться за работу?

Как и для многих других качеств, описанных в этой лекции, ключ к легкости использования - это структурная простота. Хорошо спроектированная система, построенная в соответствии с ясной хорошо продуманной структурой, будет более простой для изучения и использования, чем построенная беспорядочно. Выполнение этого условия способствует простоте системы, но его, конечно, недостаточно. То, что просто и ясно для проектировщиков, может быть трудным и неясным для пользователей, особенно если объяснение дается в терминах проектировщика, а не в терминах, доступных пользователю.

Простота использования - одна из областей, где ОО-метод особенно продуктивен; многие приемы, появившиеся вначале для решения вопросов проектирования и реализации, дали новые яркие идеи для построения интерфейса, ориентированного на конечного пользователя. В последних лекциях приводятся примеры на эту тему.

Желательно, чтобы проектировщики ПО, озабоченные простотой использования, с некоторым недоверием рассматривали принцип "знай пользователя". Изложенный в статье Хансена1.1), он часто цитируется в литературе, посвященной пользовательским интерфейсам. Подразумевается, что хороший проектировщик должен приложить усилие для понимания того, для каких пользователей предназначена система. Этот взгляд игнорирует одно из свойств успешной системы: она всегда выходит за пределы предполагаемого круга пользователей. Напомню два старых известных примера - язык Fortran разрабатывался как инструмент для решения задачи небольшого сообщества инженеров и ученых, программирующих на IBM 704, операционная система Unix предназначалась для внутреннего использования в Bell Laboratories. Система, изначально спроектированная для особой группы людей, исходит из предположений, которые просто не будут работать для более широкой группы.

Хорошие проектировщики пользовательского интерфейса придерживаются более осмотрительной политики. Они делают как можно меньше предположений относительно своих пользователей. При проектировании интерактивной системы можно считать, что пользователи просто люди и что они умеют читать, двигать мышью, нажимать кнопки и набирать текст (медленно), и не более. Если ПО создается для специализированной области приложения, вероятно, можно, предположить, что пользователи знакомы с ее основными концепциями. Но даже это рискованно. Если перевернуть и перефразировать совет Хансена, то получим следующий принцип:

Принцип построения пользовательского интерфейса

Не делайте вид, что вы знаете пользователя - это не так.

Функциональность (Functionality)

Определение: функциональность

Функциональность - это степень возможностей, обеспечиваемых системой.

Одна из самых трудных проблем, с которой сталкивается руководитель проекта, - определение достаточной функциональности. Всегда существует желание добавлять в систему все новые и новые свойства. Желание, известное на языке индустрии как фичеризм (featurism) , часто ползучий фичеризм (creeping featurism) . Его последствия плачевны для внутренних проектов, где давление исходит от разных групп пользователей внутри одной и той же компании. Они еще хуже для коммерческих продуктов, испытывающих давление, например от журналистских сравнительных обзоров, представляющих чаще всего таблицу, включающую одновременно свойства разных конкурирующих продуктов.

Расширение свойств системы приводит к двум проблемам, одна сложнее другой. Более простая проблема - потеря непротиворечивости, которая может возникнуть при добавлении новых свойств, затрагивающих простоту использования. Известно, что пользователи жалуются, что все украшения новой версии продукта делают его ужасно сложным. Однако таким комментариям не стоит слишком доверять. Новые свойства не возникают из ничего - в основном они возникают из спроса пользователей, других пользователей. Что для меня выглядит ненужной безделушкой, может для вас быть необходимым свойством.

Каково же решение проблемы? Необходимо снова и снова работать над состоянием всего продукта, пытаясь привести его в соответствие с общим замыслом. Хорошее ПО основывается на небольшом количестве сильных идей. У него может быть много специальных свойств - все они должны быть следствиями основных положений. "Великий план" должен быть виден, и в нем всему должно отводиться свое место.

Более сложная проблема - слишком большое внимание к одним свойствам в ущерб другим качествам системы. В проектах часто встречается ошибка, ситуация, которую описал Роджер Осмонд в виде двух возможных путей работы над проектом:

Рис. 1.4.  Кривые Осмонда; по [Osmond 1995]

Нижняя кривая описывает фичеризм: в лихорадочной погоне за дополнительными свойствами теряется нить общего качества. Завершающая фаза такого проекта, предполагающая общую корректировку всех свойств, может быть долгой и напряженной. Если под давлением пользователей или конкурентов вы вынуждены выпустить продукт достаточно быстро - на стадиях, отмеченных на рисунке квадратами, - результат может повредить вашей репутации.

Осмонд предлагает (верхняя кривая) во время создания проекта поддерживать на высоком постоянном уровне качество всех факторов, кроме функциональности. Никаких компромиссов по надежности, расширяемости и прочим факторам: вы просто отказываетесь от добавления новых свойств до тех пор, пока вас удовлетворяют существующие.

Этот метод трудно осуществить в повседневной практике из-за упомянутого давления, но он в конечном итоге дает более эффективный процесс создания качественного ПО. Даже если окончательный результат тот же, что показан на рисунке, он достигается быстрее (хотя на рисунке время не отражено). Решение выпустить "скорую" версию становится если не легче, то проще: оно будет основываться на вашей оценке того, имеете ли вы уже достаточную долю полного набора свойств, способных привлечь, но не отвратить возможных клиентов. Может возникать вопрос: "достаточно ли это хорошо?", но не будет стоять вопрос: "будет ли это работать?"

Как знает любой читатель, который возглавлял проект создания ПО, легче одобрить такой совет, чем его использовать. Но каждый проект должен стараться следовать подходу, соответствующему лучшей кривой Осмонда. Этот подход соответствует кластерной модели, вводимой в одной из лекций книги в качестве общей схемы для дисциплинированной ОО-разработки. (См. лекцию 10 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования" Кластерная модель жизненного цикла ПО)

Своевременность (Timeliness)

Определение: своевременность

Своевременность - это выпуск ПО в нужный момент, то есть тогда или незадолго до того, как у пользователей появилась соответствующая потребность в подобной системе.

Несвоевременность - одно из больших разочарований нашей промышленности. Прекрасное ПО, появляющееся слишком поздно, может совсем не достичь своей цели. Так обстоит дело и в других отраслях промышленности, разница в том, что немногие продукты появляются так же быстро как программные.

Своевременность - до сих пор необычное явление для больших проектов. Когда корпорация Microsoft объявила, что его операционная система, находящаяся в разработке несколько лет, будет выпущена на месяц раньше, это была новость, достойная заголовка первой полосы Computer World1.2) (в статье упоминались значительные задержки в предыдущих проектах).

Другие качества

Другие качества, кроме тех, которые до сих пор обсуждались, затрагивают пользователей систем ПО и людей, покупающих эти системы или заказывающих их разработки. В частности:

[x]. Верифицируемость (Verifiability) - это легкость подготовки процедур приемки, особенно тестовых данных, процедур обнаружения неполадок и трассировки ошибок на этапах заключительной проверки и введения проекта в действие.

[x]. Целостность (Integrity) - это способность ПО защищать свои различные компоненты (программы, данные) от несанкционированного доступа и модификации.

[x]. Восстанавливаемость (Repairability) - это способность облегчать устранение дефектов.

[x]. Экономичность (Economy) сочетается c своевременностью - это способность системы завершиться, не превысив выделенного бюджета или даже не истратив его.

О документации

Казалось бы, наличие хорошей документации это тоже один из факторов качества ПО. Но это не так - напротив, необходимость документации является следствием других факторов качества, рассмотренных выше. Выделим три вида документации:

[x]. Внешнюю, дающую пользователям возможность понять сильные стороны системы и удобство их использования. Необходимость в ней является следствием простоты использования системы.

[x]. Внутреннюю, дающую разработчикам ПО возможность понять структуру и реализацию системы, - следствие требования расширяемости.

[x]. Описывающую интерфейс модулей. Она дает возможность разработчикам понять функции, реализованные модулем, без изучения его реализации. Этот вид документации является следствием требования повторного использования и расширяемости, поскольку документация позволяет определить, будет ли данное изменение влиять на определенный модуль.

Документацию не следует считать независимой частью проекта. Предпочтительнее в максимально возможной степени создавать самодокументируемое ПО. Это справедливо для всех трех видов документации:

[x]. Включение возможности получения справки проясняет соглашения пользовательского интерфейса. Тем самым облегчается задача авторов руководств пользователей и других форм внешней документации.

[x]. Хороший язык реализации устраняет необходимость большой части внешней документации. Это будет одним из главных требований ОО-нотации, разработанной в этой книге.

[x]. Нотация будет поддерживать сокрытие информации и другие технические приемы (такие как утверждения), позволяющие отделить интерфейс модуля от его реализации. При этом становится возможным из текстов автоматически извлекать документацию интерфейса модулей. Эта тема подробно изучается в лекциях книги. Все эти приемы уменьшают роль традиционной документации, хотя, конечно, не следует ожидать, что они полностью ее заменят.

Компромиссы

В данном обзоре внешних факторов качества ПО мы встретились с требованиями, которые могут конфликтовать друг с другом.

Как можно достичь целостности, если не вводить защиты различного рода, что неизбежно затруднит простоту использования? Экономичность часто конфликтует с функциональностью.

Оптимальная эффективность требует полной адаптации к определенному оборудованию и программной среде, что является противоположностью переносимости. Повторное использование требует решения общих задач, что расширяет границы, заданные спецификацией. Давление своевременности может склонить нас к технике RAD - быстрой разработки приложения (Rapid Application Development), что может повредить расширяемости. Хотя во многих случаях удается найти решение, примиряющее явно конфликтующие факторы, иногда приходится идти на компромисс.

Разработчики слишком часто и без колебаний идут на компромисс, не давая себе труда рассмотреть соответствующие вопросы и имеющиеся варианты. В таких молчаливых решениях доминирующим фактором обычно является эффективность. По-настоящему инженерный подход к созданию ПО подразумевает работу по ясной формулировке критериев и осознанного выбора вариантов.

Как бы ни были необходимы компромиссы между факторами качества, один из факторов стоит в стороне от остальных - корректность. Нет никакого оправдания тому, что корректность подвергается опасности ради других факторов, таких как эффективность. Если ПО не выполняет свою функцию, все остальное не имеет смысла.

Ключевые вопросы

Все описанные выше факторы важны. Но при современном состоянии индустрии ПО четыре фактора имеют особую важность:

[x]. Корректность и устойчивость: все еще слишком трудно создавать ПО без ошибок (bugs), и слишком сложно исправлять ошибки, когда они появляются. Разновидности технических приемов для улучшения корректности и устойчивости одни и те же: более систематические подходы к построению ПО; более формальные спецификации; встроенный контроль в течение всего процесса построения ПО (не просто испытания и отладка после создания); более совершенные языковые механизмы, такие как статическая типизация, утверждения, автоматическое управление памятью и упорядоченное управление исключительными ситуациями, обеспечение возможности разработчикам устанавливать требования корректности и устойчивости в сочетании с возможностью инструментов обнаруживать случаи несостоятельности до того, как они приведут к ошибкам. Близость вопросов корректности и устойчивости делает удобным введение общего термина для обозначения обоих факторов - надежность (reliability) .

[x]. Расширяемость и повторное использование: ПО должно быть легко изменяемым; компоненты создаваемого ПО должны быть широко применимы, и должен существовать больший перечень общецелевых компонентов, которые можно повторно использовать при разработке новой системы. Здесь также одни и те же идеи полезны для улучшения обоих качеств: любая идея, помогающая производить продукт с более децентрализованной архитектурой, компоненты которой автономны и взаимодействуют только через ограниченные и ясно определенные каналы, будет полезной. Термин модульность (modularity) включает повторное использование и расширяемость.

ОО-метод, детально изучаемый в последующих лекциях, может значительно улучшить четыре основных фактора качества, вот почему он так привлекателен. Он также может внести значительный вклад в другие аспекты, в частности:

[x]. Совместимость: метод обеспечивает общий стиль проектирования и стандартизацию интерфейсов модулей и систем, что помогает совместно работать разным системам.

[x]. Переносимость: уделяя особое внимание абстракции и скрытию информации, объектная технология способствует тому, что проектировщики начинают отделять спецификацию от особенностей реализации, что и облегчает перенос. Полиморфизм и динамическое связывание делает возможным создание системы, автоматически адаптируемой к аппаратно-программному механизму, например, различным системам окон или различным системам управления базами данных.

[x]. Простота использования: вклад ОО-инструментов в современные интерактивные системы, и особенно их пользовательские интерфейсы, так хорошо известен, что иногда он затмевает другие аспекты (люди, создающие рекламу - не единственные, кто называет "объектно-ориентированной" любую систему, использующую значки, окна и ввод с помощью мыши).

[x]. Эффективность: как отмечалось выше, повторное использование компонентов профессионального качества часто может значительно улучшить производительность.

[x]. Своевременность, экономичность и функциональность: ОО-техника дает возможность тем, кто ее освоил, производить ПО быстрее и по более низкой стоимости; она облегчает добавление функций и даже сама может предложить новые функции.

Несмотря на все эти успехи, мы должны помнить, что ОО-метод - это не панацея, и что многие обычные вопросы проектирования ПО остаются нерешенными. Помощь в решении проблемы - это не то же самое, что ее решение.

О программном сопровождении

Приведенный список факторов не включил обычно приводимое качество: возможность сопровождения (maintainability). Чтобы понять почему, мы должны поближе взглянуть на лежащее в его основе понятие: сопровождение (maintenance) . Сопровождение начинается с момента поставки ПО пользователям.

Обсуждения методологии создания ПО обычно сосредоточивается на фазе разработки; то же находим и во вводных курсах по программированию. Но широко известно, что 70% стоимости ПО приходится на его сопровождение. Никакое изучение качества ПО не может быть удовлетворительным, если оно игнорирует этот аспект.

Что означает сопровождение для ПО? Если на минуту задуматься, то становится ясно, что этот термин употребляется неправильно: ПО не изнашивается от постоянного использования, и ему не требуется такое "обслуживание", как автомобилю или телевизору. Специалисты по программным продуктам используют это слово для описания уважаемых (noble) и не очень уважаемых функций сопровождения. К уважаемой, достойной части работы можно отнести модификацию системы. Поскольку спецификации компьютерных систем меняются, отражая изменения во внешнем мире, должны меняться и сами системы. Наименее уважаемая часть - это запоздалая отладка: удаление ошибок, которых не должно было быть в начале.

Рис. 1.5.  Распределение расходов на сопровождение. Источник: [Лиенц, 1980]

Вышеприведенная диаграмма, взятая из ключевого исследования Лиенца и Свонсона, проливает некоторый свет на то, что на самом деле значит включающий разнообразные понятия термин "сопровождение". Исследование рассмотрело 487 систем, разрабатывающих ПО разного рода; возможно, оно немного устарело, но более поздние публикации подтверждают те же общие результаты. Оно показывает долю стоимости, приходящуюся на каждый идентифицированный авторами вид работ по сопровождению.

Более двух пятых стоимости идет на расширения и модификации, требующиеся пользователям. Это то, что мы выше назвали уважаемой частью сопровождения, без которой работающая система обойтись не может. Неразрешенный вопрос в том, какую долю общей работы промышленность может сэкономить, если с самого начала она будет строить ПО, уделяя больше внимание расширяемости. Мы можем законно ожидать, что объектная технология здесь будет полезна.

Второй значимый фактор в распределении стоимости сопровождения особенно интересен: изменение формата данных. При изменении физической структуры файлов и других элементов данных приходится адаптировать программы. Например, американская почтовая служба несколько лет назад ввела почтовый код "5+4", использующий девять цифр вместо пяти. Пришлось переписывать многочисленные программы, имеющие дело с адресами и "знающих", что почтовый код состоит точно из пяти цифр. По сообщениям прессы, затраты оценивались в сотни миллионов долларов.

Другая известная проблема - Millenium - переход компьютеров на даты нового тысячелетия.

Вопрос не в том, что некоторая часть программы знает физическую структуру данных: это неизбежно, поскольку доступ к данным необходим. Но при традиционных методах построения это знание распространяется слишком на многие части системы, приводя к неоправданно большим программным изменениям при изменении физической структуры. Другими словами, если почтовые коды изменяются с пяти до девяти цифр или даты требуют еще одной цифры, то резонно ожидать, что программа, манипулирующая кодами и датами, будет требовать адаптации. Недопустимо лишь, чтобы изменения в программе были несоизмеримы по сравнению с концептуальным размером изменения спецификации.

Теория абстрактных типов данных даст ключ к этой проблеме (Лекция 6 подробно описывает абстрактные типы данных), позволяя программам иметь доступ к данным с помощью внешних свойств, а не физической реализации.

Следующие пункты в списке Лиенца и Свонсона также интересны, но не так непосредственно связаны с темами этой книги. Аварийная отладка (производимая в спешке, когда пользователь сообщает, что программа не дает ожидаемых результатов или ведет себя катастрофически) стoит больше, чем обычные плановые исправления. Это так не только потому, что она производится в короткие сроки, но и потому, что она прерывает плановый процесс выпуска новых (безошибочных) вариантов и может дать новые ошибки.

Еще одно интересное наблюдение в распределении затрат по видам деятельности - это сравнительно низкая доля (5,5%) стоимости документации. Помните, что это - стоимость задач, решаемых в период эксплуатации. Наблюдение здесь - или скорее, догадка, при отсутствии более точных данных - таково: проект должен либо заботиться о том, чтобы создание документации стало частью разработки, либо совсем не делать этого. Мы научимся использовать стиль построения, в котором большая часть документации действительно встроена в ПО, и есть специальные инструменты для ее извлечения.

Последние два вида работ дают очень малую долю:

[x]. Первый - это улучшение эффективности; похоже, предполагается, что когда система работает, менеджеры проекта и программисты неохотно прерывают ее работу с целью улучшения производительности, предпочитая не трогать довольно хорошую систему. (При рассмотрении принципа "сначала сделай ее хорошо, а потом сделай ее быстрой" многие проекты, возможно, вполне довольствуются первым шагом.)

[x]. Небольшие средства тратятся и на "переход к новой аппаратной среде". Из-за отсутствия более детальных данных можно высказать лишь некоторое предположение. Все системы относятся к двум крайним случаям, промежуточные варианты практически отсутствуют. В первом случае системы изначально строятся как переносимые, и потому для них этот вид затрат невелик. Другие настолько тесно привязаны к своей первоначальной платформе и перенос был бы так труден, что разработчики даже не пытаются делать что-то в этом направлении.

Ключевые концепции

[x]. Целью программной инженерии является нахождение путей построения ПО высокого качества.

[x]. Качество ПО лучше всего видится как компромисс между целым рядом различных целей, а не как единый фактор.

[x]. Внешние факторы, понятные пользователям и клиентам, следует отличать от внутренних факторов, понятных проектировщикам и конструкторам.

[x]. Действительное значение имеют внешние факторы, но управление системой возможно только через внутренние факторы, благодаря которым достигается нужный эффект.

[x]. Список основных внешних факторов качества приведен выше. ОО-метод направлен на улучшение качества тех факторов, которые прежде всего нуждаются в лучших подходах. К ним относятся факторы корректности и устойчивости, связанные с безопасностью, вместе известные как надежность, и факторы, требующие децентрализованной архитектуры ПО, - повторное использование и расширяемость, вместе известные как модульность.

[x]. Сопровождение ПО, потребляющее большую долю его стоимости, находится в невыгодном положении из-за трудности реализации изменений в ПО и из-за слишком большой зависимости программ от физической структуры данных, которыми они манипулируют.

Лекция 2. Критерии объектной ориентации

В предыдущей лекции исследовались цели ОО-метода. Готовясь к чтению технических деталей метода в следующих лекциях, полезно быстро, но с широких позиций рассмотреть ключевые аспекты ОО-разработки ПО. Такова цель этой лекции. Прежде всего, здесь будет дано лаконичное пояснение того, что делает систему объектно-ориентированной. Уже в этом есть определенная польза, поскольку этот термин используется так неразборчиво, что необходим список точных свойств; имея их, мы сможем оценить метод, язык или инструмент, претендующие на звание объектно-ориентированных.

О критериях

Ограничимся минимумом объяснений, поэтому при первом чтении нельзя надеяться на понимание деталей всех перечисленных критериев; объяснение их - задача остальных разделов книги. Можно считать это обсуждение предваряющим просмотром - не настоящим кино, а анонсом. В отличие от анонса, эта лекция скорее является так называемым спойлером (spoiler) - она пересказывает сюжет, нарушая порой общий план книги. Этим она отличается от других лекций, в особенности лекций 3-6, терпеливо выстраивающих объектную технологию, рассматривающих проблему за проблемой на пути к получению и обоснованию решения. Если вам нравится идея обзора, предшествующая глубокому изучению вопросов, эта лекция для вас. Но если вы предпочитаете не портить удовольствия, открывая решения одно за другим, то просто пропустите ее.

Рассмотрим выбор критериев, позволяющих оценить объектную ориентированность системы (objectness).

До какой степени мы должны быть догматичными?

Список, представленный ниже, включает все свойства, кажущиеся существенными для создания высококачественного ПО ОО-методом. Наш список может показаться бескомпромиссным и даже догматичным. Какие заключения следует делать, если среда удовлетворяет некоторым, но не всем этим критериям? Следует ли считать ее полностью неадекватной?

Только вы, мой читатель, можете ответить на этот вопрос применительно к собственному контексту. Вот несколько причин, по которым может быть необходим компромисс:

[x]. Быть ОО-системой - это не булево условие. Из двух сред А и В первая может быть более объектно-ориентированной, хотя и не является таковой на все 100%. Поэтому если внешние ограничения сводят ваш выбор только к А и В, следует выбрать А как наименьшее из двух зол.

[x]. Не каждому нужны всегда все свойства.

[x]. Объектная ориентация может быть просто одним из факторов, определяющих наше решение, поэтому придется соблюдать баланс между критериями, приведенными здесь, и другими соображениями.

Все это не меняет очевидного: для обоснованного выбора, даже если практические ограничения навязывают далеко не совершенные решения, необходимо видеть полную картину.

Категории

Набор критериев делится на три части:

[x]. Метод и язык (Method and Language) : эти два почти не различимые аспекта охватывают мыслительные процессы и нотацию, использующуюся для анализа, проектирования и программирования ПО. Заметьте, что (особенно в объектной технологии) термин "язык" относится не только к языку программирования в строгом смысле, но также и к языкам анализа и проектирования и используемой в них нотации, текстовой или графической.

[x]. Реализация (Implementation) и Среда (Environment) : критерии в этой категории описывают основные свойства инструментария, позволяющего разработчикам применять ОО-идеи.

[x]. Библиотеки (Libraries) : объектная технология основана на повторном использовании компонентов ПО. Критерии в этой категории описывают как наличие базовых библиотек, так и механизмы, необходимые для их использования и создания новых библиотек.

Такое деление удобно, но не абсолютно, поскольку некоторые критерии относятся к двум или трем категориям. Например критерий, помеченный "управление памятью", относится к категории языка, поскольку язык может поддерживать или не допускать автоматическую сборку мусора. Этот же критерий относится к категории реализации и среды.

Метод и язык

Первый набор критериев относится к методу и поддерживающей его нотации.

Бесшовность (seamlessness)

ОО-подход амбициозен: он включает весь жизненный цикл ПО. При рассмотрении ОО-решений следует проверить, что метод, язык и поддерживающие их инструменты применимы к анализу и проектированию, а также к реализации и сопровождению. Язык, в частности, должен служить средством мышления, помогающим на всех стадиях работы.

В результате получается бесшовный процесс разработки, где общность концепций и нотации помогает сгладить переходы между последовательными ступенями жизненного цикла.

Эти требования исключают два часто встречающихся случая - оба неудовлетворительных:

[x]. Использование ОО-концепций на этапе анализа и проектирования с такой нотацией, которая не может использоваться на этапе программирования.

[x]. Использование ОО-языка программирования, неподходящего для этапа анализа и проектирования.

ОО-язык и ОО-среда, вместе с поддерживающим их методом, должны быть применимы ко всему жизненному циклу, минимизируя сложность переходов между последовательными шагами.

Классы

ОО-метод основан на понятии класса. Неформально, класс - элемент ПО, описывающий абстрактный тип данных и его частичную или полную реализацию. Абстрактный тип данных - множество объектов, определяемое списком компонентов (features) - операций, применимых к этим объектам, и их свойств.

Понятие класса должно быть центральной концепцией метода и языка.

Утверждения (Assertions)

Компоненты абстрактного типа данных имеют формально специфицированные свойства, отражаемые в соответствующих классах.

Утверждения - предусловия и постусловия программ класса и инварианты классов - играют эту роль.

Утверждения имеют три основных применения: помогают создать надежное ПО, обеспечивают систематическую документацию и являются инструментом тестирования и отладки ПО.

Язык должен давать возможность: поставлять класс и его компоненты вместе с утверждениями (предусловиями, постусловиями и инвариантами); включать инструментарий для получения документации из этих утверждений; осуществлять мониторинг утверждений во время выполнения программы.

В сообществе программных модулей, где классы являются городами, а инструкции - исполнительной ветвью власти, утверждения представляют законодательную власть. Ниже мы увидим, что играет роль судебной системы в таком сообществе.

Классы как модули

Объектная ориентация - в первую очередь архитектурная техника: она в основном затрагивает модульную структуру системы.

Здесь опять велика роль классов. Класс описывает не только тип объектов, но и модульную единицу. В чистом ОО-подходе:

Классы должны быть единственным видом модулей.

В частности, исчезает понятие главной программы, а подпрограммы не существуют как независимые модульные единицы (они могут появляться только как часть классов). Нет необходимости в "пакетах", используемых в таких языках, как Ada. Хотя удобно в целях управления группировать классы в административные единицы, называемые кластерами.

Классы как типы

Понятие класса достаточно мощное, чтобы избежать необходимости любого другого механизма типизации:

Каждый тип должен быть основан на классе.

Даже базовые типы, такие как INTEGER и REAL, можно рассматривать как классы; обычно такие классы являются встроенными.

Вычисления, основанные на компонентах

В ОО-вычислениях существует только один базовый вычислительный механизм. Есть некоторый объект, всегда являющийся (в силу предыдущего правила) экземпляром некоторого класса, и вычисление состоит в том, что данный объект вызывает некоторый компонент этого класса. Например, для показа окна на экране вызывается компонент display объекта, представляющего окно, - экземпляра класса WINDOW. Компоненты могут иметь аргументы: для увеличения зарплаты работника e на дату d, на n долларов, вызывается компонент raise объекта e, с аргументами n и d.

Базисные типы рассматриваются как предопределенные классы, и основные операции (например, сложение чисел) рассматриваются как специальные предопределенные случаи вызова компонентов - общий механизм вычислений:

Вызов компонента должен быть основным механизмом вычисления.

Класс, содержащий вызов компонента класса C, называют клиентом класса С .

Вызов компонента иногда называют передачей сообщения (message passing) ; по этой терминологии вышеприведенный вызов будет описываться как передача объекту e сообщения: "повысить вашу плату" с аргументами d и n.

Скрытие информации (information hiding)

При создании класса зачастую в него приходится включать компонент, необходимый только для внутренних целей, являющийся частью реализации класса, но не его интерфейса. Другие компоненты этого класса, - возможно, доступные клиентам, - могут вызывать этот внутренний компонент для собственных нужд. Но не следует такую возможность давать клиенту.

Механизм, делающий определенные компоненты недоступными для клиентов, называется скрытием информации.

На практике бывает недостаточно того, чтобы механизм скрытия информации поддерживал экспортируемые компоненты (доступные для всех клиентов) и скрытые компоненты (не доступные ни одному клиенту).

Создатели классов должны также иметь возможность избирательно экспортировать компоненты для избранных клиентов.

Автор класса должен иметь возможность указать, что компонент доступен: всем клиентам, ни одному клиенту или избранным клиентам.

Прямое следствие этого правила - строгая ограниченность взаимодействия классов. В частности, хороший ОО-язык не должен включать понятие глобальной переменной. Классы обмениваются информацией исключительно через вызовы компонентов и механизм наследования.

Обработка исключений (Exception handling)

В процессе выполнения программ могут встречаться различные аномалии. В ОО-вычислениях они соответствуют вызовам, которые не могут быть выполнены надлежащим образом: например в результате сбоя в оборудовании, переполнения при выполнении арифметических операций или ошибок ПО.

Для создания надежного ПО необходимо иметь возможность восстановления нормального хода вычислений. Это является целью механизма обработки исключений.

Язык должен обеспечивать механизм восстановления в неожиданных аварийных ситуациях.

В сообществе программных модулей механизм обработки исключений - третья ветвь власти, судебная система и поддерживающие ее силы полиции.

Статическая типизация (static typing)

Когда в системе происходит вызов некоторого компонента определенным объектом, как узнать, что объект способен обработать вызов? (В терминологии сообщений: как узнать, что объект может обработать сообщение?)

Чтобы гарантировать корректное выполнение, язык должен быть типизирован. Это означает, что он отвечает нескольким правилам совместимости:

[x]. Каждая сущность (entity) объявляется явным образом с указанием определенного типа, порожденного классом. Под сущностью понимается имя, используемое в тексте ПО для ссылки на объекты времени выполнения.

[x]. Каждый вызов компонента - это вызов доступного компонента соответствующего класса.

[x]. Присваивание и передача аргументов подчиняются правилам согласования, требующим совместимости исходного типа и целевого типа.

В языке, включающем такую политику, возможен статический контроль типов. Тогда еще на этапе компиляции подобные ошибки будут обнаружены, и во время выполнения гарантируется отсутствие ошибок типа: "компонент недоступен объекту".

Хорошо определенная система типов гарантирует безопасность работы с объектами во время выполнения программной системы.

Универсальность (genericity)

Для того чтобы типизация была практичной, необходимо иметь возможность определять классы с параметрами, задающими тип. Такие классы известны как родовые. Родовой класс LIST [G] описывает списки элементов произвольного типа G - "формальным родовым параметром".

Классы, задающие специальные списки, будут его производными, например LIST [INTEGER] и LIST [WINDOW] используют типы INTEGER и WINDOW в качестве "фактических родовых параметров". Все производные классы разделяют один и тот же текст родового класса.

Должна существовать возможность создания классов с формальными родовыми параметрами, представляющими произвольные типы.

Эта форма параметризации типа называется неограниченной универсальностью. Дополнительной возможностью, описанной ниже, является ограниченная универсальность, использующая понятие наследования.

Единичное наследование (single inheritance)

Разработка ПО включает создание большого числа классов, многие из которых являются вариантами ранее созданных классов. Для управления потенциальной сложностью такой системы необходим механизм классификации, известный как наследование. Класс A будет наследником (heir) класса B, если он встраивает (наследует) компоненты класса B в дополнение к своим собственным. Потомок (descendant)- это прямой или непрямой наследник; обратное понятие - предок (ancestor).

Должно быть возможным объявить класс наследником другого класса.

Наследование - одно из центральных понятий ОО-метода; оно оказывает большое влияние на процесс разработки ПО.

Множественное наследование (Multiple inheritance)

Часто необходимо сочетать различные абстракции. Рассмотрим класс, моделирующий понятие "младенец". Его можно рассматривать как класс "человек" с компонентами, связанными с этим классом. Его же можно рассматривать и более прозаично - как класс "элемент, подлежащий налогообложению", которому положены скидки при начислении налогов. Наследование оправдано в обоих случаях. Множественное наследование (multiple inheritance) - это гарантия того, что класс может быть наследником не только одного класса, но многих, если это концептуально оправдано.

При множественном наследовании возникает несколько технических проблем, например разрешение конфликта имен (компоненты, наследованные от разных классов, имеют одно и то же имя). Любая нотация, предлагающая множественное наследование, должна обеспечить адекватное решение этих проблем.

Класс должен иметь возможность быть наследником нескольких классов.

Конфликты имен при наследовании разрешаются адекватным механизмом.

Решение, разработанное в этой книге, основано на переименовании конфликтующих компонентов у класса наследника.

Дублируемое наследование (Repeated inheritance)

При множественном наследовании возникает ситуация дублируемого наследования (repeated inheritance), когда некоторый класс многократно становится наследником одного и того же класса, проходя по разным ветвям наследования:

Рис. 2.1.  Дублируемое наследование

В этом случае язык должен обеспечить точные правила, определяющие, что происходит с компонентами, наследованными повторно от общего предка (на рисунке - это A). В некоторых случаях желательно, чтобы компонент из A создавал только один компонент в D (разделение), а в других - нужно, чтобы он создавал два (дублирование). Разработчики должны обладать гибкими средствами, позволяющими предписывать одну из возможностей независимо для каждого компонента.

При дублируемом наследовании судьбой компонентов должны управлять точно определенные правила, позволяющие разработчикам выбирать для каждого такого компонента разделение, либо дублирование.

Ограниченная универсальность (Constrained genericity)

Сочетание универсальности и наследования дает полезную технику - ограниченную универсальность (constrained genericity). Теперь вы можете определить класс с родовым параметром, представляющим не произвольный тип, а лишь тип, являющийся потомком некоторого класса.

Родовой класс SORTABLE_LIST описывает списки; он содержит компонент sort, сортирующий элементы списка в соответствии с заданным отношением порядка. Параметр этого родового класса задает тип элементов списка. Но этот тип не может быть произвольным: он должен поддерживать отношение порядка. Фактический родовой параметр должен быть потомком библиотечного класса COMPARABLE, описывающего объекты, снабженные отношением порядка. Ограниченная универсальность позволяет объявить наш родовой класс следующим образом: SORTABLE_LIST [G -" COMPARABLE] .

Механизм универсальности должен поддерживать форму ограниченной универсальности.

Переопределение (redefinition)

Когда класс является наследником другого класса, может потребоваться изменить реализацию или другие свойства некоторых наследованных компонент. Класс SESSION, управляющий сеансами пользователей в операционной системе, может иметь компонент terminate, выполняющий чистку в конце сеанса. Его наследником может быть класс REMOTE_SESSION, управляющий сеансом удаленного компьютера в сети.

Если завершение удаленного сеанса требует дополнительных действий, таких как, например, уведомление удаленного компьютера, класс REMOTE_SESSION переопределит компонент terminate.

Переопределение может повлиять на реализацию компонента, его сигнатуру (тип аргументов и результата) и спецификацию.

Должно быть возможным переопределить спецификацию, сигнатуру и реализацию наследованного компонента.

Полиморфизм

При наследовании, требование статической типизации, о котором говорилось выше, становится ограничивающим, если бы оно означало, что каждая сущность типа C может быть связана только с объектом точно такого же типа С. Например в системе управления навигацией сущность типа BOAT нельзя было бы использовать для объектов класса MERCHANT_SHIP или SPORTS_BOAT, хотя оба класса являются потомками класса BOAT.

Как уже отмечалось, "сущность" - это имя, к которому во время выполнения могут присоединяться различные значения. Сущность - это обобщение традиционного понятия переменной.

Полиморфизм (polymorphism) - способность присоединять к сущности объекты различных возможных типов. В статически типизированной среде полиморфизм не будет произвольным, а будет контролироваться наследованием.

Должна иметься возможность в период выполнения присоединять к сущности объекты различных возможных типов под управлением наследования.

Динамическое связывание

Сочетание последних двух механизмов, переопределения и полиморфизма, непосредственно предполагает следующий механизм. Допустим, есть вызов, целью которого является полиморфная сущность, например сущность типа BOAT вызывает компонент turn. Различные потомки класса BOAT, возможно, переопределили этот компонент различными способами. Ясно, что должен существовать автоматический механизм, гарантирующий, что версия turn всегда соответствует фактическому типу объекта, вне зависимости от того, как объявлена сущность. Эта возможность называется динамическим связыванием (dynamic binding).

Вызов сущностью компонента всегда должен запускать тот компонент, который соответствует типу присоединенного объекта, а не типу сущности.

При различных выполнениях одного и того же вызова могут запускаться разные компоненты.

Динамическое связывание оказывает большое влияние на структуру ОО-приложения, поскольку дает возможность разработчикам писать простые вызовы, например объект my_boat вызывает компонент turn. В действительности, данный вызов означает несколько возможных вызовов, зависящих от соответствующих ситуаций времени выполнения. Это упраздняет необходимость многих повторных проверок (является ли объект merchant_ship? Является ли он sports_boat?), наводняющих программные продукты, создаваемые при обычных подходах.

Выяснение типа объекта в период выполнения

Разработчики ОО-ПО вскоре вырабатывают здоровую неприязнь к любому стилю вычислений, основанному на явном выборе между различными типами объекта. Полиморфизм и динамическое связывание намного предпочтительнее. Однако в некоторых случаях объект приходит извне, так что автор ПО не имеет возможности с определенностью предсказать его тип. В частности, это случается, если объект извлекается из внешних хранилищ, получен по сети или передан некоторой другой системой.

Тогда ПО нуждается в механизме, обеспечивающем безопасный способ доступа к объекту без нарушения ограничений статической типизации. Такой механизм должен проектироваться с большой аккуратностью, так чтобы не утратить пользы от полиморфизма и динамического связывания.

Операция попытка присваивания (assignment attempt) удовлетворяет этим требованиям. Это условная операция: она пытается присоединить объект к сущности; если при выполнении операции тип объекта соответствует типу сущности, то она действует как нормальное присваивание; в противном случае сущность получает специальное значение void. Итак, можно управлять объектами, тип которых не известен наверняка, не нарушая безопасности системы типов.

Необходимо иметь возможность определять во время выполнения, соответствует ли тип объекта статически заданному типу.

Отложенные (deferred) свойства и классы

В некоторых случаях, для которых динамическое связывание дает элегантное решение, устраняя необходимость явных проверок, не существует начальной версии компонента, подлежащего переопределению. Например, класс BOAT может быть настолько общим, что не может обеспечить реализацию turn по умолчанию. Все же, мы хотим иметь возможность вызвать компонент turn сущностью типа BOAT, если мы уверены, что во время выполнения она будет получать значение объектов таких полностью определенных типов как, например, MERCHANT_SHIP и SPORTS_BOAT.

В таких случаях BOAT может объявляться как отложенный класс (класс, который не полностью реализован) и с отложенной реализацией компонента turn. Отложенные свойства и классы все же могут иметь утверждения, описывающие их абстрактные возможности, но их реализация откладывается для классов потомков. Если класс не является отложенным, - он считается эффективным.

Необходимо иметь возможность написания класса или компонента как отложенного, то есть специфицированного, но не полностью реализованного.

Отложенные классы (также называемые абстрактными классами) особенно важны для ОО-анализа и высокоуровневого проектирования, поскольку они делают возможным задать основные аспекты системы, оставляя детали до более поздней стадии.

Управление памятью (memory management) и сборка мусора (garbage collection)

Может показаться, что этот критерий метода и языка должен принадлежать к следующей категории - реализации и среде. На самом деле он принадлежит к обеим категориям. Важнейшие требования предъявляются к языку, остальное - это вопрос хорошей инженерии.

ОО-системы даже в большей степени, чем традиционные системы, за исключением, быть может, Lisp, имеют тенденцию создания большого числа объектов, иногда со сложными взаимозависимостями. Политика, возлагающая на разработчиков ответственность за управление памятью, вредит и эффективности процесса разработки, и безопасности полученной системы. Трудно утилизировать память, занятую более не нужными объектами, усложняются программы, все это требует времени разработчиков, увеличивается риск некорректной обработки областей памяти. В хорошей ОО-среде управление памятью будет автоматическим, под контролем сборщика мусора (garbage collector) - компонента системы периода выполнения (runtime system).

Автоматическая сборка мусора - это проблема языка, так же как и реализации. Если язык явно не спроектирован для автоматического управления памятью, то зачастую реализация становится невозможной. Это справедливо для языков, где, например, указатель на объект определенного типа может быть преобразован (используя кастинг - cast) в указатель другого типа или даже в целое число, - такие средства делают невозможным создание надежного сборщика мусора.

Язык должен давать возможность надежного автоматического управления памятью, а реализация должна обеспечить наличие автоматического менеджера, управляющего памятью, в функцию которого входит сборка мусора.

Реализация и среда

Мы подошли к важным свойствам среды разработки, поддерживающей создание ОО-ПО.

Автоматическое обновление (automatic update)

Разработка ПО - процесс нарастающий. Разработчики обычно не пишут тысячи строк за один раз; они работают, добавляя и модифицируя, начиная чаще всего с системы, уже имеющей значительный размер.

При выполнении такого обновления важно иметь гарантию, что полученная в результате система будет согласованной. Например, если вы меняете некоторый компонент f класса C, то вы должны быть уверены, что любой потомок C, который не переопределяет f, получит новую версию f, и что каждое обращение к f клиента C или потомка C будет запускать эту новую версию.

Традиционные подходы к этой проблеме предполагают работу вручную, заставляя разработчиков записывать все зависимости и прослеживать их изменения, используя специальные механизмы, известные как "создавать файлы" и "включать файлы". Это неприемлемо в современных разработках программных продуктов, особенно в ОО-мире, где взаимозависимости между классами, вытекающие из отношений наследования, часто сложны, но могут быть выведены из систематического рассмотрения текста ПО.

Обновление системы после изменения должно быть автоматическим, а анализ межклассовых зависимостей выполняться инструментарием, а не вручную разработчиками.

Это требование можно удовлетворить в компилируемой среде (где компилятор будет работать вместе с инструментарием, выполняющим анализ зависимостей), в интерпретируемой среде или в среде, сочетающей обе эти техники реализации языка.

Быстрое обновление (fast update)

На практике механизм обновления системы должен быть не только автоматическим, но и быстрым. Более точно, он должен быть пропорциональным размеру изменений, а не размеру системы в целом. Без этого свойства метод и среда могут быть применимыми только к небольшим системам, а применять их нужно к большим.

Время обработки ряда изменений в системе, создающих обновленную версию, должно быть функцией размера измененных компонентов и не зависит от размера системы в целом.

И компилируемая, и интерпретируемая среда могут удовлетворять этому критерию, хотя в последнем случае компилятор должен быть инкрементным (он не должен все компилировать заново). Наряду с инкрементным компилятором, среда может, конечно, включать глобальный оптимизирующий компилятор, работающий на всей системе. При условии, что глобальный компилятор нужен только для выпуска конечного продукта, разработка будет в основном использовать инкрементный компилятор.

Живучесть (persistence)

Многие приложения, вероятно, большинство, требуют сохранения объектов от одного сеанса до следующего. Среда должна обеспечивать механизм выполнения этого простым способом.

Объект часто содержит ссылки на другие объекты, тоже содержащие, в свою очередь, ссылки на объекты. Поэтому каждый объект может иметь большое количество зависимых объектов с возможно сложным графом зависимости (который может содержать циклы). Обычно не имеет смысла сохранять или восстанавливать объект без всех его прямых и непрямых зависимых объектов. Говорят, что механизм живучести поддерживает замыкание живучести (persistence closure), если он может автоматически сохранять зависимые объекты наряду с самим объектом.

Должен существовать механизм хранения, поддерживающий замыкание живучести. Он сохраняет объект вместе со всеми зависимыми объектами на внешних устройствах и восстанавливает их в течение того же или другого сеанса.

Для некоторых приложений простой поддержки живучести недостаточно; такие приложения нуждаются в полной поддержке баз данных (database support) . Понятие ОО-базы данных объясняется в одной из дальнейших лекций, где также исследуются другие вопросы живучести, такие как эволюция схемы, способность безопасного восстановления объектов, даже если изменились соответствующие классы.

Документация

Разработчики классов и систем должны обеспечивать руководство, заказчиков и других разработчиков ясными высокоуровневыми описаниями создаваемого ПО. Им необходим инструментарий, помогающий в этой работе. Большая часть документации должна автоматически создаваться на основе текстов ПО. Утверждения, как уже отмечено, помогают сделать такие документы, извлекаемые из ПО, точными и информативными.

Должны быть в наличии инструментальные средства для автоматического получения документации о классах и системах.

Быстрый просмотр (browsing)

При работе с классом часто необходимо получить информацию о других классах; в частности, компоненты данного класса часто могут определяться не в самом классе, а в его различных предках. Среда должна обеспечить разработчиков инструментами для исследования текста класса, нахождения зависимых классов и быстрого переключения с текста одного класса на другой.

В этом и состоит задача просмотра. Типичные хорошие возможности просмотра включают: поиск классов - клиентов, поставщиков, потомков, предков; поиск всех переопределений компонента; поиск исходного объявления переопределенного компонента. (Определение: S - поставщик С, если С - клиент S. Термин "клиент класса" пояснен выше.)

Средства интерактивного просмотра должны давать возможность разработчикам ПО быстро и удобно прослеживать зависимости между классами и компонентами.

Библиотеки

Один из характерных аспектов разработки ПО ОО-способом - возможность создавать его на основе существующих библиотек. ОО-среда должна обеспечивать хорошие библиотеки и механизмы создания новых библиотек.

Базовые библиотеки

Изначально в информатике изучаются фундаментальные структуры данных - множества, списки, деревья, стеки; связанные с ними алгоритмы - сортировки, поиска, обхода, сопоставления с образцом. Эти структуры и алгоритмы вездесущи в разработках ПО. Нередко, когда в своей системе очередной разработчик повторно их реализует. Это не только расточительно, но и пагубно отражается на качестве ПО, поскольку вряд ли отдельный разработчик, реализующий структуру данных не как цель саму по себе, а в качестве компонента некоторого приложения, достигнет оптимальной надежности и производительности.

ОО-среда разработки должна обеспечить повторно используемые классы, удовлетворяющие общим потребностям.

Должны быть доступны повторно используемые классы, реализующие фундаментальные структуры данных и алгоритмы.

Графика и пользовательские интерфейсы

Многие современные системы ПО интерактивны. При взаимодействии с пользователем широко используется графика и удобный, чаще всего графический интерфейс. Это одна из областей, где ОО-модель оказалась наиболее впечатляющей и полезной. Разработчики должны иметь возможность использовать графические библиотеки для быстрого и эффективного построения интерактивных приложений.

Должны быть доступны повторно используемые классы для разработки приложений, обеспечивающих пользователей приятными графическими пользовательскими интерфейсами.

Механизмы эволюции библиотек

Разработка высококачественных библиотек - долгая и трудная задача. Невозможно гарантировать, что построенные библиотеки сразу будут совершенными. Следовательно, важной проблемой является обеспечение разработчиков библиотеки возможностью обновлять и модифицировать их проекты, не нанося вреда существующим системам, основанным на библиотеках. Этот важный критерий эволюции мы отнесли к категории библиотек, но он относится также и к категории метода и языка.

Должны быть доступны механизмы, облегчающие эволюцию библиотек с минимальными нарушениями работы ПО клиентов.

Механизмы индексации в библиотеках

Еще одна насущная проблема библиотек - это необходимость механизмов идентификации классов для удовлетворения определенных нужд. Этот критерий затрагивает все три категории: библиотеки, язык (поскольку должен быть способ вводить индексирующую информацию в текст каждого класса) и инструментарий (для обработки запросов для классов, удовлетворяющих определенным условиям).

Библиотечные классы должны быть снабжены индексирующей информацией, допускающей поиск, основанный на свойствах.

Продолжение просмотра

Чтобы глубоко понять концепции, предпочтительно читать эту книгу последовательно, однако читатели, желающие дополнить данный теоретический обзор, могут, прежде чем идти дальше, посмотреть, как работает метод на практическом примере. Для этого следует обратиться к лекции 2 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", где рассматривается конкретная задача и сравнивается ОО-решение с решением, использующим традиционную технику.

Изучение этой лекции в основном самодостаточно, так что вы сможете понять решение, не читая промежуточные лекции. Но если вы заглянете туда, то должны обещать вернуться назад, чтобы продолжить изучения материала последовательно, начиная с лекции 3.

Библиографические ссылки и объектные ресурсы

Введение в ОО-критерии - это то место, где стоит привести список работ, дающих хорошие введения в объектную технологию в целом.

[Walden 1995] обсуждает самые важные проблемы объектной технологии, обращая особое внимание на анализ и проектирование, эта книга является, вероятно, лучшим справочным руководством по этому вопросу.

[Page-Jones 1995] дает отличный обзор метода.

[Cox 1990] (первое издание относится к 1986 году) основывается на несколько другом взгляде на объектную технологию; книга послужила распространению ОО-концепций среди широкой публики.

[Henderson-Sellers 1991] (второе издание готовится) дает краткий обзор ОО-идей. Книга предназначена для людей, которых их компания просит "пойти и посмотреть, что это такое объектное программирование", содержит готовые для копирования диапозитивные оригиналы, в некоторых случаях очень ценные. Еще один обзор - это [Eliens 1995].

Словарь Объектной Технологии [Firesmith 1995] дает обширный справочный материал по многим аспектам метода.

Все эти книги в различной степени адресованы людям с техническими наклонностями. Существует также необходимость обучать менеджеров.

Книга [M 1995] выросла из лекции, первоначально предназначенной для данной книги, и стала полноправной книгой, в которой объектная технология обсуждается с позиций управляющего персонала. Она начинается небольшой технической презентацией, использующей профессиональные термины, и далее дает анализ вопросов менеджмента (жизненный цикл, управление проектами, политика повторного использования). Еще одна книга с управленческим уклоном, [Goldberg 1995], дает дополнительную перспективу многих важных тем. [Baudoin 1996] делает акцент на вопросах жизненного цикла и важности стандартов.

Возвращаясь к техническим презентациям, три важных книги по ОО-языкам, написанные создателями этих языков, содержат общие методологические обсуждения, делающие их интересными даже для тех читателей, которые не используют эти языки или даже, возможно, неодобрительно к ним относятся. История языков программирования и книг о них показывает, что создатели не всегда наилучшим образом пишут о своих созданиях, но в этом случае они сделали это хорошо. Это книги:

[x]. Simula BEGIN [Birtwistle 1973] (еще два автора являются создателями языка - Nygaard и Dahl.)

[x]. Smalltalk-80: Язык и его реализация [Goldberg 1983].

[x]. Язык программирования C++, второе издание [Stroustrup 1991].

Совсем недавно некоторые начальные учебники по программированию стали использовать ОО-идеи с самого начала, поскольку нет причин позволять "онтогенезу повторять филогенез". Нет необходимости, чтобы бедные студенты, как их предшественники, прошли через всю историю колебаний и ошибок, пока не доберутся до правильных идей. Первый такой текст (насколько я знаю) был [Rist 1995]. Другая хорошая книга, отвечающая тем же потребностям - это [Wiener 1996]. На следующем уровне - учебники для второго курса по программированию. Обсуждение структур данных и алгоритмов, основанное на нотации этой книги - вы найдете в [Gore 1996] и [Wiener 1997]; [Jezequel 1996] представляет принципы ОО-инженерии ПО. Преподавание технологии обсуждается также в лекции 11 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".

Группа новостей Usenet comp.object, на нескольких сайтах сети, является естественной площадкой обсуждения многих вопросов объектной технологии. Как и все подобные форумы, это смесь хорошего, плохого и ужасного. Раздел Объектной Технологии в Computer (IEEE), который я редактирую с его начала в 1995 году, часто помещает колонки ведущих экспертов.

Журналы, посвященные Объектной Технологии:

[x]. Journal of Object-Oriented Programming (первый журнал в этой области, в центре которого технические обсуждения, но они предназначены для широкой публики), Object Magazine (более общего диапазона, с некоторыми статьями для менеджеров), Objekt Spektrum (на немецком языке), Object Currents (онлайн), адрес http://www.sigs.com.

[x]. Theory and Practice of Object Systems, архивный журнал.

[x]. L'OBJET (на французском языке), адрес http://www.tools.com/lobjet.

Основные международные конференции по объектному ориентированию:

OOPSLA (ежегодная, USA или Canada, см. http://www.acm.org); Object Expo (различное время и разные места, см. http://www.sigs.com); и TOOLS (Технология ОО-языков и систем), организуемая ISE три раза в год (USA, Europe, Pacific), см. материалы по адресу: http://www.tools.com, также является общим ресурсом объектной технологии и вопросов, обсуждаемых в этой книге.

Лекция 3. Модульность

В лекциях 3-6 будут рассмотрены требования к разработке программного продукта, которые почти наверняка приведут нас к объектной технологии.

Второе [из правил, которые я решил твердо соблюдать] - делить каждую из рассматриваемых мною трудностей на столько частей, сколько потребуется, чтобы лучше их разрешить.

Третье - располагать свои мысли в определенном порядке, начиная с предметов простейших и легко познаваемых, и восходить мало-помалу, как по ступеням, до познания наиболее сложных, допуская существование порядка даже среди тех, которые в естественном ходе вещей не предшествуют друг другу.

Рене Декарт, "Рассуждения о методе" (1637)

Пять критериев

Чтобы обеспечить расширяемость (extendibility) и повторное использование (reusability), двух основных факторов качества, предложенных в лекции 1, необходима система с гибкой архитектурой, состоящая из автономных программных компонент. Именно поэтому в лекции 1 введен термин модульность (modularity), сочетающий оба фактора.

Модульное программирование ранее понималось как сборка программ из небольших частей, обычно подпрограмм. Но такой подход не может обеспечить реальную расширяемость и повторное использование программного продукта, если не гарантировать, что элементы сборки - модули - являются самодостаточными и образуют устойчивые структуры. Любое достаточно полное определение модульности должно обеспечивать реализацию этих свойств.

Таким образом, метод проектирования программного продукта является модульным, если он помогает проектировщикам создать систему, состоящую из автономных элементов с простыми и согласованными структурными связями между ними. Цель этой лекции - детализация этого неформального определения и выяснение того, какими конкретно свойствами должен обладать метод, заслуживающий название "модульного". Наше внимание будет сосредоточено на этапе проектирования, но все идеи применимы и к ранним этапам - анализа и спецификации, также как и к этапам разработки и сопровождения.

Рассмотрим модульность с разных точек зрения. Введем набор дополнительных свойств: пять критериев (criteria), пять правил (rules) и пять принципов (principles) модульности, обеспечивающих при их совместном использовании выполнение наиболее важных требований, предъявляемых к методу модульного проектирования.

Для практикующего разработчика ПО принципы и правила не менее важны, чем критерии. Различие лишь в причинной связи: критерии являются взаимно независимыми (метод может удовлетворять одному из них и в тоже время противоречить оставшимся), в то время как правила следуют из критериев, а принципы следуют из правил.

Можно было бы ожидать, что эта лекция начнется с подробного описания того, как выглядит модуль. Но это не так, и для этого есть серьезные основания. Задача этой и двух следующих лекций - анализ свойств, которыми должна обладать надлежащим образом спроектированная модульная структура. Вопросом о виде модулей мы займемся в конце нашего обсуждения, а не в его начале. И пока мы не дойдем до этой точки, слово "модуль" будет означать компонент разбиения рассматриваемой системы. Если вы знакомы с не ОО-методами, то, вероятно, вспомните о подпрограммах, имеющихся в большинстве языков программирования и проектирования, или, быть может, о пакетах (packages) языка Ada и (правда, под другим названием) языка Modula. Наконец, в последующих лекциях наше обсуждение приведет к ОО-виду модуля - классу. Даже если вы уже знакомы с классами и ОО-методами, все же следует прочитать эту лекцию для понимания требований, предъявляемых к классам, - это поможет правильному их конструированию.

Метод проектирования, который можно называть "модульным", должен удовлетворять пяти основным требованиям:

[x]. Декомпозиции (decomposability).

[x]. Композиции (composability).

[x]. Понятности (understandability).

[x]. Непрерывности (continuity).

[x]. Защищенности (protection).

Декомпозиция

Метод проектирования удовлетворяет критерию Декомпозиции, если он помогает разложить задачу на несколько менее сложных подзадач, объединяемых простой структурой, и настолько независимых, что в дальнейшем можно отдельно продолжить работу над каждой из них.

Такой процесс часто будет циклическим, поскольку каждая подзадача может оказаться достаточно сложной и потребует дальнейшего разложения.

Рис. 3.1.  Декомпозиция

Следствием требования декомпозиции является разделение труда (division of labor): как только система будет разложена на подсистемы, работу над ними следует распределить между разными разработчиками или группами разработчиков. Это трудная задача, так как необходимо ограничить возможные взаимозависимости между подсистемами:

[x]. Необходимо свести такие взаимозависимости к минимуму; в противном случае разработка каждой из подсистем будет ограничиваться темпами работы над другими подсистемами.

[x]. Эти взаимозависимости должны быть известны: если не удастся составить перечень всех связей между подсистемами, то после завершения разработки проекта будет получен набор элементов программы, которые, возможно, будут работать каждая в отдельности, но не смогут быть собраны вместе в завершенную систему, удовлетворяющую общим требованиям к исходной задаче.

Наиболее очевидным примером обсуждаемого метода3.1), удовлетворяющим критерию декомпозиции, является метод нисходящего (сверху вниз) проектирования (top-down design). В соответствии с этим методом разработчик должен начать с наиболее абстрактного описания функции, выполняемой системой. Затем последовательными шагами детализировать это представление, разбивая на каждом шаге каждую подсистему на небольшое число более простых подсистем до тех пор, пока не будут получены элементы с настолько низким уровнем абстракции, что становится возможной их непосредственная реализация. Этот процесс можно представить в виде дерева.

Рис. 3.2.  Иерархия нисходящего проектирования

Типичным контрпримером (counter-example) является любой метод, предусматривающий включение в разрабатываемую систему модуля глобальной инициализации. Многие модули системы нуждаются в инициализации - открытии файлов или инициализации переменных.

Каждый модуль должен произвести эту инициализацию до начала выполнения непосредственно возложенных на него операций. Могло бы показаться, что все такие действия для всех модулей системы неплохо сосредоточить в одном модуле, который проинициализирует сразу все для всех. Подобный модуль будет обладать хорошей "согласованностью во времени" (temporal cohesion) в том смысле, что все его действия выполняются на одном этапе работы системы. Однако для получения такой "согласованности во времени", придется нарушать автономию других модулей. Придется модулю инициализации дать право доступа ко многим структурам данных, принадлежащим различным модулям системы и требующим специфических действий по их инициализации. Это означает, что автор модуля инициализации должен будет постоянно следить за структурами данных других модулей и взаимодействовать с их авторами. А это несовместимо с критерием декомпозиции.

Термин "согласованность во времени" пришел из метода, известного как структурное проектирование (см. комментарии к библиографии).

В объектно-ориентированном методе каждый модуль должен самостоятельно инициализировать свои структуры данных.

Модульная Композиция

Метод удовлетворяет критерию Модульной Композиции, если он обеспечивает разработку элементов программного продукта, свободно объединяемых между собой для получения новых систем, быть может, в среде, отличающейся от той, для которой эти элементы первоначально разрабатывались.

Композиция определяет процесс, обратный декомпозиции: элементы программного продукта извлекаются из того контекста, для которого они были первоначально предназначены, для использования их вновь в ином контексте.

Рис. 3.3.  Композиция

Метод модульного проектирования облегчает этот процесс, создавая автономные элементы программного продукта достаточно независимыми от первоначально поставленной задачи, что делает такое извлечение возможным.

Композиция непосредственно связана с повторным использованием. Этот критерий отражает старую мечту - превратить процесс конструирования программного продукта в работу по складыванию кубиков так, чтобы строить программы из фабрично изготовленных элементов.

[x]. Пример 1: Библиотеки подпрограмм. Библиотеки подпрограмм создаются как наборы компонуемых элементов. Одной из областей, где они успешно используются, являются численные вычисления, основанные на тщательно подготовленных библиотеках подпрограмм для решения задач линейной алгебры, метода конечных элементов, дифференциальных уравнений и др.

[x]. Пример 2: Соглашения, принятые в командном языке Shell операционной системы UNIX. Основные команды системы UNIX оперируют с входным потоком последовательных символов и выдают результат, имеющий такую же стандартную структуру. Потенциальная возможность композиции поддерживается оператором | командного языка "Shell". Запись A | B означает композицию программ. Вначале запускается программа A, ее результаты поступают на вход программы B, начинающей свою работу по завершении работы программы А. Такое системное соглашение благоприятствует композиции программных средств.

[x]. Контрпример: Препроцессоры. Общепринятым способом расширения языка программирования, а иногда и преодоления его недостатков, является использование "препроцессора", принимающего входные данные в расширенном синтаксисе и отображающего их в стандартной для этого языка форме. Типичные препроцессоры для Fortran'а и C поддерживают графические примитивы, расширенные управляющие структуры или операции над базами данных. Однако обычно такие расширения не являются взаимно совместимыми; что не позволяет сочетать два таких препроцессора, и приходится выбирать между, например, графикой или базой данных.

Композиция не зависит от декомпозиции. Фактически эти критерии часто противоречат друг другу. Например, метод нисходящего проектирования, удовлетворяющий, как уже было показано, критерию декомпозиции, обычно приводит к созданию таких модулей, которые нелегко сочетать с модулями, полученными из других источников. При такой декомпозиции модули обычно тесно связаны с теми специфическими требованиями, которые привели к их разработке, и не могут быть приспособлены к использованию в других условиях. Метод нисходящего проектирования не дает рекомендаций по разработке модулей, удовлетворяющих общим требованиям. В нем нет средств такой разработки, он не позволяет ни избежать, ни хотя бы обнаружить программную избыточность модулей, получаемых в различных частях иерархии.

Как композиция, так и декомпозиция являются частью требований к модульному методу проектирования. Неизбежна смесь двух подходов к проектированию: сверху-вниз и снизу-вверх. На этот принцип дополнительности обратил внимание Рене Декарт почти четыре столетия тому назад, как видно из сопоставления двух правил его Рассуждений, приведенных в эпиграфе этой лекции.

Модульная Понятность

Метод удовлетворяет критерию Модульной Понятности, если он помогает получить такую программу, читая которую можно понять содержание каждого модуля, не зная текста остальных, или, в худшем случае, ознакомившись лишь с некоторыми из них.

Важность этого критерия следует из его влияния на процесс сопровождения программного продукта. Почти все действия по сопровождению программы, как неизбежные, так и не столь неизбежные, связаны с глубоким пониманием ее элементов. Метод едва ли может называться модульным, если тот, кто читает программный текст, не в состоянии понять его смысл.

Рис. 3.4.  Понятность

Этот критерий, подобно четырем остальным, применим к модулям при описании системы на любом уровне: анализа, проектирования, реализации.

[x]. Контрпример: последовательные зависимости. Предположим, что некоторые модули спроектированы таким образом, что они будут правильно функционировать лишь при их запуске в определенном заранее предписанном порядке. Например, B может работать надлежащим образом лишь при запуске его после A и перед C, возможно потому, что эти модули предназначены для использования в "конвейере" Unix, упоминавшемся ранее: A | B | C. В таком случае, по-видимому, трудно понять как работает B, не понимая работу A и C.

В последующих лекциях критерий модульной понятности поможет при рассмотрении двух важных вопросов: как документировать многократно используемые компоненты и как их индексировать, чтобы разработчики программного продукта могли без труда обращаться к ним путем соответствующего запроса. В соответствии с этим критерием информация о компоненте, полезная для документирования или поиска, должна, насколько это возможно, содержаться в тексте самого компонента, тогда средства документирования, индексации или поиска смогут обработать этот компонент и получить требуемую информацию.

Наличие нужной информации в каждом компоненте предпочтительнее хранения ее где-либо в другом месте, например в базе данных для хранения информации о компонентах.

Модульная Непрерывность

Метод удовлетворяет критерию Модульной Непрерывности, если незначительное изменение спецификаций разработанной системы приведет к изменению одного или небольшого числа модулей.

Этот критерий непосредственно связан с критерием расширяемости. Как подчеркивалось в предыдущей лекции, внесение изменений является неотъемлемой частью процесса разработки программного продукта. Соответствующие требования к программе будут неминуемо изменяться в ходе разработки. Непрерывность означает, что небольшие изменения будут воздействовать только на отдельные модули в структуре системы, а не на всю систему.

Термин "непрерывность" предлагается по аналогии с понятием непрерывной функции в математическом анализе. Математическая функция является непрерывной, если (неформально) малое изменение аргумента приводит к пропорционально малому изменению результата. В нашем случае роль функции играет метод конструирования программного продукта, который может рассматриваться как механизм, получающий на входе спецификации и возвращающий в качестве результата систему, удовлетворяющую заданным требованиям:

Метод_конструирования_ПО: Спецификации -> Система

Рис. 3.5.  Непрерывность

Этот математический термин введен здесь лишь по аналогии, поскольку не существует формального понятия размера спецификации и программы. Можно было бы ввести приемлемую меру для определения "небольших" или "больших" изменений программы, но дать подобное определение для спецификаций к программе это уже настоящая проблема. Однако если не претендовать на строгость, то такое интуитивно понятное определение будет соответствовать необходимому требованию к любому модульному методу.

[x]. Пример 1:именованные константы3.2). Разумный стиль не допускает в программе констант, заданных литералами. Вместо этого следует пользоваться именованными константами, значения которых даются в их определениях (constant в языках Pascal или Ada, макрокоманды препроцессоров в языке C, PARAMETER в языке Fortran 77, атрибуты констант в обозначениях этого курса). Если значение изменяется, то следует лишь внести единственное изменение в определение константы. Это простое, но важное правило является разумной мерой обеспечения непрерывности, потому что значения констант, несмотря на их название, довольно часто могут изменяться.

[x]. Пример 2: принцип Унифицированного Доступа. Еще одно правило требует единой нотации при вызове свойств объекта независимо от того, представляют они обычные или вычислимые поля данных.

[x]. Контрпример 1: использование физического представления информации. Метод, в котором разрабатываемые программы согласуются с физической реализацией данных, будет приводить к конструкциям, весьма чувствительным к незначительным изменениям окружения.

[x]. Контрпример 2: статические массивы. Такие языки, как Fortran или стандартный Pascal, в которых не допускаются динамические массивы, границы которых становятся известными лишь во время выполнения программы, существенно усложняют развитие системы.

Модульная Защищенность

Метод удовлетворяет критерию Модульной Защищенности, если он приводит к архитектуре системы, в которой аварийная ситуация, возникшая во время выполнения модуля, ограничится только этим модулем, или, в худшем случае, распространится лишь на несколько соседних модулей.

Вопрос об отказах и ошибках является основным в программной инженерии. Сейчас речь идет об ошибках периода исполнения программы, связанных с аппаратными прерываниями, ошибочными входными данными или исчерпанием необходимых ресурсов (например, из-за недостаточного объема памяти). Критерий защищенности направлен не на предотвращение или исправление ошибок, а на проблему, непосредственно связанную с модульностью - распространением ошибок в модульной системе.

Рис. 3.6.  Нарушение защищенности

[x]. Пример: проверка достоверности входных данных в источнике. Метод, требующий от каждого модуля, вводящего данные, проверку их достоверности, пригоден для реализации модульной защищенности.3.3)

[x]. Контрпример: недисциплинированные (undisciplined) исключения. (Об обработке исключений см. лекцию 12) Такие языки как PL/I, CLU, Ada, C++ и Java поддерживают понятие исключения (exception). Исключение это ситуация, при которой программа не может нормально выполняться. Исключение "возбуждается" ("raised") некоторой командой модуля, и в результате операционной системе посылается специальный сигнал. Обработчик исключения (exception handler) может находиться в одном или нескольких модулях, расположенных в, возможно, удаленной части системы. Детали этого механизма отличаются в разных языках программирования; Ada или CLU являются более строгими в этом отношении, чем PL/I. Такие средства контроля ошибок позволяют отделить алгоритмы для обычных случаев от алгоритмов обработки ошибок. Но ими следует пользоваться осторожно, чтобы не нарушить модульную защищенность. В лекции 12, посвященной исключениям, рассматривается проектирование дисциплинированного (disciplined) механизма исключений, удовлетворяющего критерию защищенности.

Пять правил

Из рассмотренных критериев следуют пять правил, которые должны соблюдаться, чтобы обеспечить модульность:

[x]. Прямое отображение (Direct Mapping).

[x]. Минимум интерфейсов (Few Interfaces).

[x]. Слабая связность интерфейсов (Small interfaces - weak coupling).

[x]. Явные интерфейсы (Explicit Interfaces).

[x]. Скрытие информации (инкапсуляция) (Information Hiding).

Первое правило касается отношения между внешней системой и ПО. Следующие четыре правила касаются общей проблемы - как модули общаются между собой. Для получения хорошей модульной архитектуры необходим управляемый и строгий метод обеспечения межмодульных связей.

Прямое отображение

Любая прикладная система стремится удовлетворить потребности некоторой проблемной области. Если имеется хорошая модель для описания этой проблемной области, то желательно обеспечить четкое отображение структуры проблемы описываемой моделью на структуру системы. Из этого следует первое правило:

Модульная структура, создаваемая в процессе конструирования ПО, должна оставаться совместимой с модульной структурой, создаваемой в процессе моделирования проблемной области.

Эта рекомендация следует, в частности, из двух критериев модульности:

[x]. Непрерывность: отслеживание модульной структуры проблемы в структуре решения облегчит оценку и ограничит последствия изменений.

[x]. Декомпозиция: если уже была проделана некоторая работа по анализу модульной структуры проблемной области, то это может явиться хорошей отправной точкой для разбиения программы на модули.

Минимум интерфейсов

Правило Минимума Интерфейсов ограничивает общее число информационных каналов, связывающих модули системы:

Каждый модуль должен поддерживать связь с возможно меньшим числом других модулей.

Связь между модулями может осуществляться различными способами. Модули могут вызывать друг друга (если они являются процедурами), совместно использовать структуры данных и так далее. Правило Минимума Интерфейсов ограничивает число таких связей.

Рис. 3.7.  Виды структур межмодульных связей

В системе, составленной из n модулей, число межмодульных связей должно быть намного ближе к минимальному значению n-1, как показано на рисунке (A), чем к максимальному n (n - 1)/2, как показано на рисунке (B).

Это правило следует, в частности, из критериев непрерывности и защищенности: если между модулями имеется слишком много взаимосвязей, то влияние изменения или ошибки может распространиться на большое число модулей. Оно также имеет отношение к критериям композиции (чтобы модуль мог использоваться в новой программной среде, он не должен зависеть от слишком большого числа других модулей), понятности и декомпозиции.

Вариант (A) на последнем рисунке показывает, как добиться минимального числа связей, n-1, с помощью весьма централизованной структуры: один основной модуль, а все остальные общаются только с ним. Но имеются намного более "демократические" структуры, такие как (C), содержащие почти такое же число связей. В этой схеме каждый модуль непосредственно общается с двумя ближайшими соседями, центральной власти здесь нет. Такой подход к конструированию программы кажется сначала немного неожиданным, поскольку он не согласуется с традиционной моделью нисходящего проектирования. Но он может приводить к надежным, расширяемым решениям. Это именно такой вид структуры, к созданию которой будет стремиться ОО-метод при его разумном применении.

Слабая связность интерфейсов

Правило Слабой связности интерфейсов относится к размеру передаваемой информации, а не к числу связей:

Если два модуля общаются между собой, то они должны обмениваться как можно меньшим объемом информации.

Инженер-электрик сказал бы, что каналы связи между модулями должны иметь ограниченную полосу пропускания:

Рис. 3.8.  Канал связи между модулями

Требование Слабой связности интерфейсов следует, в частности, из критериев непрерывности и защищенности.

Особо примечательным контрпримером является конструкция из языка Fortran, знакомая некоторым читателям как "общий блок для мусора" ("garbage common block"). Общим блоком в Fortran'е является директива вида:

COMMON /общее_имя/ переменная1 : переменнаяn.

Переменные, перечисленные в блоке, доступны во всех модулях, содержащих директиву COMMON с тем же общим_именем. Нередко встречаются программы на Fortran'е, в которых каждый модуль содержит одну и ту же огромную директиву COMMON с перечислением всех существенных переменных и массивов, так что каждый модуль может непосредственно обращаться к любым данным программы.

Возникающие здесь затруднения состоят в том, что любой из модулей может неправильно использовать общие данные, а модули тесно связаны между собой; поэтому проблемы реализации непрерывности (распространение изменений) и защищенности (распространение ошибок) являются чрезвычайно трудно разрешимыми. Тем не менее, эта освященная годами техника все еще остается любимой многими программистами, хотя и ведет к длительным ночным отладочным бдениям.

Разработчики, пользующиеся языками с вложенными структурами, испытывают такие же затруднения. При наличии блочной структуры, введенной в языке Algol и поддерживаемой, в более ограниченной форме, в языке Pascal, можно "вкладывать" блоки, содержащиеся внутри пар begin ... end, внутрь других блоков. К тому же каждый блок может вводить свои собственные переменные, которые имеют смысл лишь в синтаксическом контексте (syntactic scope) этого блока. Например:

local -- Начало блока B1

x, y: INTEGER

do

... Команды блока B1 ...

local -- Начало блока B2

z: BOOLEAN

do

... Команды блока B2 ...

end -- Конец блока B2

local -- Начало блока B3

y, z: INTEGER

do

... Команды блока B3 ...

end -- Конец блока B3

... Команды блока B1 (продолжение) ...

end -- Конец блока B1

Переменная x доступна для всех команд в этом фрагменте программы, в то время как области действия двух переменных с именем z (одна типа BOOLEAN, другая типа INTEGER) ограничены блоками B2 и B3 соответственно. Подобно x, переменная y объявлена на уровне блока B1, но ее область действия не включает блока B3, где другая переменная с тем же именем и тем же типом локально имеет приоритет над самой ближней внешней переменной y. В Pascal'е этот вид блочной структуры существует лишь для блоков, связанных с подпрограммами (процедурами и функциями).3.4)

При наличии блочной структуры, эквивалентом "мусорного" общего блока Fortran'а является объявление всех переменных на самом верхнем (глобальном) уровне. В языках на основе языка С таким эквивалентом является объявление всех переменных внешними (external). (О кластерах см. лекции 10 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования". Альтернатива вложенности рассматривается в разделе "Архитектурная роль выборочного экспорта (selective exports)".)

Использование блочной структуры является оригинальной идеей, но это может приводить к нарушению правила Слабой связности Интерфейсов. По этой причине мы будем воздерживаться от применения ее в объектно-ориентированной нотации, развиваемой далее в этом курсе. Язык Simula - объектно-ориентированная производная от Algol'а - поддерживает блочную структуру классов. Опыт работы с ним показал, что способность создавать вложенные классы является излишней при наличии некоторых возможностей, обеспечиваемых механизмом наследования. Структура объектно-ориентированного программного обеспечения содержит три уровня: система является набором кластеров; кластер является набором классов; класс является набором компонент (атрибутов (attributes) и методов (routines)). Кластеры скорее организационное средство, чем лингвистическая конструкция, могут быть вложенными, что позволяет руководителю проекта структурировать большую систему на любое необходимое число уровней; но классы, как и компоненты, имеют одноуровневую плоскую (flat) структуру, поскольку вложенность на любом из этих уровней приведет к излишнему усложнению.

Явные интерфейсы

Четвертое правило является еще одним шагом к укреплению тоталитарного режима в обществе модулей: требуется не только, чтобы любые переговоры ограничивались лишь несколькими участниками и были немногословными; необходимо, чтобы такие переговоры были публичными и гласными!

Всякое общение двух модулей A и B между собой должно быть очевидным и отражаться в тексте A и/или B.

За этим правилом стоят критерии:

[x]. Декомпозиции и композиции. Если нужно разложить модуль на несколько подмодулей или компоновать его с другими модулями, то любая внешняя связь должна быть ясно видна.

[x]. Непрерывности. Должно быть очевидно, какие элементы могут быть затронуты возможным изменением.

[x]. Понятности. Как можно истолковывать действие модуля A, если на его поведение может косвенным образом влиять модуль B?

Одной из проблем, возникающих при применении правила Явных Интерфейсов, является то, что межмодульная связь может осуществляться не только через вызов процедуры; источником косвенной связи может быть, например, совместное использование данных (data sharing):

Рис. 3.9.  Совместное использование данных

Предположим, что модуль A изменяет данные, а модуль B использует тот же элемент данных x. Тогда A и B оказываются фактически связанными через x, хотя между ними может и не быть явной взаимосвязи, например, вызова процедуры.

Скрытие информации

Правило Скрытия Информации можно сформулировать следующим образом:

Разработчик каждого модуля должен выбрать некоторое подмножество свойств модуля в качестве официальной информации о модуле, доступной авторам клиентских модулей.

Применение этого правила означает, что каждый модуль известен всем остальным (то есть разработчикам других модулей) через некоторое официальное описание, или так называемые общедоступные (public) свойства.

Конечно, таким описанием может быть весь текст модуля (текст программы, текст проекта): он и обеспечивает правильное представление о модуле, поскольку это и есть модуль! Но правило Скрытия Информации устанавливает, что в общем случае это не обязательно: описание должно включать лишь некоторые из свойств модуля. Остальные свойства должны оставаться не общедоступными, или закрытыми (секретные) (secret). Вместо терминов - общедоступные и закрытые свойства - используются также термины: экспортируемые и частные (скрытые) (private) свойства. Общедоступные свойства модуля известны также как интерфейс (interface) модуля (не следует путать с пользовательским интерфейсом системы программирования).

В основе правила Скрытия Информации лежит критерий непрерывности. Предположим, что в некотором модуле происходят изменения, касающиеся лишь его скрытых элементов и не затрагивающие общедоступных свойств; тогда на другие обращающиеся к нему модули, называемые его клиентами, эти изменения не подействуют. Чем меньше общедоступная часть, тем больше шансов на то, что изменения в модуле будут содержаться в его скрытой части.

Можно изобразить модуль, поддерживающий правило Скрытия Информации, в виде айсберга; лишь его верхушка - интерфейс - видна клиентам.

Рис. 3.10.  Модуль в условиях скрытия информации

В качестве характерного примера рассмотрим процедуру поиска по ключу атрибутов, хранящихся в таблице, такой как картотека личного состава или таблица идентификаторов компилятора. Эта процедура существенно зависит от способа представления таблицы - последовательный массив или файл, хэш-таблица, двоичное или индексное (B-Tree) дерево и т.д. Скрытие информации означает, что выбранный способ реализации таблицы не влияет на использование такой процедуры. Модули-клиенты не должны страдать от каких-либо изменений в реализации программы.

Правило скрытия информации придает особое значение отделению описания функции от ее реализации, - что делает функция и как она это делает - разные вещи. Помимо критерия непрерывности, это правило связано также с критериями декомпозиции, композиции и понятности. Нельзя независимо разрабатывать модули системы, комбинировать существующие модули или понимать действие отдельных модулей, если неизвестно в точности, что каждый из них может (или не может) ожидать от других модулей.

Какие же из свойств модуля должны быть общедоступными, а какие - скрытыми? Как правило, в общедоступную часть следует включать функциональность, заданную спецификацией модуля, а все, что связано с реализацией этих функциональных возможностей, должно быть скрыто, предохраняя другие модули от последующих изменений реализации программы.

Однако эта рекомендация является нечеткой, так как не дано определение спецификации (specification) и реализации (implementation). Действительно, можно поддаться искушению, изменив определение на прямо противоположное, и утверждать, что спецификация состоит из общедоступных свойств модуля, а реализация - из его скрытых свойств! ОО-подход обеспечит намного более точные рекомендации на основе теории абстрактных типов данных.(См. лекцию 6, в частности "Абстрактные типы данных и скрытие информации".)

Для понимания смысла скрытия информации и применения этого правила должным образом, важно избежать широко распространенного неверного толкования. Несмотря на свое название, скрытие информации не означает защиты информации в смысле обеспечения секретности - запрещения авторам модулей-клиентов доступа к тексту модуля-поставщика (supplier module). На самом деле авторы модулей-клиентов имеют доступ ко всем интересующим их подробностям. В некоторых случаях было бы разумно запретить им это, но такое решение, которое, конечно, может принять руководство проекта, не следует из правила скрытия информации. Скрытие информации, как техническое требование, означает лишь, что модули-клиенты (независимо от того, разрешен ли их авторам доступ к скрытым свойствам модулей-источников) должны рассчитывать только на общедоступные свойства модуля-поставщика. Точнее говоря, должно быть невозможным создание клиентских модулей, правильное функционирование которых зависело бы от скрытой информации.

При формальном подходе к разработке программного обеспечения это определение можно было бы сформулировать следующим образом. Для доказательства корректности модуля необходимо сделать некоторые допущения о свойствах его модулей-поставщиков. Скрытие информации означает, что доказательство может основываться лишь на общедоступных свойствах поставщиков и никоим образом - на их скрытых свойствах.

Рассмотрим вновь пример модуля, обеспечивающего реализацию алгоритма поиска в таблице. Некоторый модуль-клиент, который может быть частью системы, реализующей работу с электронными таблицами, обращается к нашему модулю для поиска в таблице определенного элемента. Предположим далее, что наш алгоритм поиска основан на реализации дерева двоичного поиска, но это его свойство является скрытым - и не отражено в интерфейсе. Автор модуля поиска в таблице может сам решать, сообщать ли автору программы электронных таблиц то, как реализован алгоритм поиска. Это решение относится к управлению проектом или, возможно (в случае серийно выпускаемого программного обеспечения), является решением на уровне маркетинга; так или иначе, это не связано с вопросами скрытия информации.

Скрытие информации означает нечто другое: даже если автор программы электронных таблиц знает о том, что поиск основан на дереве двоичного поиска, ему не следует составлять такой модуль-клиент, который правильно функционирует лишь при этой реализации поиска - и перестанет работать при замене алгоритма поиска на какой-либо другой, например, на поиск с хешированием.

Одной из причин вышеупомянутого недопонимания является сам термин "скрытие информации" ("information hiding"), который наводит на мысль о защите физического характера. В этом смысле предпочтительным, по-видимому, мог бы явиться термин "инкапсуляция" ("encapsulation"), иногда используемый в качестве синонима скрытию информации, однако в нашем обсуждении будет по-прежнему использоваться общий термин "скрытие информации".

Из этого обсуждения следует, что ключом к скрытию информации являются не решения по организации доступа к исходному тексту модуля в рамках управления проектом или маркетинговой политики, а строгие языковые правила, определяющие, какие права на доступ к модулю следуют из свойств его источника. В следующей лекции показано, что первые шаги в этом направлении реализованы в таких "языках с инкапсуляцией" как Ada и Modula-2. Объектно-ориентированная технология программирования приведет к более полному решению проблемы.3.5)

Пять принципов

Из предыдущих правил и, косвенным образом, из критериев следуют пять принципов конструирования ПО:

[x]. Принцип Лингвистических Модульных Единиц (Linguistic Modular Units).

[x]. Принцип Самодокументирования (Self-Documentation).

[x]. Принцип Унифицированного Доступа (Uniform Access).

[x]. Принцип Открыт-Закрыт (Open-Closed).

[x]. Принцип Единственного выбора (Single Choice).

Лингвистические Модульные Единицы

Принцип Лингвистических Модульных Единиц утверждает, что формализм описания ПО на различных уровнях (спецификации, проектирования, реализации) должен поддерживать модульность:

Принцип Лингвистических Модульных Единиц

Модули должны соответствовать синтаксическим единицам используемого языка.

Упомянутым выше языком может быть язык программирования, язык проектирования, язык оформления технических требований и т. д. В случае языка программирования модули должны независимо компилироваться.

Этот принцип на любом уровне (анализа, проектирования, реализации) не допускает объединения метода, исходящего из концепции модульности, и языка, не содержащего соответствующих модульных конструкций. В самом деле, нередко встречаются фирмы, которые на этапе проектирования применяют некие методологические подходы, например используя модули языка Ada, но затем реализуют свои замыслы в таком языке программирования, как Pascal или C, не поддерживающим эти подходы. Такой подход нарушает некоторые из критериев модульности:

[x]. Непрерывность: если границы модуля в окончательном тексте программы не соответствуют логической декомпозиции спецификации или проекта, то при сопровождении системы и ее эволюции будет затруднительно или даже невозможно поддерживать совместимость различных уровней. Изменение спецификации можно считать небольшим, если оно затрагивает спецификацию лишь небольшого числа модулей. Для обеспечения "непрерывности" должно иметь место прямое соответствие между спецификацией, проектом и модулями реализации.

[x]. Прямое отображение: необходимо поддерживать явное соответствие между структурой модели и структурой решения. Для этого необходимо иметь явную синтаксическую идентификацию концептуальных единиц модели и решения, отражающее разбиение, предусмотренное методом разработки.

[x]. Декомпозиция: для разбиения системы на отдельные задачи необходимо быть уверенным, что результатом решения каждой из задач явится четко ограниченная синтаксическая единица; на этапе реализации эти программные компоненты должны быть раздельно компилируемыми.

[x]. Композиция: что же, кроме модулей с однозначно определенными синтаксическими границами, можно объединять между собой?

[x]. Защищенность: лишь в случае, если модули синтаксически разграничены, можно надеяться на возможность контроля области действия ошибок.

Самодокументирование

Подобно правилу Скрытия Информации, принцип Самодокументирования определяет, как следует документировать модули:

Принцип Самодокументирования

Разработчик модуля должен стремиться к тому, чтобы вся информация о модуле содержалась в самом модуле.

Обычно реализации этого принципа мешает общепринятое положение, согласно которому информацию о модуле помещают в отдельные проектные документы.

Документация, рассматриваемая здесь, является внутренней документацией о компонентах ПО. Пользовательская документация о выпущенном программном продукте может быть отдельным документом, реализованном в виде печатного текста, либо размещенном на CD-ROM или страницах в Интернете. Как отмечалось при обсуждении вопроса о качестве программного обеспечения, следствием общего принципа самодокументирования является наблюдаемая сейчас тенденция к большему использованию средств диалоговой оперативной подсказки. (См."О документировании" лекция 1)

Наиболее очевидным обоснованием необходимости принципа Самодокументирования является критерий модульной понятности. По-видимому, однако, более важным является то, что этот принцип помогает реализации критерия непрерывности. Если программное обеспечение и документацию к нему рассматривать как отдельные объекты, то трудно гарантировать, что они будут оставаться совместимыми - будут синхронно изменяться при всех изменениях системы. Однако если хранить все в одном месте, то это, хотя и не дает полную гарантию, но все же поможет поддерживать совместимость.

Этот принцип, безобидный на первый взгляд, противоречит многому из того, что обычно рекомендуется к практическому применению в литературе по разработке ПО. Преобладает мнение, что разработчик ПО - инженер-программист - должен делать то, чем, по-видимому, обязаны заниматься остальные инженеры: производить килограмм бумаги на каждый грамм фактически создаваемой продукции. Предложение вести запись процесса разработки ПО является неплохим советом, но из этого вовсе не следует, что программа и документация к ней являются разными продуктами.

Такой подход игнорирует характерное свойство ПО, которое здесь неоднократно обсуждается: возможность его изменения. Если рассматривать программу и документацию к ней как два разных продукта, то вскоре можно оказаться в ситуации, когда в документации утверждается одно, а программа делает нечто иное. А ведь наличие неправильной документации намного хуже, чем ее отсутствие.

Главным достижением последних нескольких лет явилось появление стандартов качества ПО. Разработаны сертификаты ISO, стандарт "2167" и его преемники, Модель Полноты Потенциала (Capability Maturity Model), предложенная Институтом программной инженерии (Software Engineering Institute). Но поскольку они брали начало из моделей, используемых в других отраслях знания, они наделены обширным "хвостом" бумажной документации. Некоторые из этих стандартов могли бы оказать значительно большее влияние на качество ПО, (помимо того, что они дают администраторам программного продукта средство для оправданий в случае последующих эксплуатационных неполадок) если бы они включали принцип Самодокументирования.

В этом курсе следствием принципа Самодокументирования является метод документирования классов - модулей при ОО-конструировании ПО, предусматривающий включение документации в сам модуль. Это вовсе не означает, что сам модуль является своей документацией: текст программы обычно содержит слишком много подробностей (это и явилось доводом в пользу скрытия информации). Просто модуль должен содержать свою документацию. (См. "Использование утверждений класса (assertions) для документирования" в лекции 11. См. также лекция 5 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования" и последние два упражнения в ней.)

При таком подходе ПО превращается в единственный программный продукт, обеспечивающий его различные представления или облики (views). Один облик, пригодный для компиляции и выполнения, - полный исходный текст модуля. Другой - документация, задающая абстрактный интерфейс модуля, позволяющий разработчикам программного обеспечения создавать модули-клиенты, не знакомясь с содержанием исходного модуля, что соответствует правилу Скрытия Информации. Возможны и другие представления.

Унифицированный Доступ

Хотя вначале может показаться, что принцип Унифицированного Доступа направлен лишь на решение проблем, связанных с принятой нотацией, в действительности он задает правило проектирования, влияющее на многие аспекты ОО-разработки ПО. Принцип следует из критерия Непрерывности; его можно рассматривать и как частный случай правила Скрытия Информации.3.6)

Пусть x - имя, используемое для доступа к некоторому элементу данных, который в последующем будем называть объектом. Пусть f - имя компонента (feature), применимого к x. Под компонентом понимается некоторая операция; далее этот термин будет определен подробнее. Например, x может быть переменной, представляющей счет в банке, а f - компонент, задающий текущий баланс этого счета (account's current balance). Унифицированный Доступ направлен на решение вопроса о том, какой должна быть нотация, задающая применение f к x, не содержащая каких-либо преждевременных обязательств по способу реализации f.

Во многих языках проектирования и программирования выражение, описывающее применение f к x, зависит от реализации f, выбранной разработчиком. Это может быть свойство, хранимое вместе с x, или метод, вызываемый всякий раз, когда это требуется. В примере с банковскими счетами и остатками на счетах возможно использование обоих подходов:

[x]. A1 Можно представить баланс банковского счета в виде одного из полей записи, описывающей каждый счет. При использовании такого подхода каждая банковская операция, изменяющая баланс, должна предусматривать корректировку соответствующего поля.

[x]. A2 Можно определить функцию, вычисляющую баланс на основании других полей этой записи, например полей, представляющих списки денежных сумм, снятых со счета и внесенных на счет. При использовании такого подхода значение баланса не сохраняется, а вычисляется по запросу.

В общепринятой нотации таких языков, как Pascal, Ada, C, C++ и Java используется обозначение x.f для случая A1 и f(x) для случая A2.

Рис. 3.11.  Два представления банковского счета

Выбор между представлениями A1 и A2 это компромисс между "памятью и временем": первое экономит на вычислениях, а второе - на памяти. Решение о выборе одного из вариантов является типичным примером решения, изменяемого разработчиком, по крайней мере один раз за время существования проекта. Поэтому с целью поддержания непрерывности желательно иметь нотацию для доступа к компоненту, не зависящую от выбора одного из двух представлений. Если способ реализации x'ов на некотором этапе разработки проекта будет изменен, то это не потребует изменений в модулях, использующих вызов f.

Мы рассмотрели пример принципа Унифицированного Доступа. В общем виде принцип можно сформулировать так:

Принцип Унифицированного Доступа

Все службы, предоставляемые модулем, должны быть доступны в унифицированной нотации, которая не подведет вне зависимости от реализации, использующей память или вычисления.

Этому принципу удовлетворяют немногие языки. Старейшим из них был Algol W, в котором как вызов функции, так и доступ к полю записывались в виде a(x). Первым из ОО-языков, удовлетворяющих Принципу Унифицированного Доступа, был язык Simula 67, использовавший обозначение x.f в обоих случаях. Нотация, предлагаемая в лекциях 7-18 этого курса, будет поддерживать такое соглашение.

Открыт-Закрыт

Любой метод модульной декомпозиции должен удовлетворять принципу семафора: Открыт-Закрыт:

Принцип Открыт-Закрыт

Модули должны иметь возможность быть как открытыми, так и закрытыми.

Противоречие является лишь кажущимся, поскольку термины соответствуют разным целевым установкам:

[x]. Модуль называют открытым, если он еще доступен для расширения. Например, имеется возможность расширить множество операций в нем или добавить поля к его структурам данных.

[x]. Модуль называют закрытым, если он доступен для использования другими модулями. Это означает, что модуль (его интерфейс - с точки зрения скрытия информации) уже имеет строго определенное окончательное описание. На уровне реализации закрытое состояние модуля означает, что модуль можно компилировать, сохранять в библиотеке и делать его доступным для использования другими модулями (его клиентами). На этапе проектирования или спецификации закрытие модуля означает, что он одобрен руководством, внесен в официальный репозиторий утвержденных программных элементов проекта - базу проекта (project baseline), и его интерфейс опубликован в интересах авторов других модулей.

Необходимость закрывать модули и необходимость оставлять их открытыми вызываются разными причинами. Для разработчиков ПО естественным состоянием модуля является его открытость, поскольку почти невозможно заранее предусмотреть все элементы - данные, операции - которые могут потребоваться в процессе создания модуля. Поэтому разработчики стараются сохранять гибкость ПО, допускающую последующие изменения и дополнения. Но необходимо, особенно с точки зрения руководителя проекта, закрывать модули. В системе, состоящей из многих модулей, большинство модулей зависимы. Например, модуль интерфейса пользователя может зависеть от модуля синтаксического разбора (parsing module) - синтаксического анализатора и от модуля графики. Синтаксический анализатор может зависеть от модуля лексического анализа, и так далее. Если не закрывать модуль до тех пор, пока не будет уверенности, что он уже содержит все необходимые компоненты, то невозможно будет завершить разработку многомодульной программы: каждый из разработчиков будет вынужден ожидать, когда же завершат свою работу все остальные.

При использовании традиционной методики, две рассмотренные целевые установки оказываются несовместимыми. Либо модуль остается открытым, что не позволяет пользоваться им всем остальным, либо он закрывается, и тогда любое изменение или дополнение может дать начало неприятной цепной реакции трудоемких изменений во многих других модулях, непосредственно или косвенно зависящих от этого исходного модуля.

Два рисунка, приведенные ниже, иллюстрируют ситуацию, в которой трудно согласовать потребности в открытых и закрытых состояниях модуля. На первом рисунке модуль A используется модулями-клиентами B, С, D, которые сами могут иметь своих клиентов - E, F и так далее.

Рис. 3.12.  Модуль А и его клиенты

В процессе течения времени ситуация изменяется и появляются новые клиенты - F и другие, которым требуется расширенная или приспособленная к новым условиям версия модуля A, которую можно назвать A':

Рис. 3.13.  Старые и новые клиенты

При использовании не ОО-методов, возможны лишь два решения этой проблемы, в равной степени неудовлетворительные:

[x]. N1 Можно переделать модуль A так, чтобы он обеспечивал расширенную или видоизмененную функциональность, требуемую новым клиентам.

[x]. N2 Можно сохранить A в прежнем виде, сделать его копию, изменить имя копии модуля на A', и выполнить все необходимые переделки в новом модуле. При таком подходе новый модуль A' никак не будет связан со старым модулем A.

Возможные катастрофические последствия решения N1 очевидны. Модуль A мог использоваться длительное время и иметь многих клиентов, таких как B, С и D. Переделки, необходимые для удовлетворения потребностей новых клиентов, могут нарушить предположения, на основе которых старые клиенты использовали модуль A; в этом случае изменения в A могут "запустить" катастрофическую цепочку изменений у клиентов, у клиентов этих клиентов, и так далее. Для руководителя проекта это будет настоящим кошмаром: внезапно целые части ПО, считавшегося давным-давно завершенным и сданным в эксплуатацию, окажутся заново открытыми, что "запустит" новый цикл разработки, тестирования, отладки и документирования. Многие ли из руководителей проектов ПО захотят видеть себя в роли Сизифа - быть приговоренными вечно катить камень на вершину горы лишь для того, чтобы видеть, как он всякий раз вновь скатывается вниз - и все из-за проблем, вызванных необходимостью заново открывать ранее закрытые модули.

На первый взгляд решение N2 кажется лучшим: оно позволяет избежать синдрома Сизифа, поскольку не требует модификации уже существующих программных средств (показанных в верхней части последнего рисунка). Но в действительности, это решение может иметь еще худшие последствия, поскольку оно лишь отодвигает час расплаты. Экстраполируем воздействие этого решения на множество модулей, - потребуется множество модификаций, занимающих длительное время. В конечном счете, последствия оказываются ужасными: бурный рост числа вариантов исходных модулей, многие из которых очень похожи, хотя и не вполне идентичны.

Для многих организаций по разработке ПО такое изобилие модулей, не согласующееся с количеством выполняемых функций (многие из вариантов, кажущихся различными, оказываются, по существу, клонами), создает серьезную проблему управления конфигурацией ПО. И эту проблему обычно пытаются преодолеть путем использования сложных инструментальных средств. Полезные сами по себе, эти инструментальные средства пытаются "лечить" программу в ситуациях, когда предпочтительней было бы первое из рассмотренных решений. Ведь лучше избежать избыточности, чем создавать ее.

Несомненно, управление конфигурацией окажется полезным, но лишь в случае, если удастся найти модули, нуждающиеся в повторном открытии после возникших изменений, и в то же время избежать повторной компиляции модулей, не нуждающихся в этом. (В упражнении У3.6 предлагается выяснить, какова будет необходимость управления конфигурацией в объектно-ориентированной среде программирования.)

Но как можно получить модули, которые были бы одновременно и открытыми и закрытыми? Можно ли сохранить неизмененным модуль A и всех его клиентов в верхней части рисунка, и в то же время предоставить модуль A' клиентам в нижней части, избегая дублирования программных средств? Благодаря механизму наследования (inheritance), ОО-подход обеспечивает особенно изящный вклад в решение этой проблемы.

Механизм наследования подробно рассматривается в последующих лекциях, а здесь дается лишь общее представление об этом. Для разрешения дилеммы, - изменять или повторно выполнять - наследование позволяет определить новый модуль A' на основе существующего модуля A, констатируя лишь различия между ними. Опишем A' как

class A' inherit

A

redefine f, g, ... end

feature

f is ...

g is ...

...

u is ...

...

end

где предложение feature содержит как определение новых компонент, характерных для A', например u, так и переопределение тех компонент (таких как f, g,:), представление которых в A' отличается от того, которое они имели в A.

Для графической иллюстрации наследования используется стрелка от "наследника" (heir) (нового класса A') к "родителю" (parent) (классу A):

Рис. 3.14.  Адаптация модуля к новым клиентам

Благодаря механизму наследования ОО, разработчики могут осуществлять гораздо более последовательный подход к разработке ПО, чем это было возможно при использовании прежних методов. Один из способов описания принципа Открыт-Закрыт и следующих из него ОО-методов состоит в рассмотрении их как организованного хакерства. Под "хакерством" здесь понимается небрежный (slipshod) подход к компоновке и модификации программы (а вовсе не несанкционированное и, конечно, недопустимое проникновение в компьютерные сети). Хакера можно считать плохим человеком, но часто намерения его чисты. Он может разглядеть полезный фрагмент программы, который почти пригоден для реализации текущих потребностей, намного превосходящих потребности, предусмотренные при первоначальной разработке программы. Вдохновленный похвальным желанием не создавать повторно то, что можно повторно использовать, наш хакер начинает модифицировать исходный текст программы, дополняя его средствами для выполнения новых задач. Конечно, такой порыв неплох, но результатом часто оказывается "засорение" программы многочисленными выражениями вида: if(этот_частный_случай) then. После нескольких повторений, возможно, осуществляемыми разными хакерами, программа начинает походить на ломоть швейцарского сыра, оставленного слишком долго на августовской жаре (безвкусность этой метафоры оправдывается тем, что она хорошо воспроизводит появление в такой программе как "дырок", так и "наростов").

Организованная форма хакерства дает возможность приспосабливаться к изменяющейся структуре решаемых задач, не нарушая непротиворечивости исходной версии.

Небольшое предупреждение: здесь не предлагается неорганизованное хакерство. В частности:

[x]. Если имеется возможность переписать исходную программу так, чтобы она, без излишнего усложнения, смогла удовлетворять потребности нескольких разновидностей клиентов, то следует это сделать.

[x]. Как принцип Открыт-Закрыт, так и переопределение в механизме наследования не позволяют справиться с дефектами разработки, не говоря уже об ошибках в программе. Если в модуле что-то не в порядке, то следует это сразу исправить в исходной программе, не пытаясь разбираться с возникающей проблемой в производном модуле. Возможным исключением из этого правила является случай некорректной программы, которую не разрешено модифицировать. Принцип Открыт-Закрыт и связанные с ним методы программирования, предназначены для адаптации "здоровых" модулей, то есть модулей, которые хотя и не могут решать некоторые новые задачи, однако отвечают строго определенным требованиям в интересах своих клиентов.

Единственный Выбор

Последний из пяти принципов модульности можно считать следствием как принципа Открыт-Закрыт, так и правила Скрытия Информации.

Прежде чем подробно ознакомиться с принципом Единственного Выбора, рассмотрим типичный пример. Предположим, что создается система для работы с библиотекой (в не-программистском смысле слова: с множеством книг и других изданий, а не модулей программы). Эта система будет обрабатывать структуры данных, представляющие различные публикации. Можно объявить соответствующий тип в синтаксисе языков Pascal-Ada:

type PUBLICATION =

record

author, title: STRING;

publication_year: INTEGER

case pubtype:(book, journal, conference_proceedings) of

book:(publisher: STRING);

journal:(volume, issue: STRING);

proceedings:(editor, place: STRING) -- Conference proceedings

end

Здесь использован "тип записи с вариантами" (record type with variants) для описания наборов структур данных с полями, одни из которых (в этом примере author, title, publication_year) являются общими во всех случаях, а другие - характерны для частных вариантов данных.

Использование конкретной синтаксической конструкции здесь не является существенным. Языки программирования Algol 68 и C обеспечивают такую же возможность с помощью типа "объединение" (union). Тип union это тип T, определен как объединение ранее существовавших типов A, B,:: значение типа T это либо значение типа A, либо значение типа B,: . Достоинством типов записей с вариантами является то, что в них с каждым вариантом явно связан некоторый ярлык (tag), например book, journal, conference_proceedings.

Пусть A - модуль, который содержит описанное выше объявление типа. Пока модуль A считается открытым, к нему можно добавлять поля или вводить в него новые варианты. Но когда модуль A передается клиентам, следует закрыть его, а это по умолчанию означает, что в нем уже перечислены все существенные поля и варианты. Итак, пусть B это типичный клиент модуля A. B будет манипулировать с публикациями через некоторую переменную, например:

p: PUBLICATION

Чтобы с помощью p осуществлять какие-либо полезные действия, необходимо явно выделить различные случаи:

case p of

book:... Instructions which may access the field p.publisher...

journal:... Instructions which may access fields p.volume, p.issue...

proceedings:... Instructions which may access fields p.editor, p.place...

end

Здесь оказалась удобной команда выбора case из языков Pascal и Ada; ее синтаксис воспроизводит определение типа записи с вариантами. В Fortran'е и C это может имитироваться многократным использованием команды безусловного перехода goto (switch в языке C). В этих и других языках такой же результат можно получить, используя вложенные команды условного перехода (if ... then ... elseif ... elseif ... else ... end).

Следует отметить, что, независимо от используемой синтаксической конструкции, для осуществления такого выбора каждый модуль-клиент должен знать полный список вариантов представления для публикации, поддерживаемых модулем A. Последствия этого нетрудно предвидеть. Наступит момент, когда потребуется новый вариант, например технические отчеты фирм и университетов. Тогда необходимо расширить определение типа PUBLICATION в модуле A, учитывающее новый случай. Это вполне логично и неизбежно: если было изменено определение понятия публикации, то следует обновить и соответствующее объявление типа. Однако значительно труднее найти оправдание другому следствию: любой клиент модуля A, такой как B, также будет требовать обновления, если в нем использовалась рассмотренная выше структура, основанная на полном списке случаев для p. А это, очевидно, будет иметь место для большинства клиентов.

Итак, наблюдаются очень опасные изменения в программе: простое и естественное дополнение может вызвать цепную реакцию изменений во многих модулях-клиентах.

Эта проблема возникнет всякий раз, когда некоторое понятие допускает множество вариантов. Здесь таким понятием было "публикация" ("publication"), а его начальными вариантами были: книга (book), журнальная статья (journal article), труды конференции (conference proceedings); другими типичными примерами могут быть:

[x]. В системе работы с графикой: понятие фигуры (figure), с такими вариантами как многоугольник (polygon), окружность (circle), эллипс (ellipse), отрезок (segment) и другие основные виды фигур.

[x]. В текстовом редакторе: понятие команды пользователя (user command), с такими вариантами как вставка строки (line insertion), удаление строки (line deletion), удаление символа (character deletion), глобальная замена (global replacement) одного слова другим.

[x]. В компиляторе для языка программирования: понятие языковой конструкции (language construct), с такими вариантами как команда (instruction), выражение (expression), процедура (procedure).

В любом таком случае необходимо допускать возможность того, что список вариантов, заданных и известных на некотором этапе разработки программы, может в последующем быть изменен путем добавления или удаления вариантов. Чтобы обеспечить реализацию такого подхода к процессу разработки программного обеспечения, нужно найти способ защитить структуру программы от воздействия подобных изменений. Отсюда следует принцип Единственного Выбора:

Принцип Единственного Выбора

Всякий раз, когда система программного обеспечения должна поддерживать множество альтернатив, их полный список должен быть известен только одному модулю системы.

Требование того, чтобы список выбора был известен лишь одному модулю, обеспечивает подготовку к последующим изменениям: при добавлении вариантов понадобится произвести обновление только того модуля, в котором содержится эта информация - такова сущность единственного выбора. А все остальные модули, в частности - его клиенты, смогут продолжать свою работу как обычно.

Таким образом, как показывает пример с библиотекой публикаций, традиционные методы не обеспечивают решения проблемы, в то время как объектные технологии позволят получить ее решение благодаря двум методическим приемам, связанным с наследованием: полиморфизмом (polymorphism) и динамическим связыванием (dynamic binding). Однако приведенного здесь предварительного обсуждения недостаточно; эти методические приемы можно будет понять лишь в контексте всего метода наследования. (См. "Динамическое связывание" лекция 4)

Принцип Единственного Выбора нуждается еще в нескольких комментариях:

[x]. В соответствии с этим принципом, список возможных выборов должен быть известен одному и только одному модулю. Из целей модульного программирования следует, что желательно иметь не более чем один модуль, располагающий этой информацией; но очевидно также, что ею должен обладать хотя бы один модуль. Невозможно составить программу текстового редактора, если по крайней мере один из компонентов не будет иметь списка всех поддерживаемых этой программой команд, для графической программы - списка всех типов фигур, для компилятора - списка всех языковых конструкций.

[x]. Подобно другим правилам и принципам, обсужденным в этой лекции, принцип Единственного Выбора касается распределения знаний (distribution of knowledge) в системе ПО. Этот вопрос является действительно решающим при поиске расширяемых, многократно используемых программных средств. Чтобы получить цельную, надежную архитектуру ПО, следует предпринять строго обдуманные шаги по ограничению объема информации, доступной каждому модулю. По аналогии с методами, используемыми некоторыми общественными организациями, можно назвать это принципом необходимого знания (need-to-know): запретить каждому модулю доступ к любой информации, которая не является безусловно необходимой для его надлежащего функционирования.

[x]. Можно рассматривать принцип Единственного Выбора как прямое следствие принципа Открыт-Закрыт. Обсудим пример с библиотекой публикаций в свете рисунка, иллюстрирующего необходимость в открытых и закрытых модулях: A это модуль, содержащий первоначальное описание типа PUBLICATION; клиенты B, C это модули, зависящие от исходного списка вариантов; A' это усовершенствованная версия A, предлагающая дополнительный вариант - технические отчеты (technical reports). (См. второй рисунок в разделе "Открыт-Закрыт")

[x]. Можно также понимать этот принцип как сильную форму принципа Скрытия Информации. Разработчик модулей-поставщиков, таких как A и A', стремится скрыть информацию (относительно точного списка вариантов для некоторого понятия) от модулей-клиентов.

Ключевые концепции

[x]. Выбор надлежащей структуры модуля является ключом к достижению целей его возможного повторного использования и расширяемости.

[x]. Модули служат как для декомпозиции программного обеспечения (проектирование сверху вниз), так и для его композиции (снизу-вверх).

[x]. Принципы модульности применимы как к спецификации и проектированию, так и к реализации ПО.

[x]. Всеобъемлющее определение модульности должно объединять различные точки зрения; разные требования иногда оказываются взаимно противоречивыми, например декомпозиция (стимулирующая методы проектирования сверху-вниз) и композиция (способствующая использованию метода снизу-вверх).

[x]. Управление количеством и формой связей между модулями является основой разработки хорошей модульной архитектуры.

[x]. Для долгосрочной целостности структур модульной системы требуется скрытие информации, что приводит к необходимости строгого разделения интерфейса и реализации.

[x]. Унифицированный доступ освобождает клиентов от знания выбора внутренних представлений, реализованных в модулях-поставщиках.

[x]. Закрытым является такой модуль, который может использоваться, благодаря знанию его интерфейса, модулями-клиентами.

[x]. Открытым является такой модуль, который еще можно расширять.

[x]. Для эффективного руководства проектом следует поддерживать модули, являющиеся одновременно как открытыми, так и закрытыми. Но традиционные подходы к разработке и программированию не дают такой возможности.

[x]. Принцип Единственного Выбора предписывает ограничивать распространение полной информации обо всех вариантах некоторого понятия.

Библиографические замечания

В методе проектирования, известном как "структурное проектирование" [Yourdon 1979], особое значение придается важности использования модульных структур. Этот метод был основан на анализе "сцепления" и "связности" модулей. Но неявно выраженное представление модулей в структурном проектировании было основано на традиционном понятии подпрограммы, что ограничило рамки обсуждения. Принцип унифицированного доступа был первоначально предложен (под названием "унифицированная ссылка") в работе [Geschke 1975]. При обсуждении унифицированного доступа упоминался язык Algol W, преемник языка Algol 60 и предшественник языка Pascal (в котором были предложены некоторые интересные механизмы, не сохранившиеся в Pascal'е), разработанный Виртом и Хоаром, и описанный в работе [Hoare 1966].

Скрытие информации было предложено в двух основополагающих статьях Дэвида Парнаса [Parnas 1972] [Parnas 1972a].

Средства управления конфигурацией, которые будут перекомпилировать модули, затронутые изменениями в других модулях, исходя из подробного списка зависимостей между модулями, основаны на концепциях сервисной программы Make, первоначально разработанной для Unix [Feldman 1979]. Современные сервисные программы - а их имеется много на рынке программных средств - существенно дополнили функциональность основных идей.

В некоторых из приводимых ниже упражнений предлагается разработать метрики для количественной оценки различных неформальных критериев модульности, сформулированных в этой лекции. Некоторые результаты, относящиеся к ОО-метрикам, содержатся в работах Кристины Минджинс (Christine Mingins) [Mingins 1993] [Mingins 1995] и Брайана Хендерсон-Селлерса (Brian Henderson-Sellers) [Henderson-Sellers 1996a].

Упражнения

У3.1 Модульность в языках программирования

Рассмотрите модульные структуры в любом хорошо знакомом вам языке программирования и оцените, насколько они удовлетворяют критериям и принципам, изложенным в этой лекции.

У3.2 Принцип Открыт-Закрыт (для программистов Lisp)

Многие реализации Lisp'а связывают конкретные функции с их именами не статически, а во время выполнения программы. Означает ли это, что язык Lisp лучше поддерживает принцип Открыт-Закрыт, чем статические языки?

У3.3 Ограничения на скрытие информации

Представляете ли вы себе обстоятельства, при которых скрытие информации не должно применяться к связям между модулями?

У3.4 Метрики для модульности (отчетная исследовательская работа)

Критерии, правила и принципы модульности были описаны в этой лекции с помощью качественных определений. Однако некоторые из них поддаются количественному анализу. Это могут быть:

[x]. Модульная непрерывность.

[x]. Минимум интерфейсов.

[x]. Слабая связность интерфейсов.

[x]. Явные интерфейсы.

[x]. Скрытие информации.

[x]. Единственный выбор.

Выясните возможность разработки метрик модульности, чтобы оценить, насколько модульной является архитектура системы программного обеспечения в соответствии с некоторыми из этих понятий. Метрики должны быть размерно-независимыми: увеличение размера системы без изменения ее модульной структуры не должно приводить к изменению мер ее сложности (см. также следующее упражнение).

У3.5 Модульность существующих систем

Примените критерии, правила и принципы модульности из этой лекции для оценки системы, к которой у вас есть доступ. Если вы решили предыдущее упражнение, примените любую из предложенных вами метрик модульности.

Можете ли вы установить какие-нибудь взаимозависимости между результатами этого анализа (качественными, количественными, или теми и другими) и оценками структурной сложности исследуемой системы, основанными либо на ее неформальном анализе, либо, если это возможно, на реальных замерах затрат на ее отладку и сопровождение?

У3.6 Управление конфигурацией и наследование

Это упражнение предполагает знание механизма наследования, описанного далее в этом курсе. Его не стоит пока что выполнять, если вы дошли до этой лекции, изучая курс последовательно.

Обсуждение принципа Открыт-Закрыт показало, что отсутствие наследования в не ОО-методах вызывает чрезмерные расходы на разработку средств управления конфигурацией, поскольку желание избежать повторного открытия закрытых модулей может приводить к созданию слишком большого числа модульных вариантов. Выясните, какая роль остается за средствами управления конфигурацией в ОО-среде, где имеется механизм наследования, и вообще - как использование объектной технологии влияет на управление конфигурацией.

Если вы знакомы с конкретными средствами управления конфигурацией, выясните, как они взаимодействуют с механизмом наследования и другими принципами ОО-разработки ПО.

Лекция 4. Подходы к повторному использованию

В этой лекции будут рассмотрены некоторые из проблем, направленных на широкомасштабное внедрение повторного использования программных компонентов.

Цели повторного использования

"Последуйте примеру проектирования компьютерных технических средств! Это неверно, что каждая новая программная разработка должна начинаться с чистого листа. Должны существовать каталоги программных модулей, такие же, как каталоги сверхбольших интегральных схем СБИС (VLSI devices). Создавая новую систему, мы должны заказывать компоненты из этих каталогов и собирать систему из них, а не изобретать каждый раз заново колесо. Создавая меньше новых программ, мы, возможно, найдем лучшее применение своим усилиям. И, может быть, исчезнут некоторые из трудностей, на которые все жалуются - большие затраты, недостаточная надежность. Разве не так?"

Вы, вероятно, слышали или даже сами высказывали такого рода замечания. Еще в 1968 г. на известной конференции НАТО по проблемам разработки ПО, Дуг Мак-Илрой (Doug McIlroy) пропагандировал идею "серийного производства компонентов ПО". Таким образом, мечта о возможности повторного использования программных компонентов не является новой. Было бы нелепо отрицать, что повторное использование имеет место в программировании. Фактически одним из наиболее впечатляющих результатов развития индустрии ПО с тех пор, как в 1988 г. появилось первое издание этой книги, явилось постепенное появление повторно используемых компонентов. Они получали все большее распространение, начиная от небольших модулей, предназначенных для работы с Visual Basic (VBX) фирмы Microsoft и OLE 2 (OCX, а сейчас ActiveX), до обширных библиотек классов, известных также как "каркасы приложений" ("framework applications").

Еще одним замечательным достижением является развитие Интернета: пришествие общества, охваченного Сетью (wired society), облегчило или в ряде случаев устранило некоторые из логических препятствий, казавшихся почти непреодолимыми еще несколько лет назад. Но это только начало. Мы далеки от предвидения Мак-Илроя о превращении программной инженерии в отрасль промышленности, основанную на использовании программных компонентов. Однако методология конструирования ОО-ПО впервые дала возможность представить себе практическую реализацию этого предвидения. И это может принести весьма значительную пользу не только разработчикам ПО, но, что еще важнее, тем, кто нуждается в их продукции, своевременно появляющейся и высококачественной.

Прежде всего, следует понять, почему так важно улучшать возможности повторного использования ПО. Здесь незачем обращаться к доводам типа "любовь к матери и яблочному пирогу". Как мы увидим, наша борьба за повторное использование преследует надлежащие цели, позволит избежать миражей, и принесет хороший доход от соответствующих инвестиций.

Ожидаемые преимущества

Повторное использование может обеспечить прогресс на следующих направлениях:

[x]. Своевременность (timeliness) (в том смысле, который определен при обсуждении показателей качества: быстрота доведения проектов до завершения и продукции до рынка). При использовании уже существующих компонентов нужно меньше разрабатывать, а, следовательно, ПО создается быстрее.

[x]. Сокращение объема работ по сопровождению ПО (decreased maintenance effort). Если кто-то разработал ПО, то он же отвечает и за его последующее развитие. Известен парадокс компетентного разработчика ПО: "чем больше вы работаете, тем больше работы вы себе создаете". Довольные пользователи вашей продукции начнут просить добавления новых функциональных возможностей, переноса на новые платформы. Если не надеяться "на дядю", то единственное решение парадокса - стать некомпетентным разработчиком, - чтобы никто больше не был заинтересован в вашей продукции. В этой книге подобное решение не поощряется.

[x]. Надежность. Получая компоненты от поставщика с хорошей репутацией, вы имеете определенную гарантию, что разработчики предприняли все нужные меры, включая всестороннее тестирование и другие методы контроля качества. В большинстве случаев можно ожидать, что кто-то уже испытал эти компоненты до вас и обнаружил все возможно остававшиеся ошибки. Заметьте, вовсе не предполагается, что разработчики компонентов умнее вас. Для них создаваемые компоненты - будь то графические модули, интерфейсы баз данных, алгоритмы сортировки - это служебная обязанность, цель работы. Для вас это лишь второстепенная, рутинная работа, поскольку вашей целью является создание некоторой прикладной системы в вашей собственной области деятельности.

[x]. Эффективность. Факторы, способствующие возможности повторного использования ПО, побуждают разработчиков компонентов пользоваться наилучшими алгоритмами и структурами данных, известными в их конкретной сфере деятельности. Однако в команде, разрабатывающей большой прикладной проект, трудно ожидать наличия специалистов по каждой проблеме, затрагиваемой в этом проекте. При разработке большого проекта невозможно оптимизировать все его детали. Следует стремиться к достижению наилучших решений в своей области знаний, а в остальном использовать профессиональные разработки.

[x]. Совместимость. Если использовать хорошую современную ОО-библиотеку, то ее стиль повлияет, за счет естественного "процесса диффузии", на стиль разработки всего ПО. Это существенно помогает повысить качество программного продукта.

[x]. Инвестирование. Создание повторно используемого ПО позволяет сберечь плоды знаний и открытий лучших разработчиков, превращая временные ресурсы в постоянные.

Многие из тех, кто признает повторное использование желательным, имеют в виду лишь первый из факторов в этом списке, - повышение производительности. Но это не всегда самый важный вклад повторного использования в процесс разработки ПО. Повышение надежности, например, является не менее существенным фактором. Тоже можно сказать и об эффективности.

В этом отношении повторное использование можно рассматривать как особый показатель, отличающийся от других факторов, обсуждавшихся в лекции 1. Его улучшение дает возможность улучшить почти все остальные факторы качества ПО. А причина чисто экономическая: если элемент ПО служит не для одного, а для многих проектов, то экономически разумно использовать лучшие методы создания высококачественного ПО - формальную верификацию, всестороннюю оптимизацию. В обычных разработках от таких приемов зачастую отказываются как от ненужного излишества. Однако для повторно используемых компонентов аргументация существенно изменяется - улучшение всего лишь одного элемента может оказаться выгодным для тысяч разработок.

Конечно, эти рассуждения не являются совсем новыми - они отчасти представляют собой перенос на производство ПО тех идей, которые уже существенно затронули другие отрасли деятельности, когда они перешли от индивидуально изготовляемых изделий к индустрии массового производства. Изготовление чипа СБИС обходится значительно дороже, чем серийное изготовление простой специализированной схемы, но если он хорошо выполнен, то он проявит себя в бесчисленных компьютерных системах и повысит их качество благодаря всей вложенной в него раз и навсегда работе его конструкторов.

Потребители и производители повторно используемых программ

В приведенном выше списке преимуществ можно выделить две ситуации - использование профессиональных или собственных компонентов. Первые четыре элемента списка описывают ситуацию использования существующих, профессионально разработанных компонентов. Последний элемент списка характеризует повторное использование собственного программного продукта. Элемент списка - совместимость - относится к обоим случаям.

Такое разграничение достоинств отражает два аспекта повторного использования: точку зрения потребителя, пользующегося продукцией разработчиков компонент, и точку зрения производителя, обеспечивающего возможность повторного использования своих разработок.

Для разработчиков ПО, еще не имеющих большого опыта, следует быть потребителями компонентов. Принципиально невозможно сразу приступать к производству повторно используемых программ. Единственно возможный путь стать производителем - состоит в изучении и копировании уже существующих хороших образцов. Такой подход сразу принесет свои полезные плоды, поскольку в своих разработках вы воспользуетесь достоинствами этих компонентов.

Дорога к Повторному использованию

Станьте потребителем повторного использования, прежде чем пытаться стать его производителем.

Что следует повторно использовать?

Убедив себя в том, что Повторное использование - Это Хорошо, осталось выяснить, как же этого добиться?

Первый возникающий вопрос - на каком уровне следует осуществлять повторное использование: персонала, спецификаций, проектов, их образцов, исходного кода, компонентов или абстрактных модулей.

Повторное использование персонала

Наиболее просто повторно использовать разработчиков, что широко практикуется в промышленности. Переводя разработчиков ПО с одного проекта на другой, фирмы избегают потери накопленного ими ранее опыта и обеспечивают его достойное применение в новых разработках.

Ввиду высокой текучести программистских кадров возможности такого подхода ограничены.

Повторное использование проектов и спецификаций

Этот подход является, по существу, более организованной версией предыдущего - повторного использования знаний, умений и опыта. Как показало обсуждение вопроса о документации, само представление проекта как независимого программного продукта, имеющего собственный жизненный цикл, независимый от соответствующей реализации, кажется сомнительным, поскольку трудно гарантировать, что проект и его реализация будут оставаться совместимыми в процессе изменения системы ПО.

Таким образом, если повторно использовать только проект, то возникает риск повторного использования неправильно работающих или уже вышедших из употребления элементов.

Эти замечания можно отнести и к другому смежному виду повторного использования: повторному использованию спецификаций.

Среди разработчиков ПО долгое время бытовала идея о том, что единственно заслуживающим внимания является повторное использование лишь проектов и спецификаций. Эта идея весьма существенно препятствовала продвижению вперед, поскольку означала, что создание компонентов направлено на удовлетворение лишь несущественных потребностей и не решает истинно трудных проблем. Прежде эта точка зрения была преобладающей; преодолеть ее удалось благодаря объединенному воздействию теоретических доводов (соображений ОО-технологии) и практических достижений (успешной реализации повторно используемых компонентов).

Термин "преодолеть" здесь является, пожалуй, слишком сильным, поскольку, как это часто бывает в подобных спорах, свою долю в достижение полезного результата внесли обе стороны. Идея повторного использования проектов становится намного более интересной при использовании подхода (такого, как точка зрения на ОО-технологию, развиваемая в этой книге), который существенно устраняет разрыв между проектом и его реализацией. Тогда разница между модулем и проектом модуля (design for a module) является не принципиальной, а лишь количественной: проект модуля это просто модуль, отдельные фрагменты которого еще не полностью реализованы; а полностью реализованный модуль можно использовать, благодаря средствам абстрактного представления, в качестве проекта модуля. При таком подходе различие между повторным использованием модулей (рассматриваемым ниже) и повторным использованием проектов постепенно исчезает.

Образцы проектов (design patterns)

В середине девяностых годов специалистов привлекла идея образцов (или шаблонов) проектов. Образец - это архитектурный принцип, применимый во многих прикладных областях; следуя образцу можно построить решение некоторой проблемы.(Образец проекта с историей команд рассмотрен в лекции 3 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".)

Вот типичный пример, подробно обсуждаемый в одной из последующих лекций. Проблема: как снабдить интерактивную систему механизмом, позволяющим ее пользователям отменить ранее выполненную команду, если они решат, что она была нецелесообразной, и повторить выполнение отмененной команды, если они передумают. Образец: использовать класс COMMAND определенной структуры (которую мы в последующем рассмотрим) и связанный с ней "список истории". Будут рассмотрены и многие другие образцы проектов.

Одной из причин успешного внедрения идеи образца проекта явилось то, что это была не просто идея: книга4.1), в которой впервые было предложено это понятие, и последовавшие за ней издания содержали каталог непосредственно применимых образцов, которые читатели могли изучать и использовать.

Образцы проектов уже внесли существенный вклад в развитие ОО-технологии, и по мере публикации все новых образцов они помогут разработчикам пользоваться опытом своих предшественников и современников. Как же этот общий принцип приложить к проблеме повторного использования? Образцы проектов не должны внушать надежду на возвращение к уже упоминавшейся ранее мысли о том, что "все что нужно - это только повторно использовать проекты". Образец, который по-существу представляет собой лишь сценарий образца (book pattern), пусть даже самый лучший и универсальный, является только "учебным пособием", а не инструментальным средством повторного использования. Как-никак, а в течении трех последних десятилетий учебники по компьютерным наукам рассказывают об оптимизации реляционных баз данных, AVL-деревьях (сбалансированных деревьях Адельсона-Вельского и Ландиса), алгоритме быстрой сортировки (Quicksort) Хоара, алгоритме Дейкстры для поиска кратчайшего пути в графе, без какого-либо упоминания о том, что эти мет оды совершили прорыв в решении проблемы повторного использования. В определенном смысле, образцы, разработанные за последние несколько лет, являются лишь очередными дополнениями к набору стандартных приемов, используемых специалистами по разработке ПО. При таком понимании новым вкладом в ОО-технологию следует считать не идею образца, а сами предлагаемые образцы.

Обстоятельное рассмотрение проблемы образцов показывает, что эта точка зрения оказывается излишне ограниченной (См. "Программы с дырами", лекция 14). По-видимому, само понятие образца является действительно новым вкладом, даже если это еще не вполне осознанно. Но требуется дополнительная работа над образцами, чтобы выйти за пределы их чисто педагогической ценности. Удачный образец не может быть представлен лишь некоторым текстовым описанием - это должен быть компонент ПО или набор таких компонентов. На первый взгляд такая цель может представляться довольно отдаленной, поскольку многие из образцов являются настолько универсальными и абстрактными, что кажется невозможным реализовать их в виде программных модулей.

Но использование ОО-технологии обеспечивает радикальный вклад - она позволяет создавать повторно используемые модули, обладающие способностью изменяться. Они не будут "замороженными" элементами, а служат общими схемами, образцами, - здесь действительно уместен термин образец в полном смысле этого слова, они могут быть адаптированы к различным конкретным ситуациям. Это новое понятие мы называем классом, определяющим поведение (behavior class) (более образным является термин программы с дырами (programs with holes)). Это понятие, основанное на понятии отложенного (абстрактного) класса (deferred class), будет рассмотрено в последующих лекциях. Объединяя его с идей о группе компонентов, предназначенных для совместного функционирования - часто называемых каркасами (frameworks) или просто библиотеками - получаем замечательное средство, сочетающее повторное использование и способность к адаптации.

Повторное использование исходного текста

Несмотря на полезность повторного использования персонала, проектов и спецификаций, здесь не реализуется ключевая цель повторного использования. Если мы хотели бы найти программистский эквивалент повторно используемых деталей из других технических дисциплин, то это означало бы необходимость повторно использовать тот "хлам", из которого фактически состоит наша программная продукция: исполняемые программы.

Если так, то в какой же форме следует их использовать? Естественный ответ - в первоначальной форме: в виде исходного текста. В некоторых случаях такой подход оказался весьма эффективным. Например, совершенствование операционной системы Unix, первоначально распространявшейся по университетам и исследовательским лабораториям, стало возможным в основном благодаря наличию исходного кода, получаемого в режиме онлайн. Это позволило пользователям изучать, копировать и расширять сферу использования системы. То же справедливо и для круга пользователей Lisp.

Существуют экономические и психологические препятствия на пути к распространению исходных кодов. Более серьезными ограничениям являются:

[x]. Отождествление повторно используемого ПО с повторно используемым исходным текстом (source) исключает возможность скрытия информации. Следует иметь в виду, что повторное использование действительно больших проектов невозможно, если не предпринять систематических усилий по защите повторных пользователей от необходимости знания бесчисленных деталей.

[x]. В сложных системах многие ее части могут не очевидным образом зависеть от других. Это часто затрудняет повторное использование отдельных элементов, приводя к необходимости повторно использовать и все остальное.

Удовлетворяющая требованиям модульности форма повторного использования должна устранить эти ограничения, поддерживая абстракцию и обеспечивая "мелкоструктурную" реализацию повторного использования.

Повторное использование абстрактных модулей

Все предыдущие подходы, несмотря на их ограниченную применимость, осветили важные аспекты проблемы повторного использования:

[x]. Повторное использование персонала необходимо, но недостаточно. Наилучшие повторно используемые компоненты бесполезны при отсутствии хорошо подготовленных разработчиков, которые обладают достаточным опытом, чтобы распознать ситуацию, в которой может помочь использование уже существующих компонентов.

[x]. Для повторного использования проектов необходимы не только готовые решения конкретных задач, но и достаточно высокий концептуальный уровень и универсальность повторно используемых компонентов. Классы, с которыми мы встретимся при обсуждении ОО-технологии, могут рассматриваться как модули-проекты, так и как модули-реализации.

[x]. Возможность повторного использования исходного кода служит напоминанием о том, что ПО в конечном счете определяется текстами программ. Разумная политика в области повторного использования должна приводить к созданию повторно используемых программных элементов.

Обсуждение позволило сузить область поиска подходящих единиц повторного использования. Такой единицей должен быть программный элемент (коллекция элементов). Он должен быть модулем приемлемого размера, удовлетворяющим требованиям модульности из предыдущей лекции. В частности, его связи должны быть строго ограничены, чтобы облегчить возможность независимого повторного использования. Информация, характеризующая возможности модуля, и составляющая первичную документацию для программистов, повторно его использующих (reusers), должна быть абстрактной: в соответствии с принципом Скрытия Информации она должна освещать лишь свойства, существенные для клиентов, а не описывать все детали модуля (как это делается в исходном коде).

Термин абстрактный модуль будет применяться к таким повторно используемым единицам (units of reuse), входящим в состав непосредственно применяемых ПО, доступ из внешнего мира к которым может осуществляться через описание, содержащее лишь подмножество свойств каждой единицы.

Далее в лекциях 3-6 этого курса предлагается строгое определение таких абстрактных модулей; а затем в лекциях 7-18 будут рассмотрены их свойства.

Акцент на понятии абстрактности и отказ от использования исходного кода в качестве средства для повторного использования, вовсе не препятствует распространению модулей в виде исходных текстов (source form). Противоречие здесь только кажущееся: в данном обсуждении речь идет не о том, как будут поставляться модули программистам, повторно их использующим, а о том, что они будут использовать в качестве первоисточника информации о модулях. Может оказаться приемлемым, чтобы модуль распространялся в виде исходного текста, но повторно использовался на основе абстрактного описания его интерфейса.

Повторяемость при разработке ПО

В поиске идеала абстрактного модуля следует рассмотреть суть процесса конструирования ПО. Наблюдая за разработкой, нельзя не обратить внимания на периодически повторяющиеся действия в этом процессе. Вновь и вновь программисты "сплетают" программу из множества стандартных элементов: сортировка, поиск, считывание, запись, сравнение, обход по дереву, - все повторяется. Опытным разработчикам знакомо это ощущение de_ja vu (дежавю - ощущение, что настоящее уже встречалось в прошлом), столь характерное для их профессии.

Чтобы оценить эту ситуацию (для тех, кто разрабатывает ПО или руководит такой разработкой), полезно ответить на следующий вопрос:

Сколько раз за последние шесть месяцев вы, или те, кто работает на вас, разрабатывали некоторый вариант табличного поиска?

Табличный поиск понимается здесь как выяснение того, содержится ли заданный элемент x в таблице t. Эта задача имеет много вариантов в зависимости от типа элементов, структуры данных, представляющей t, а также выбранного алгоритма поиска.

Вполне возможно, что вы или ваши коллеги многократно искали и находили собственное решение этой задачи. Наблюдатель со стороны посчитает табличный поиск легкодоступным и очевидным объектом применения повторно используемых компонентов. Ведь это одна из наиболее широко исследованных областей в компьютерных науках, которой посвящены сотни статей и многие книги, начиная с тома 3 знаменитого трактата Кнута. Базовый университетский курс по информатике на всех соответствующих факультетах включает в себя наиболее важные алгоритмы и структуры данных. Несомненно, в этой тематике нет ничего непостижимого. Кроме того:

[x]. Как уже отмечалось, вряд ли возможно создать полезную систему ПО, в которой не будут содержаться некоторые виды табличного поиска.

[x]. Как будет подробнее показано ниже, большинство алгоритмов поиска следуют общему образцу, что, по-видимому, обеспечивает идеальную основу для повторно используемого решения.(См. библиографические ссылки в конце этой лекции.)

Нетехнические препятствия

Почему же повторное использование еще не является общепринятым?

Наиболее серьезные препятствия к этому являются техническими; пути их преодоления будут обсуждаться в последующих разделах этой лекции (да и в остальных лекциях курса). Но, конечно, имеются также некоторые организационные, экономические и политические препятствия.

Синдром NIH

Психологическим препятствием повторного использования является известный синдром: "Придумано Не Нами" (Not Invented Here или "NIH"). Говорят, что разработчики ПО являются индивидуалистами, предпочитающими все выполнять сами, не полагаясь на чужую работу.

Но на практике это не подтверждается. Разработчики ПО склонны к бесполезной работе не более других специалистов. Если имеется хорошее, широко известное и легкодоступное повторно используемое решение, то оно будет использовано.

Рассмотрим типичный случай лексического и синтаксического анализа. Намного проще создать программу грамматического анализа для командного языка или простого языка программирования, используя программные генераторы грамматического разбора (parser generators), например комбинацию известных программ Lex-Yacc, а не создавая все с нуля. Вывод очевиден: там, где инструментальные средства имеются, квалифицированные разработчики ПО повсеместно их используют.

В некоторых случаях имеет смысл создание собственного нестандартного анализатора, поскольку у упомянутых инструментальных средств имеются свои ограничения. Но обычно разработчики предпочитают обращаться к одному из этих средств. Это может привести к новому синдрому, противоположному синдрому NIH, который можно назвать синдромом "Привычки Препятствовать Нововведениям" (Habit Inhibiting Novelty или "HIN"). Повторно используемое решение, пусть даже полезное, но имеющее такие ограничения, которые сужают возможности разработчиков и подавляют внедрение новых идей, становится бесполезным. Попробуйте убедить кого-нибудь из разработчиков Unix'а использовать генератор грамматического разбора, отличающийся от Yacc, и вы можете на собственном опыте столкнуться с синдромом HIN.

Конечно, существует кое-что, напоминающее NIH, но часто это просто вполне понятная реакция осмотрительных разработчиков на новые и неизвестные компоненты. Они могут опасаться, что с ошибками или другими проблемами в новой для них программе труднее будет справиться, чем с решением, над которым они имеют полный контроль. Часто такие опасения оправдываются неудачными прежними попытками повторного использования компонентов. Но если новые компоненты являются высококачественными и обеспечивают нормальное функционирование программы, то опасения быстро исчезают.

Таким образом, обеспечить высокое качество при создании повторно используемых компонентов существенно важнее, чем для других видов ПО.

Обозначим через N стоимость уникального решения, R - решения, основанного на повторно используемых компонентах. Значение R никогда не будет равно нулю: сюда войдут затраты на обучение, затраты на включение компонентов в систему, понадобиться создать интерфейс вызова. Так что даже если экономия на повторном использовании и другие выгоды

r=(N - R)/ N

от повторного использования потенциально невелики, то придется все же убедить возможных "повторных пользователей" в том, что ради высокого качества повторно используемого решения стоит отказаться от желания полного контроля над всеми элементами системы.

Этим объясняется, почему ошибочной целью является политика фирмы, направленная на работу с потенциальными повторными пользователями (потребителями, как их называют разработчики). Вместо этого следует ужесточить требования к производителям внешних компонентов, требуя гарантий качества и пригодности предлагаемой ими продукции. Разработчики прикладных систем будут использовать ваши компоненты не в связи с вашими рекомендациями, а потому, что вы хорошо потрудились над тем, чтобы повторно используемые компоненты было выгодно применять в прикладных программах.

Фирмы по разработке ПО и их стратегии

У фирмы по разработке ПО всегда существует искушение создавать решения, преднамеренно не удовлетворяющие критериям повторного использования, из опасения не получить следующий заказ, - поскольку если возможности уже приобретенного решения окажутся излишне широкими, то покупателю следующий заказ не потребуется!

Мне довелось слышать в высшей степени откровенное высказывание по этому вопросу после моей лекции о повторном использовании и ОО-технологии.

Высокопоставленный администратор из крупной фирмы по поставкам ПО сказал мне, что хотя он сознает высокую ценность этих идей, но никогда не будет внедрять их в своей фирме, поскольку не хочет резать курицу, несущую золотые яйца. Более 90% доходов его фирма получает от "сдачи напрокат" личного состава, предоставляя заказчикам услуги своих аналитиков и программистов, и руководство фирмы стремится довести эту цифру до 100%. При таком отношении к разработке ПО навряд ли будет встречена с энтузиазмом перспектива появления общедоступных библиотек повторно используемых компонентов.

Это высказывание было примечательно своей откровенностью, но оно вызвало очевидное возражение: если вообще возможно создать повторно используемые компоненты, которые заменят некоторые дорогостоящие услуги консультантов из фирмы, поставляющей ПО, то рано или поздно кто-либо их создаст. А тогда фирма, отказывавшаяся пойти таким путем, и у которой не осталось ничего, кроме торговли услугами своих консультантов, может пожалеть о том, что, подобно испуганному страусу, зарыла голову в песок.

Технологическая составляющая (engineering part) в разработке ПО не идентична такой же составляющей в индустрии массового производства; человеческий фактор будет, вероятно, по-прежнему играть ключевую роль в процессе конструирования ПО.

Цель повторного использования состоит не в том, чтобы заменить людей инструментальными средствами (а это часто, несмотря на всяческие утверждения, происходит с другими отраслями производства), а в изменении соотношения между тем, что следует поручить людям, а что - инструментальным средствам. Так что для фирмы, приобретшей известность за счет своих консультантов, эти нововведения не так уж плохи. В частности:

[x]. Во многих случаях разработчики, применяющие повторно используемые компоненты, могут по-прежнему успешно пользоваться помощью специалистов, которые посоветуют, как наилучшим образом применять эти компоненты. Тем самым сохраняется существенная роль фирм по поставкам ПО и их консультантов.

[x]. Как будет показано ниже, возможность повторного использования неотделима от расширяемости: хорошие повторно используемые компоненты будут оставаться открытыми для адаптации к конкретным обстоятельствам. Консультанты фирмы, разработавшей соответствующую библиотеку программ, имеют идеальную возможность выполнять настройку компонентов для отдельных заказчиков. Так что продажа компонентов и продажа услуг не обязательно являются взаимно исключающими видами деятельности; торговля компонентами может служить основой для торговли услугами.

[x]. Хорошая повторно используемая библиотека может играть стратегическую роль в политике преуспевающей фирмы по производству ПО, даже если фирма продает решения, а не библиотеку, используя ее лишь для внутренних целей. Такая библиотека может дать фирме конкурентное преимущество в более быстрой и дешевой разработке нестандартных решений, удовлетворяющих требованиям заказчиков, чем могли бы сделать конкуренты, не опирающиеся на такую заранее заготовленную основу.

Организация доступа к компонентам

Вот что говорят скептики: прогресс в производстве повторно используемых ПО приведет к тому, что разработчики окажутся "заваленными" настолько большим количеством компонентов и это так усложнит их жизнь, что лучше бы этих компонентов не было.

Это высказывание следует рассматривать как предупреждение разработчикам повторно используемых ПО о том, что лучшие в мире повторно используемые компоненты бесполезны, если никто не знает об их существовании, или если для их получения придется затратить слишком много времени и усилий. Для практического успеха методов повторного использования требуется создание соответствующих баз данных, содержащих компоненты, запрос к которым позволял бы быстро выяснить, удовлетворяет ли нужным потребностям какой-либо из существующих компонентов.

Должны быть доступны и сетевые услуги, позволяющие осуществить заказ и немедленную доставку по сети выбранных компонентов.

Достижение этих целей требует решения технических и организационных проблем. Индексирование, поиск и доставка повторно используемых компонентов - это технические проблемы, решаемые известными средствами, в частности методами, основанными на использовании баз данных. Очевидно, справляться с программными компонентами ничуть не сложнее, чем с данными о заказчиках, информацией об авиарейсах или с библиотечными книгами.

С созданием Всемирной паутины WWW появились мощные средства поиска, позволяющие намного проще размещать и отыскивать полезную информацию либо в Интернете, либо в корпоративной сети (Intranet). Несомненно, появятся и более совершенные решения (полученные, возможно, с помощью ОО-технологии). Из всего этого становится очевидным, что основной трудностью реализации повторного использования является не организация использования повторно используемых компонентов, а в первую очередь - создание этих чертовых штуковин.

Несколько слов об индексировании компонентов

На стыке технических и организационных проблем возникает вопрос: как следует связывать индексирующую информацию, например ключевые слова с программными компонентами?

Принцип Самодокументирования говорит о том, что вся информация о модуле, включая индексирующую информацию и другие виды документации, - должна содержаться в самом модуле. Это важное требование учтено при разработке нотации классов, развиваемой в лекциях 7-18 этого курса. Механизм предусматривает возможность подключения данных индексирования к каждому компоненту.

"Самодокументирование", лекция 3.

Описание соответствующей синтаксической структуры не вызывает затруднений. В начале текста модуля предлагается написать предложение индексирования (indexing clause) в виде

Indexing

index_word1: value, value, value ...

index_word2: value, value, value ...

...

... Стандартное описание модуля (см. лекции 7-18) ...

Здесь каждое index_word (то есть - индексное слово) это идентификатор; каждое value (то есть - значение) это константа (целая, вещественная и т. д.), идентификатор, или какой либо другой стандартный лексический элемент. (Более подробно см. "Операторы индексирования", лекция 8 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

Конкретные ограничения на выбор индексных слов и соответствующих значений отсутствуют, но какая либо отрасль промышленности, ассоциация по вопросам стандартизации (standards group), организация или проектная группа может, при необходимости, определить свои правила. Средства индексирования и поиска могут затем извлекать эту информацию, чтобы помочь разработчикам ПО в отыскании компонентов, удовлетворяющих определенным критериям.

Как показало обсуждение проблемы Самодокументирования, сохранение такой информации в самом модуле - а не во внешнем документе или базе данных - уменьшает вероятность ввода ложной информации и, в частности, не позволит забыть об обновлении информации при корректировке модуля (или наоборот). Операторы индексирования, довольно простые на первый взгляд, существенно помогают разработчикам приводить в порядок свои программные средства и регистрировать их свойства с тем, чтобы и другие разработчики могли о них узнать.

Форматы для распространения повторно используемых компонентов

Еще одной задачей, охватывающей как технические, так и организационные проблемы, является выбор представления для распространения: исходный текст или двоичный формат? Это спорный вопрос, и мы ограничимся рассмотрением только нескольких доводов с обеих сторон.

Разработчики коммерческого ПО часто распространяют лишь описание интерфейса (соответствующая краткая форма (short form) рассматривается в одной из последующих лекций) и исполняемый код. Тем самым разработчики защищают секреты производства и свои инвестиции. ("Использование утверждений (assertions) для документирования: сокращенная форма класса", лекция 11)

Двоичный код и в самом деле является предпочтительной формой распространения коммерческих прикладных программ, операционных систем и других инструментальных средств, в том числе компиляторов, интерпретаторов и сред разработки для ОО-языков. Несмотря на непрекращающиеся нападки на такую концепцию, исходящие, в частности, от группы, называющейся Лигой Сторонников Свободного Программирования (League for Programming Freedom), маловероятно, что от такого способа распространения коммерческого ПО откажутся в ближайшем будущем. Но наше обсуждение относится не к обычным инструментальным средствам или прикладным программам: здесь рассматриваются библиотеки повторно используемых компонентов. В этом случае также могут быть найдены некоторые доводы в пользу распространения исходных текстов.

Для изготовителя программного компонента польза от распространения исходного текста состоит в том, что это облегчает перенос программ (porting efforts). Можно избежать утомительной и малорентабельной деятельности по адаптации ПО к множеству несовместимых платформ, существующих в современном компьютерном мире, рассчитывая на то, что разработчики ОО-компиляторов и программных сред выполнят эту работу за вас. (Для потребителя это, конечно, контраргумент, поскольку инсталляция исходного текста более трудоемка и может привести к непредвиденным ошибкам.)

Некоторые компиляторы создают вначале промежуточный код, который уже затем транслируется или интерпретируется на конкретной платформе. Это позволяет обеспечить мобильность ПО без полного доступа к исходному тексту. Если, как это часто бывает сейчас, в компиляторе формируется промежуточный код с использованием языка C, то вместо двоичного кода обычно можно поставлять переносимый код на языке C.4.2) Этот прием использовался на разных этапах истории создания ПО, начиная с языка UNCOL (UNiversal COmputing Language - универсальный язык программирования), предложенного в конце пятидесятых годов 20-го века. Для него был определен формат команд, интерпретируемых на любой платформе, и представляющих промежуточный код, создаваемый компилятором. В связи с этой проблематикой в 1988 г. был сформирован консорциум компаний по компьютерным техническим средствам и программному обеспечению (Advanced computer environment (ACE) consortium). Вместе с языком Java появилась понятие байт-кода Java-компилятора, для которого были разработаны интерпретаторы на многих платформах. Но для производителей компонентов вначале это привело к дополнительным трудозатратам. Необходима двойная гарантия того, что новый формат пригоден на любой платформе, представляющей практический интерес, и что не происходит потери эффективности выполнения промежуточного кода в сравнении с платформо-специфическим решением. Без этих гарантий нельзя будет отказаться от старой технологии и придется просто добавить новый формат кода к тем форматам, которые поддерживались ранее. Таким образом, решение, которое рекламируется как завершающее все проблемы переносимости, фактически на некоторое время порождает дополнительные проблемы переносимости.

Возможно, более важным доводом в пользу распространения текста исходного кода является то, что попытки защитить свои изобретения и секреты производства путем удаления исходного текста из реализации программного продукта могут не приносить никакой существенной пользы. Самая трудоемкая работа при составлении хорошей повторно используемой библиотеки связана с проектированием интерфейсов компонентов, а не с реализацией; и именно это вы вынуждены опубликовать. Это особенно очевидно в мире структур данных и алгоритмов, для которых почти все необходимые методы описаны в литературе по компьютерным наукам. Чтобы успешно создать библиотеку, требуется встроить эти методы в модули, интерфейс которых сделает их полезными для разработчиков многих других приложений. Такое проектирование интерфейса является частью того, что вы должны выпустить в свет.

Важно отметить, что в случае ОО-модулей имеются две формы повторного использования компонентов: клиентами класса и наследниками класса. Вторая из этих форм объединяет повторное использование с расширяемостью. Описания интерфейсов (краткая форма) достаточно для клиентов, но не всегда достаточно для повторного использования на основе наследования.

Наконец, о педагогической стороне проблемы. Распространение исходных текстов библиотечных модулей является средством представления лучших образцов разработки ПО, способствующее разработке потребителями ПО в соответствующем стиле. Возникающая при этом стандартизация является одним из достоинств повторного использования. В определенной степени это будет иметь место даже в случае, когда доступны лишь интерфейсы, но лучше всего иметь полный текст.(Этот вопрос обсуждается в лекции, посвященной обучению ОО-технологии, в лекции 11 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".)

Заметьте, что даже если доступен исходный код, то он не должен служить в качестве основного средства документации: для этого по-прежнему будет использоваться интерфейс модуля.

Это обсуждение затронуло некоторые спорные экономические вопросы, обусловленные отчасти появлением промышленного производства компонентов ПО и, в более общем плане, прогрессом в области ПО. Как же справедливо вознаградить разработчиков за их достижения и обеспечить приемлемую степень защиты их изобретений, не нарушая законных интересов пользователей? Существуют две противоположные точки зрения:

[x]. С одной стороны, это принципы Лиги Сторонников Свободного Программирования (League for Programming Freedom): все ПО должно быть бесплатным и доступным в форме исходных текстов.(См. библиографические замечания.)

[x]. С другой стороны, имеется идея суперпоставки (superdistribution), предложенная Брэдом Коксом (Brad Cox) в нескольких статьях и книге. Суперпоставка должна дать возможность пользователям свободно копировать программы, оплачивая не их приобретение, а каждое использование. Представьте себе небольшой счетчик, присоединенный к каждому программному компоненту, который "выбивает" сумму в несколько пенсов всякий раз, когда вы пользуетесь этим компонентом, и в конце каждого месяца предъявляет вам соответствующий счет. Это, по-видимому, исключает возможность распространения исходных текстов, так как тогда было бы очень просто удалить из программы команды счетчика. Японская ассоциация по развитию электронной промышленности JEIDA (Japanese Electronic Industry Development Association) работает над механизмами создания технических и программных компьютерных средств поддержки такой концепции. Сам Кокс недавно подчеркнул особую роль не столько технологических методов, а механизмов принуждения, основанных на соответствующих правовых нормах (наподобие авторского права). Пока идея суперпоставки вызывает множество технических, экономических и психологических вопросов.

Оценка

При любом всестороннем подходе к проблемам повторного использования следует наряду с техническими аспектами рассмотреть организационные и экономические вопросы: как сделать повторное использование частью культуры разработки ПО, как найти правильную структуру стоимости и правильную форму распространения компонентов, создать соответствующие средства для индексирования и поиска компонентов. Неудивительно, что эти вопросы легли в основу основных инициатив по повторному использованию, исходивших от правительств и больших корпораций, таких как программа STARS (Software Technology for Adaptable, Reliable Systems - Технология создания ПО для адаптивных, надежных систем) Министерства обороны США и "фабрики ПО" ("software factories"), введенные в действие некоторыми большими японскими фирмами.

Являясь важными в долгосрочной перспективе, эти вопросы не должны отвлекать внимания от главных проблем, являющихся все еще техническими. Для успешной реализации возможностей повторного использования требуется создание правильных модульных структур и высококачественных библиотек, содержащих десятки тысяч компонентов, необходимых индустрии.

Оставшаяся часть данной лекции посвящена первому из этих вопросов. В ней выясняется, почему общепринятые понятия модуля непригодны для широкомасштабного повторного использования, и определяются требования, которым должно удовлетворять лучшее решение, предлагаемое в последующих лекциях.

Техническая проблема

Как же должен выглядеть повторно используемый модуль?

Изменения и постоянство

Разработка ПО, как уже упоминалось, во многом связана с повторяемостью. Для понимания технической трудности повторного использования, следует понять природу повторяемости.

Несмотря на то, что программисты обычно время от времени повторяют одни и те же действия, но эти действия являются не совсем одинаковыми. Ведь если бы они были одинаковыми, то решение оказалось бы простым, по крайней мере, на бумаге. Однако на практике может измениться настолько много деталей задачи, что любая бесхитростная попытка обеспечить ее унификацию потерпит неудачу.

Наглядной иллюстрацией являются работы норвежского художника Эдварда Мунка, многие из которых можно видеть в посвященном ему музее в Осло, на родине языка программирования Simula. Творчеством Мунка владели несколько жизненно-важных, глубоких тем: любовь, страдание, ревность, танец, смерть. Он без конца воспроизводил их в своих рисунках и живописи, пользуясь всякий раз одними и теми же образцами, но меняя технические приемы, цвета, резкость контуров, размер, освещение, настроение.

В таком же положении находится и разработчик ПО, создавая новые варианты, развивающие одни и те же основные темы.

Возьмем пример, упоминавшийся в начале этой лекции: табличный поиск. Несомненно, алгоритм табличного поиска в общем виде всегда выглядит одинаково: начать с некоторой позиции в таблице t, затем приступить к последовательному просмотру таблицы, всякий раз проверяя, является ли искомым элемент в текущей позиции и, если это не так, то переходить к следующей позиции. Процесс завершается, если найден нужный элемент, либо проверка всех элементов оказалась безуспешной. Такая общая схема применима к многим возможным случаям представления данных и алгоритмам для табличного поиска, в том числе в массивах (отсортированных или не отсортированных), связных списках (отсортированных или не отсортированных), последовательных файлах, двоичных деревьях, Б-деревьях и различных хеш-таблицах.

Нетрудно превратить это неформальное описание в частично детализированную подпрограмму:

has (t: TABLE, x: ELEMENT): BOOLEAN is

-- Присутствует ли x в t?

local

pos: POSITION

do

from

pos := INITIAL_POSITION (x, t)

until

EXHAUSTED (pos, t) or else FOUND (pos, x, t)

loop

pos := NEXT (pos, x, t)

end

Result := not EXHAUSTED (pos, t)

end

Некоторые пояснения к принятой здесь нотации: from ... until ... loop ... end описывает цикл, с начальным условием в предложении from, ни разу или повторно выполняющий действия предложения loop, и завершающийся при выполнении условия предложения until. Переменная Result содержит значение, возвращаемое функцией has. Если вы незнакомы с оператором or else (Оператор or else объясняется в лекции 13), то считайте, что здесь содержится просто логическое or.

Хотя приведенный выше текст описывает общую схему работы алгоритма, он не является непосредственно выполняемым, поскольку содержит некоторые не вполне определенные фрагменты (написанные заглавными буквами). Они соответствуют аспектам задачи табличного поиска, зависящим от выбранной реализации: тип элементов таблицы (ELEMENT), с какой позиции начинать поиск (INITIAL_POSITION), как переходить от текущей позиции к следующей (NEXT), как проверить наличие искомого элемента на некоторой позиции (FOUND), как определить, что все интересующие нас позиции уже проверены (EXHAUSTED).

Поэтому вышеприведенный текст является не столько подпрограммой, а шаблоном подпрограммы, который можно превратить в действующую подпрограмму, лишь после уточнения фрагментов, написанных заглавными буквами.

Повторно использовать или переделать? (The reuse-redo dilemma)

Наличие всех этих вариантов выдвигает на первый план проблемы, возникающие при любой попытке размышлять над созданием модулей общего назначения в заданной прикладной области: как же воспользоваться наличием единого шаблона для согласования с таким большим числом различных вариантов? Это не только проблема реализации: почти так же трудно специфицировать модуль таким образом, чтобы модули-клиенты могли рассчитывать на взаимодействие с ним, не располагая его реализацией.

По этим соображениям обречены на неуспех простые решения проблемы повторного использования. Ввиду многосторонности и изменчивости ПО - не зря оно называется "soft - модули, не обладающие "гибкостью", не могут претендовать на возможность повторного использования.

"Замороженность" модуля приводит к дилемме - повторно использовать или переделать: повторно использовать модуль таким, какой он есть, или заново все переделать. Оба подхода слишком ограничительные. Типичная ситуация, когда существует модуль, обеспечивающий лишь частичное решение текущей задачи, и требуется адаптация модуля к конкретным потребностям. В этом случае желательно и повторно использовать и переделать: кое что повторно использовать, а кое что переделать - или, лучше всего, многое повторно использовать, а совсем немного переделать. Без способности объединения возможностей повторного использования и адаптации, методы повторного использования не могут удовлетворять практическим потребностям разработки ПО.

Поэтому не случайно почти любое обсуждение проблем повторного использования в этой книге затрагивает и проблему расширяемости (что приводит к охватывающему оба эти понятия термину "модульность", являющегося предметом обсуждения в предыдущей лекции). Всякий раз, когда вы начнете искать ответы на одно из этих требований, вы тут же столкнетесь и с другим требованием.

Такая взаимозависимость между повторным использованием и расширяемостью отмечалась ранее при обсуждении принципа Открыт-Закрыт. (См. "Принцип Открыт-Закрыт", лекция 3)

Поиску подходящего представления модуля посвящена оставшаяся часть этой лекции и несколько следующих лекций. Нам предстоит согласовать между собой возможность повторного использования и расширяемость, закрытость и открытость, постоянство и изменчивость. Нам следует удовлетворить сегодняшние потребности и попытаться отгадать, что же понадобится завтра.

Пять требований к модульным структурам

Как же найти такие модульные структуры, которые позволят создать компоненты, непосредственно готовые к повторному использованию, и, в то же время, допускающие возможность их адаптации?

Задача табличного поиска и шаблон подпрограммы has иллюстрируют жесткие требования, предъявляемые к любому решению. Можно воспользоваться этим примером для выяснения, что же следует предпринять для перехода от обнаружения относительно нечеткой общности вариантов к реальному набору повторно используемых модулей. Такой анализ выявляет пять важных проблем:

[x]. Изменчивость Типов (Type Variation).

[x]. Группирование Подпрограмм (Routine Grouping).

[x]. Изменчивость Реализаций (Implementation Variation).

[x]. Независимость Представлений (Representation Independence).

[x]. Факторизация Общего Поведения (Factoring Out Common Behaviors).

Изменчивость Типов (Type Variation)

Шаблон подпрограммы has предполагает, что таблица содержит объекты типа ELEMENT. При уточнении этой подпрограммы в применении к частному случаю можно использовать конкретный тип, например INTEGER или BANK_ACCOUNT, для таблицы целых чисел или банковских счетов.

Но это не совсем то, что требуется. Повторно используемый модуль поиска должен быть применим ко многим различным типам элементов без того чтобы пользователи вынуждены были производить "вручную" изменения в тексте программы. Другими словами, необходимо средство для описания модулей, в которых типы выступают в роли параметров (type-parameterized), или короче - родовых (полиморфных) модулей. Универсальность или полиморфность (genericity) (способность модулей быть родовыми) окажется важной частью ОО-метода; обзор этой концепции дается далее в этой лекции. (См. "Универсальность" ("Genericity"), лекция 4)

Группирование Подпрограмм (Routine Grouping)

Шаблон подпрограммы has, даже если его полностью детализировать и ввести параметризацию типа, все еще не будет пригоден в качестве повторно используемого компонента. Поиск в таблице зависит от того, как таблица создавалась, как в нее включаются элементы, как они удаляются. Отдельно взятая программа поиска - это еще не модуль повторного использования. Самодостаточный, повторно используемый модуль должен включать множество подпрограмм, обеспечивающих каждую из упомянутых операций - создание, включение, удаление, поиск.

Эта идея лежит в основе формирования модуля как "пакета", что имеет место в языках с инкапсуляцией таких как: Ada, Modula-2 и родственных им языках. Более подробно об этом будет сказано ниже.

Изменчивость Реализаций (Implementation Variation)

Шаблон has является весьма общим; и, как мы уже убедились, на практике имеется широкий выбор соответствующих структур данных и алгоритмов. Нельзя ожидать, что один модуль сможет обеспечить работу в столь разнообразных условиях, - он оказался бы просто огромным. Для охвата всех возможных реализаций требуется семейство модулей.

Общая методика создания и применения повторно используемых модулей должна поддерживать идею семейства модулей.

Независимость Представлений

Общая структура повторно используемого модуля должна позволять модулям-клиентам определять свои действия при отсутствии сведений о реализации модуля. Это требование называется Независимостью Представлений.

Предположим, что модулю-клиенту C некоторой прикладной системы (управления ресурсами банка, компилятора, системы географической информации) необходимо определить, содержится ли некоторый элемент x в некоторой таблице t (вкладов, слов языка, городов). Независимость Представлений для C означает возможность получить такую информацию с помощью обращения к подпрограмме

present := has (t, x)

не зная, какой вид имеет таблица t во время этого обращения. Автору модуля C нужно лишь знать, что t-это таблица из элементов определенного типа, и что x означает объект того же типа. Ему безразлично, является ли t деревом двоичного поиска, хеш-таблицей или связным списком. Он должен иметь возможность сосредоточиться на своей задаче управления активами, компиляции или географии.

Выбор подходящего алгоритма поиска, основанного на реализации таблицы t, является делом лишь того модуля, который организует эту таблицу.

Модуль-клиент C, содержащий упомянутое обращение к подпрограмме, мог бы получить t от одного из своих собственных клиентов (в виде аргумента вызова подпрограммы). Тогда для C имя t является лишь абстрактным идентификатором структуры данных, к детальному описанию которой он и не может иметь доступа.

Можно рассматривать Независимость Представлений как расширение правила Скрытия Информации (инкапсуляции), существенное для беспрепятственной разработки больших систем: решения по реализации могут часто изменяться, и клиенты должны быть защищены от этого (См. "Скрытие информации", лекция 3). Но требование Независимости Представлений идет еще дальше. Если обратиться к его полномасштабным последствиям, то оно означает защиту клиентов модуля от изменений не только во время жизненного цикла проекта, но и во время выполнения - а это намного меньший временной интервал! В рассматриваемом примере, желательно, чтобы подпрограмма has адаптировалась автоматически к виду таблицы t во время выполнения программы, даже если этот вид изменился со времени последнего обращения к подпрограмме.

Выполнение требования Независимости Представлений поможет также реализовать связанный с ним принцип Единственного Выбора, сформулированный при обсуждении модульности, который предписывает избегать ситуаций, связанных с разбором вариантов, например

if "t это массив, управляемый хешированием" then

"Применить поиск с хешированием"

elseif "t это дерево двоичного поиска" then

"Применить обход дерева двоичного поиска"

elseif

(и т.д.)

end

Было бы в равной степени неудобно иметь такую структуру в самом модуле (нельзя же ожидать, что модуль, организующий таблицу, знает обо всех текущих и будущих вариантах), так и воспроизводить ее в каждом модуле-клиенте. (См. "Единственный выбор", лекция 3) Решение состоит в том, чтобы обеспечить автоматический выбор, осуществляемый системой исполнения. Такова будет роль динамического связывания (dynamic binding), ключевой составляющей ОО-подхода, которая подробно будет рассматриваться при обсуждении наследования. (См. "Динамическое связывание" ("Dynamic binding"), лекция 14)

Факторизация Общего Поведения

Если требование Независимости Представлений отражает позицию клиента - игнорирование внутренних деталей и вариантов реализации - то последнее требование отражает позицию разработчиков повторно используемых классов. Их цель в получении преимуществ от любой общности (commonality), которая может существовать в семействе или подсемействе реализаций.

Многообразие реализаций, имеющее место в некоторых проблемных областях, требует, как уже отмечалось, решения, основанного на семействе модулей. Часто это семейство настолько велико, что естественно поискать соответствующие подсемейства. В случае табличного поиска первая попытка классификации может привести к трем обширным подсемействам:

[x]. Таблицы, организуемые по некоторой схеме хеширования.

[x]. Таблицы, организуемые как некоторая разновидность деревьев.

[x]. Таблицы, организуемые последовательно.

Каждая из этих категорий охватывает много вариантов, но в большинстве случаев можно найти существенную общность между этими вариантами. Рассмотрим, например, семейство последовательных реализаций - таких, в которых элементы сохраняются и отыскиваются в порядке их первоначального включения в таблицу.

Рис. 4.1.  Некоторые возможные реализации таблицы

Возможными представлениями последовательной таблицы являются массив, связный список и файл. Но независимо от варианта такой реализации, клиенты должны иметь возможность для любой последовательно организованной таблицы рассматривать ее элементы один за другим, перемещая (воображаемый) курсор, указывающий позицию элемента, рассматриваемого в настоящий момент. При таком подходе можно переписать подпрограмму поиска для последовательных таблиц в виде:

has (t: SEQUENTIAL_TABLE; x: ELEMENT): BOOLEAN is

-- Содержится ли x в последовательной таблице t?

do

from start until

after or else found (x)

loop

forth

end

Result := not after

end

Это представление основано на использовании четырех подпрограмм, которые должны иметься в любой последовательной реализации таблицы(Подробно методика работы с курсором будет рассмотрена в лекции 5 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования""Активные структуры данных" ("Active data structures"). ):

[x]. start (начать) , переместить курсор к первому элементу, если он имеется.

[x]. forth (следующий) , переместить курсор к следующей позиции.

[x]. after (после) , булев запрос, переместился ли курсор за последний элемент.

[x]. found (x) , булев запрос, возвращающий true, когда курсор указывает на элемент, имеющий значение x.

Рис. 4.2.  Последовательная структура с курсором

Несмотря на сходство с шаблоном подпрограммы, использованным в начале этого обсуждения, новый текст - это уже не шаблон, это настоящая подпрограмма, написанная в непосредственно исполняемой нотации (такая нотация используется в лекциях 7-18 этого курса). Если задать реализации для четырех операций start, forth, after и found, то можно откомпилировать и выполнить последнюю версию has.

Каждое представление последовательной таблицы требует соответствующего представления курсора. Три примера таких представлений основаны на работе с массивом, связным списком и файлом.

В первом из них используется массив из capacity элементов, и таблица занимает позиции от 1 до count + 1. (Последнее значение необходимо в случае, когда курсор переместился на позицию после ("after") последнего элемента.)

Рис. 4.3.  Представление последовательной таблицы с курсором на основе массива

Во втором представлении используется связный список, в котором доступ к первому элементу обеспечивается по ссылке first_cell и каждый элемент связан со следующим по ссылке right. При этом курсор можно представить ссылкой cursor.

Рис. 4.4.  Представление последовательной таблицы с курсором на основе связного списка

В третьем представлении используется последовательный файл, в котором курсор представляет просто текущую позицию чтения.

Рис. 4.5.  Представление последовательной таблицы с курсором на основе последовательного файла

Реализация операций start, forth, after и found будет разной для каждого из вариантов. В следующей таблице4.3) показана реализация для каждого случая. Здесь t @ i означает i-й элемент массива t, который записывается как t [i] в языках Pascal или C; Void означает "пустую" ссылку; обозначение f- языка Pascal, для файла f, означает элемент в текущей позиции чтения из файла.

start

forth

after

found (x)

Массив

i :=1

i :=i + 1

i >count

t @ i =x

Связный список

c := first_cell

c :=c. right

c =Void

c. item =x

Файл

rewind

read

end_of_file

f -=x

Таблица 4.1.Классы и методы

Повторное использование позволяет избежать ненужное дублирование, используя общность вариантов. Если в разных модулях появляются одинаковые или почти одинаковые фрагменты, то трудно обеспечить их целостность и гарантировать, что изменения или поправки достигли всех требуемых мест системы. Вновь могут возникнуть проблемы с управлением конфигурацией системы.

Все варианты последовательной таблицы совместно используют функцию has, и отличаются только реализацией операций. Хорошее решение проблемы повторного использования требует, чтобы в такой ситуации текст has находился бы лишь в одном месте, связанном с общим понятием последовательной таблицы. Для описания каждого нового варианта не нужно больше беспокоиться о подпрограмме has; требуется лишь подготовить подходящие версии start, forth, after и found.

Традиционные модульные структуры

Наряду с требованиями к модульности, изложенными в предыдущей лекции, пять требований Изменчивости Типов, Группирования Подпрограмм, Изменчивости Реализаций, Независимости Представлений и Факторизации Общего Поведения определяют, чего следует ожидать от наших повторно используемых компонентов - абстрактных модулей.

Рассмотрим решения, предшествовавшие ОО-подходу, чтобы понять, что нас не устраивает, и что следует взять с собой в ОО-мир.

Подпрограммы

Классический подход к повторному использованию состоит в том, чтобы создавать библиотеки подпрограмм. Здесь термин подпрограмма (routine) означает программный элемент, который может быть вызван другими элементами для выполнения некоторого алгоритма, используя некоторые входные данные, создавая некоторые выходные данные, и, возможно, модифицируя другие данные. Вызывающий элемент передает свои входные данные (а иногда - выходные данные и модифицируемые данные) в виде фактических аргументов (actual arguments) . Подпрограмма может также возвращать выходные данные в виде результата; в этом случае она называется функцией.

Библиотеки подпрограмм успешно использовались в различных прикладных областях, в частности, для численных расчетов, где применение отличных библиотек привело к первым сообщениям об успехах повторного использования. Декомпозицию систем на подпрограммы, функциональную декомпозицию обеспечивает также метод нисходящего (сверху вниз) программирования. Подход, основанный на использовании библиотек подпрограмм, хорошо работает в случаях, когда можно определить множество (возможно - большое) отдельных задач, при наличии следующих ограничений:

[x]. R1 Каждая задача допускает простую спецификацию. Точнее, возможно охарактеризовать каждую отдельную задачу небольшим набором входных и выходных параметров.

[x]. R2 Задачи четко отличаются одна от другой, поскольку подход, основанный на подпрограммах, не позволяет воспользоваться возможной сколько-нибудь существенной их общностью - за исключением повторного использования некоторых конструкций.

[x]. R3 Отсутствуют сложные структуры данных, которые пришлось бы распределять между использующими их подпрограммами.

Поиск в таблице является хорошим примером ограниченных возможностей подпрограмм. Мы уже убедились, что подпрограмма поиска сама по себе не содержит достаточного контекста, чтобы служить в качестве функционально-завершенного модуля повторного использования. Даже если не обращать внимания на этот недостаток, мы столкнемся с двумя в равной степени неприятными решениями:

[x]. Подпрограмма поиска существует в одном варианте. Но тогда, чтобы охватить все возможные ситуации, ей потребуется длинный список аргументов и она окажется очень сложной.

[x]. Подпрограмм поиска много, каждая из которых относится к конкретному случаю и отличается от других лишь немногими деталями. Нарушается требование Факторизации Общего Поведения; возможные пользователи легко могут заблудиться в неразберихе подпрограмм.

В целом, подпрограммы являются недостаточно гибкими, чтобы удовлетворять потребностям повторного использования. Мы уже видели тесную связь между возможностью повторного использования и расширяемостью. Повторно используемый модуль должен быть открыт для расширения, но в случае подпрограммы единственным средством адаптации является передача аргументов. Это делает нас заложником дилеммы - Повторно использовать или Переделать: либо пользоваться этой подпрограммой в ее исходном виде, либо написать собственную подпрограмму.

Пакеты

В семидесятые годы двадцатого века, в связи с развитием идей скрытия информации и абстракции данных, возникла необходимость в форме модуля, более совершенном, чем подпрограмма. Появилось несколько языков проектирования и программирования, наиболее известные из них: CLU, Modula-2 и Ada. В них предлагается сходная форма модуля, называемого в языке Ada пакетом, CLU - кластером, Modula - модулем. В нашем обсуждении будет использоваться термин пакет.4.4)

Пакеты - это единицы программной декомпозиции, обладающие следующими свойствами:

[x]. P1 В соответствии с принципом Лингвистических Модульных Единиц, "пакет" это конструкция языка, так что каждый пакет имеет имя и синтаксически четко определенную область.

[x]. P2 Описание каждого пакета содержит ряд объявлений связанных с ним элементов, таких как подпрограммы и переменные, которые в дальнейшем будут называться компонентами (features) пакета.

[x]. P3 Каждый пакет может точно определять права доступа, ограничивающие использование его компонентов другими пакетами. Другими словами, механизм пакетов поддерживает скрытие информации.

[x]. P4 В компилируемом языке (таком, который может быть использован для реализации, а не только для спецификации и проектирования) поддерживается независимая компиляция пакетов.

Благодаря свойству P3, пакеты можно рассматривать как абстрактные модули. Их главным вкладом в программирование является свойство P2, удовлетворяющее требованию Группирования Подпрограмм. Пакет может содержать любое количество связанных с ним операций, таких как создание таблицы, включение, поиск и удаление элементов. И нетрудно увидеть, как решение, основанное на использовании пакета, будет работать в рассматриваемом здесь примере табличного поиска. Ниже - в системе обозначений, заимствованной из нотации, используемой в последующих лекциях этого курса для ОО-ПО - приводится набросок пакета INTEGER_TABLE_HANDLING, описывающий частную реализацию таблиц целых чисел, основанную на использовании двоичных деревьев:

package INTEGER_TABLE_HANDLING feature

type INTBINTREE is

record

-- Описание представления двоичного дерева, например:

info: INTEGER

left, right: INTBINTREE

end

new: INTBINTREE is

-- Возвращение нового инициализированного INTBINTREE.

do ... end

has (t: INTBINTREE; x: INTEGER): BOOLEAN is

-- Содержится ли x в t?

do ... Реализация операции поиска ... end

put (t: INTBINTREE; x: INTEGER) is

-- Включить x в t.

do ... end

remove (t: INTBINTREE; x: INTEGER) is

-- Удалить x из t.

do ... end

end -- пакета INTEGER_TABLE_HANDLING

Этот пакет содержит объявление типа (INTBINTREE), и ряда подпрограмм, представляющих операции над объектами этого типа. В данном примере не потребовалось описания переменных пакета (хотя в подпрограммах могут иметься локальные переменные).

Пакеты-клиенты теперь могут работать с таблицами, используя различные методы из INTEGER_TABLE_HANDLING. Введем синтаксическое соглашение, позволяющее клиенту пользоваться методом f из пакета, для чего позаимствуем нотацию из языка CLU: P$f. В нашем примере типичные фрагменты программного текста клиента могут иметь вид:

-- Вспомогательные описания:

x: INTEGER; b: BOOLEAN

-- Описание t типа, определенного в INTEGER_TABLE_HANDLING:

t: INTEGER_TABLE_HANDLING$INTBINTREE

-- Инициализация t новой таблицей, создаваемой функцией new пакета:

t := INTEGER_TABLE_HANDLING$new

-- Включение x в таблицу, используя процедуру put пакета:

INTEGER_TABLE_HANDLING$put (t, x)

-- Присваивание True или False переменной b,

-- для поиска используется функция has пакета:

b := INTEGER_TABLE_HANDLING$has (t, x)

Отметим необходимость введения двух связанных между собой имен: одного для модуля, здесь это INTEGER_TABLE_HANDLING, и одного для его основного типа данных, здесь это INTBINTREE. Одним из ключевых шагов к ОО-программированию явится объединение этих двух понятий. Но не будем опережать события.

Менее важной проблемой является утомительная необходимость неоднократно писать имя пакета (здесь это INTEGER_TABLE_HANDLING). В языках, поддерживающих работу с пакетами, эта проблема решается с помощью различных сокращенных синтаксических конструкций (shortcuts), таких как, например, в языке Ada:

with INTEGER_TABLE_HANDLING then

... Здесь has означает INTEGER_TABLE_HANDLING$has, и т.д. ... end

Другим очевидным недостатком пакетов рассмотренного вида является их неспособность удовлетворять требованию Изменчивости Типов: приведенный выше модуль пригоден лишь для таблиц целых чисел. Однако, вскоре мы увидим, как устранить этот недостаток, делая пакеты универсальными (generic).

Механизм пакетов обеспечивает скрытие информации, ограничивая права клиентов на доступ к компонентам. Показанный выше клиент был в состоянии объявить одну из своих собственных переменных, используя тип INTBINTREE, взятый от своего поставщика, и вызывать подпрограммы, описанные этим поставщиком. Но он не имеет доступа ни к внутреннему описанию этого типа (к структуре record, определяющей реализацию таблиц), ни к телу подпрограмм (здесь это операторы do). Кроме того, можно скрыть от клиентов некоторые компоненты пакета (переменные, типы, подпрограммы), делая их используемыми только в тексте пакета.

Языки, поддерживающие работу с пакетами, несколько различаются своими механизмами скрытия информации. Например, в языке Ada, внутренние свойства типа, такого как INTBINTREE, будут доступны клиентам, если не объявить тип как private (закрытый).

Часто для усиления скрытия информации в языках с инкапсуляцией предлагается объявлять пакет, состоящий из двух частей, интерфейса (interface) и реализации (implementation)(См. лекция 11 и лекция 5 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования"). Закрытые элементы, такие как объявление типа или тело подпрограммы, включаются в раздел реализации. Однако такой подход приводит к добавочной работе для разработчиков модулей, заставляя их дублировать заголовки объявлений компонентов. При глубоком осмыслении правила Скрытия Информации все это не требуется. Подробнее эта проблема обсуждается в последующих лекциях.

Пакеты: оценка

По сравнению с подпрограммами, механизм пакетов приводит к существенному совершенствованию разбиения системы ПО на абстрактные модули. Собрать нужные компоненты "под одной крышей" крайне полезно как для поставщиков, так и для клиентов:

[x]. Автор модуля-поставщика может хранить в одном месте и совместно компилировать все элементы, относящиеся к некоторому заданному понятию. Это облегчает отладку и изменения. В отличие от этого, при использовании отдельных самостоятельных подпрограмм всегда есть опасность забыть произвести обновление некоторых подпрограмм при изменениях проекта или реализации; например, можно обновить new, put и has, но забыть обновить remove.

[x]. Для авторов модулей-клиентов несомненно легче найти и использовать множество взаимосвязанных компонентов, если все они собраны в одном месте.

Преимущество пакетов по сравнению с подпрограммами особенно очевидно в таких случаях, как рассмотренный здесь пример с таблицей, где в пакете собраны все операции, применимые к конкретной структуре данных.

Однако пакеты все же не обеспечивают полного решения проблем повторного использования. Как уже отмечалось, они отвечают требованию Группирования Подпрограмм, но не удовлетворяют всем остальным требованиям. В частности, они не обеспечивают возможности факторизации общего поведения - "вынесения за скобки" общих компонентов. Заметим, что INTEGER_TABLE_HANDLING в нашем наброске текста пакета основывается на одном частном выборе реализации, - двоичных деревьев поиска. Конечно, благодаря скрытию информации, клиентам незачем интересоваться этим выбором. Но библиотека повторно используемых компонентов должна будет содержать модули для многих различных реализаций. Возникающую при этом ситуацию нетрудно предвидеть: типичная библиотека пакетов будет предлагать массу похожих, но вовсе не идентичных, модулей для заданной прикладной области, например, для работы с таблицами, но без какого-либо учета их общности. Обеспечивая возможность повторного использования для клиентов, такая методика приносит в жертву возможность повторного использования со стороны поставщиков.

Но даже со стороны клиентов ситуация остается не вполне приемлемой. Каждое использование таблицы клиентом требует упомянутого выше объявления вида:

t: INTEGER_TABLE_HANDLING$INTBINTREE

Клиент вынужден выбирать конкретную реализацию. Этим нарушается требование Независимости Представлений: авторы модулей-клиентов должны будут знать больше о реализациях представлений модуля-поставщика, чем это принципиально необходимо.

Перегрузка и универсальность

Два технических приема - перегрузка (overloading) и универсальность (genericity) предлагают свои решения, направленные на достижение большей гибкости описанных выше механизмов. Рассмотрим, что же они могут дать.

Синтаксическая перегрузка

Перегрузка - это связывание с одним именем более одного содержания. Наиболее часто перегружаются имена переменных: почти во всех языках программирования различные по смыслу переменные могут иметь одно и то же имя, если они принадлежат различным модулям (различным блокам - в языке Algol и подобных ему).

Для этого обсуждения более существенной является перегрузка подпрограмм, частным случаем которой является перегрузка операторов, которая позволяет использовать одинаковые имена для нескольких подпрограмм. Такая возможность почти всегда имеет место для арифметических операторов: одна и та же запись, a +b, означает различные виды сложения, в зависимости от типов a и b (целые, вещественные с обычной точностью, вещественные с удвоенной точностью). Начиная с языка Algol 68, в котором допускалась перегрузка основных операторов, некоторые языки программирования распространили возможность перегрузки на операции, определяемые пользователем, и на обычные подпрограммы.

Например, в языке Ada пакет может содержать несколько подпрограмм с одним и тем же именем, но с разной сигнатурой, определяемой здесь числом и типами аргументов. В общем случае сигнатура функций содержит также тип результата, но язык Ada разрешает перегрузку, учитывающую только аргументы. Например, пакет может содержать несколько функций square:4.5)

square (x: INTEGER): INTEGER is do ... end

square (x: REAL): REAL is do ... end

square (x: DOUBLE): DOUBLE is do ... end

square (x: COMPLEX): COMPLEX is do ... end

Тогда при вызове square (y) тип аргумента y определит, какой вариант подпрограммы имелся в виду.

Подобным же образом, пакет может описывать набор функций поиска одинакового вида:

has (t: "SOME_TABLE_TYPE"; x: ELEMENT) is do ... end

Каждая из них задает свою реализацию и отличается фактическим типом, используемым вместо "SOME_TABLE_TYPE". Тип первого фактического аргумента, в любом клиентском вызове has, позволяет определить, какая из подпрограмм имелась в виду.

Из этих соображений следует общая характеризация перегрузки, которая будет полезной, когда несколько позже это свойство будет сопоставляться с универсальностью:

Роль перегрузки

Перегрузка подпрограмм является средством, предназначенным для клиентов. Она позволяет писать один и тот же текст, используя разные реализации некоторого понятия.

Так что же дает перегрузка подпрограмм решению проблемы повторного использования? Не много. Это - синтаксическое средство, освобождающее разработчиков от необходимости придумывать различные имена для разных реализаций некоторой операции и, по существу, перекладывает эту ношу на компьютер. Но это не решает ни одной из ключевых задач повторного использования. В частности, перегрузка не дает ничего для выполнения требования Независимости Представлений. Когда записывается вызов

has (t, x)

то необходимо будет объявить t, а следовательно (даже если скрытие информации освобождает вас от заботы о деталях каждого варианта алгоритма поиска) нужно точно знать, каков вид таблицы t! Единственным достоинством перегрузки является то, что во всех случаях можно пользоваться одним и тем же именем. Без перегрузки в каждой реализации потребуется другое имя, например

has_binary_tree (t, x)

has_hash (t, x)

has_linked (t, x)

Но является ли таки достоинством возможность избежать использования различных имен? Наверное нет. Основным правилом создания ПО, объектно оно или нет, является принцип честности (non-deception): различия в семантике должны отражаться в различиях текстов программ. Это позволяет существенно улучшить понятность ПО и минимизировать опасность возникновения ошибок. Если подпрограммы has являются различными, то использование для них одинакового имени может вводить в заблуждение - при чтении текста программы возникает предположение, что это одинаковые подпрограммы. Лучше предложить клиенту немного более многословный текст (как в случае введенных выше индивидуальных имен) и устранить какую-либо опасность путаницы.

Чем больше анализируешь перегрузку, тем более ограниченной она выглядит.

Критерий, используемый для устранения неоднозначности вызовов - сигнатуры списков аргументов - не обладает никакими конкретными достоинствами. Он работает в приведенных выше примерах, где все различные перегружаемые процедуры square и has имеют разные сигнатуры, но нетрудно представить себе множество случаев, когда у разных вариантов сигнатуры совпадают. Одним из простейших примеров перегрузки, по-видимому, является множество функций системы компьютерной графики, используемых для создания новых точек, например в виде:

p1 := new_point (u, v)

Точку можно задать: декартовыми координатами x и y; или полярными координатами r и q (расстоянием от начала координат и углом, отсчитываемым от горизонтальной оси). Но если перегрузить функцию new_point, то возникнет затруднение, связанное с тем, что оба варианта имеют одинаковую сигнатуру:

new_point (p, q: REAL): POINT

Этот пример, да и многие подобные ему, показывает, что сигнатура типов может не устранять неоднозначность перегружаемых вариантов. Но ничего лучшего не было предложено.

К сожалению, в относительно недавно появившемся языке Java используется описанная выше форма синтаксической перегрузки, в частности, для обеспечения альтернативных способов создания объектов.

Семантическая перегрузка (предварительное представление)

Описанную форму перегрузки подпрограмм можно назвать синтаксической перегрузкой. В ОО-подходе будет предложена намного более интересная методика, динамическое связывание, отвечающая целям Независимости Представлений. Динамическое связывание можно назвать семантической перегрузкой. При использовании этой методики и соответствующим образом подобранном синтаксисе можно записать некоторый эквивалент has (t, x) как запрос на выполнение.

Смысл такого запроса примерно таков:

Дорогой Компьютер (Hardware-Software Machine): Разберитесь, пожалуйста, что такое t; я знаю, что это должна быть таблица, но не знаю, какую реализацию этой таблицы выбрал ее создатель - и, откровенно говоря, лучше, если я останусь в неведении об этом. Как-никак, я занимаюсь не организацией ведения таблиц, а банковскими инвестициями [или компиляцией, или автоматизированным проектированием и т.д.]. Начальник над таблицами здесь кто-то другой. Так что разберитесь в этом сами и, когда получите ответ, поищите подходящий алгоритм для 'has', соответствующий этому конкретному виду таблицы. Затем используйте найденный алгоритм, чтобы установить, содержится ли 'x' в 't', и сообщите мне результат. Я с нетерпением ожидаю вашего ответа. С сожалением сообщаю вам что, кроме информации о том, что 't' это некоторого рода таблица, а 'x' это ее возможный элемент, вы не получите от меня больше никакой помощи. Примите мои дружеские пожелания, Искренне Ваш разработчик приложений.

В отличие от синтаксической перегрузки, такая семантическая перегрузка является прямым ответом на требование Независимости Представлений. Все еще остается подозрение о нарушении принципа честности (non-deception), и ответом будет использование утверждений (assertions), задающих общую семантику подпрограммы, имеющей много различных вариантов (например, общие свойства, характеризующие has при всевозможных реализациях таблицы).

Поскольку для надлежащей работы механизма семантической перегрузки требуется использование всего ОО-аппарата, в частности - наследования, то понятно, что синтаксическая перегрузка является лишь полумерой. В ОО-языке наличие синтаксической перегрузки наряду с динамическим связыванием может лишь приводить к путанице, как это происходит в языках C++ и Java, которые позволяют классу использовать несколько процедур с одним и тем же именем, возлагая разрешение неоднозначности вызовов на компилятор и человека, читающего текст программы.

Универсальность (genericity)

Универсальность - это механизм определения параметризованных шаблонов модулей (module patterns), параметры которых представляют собой типы. Это средство является прямым ответом на требование Изменчивости Типов. Оно устраняет необходимость использования многих модулей, таких как:

INTEGER_TABLE_HANDLING

ELECTRON_TABLE_HANDLING

ACCOUNT_TABLE_HANDLING

Вместо этого разрешается написать единственный шаблон модуля в виде:

TABLE_HANDLING [G]

Имя G, представляющее произвольный тип, и называется формальным родовым параметром (formal generic parameter). (Позже мы можем встретиться с необходимостью иметь два или более родовых параметров, но сейчас ограничимся одним.)

Такой параметризованный шаблон называется универсальным модулем (generic module), хотя это еще не настоящий модуль, а лишь общая схема - шаблон многих возможных модулей. Для получения фактического модуля из шаблона, следует задать некоторый тип, называемый фактическим родовым параметром. Модули, получаемые из шаблона заменой формального параметра G на фактический, записываются, например, в виде:

TABLE_HANDLING [INTEGER]

TABLE_HANDLING [ELECTRON]

TABLE_HANDLING [ACCOUNT]

Типы INTEGER, ELECTRON и ACCOUNT использованы, соответственно, в качестве фактических родовых параметров. Такой процесс получения фактического модуля из универсального модуля (шаблона модуля) называется родовым порождением (generic derivation), а сам модуль будет называться "универсально порожденным" (generically derived.).

Два небольших замечания относительно терминологии. Во-первых, родовое порождение иногда называют родовой конкретизацией (generic instantiation), а порожденный модуль называют тогда родовым экземпляром (generic instance) Эта терминология может привести к недоразумениям в ОО-контексте, поскольку термин "экземпляр" применяется к объектам, созданные во время выполнения из соответствующих типов (или классов). Так что мы будем придерживаться термина "порождение". Другим возможным источником недоразумений является слово "параметр". Подпрограмма может иметь формальные аргументы, представляющие значения, которые клиенты подпрограммы будут задавать при каждом обращении к ней. В литературе обычно используется термин "параметр" (формальный, фактический) как синоним аргумента (формального, фактического). Применение любого из этих терминов не является ошибкой, но мы, как правило, будем использовать термин "аргумент" для подпрограмм, а "параметр" для универсальных модулей.

Внутренне, описание унифицированного модуля TABLE_HANDLING будет напоминать приведенное выше описание INTEGER_TABLE_HANDLING, за исключением того, что для ссылки на тип элементов таблицы используется G вместо INTEGER. Например:

package TABLE_HANDLING [G] feature

type BINARY_TREE is

record

info: G

left, right: BINARY_TREE

end

has (t: BINARY_TREE; x: G): BOOLEAN

-- Содержится ли x в t?

do ... end

put (t: BINARY_TREE; x: G) is

-- Включить x в t.

do ... end

(и т.д.)

end -- пакета TABLE_HANDLING

В этом подходе некоторое замешательство вызывает то обстоятельство, что тип, объявленный BINARY_TREE, хотелось бы сделать универсальным и объявить его как BINARY_TREE [G]. Нет очевидного способа достижения этой возможности при "пакетном" подходе. Однако объектная технология объединит понятия модуля и типа, так что проблема будет решена автоматически. Мы убедимся в этом, когда узнаем, как интегрировать универсальность (genericity) в ОО-мир.

Интересно сопоставить определение универсальности с приведенным ранее определением перегрузки:

Роль универсальности

Универсальность является средством, предназначенным для поставщиков. Она позволяет писать один и тот же текст, используя одну и ту же реализацию некоторого понятия, применяемую к различным видам объектов.

Как же универсальность способствует реализации целей этой лекции? В отличие от синтаксической перегрузки, универсальность дает реальный вклад в решение наших проблем, поскольку, как было отмечено выше, она обеспечивает выполнение одного из основных требований, Изменчивости Типов. И при изложении объектной технологии в лекциях 7-18 этого курса значительное внимание будет уделено универсальности.

Основные методы модульности: оценка

Мы получили два основных результата. Одним из них является идея создания единого синтаксического "жилища", такого как пакетная конструкция (package construct), для множества подпрограмм, все из которых работают с однородными объектами. Вторым результатом является универсальность, приводящая к более гибкой форме модуля.

Все это, однако, охватывает лишь две проблемы повторного использования, Группирование Подпрограмм и Изменчивость Типов, и оказывает некоторое содействие в решении оставшихся трех проблем - Изменчивости Реализаций, Независимости Представлений и Факторизации Общего Поведения. Универсальность, в частности, недостаточна для решения проблемы Факторизации, поскольку определяет лишь два уровня. У нас появляется универсальный модуль, параметризованный и, следовательно, открытый для изменений, но непосредственно не применимый. На другом уровне у нас есть отдельные родовые порождения, пригодные для непосредственного применения, но закрытые для дальнейших изменений. Это не позволяет уловить тонкие различия, которые могут существовать между конкурирующими представлениями заданной общей идеи.

Что касается Независимости Представлений, то здесь мы почти не продвинулись. Ни один из рассмотренных методов - не считая беглого знакомства с семантической перегрузкой - не позволяет клиенту пользоваться различными реализациями некоторого общего понятия, не имея сведений о том, какая реализация будет выбрана в каждом случае.

Для решения этих проблем нам понадобится вся мощь ОО-концепций.

Ключевые концепции

[x]. Для разработки ПО характерна повторяющаяся деятельность, включающая частое использование общих образцов (common patterns). Но имеются существенные вариации того, как используются и комбинируются эти образцы, так примитивные попытки работать с компонентами, имеющимися в наличии, терпят неудачу.

[x]. При практическом внедрении повторного использования возникают экономические, психологические и организационные проблемы. Последние связаны, в частности, с необходимостью создания механизмов индексации, хранения и поиска большого числа повторно используемых компонентов. Более важными являются технические проблемы: общепринятые представления о модулях недостаточны для серьезной поддержки повторного использования.

[x]. Основным затруднением при осуществлении повторного использования является необходимость сочетать повторное использование с расширяемостью. Дилемма - "повторно использовать или переделать" неприемлема. Хорошее решение должно обеспечить возможность сохранить одни свойства повторно используемого модуля и адаптировать другие.

[x]. Простые подходы к решению проблемы: повторное использование персонала, повторное использование проектов, повторное использование исходного кода, библиотеки подпрограмм привели к некоторому успеху, но не позволили полностью реализовать потенциальные достоинства повторного использования.

[x]. Компонентом программы, пригодным для повторного использования, является абстрактный модуль, обеспечивающий инкапсуляцию функциональных возможностей с помощью хорошо определенного интерфейса.

[x]. Пакеты обеспечивают лучшую реализацию метода инкапсуляции, чем подпрограммы, поскольку в них объединяются структура данных и связанные с ней операции.

[x]. Два метода позволяют повысить гибкость пакетов: перегрузка подпрограмм и универсальность.

[x]. Перегрузка подпрограмм является синтаксическим средством, которое не решает важных проблем повторного использования, но затрудняет читабельность текстов программ.

[x]. Универсальность способствует повторному использованию, но решает лишь проблему изменчивости типов.

[x]. Что же нам требуется: техника, помогающая поставщику учесть общность в группах взаимосвязанных реализаций структур данных; и техника, избавляющая клиентов от необходимости знать о том, какой вариант реализации выбран поставщиком.

Библиографические замечания

Первая публикация, обсуждающая проблемы повторного использования, упомянутая в начале этой лекции, принадлежит, по-видимому, Мак-Илрою (McIlroy's 1968 Mass-Produced Software Components). Его статья [McIlroy 1976] была представлена в 1968 г. на первой конференции по разработке ПО, созванной Комитетом НАТО по науке (NATO Science Affairs Committee). 1976 г. это дата издания трудов конференции, [Buxton 1976], публикация которых была задержана на несколько лет. Мак-Илрой пропагандировал развитие промышленного производства компонентов ПО.

Вот фрагмент его статьи:

"Производство ПО в наши дни оказывается по уровню индустриализации ниже наиболее отсталых отраслей строительной промышленности. Я думаю, что его надлежащее место значительно выше, и хотел бы выяснить перспективы реализации методов массового производства ПО ... Когда мы беремся за написание компилятора, то начинаем с вопроса: "Какой механизм работы с таблицами будем создавать?". А следует задавать вопрос: "Какой механизм будем использовать?" ... Я выдвигаю тезис о том, что у индустрии программ слабая основа отчасти в связи с отсутствием подотрасли производства программных компонентов... Такое производство компонентов могло бы быть весьма успешным."

Одним из важных вопросов, рассмотренных в статье, был вопрос о необходимости иметь семейства модулей, обсуждавшийся выше как одно из требований к любому комплексному решению проблем повторного использования.

Наиболее важной характеристикой индустрии компонентов ПО является то, что она должна предлагать семейства [модулей] для выполнения заданной работы.

В тексте Мак-Илроя использовалось слово "подпрограмма" (routine), а не "модуль"; в свете обсуждения, проведенного в этой лекции, этот термин является - с ретроспективным учетом тридцати лет последующей эволюции методов разработки ПО - слишком ограничительным.

Специальный выпуск Transactions on Software Engineering, изданный Биггерстафом и Перлисом (Biggerstaff and Perlis) [Biggerstaff 1984], сыграл важную роль в привлечении внимания сообщества разработчиков ПО к вопросам повторного использования; смотрите в частности, в этом выпуске, статьи [Jones 1984], [Horowitz 1984], [Curry 1984], [Standish 1984] и [Goguen 1984]. Те же издатели включили все эти статьи (кроме первой из вышеупомянутых) в расширенный двухтомный сборник [Biggerstaff 1989]. Еще одним сборником статей по повторному использованию является [Tracz 1988]. Позже Трач (Tracz) собрал ряд своих материалов из IEEE Computer в полезную книгу [Tracz 1995], в которой особое значение придается организационным вопросам.

Один из подходов к повторному использованию, основанный на идеях искусственного интеллекта, воплощен в проекте Массачусетского технологического института по подготовке программистов (MIT Programmer's Apprentice project); смотрите статьи [Waters 1984] and [Rich 1989], воспроизведенные в первом и втором сборниках Биггерстафа-Перлиса, соответственно. Эта система использует не реальные повторно используемые модули, а шаблоны (называемые cliches and plans), представляющие общие стратегии разработки программы.

При обсуждении вопроса о пакетах упоминались три "языка с инкапсуляцией": Ada, Modula-2 и CLU. Язык Ada обсуждается в одной из последующих лекций, библиографический раздел которой содержит ссылки на языки Modula-2, CLU, а также Mesa and Alphard, причем два последних языка с инкапсуляцией принадлежат "модульному поколению" семидесятых и начала восьмидесятых годов прошлого века. Эквивалент пакета в языке Alphard был назван формой (form).

Важный проект STARS Министерства обороны США восьмидесятых годов прошлого века был акцентирован на проблеме повторного использования, особенно на организационных аспектах этой проблемы, причем в качестве языка для компонентов ПО использовался язык Ada. Ряд статей по этим вопросам можно найти в трудах конференции STARS DoD-Industry 1985 г. [NSIA 1985].

Двумя наиболее известными книгами по "образцам (шаблонам) проектов" являются [Gamma 1995] и [Pree 1994].

Работа [Weiser 1987] является призывом к распространению ПО в виде исходных текстов. Однако в этой статье недооценивается необходимость абстракции; как было показано в этой лекции, при необходимости можно сохранить возможность доступа к исходному тексту, но применить его высокоуровневую форму в качестве документации по умолчанию для пользователей модуля. Из других соображений Ричард Сталлман (Richard Stallman), создатель Лиги Сторонников Свободы Программирования (League for Programming Freedom), утверждал, что представление в виде исходного текста всегда должно быть доступно; смотрите [Stallman 1992].

В работе [Cox 1992] описывается идея суперпоставки (superdistribution) Некоторая разновидность перегрузки имелась в языке Algol 68 [van Wijngaarden 1975]; в языках Ada (в котором это распространено на подпрограммы), C++ и Java, которые будут рассмотрены в последующих лекциях, этот механизм широко используется.

Универсальность или полиморфизм (genericity) появляется в языках Ada и CLU, и в ранней версии языка спецификаций Z [Abrial 1980]; в этой версии синтаксис Z близок к используемому для представления универсальности в этой книге. Язык LPG [Bert 1983], был явно предназначен для исследования универсальности. (Название этого языка является аббревиатурой из начальных букв "Language for Programming Generically".)

Работа, цитированная в начале этой лекции в качестве основной ссылки на табличный поиск, это [Knuth 1973]. Среди многих пособий по алгоритмам и структурам данных, которые освещают этот вопрос, стоит обратить внимание на [Aho 1974], [Aho 1983] или [M 1978].

Две книги автора данной книги содержат дальнейший анализ вопроса повторного использования. Книга Reusable Software [M 1994a], полностью посвященная этой теме, представляет принципы разработки и реализации для создания высококачественных библиотек, и полную спецификацию множества базисных библиотек. В книге Object Success [M 1995] обсуждаются организационные аспекты проблемы повторного использования, особенно те сферы деятельности, в которых должна прилагать усилия фирма, заинтересованная в повторном использовании, и области, в которых такие усилия будут, по-видимому, бесполезными (например, рекомендации повторного использования разработчикам приложений, или поощрение осуществления ими повторного использования). Смотрите также короткую статью на эту тему, [M 1996].

Лекция 5. К объектной технологии

Расширяемость, возможность повторного использования и надежность - наши главные цели - требуют выполнения ряда условий, определенных в предыдущих лекциях. Для их достижения требуется систематический метод декомпозиции системы на модули. В этой лекции представлены основные элементы такого метода, основанного на простой, но далеко идущей идее: строить каждый модуль на базе некоторого типа объектов. Здесь эта идея объясняется, логически обосновывается и из нее выводятся некоторые следствия.

Предупреждение. Видя, что сегодня объектная технология широко известна и достаточно распространена, некоторые читатели могут подумать, что битва уже выиграна и нет необходимости в ее дальнейшем логическом обосновании. Это было бы ошибкой: если мы хотим избежать распространенных ошибок и ловушек, то нам нужно понимать основы метода. На самом деле, часто можно увидеть, что прилагательное "объектно-ориентированный" (подобно прилагательному "структурный" в предшествующую эпоху) используется просто как новая наклейка для самых традиционных методов разработки ПО. Только аккуратно построив здание объектной технологии можно научиться определять случаи неверного использования этого модного слова и избегать ошибок, рассматриваемых далее в этой лекции.

Ингредиенты вычисления

При поиске правильной архитектуры ПО критическим является вопрос о модуляризации: какие критерии нужно использовать при выделении модулей наших программ?

Чтобы верно ответить на него, нужно сравнить соперничающих кандидатов.

Базисный треугольник

Три силы вступают в игру, когда мы используем программу для выполнения каких-либо вычислений

Выполнить программную систему - значит использовать некоторые процессоры для применения некоторых действий к некоторым объектам.

Рис. 5.1.  Три силы вычисления

Процессоры - это вычислительные устройства (физические или виртуальные), выполняющие команды. Процессор может быть фактической единицей обработки (например, ЦПУ компьютера), процессом обычной операционной системы или одним ее "потоком" для многопоточной ОС.

Действия - это операции, производящие вычисления. Точная форма рассматриваемых нами действий будет зависеть от уровня детальности анализа. Например, на уровне оборудования действия являются операциями машинного языка, на аппаратно-программном уровне - операторами языка программирования, а на уровне программной системы можно рассматривать в качестве действия каждый большой шаг сложного алгоритма.

Объекты - это структуры данных, к которым применяются действия. Некоторые из этих объектов - структуры данных, построенные вычислением для своих собственных целей, - являются внутренними и существуют только во время вычисления, другие (содержащиеся в файлах, базах данных и других постоянных хранилищах) являются внешними и могут пережить вычисления, в которых используются.

Процессоры будут важны при обсуждении параллельных вычислений, в которых одновременно могут выполняться несколько подвычислений. В этой лекции мы ограничиваемся непараллельными или последовательными вычислениями, проводимыми одним (остающимся за рамками рассмотрения) процессором.

Таким образом, остаются действия и объекты. Дуализм между действиями и объектами - тем, что система делает, и тем, с чем она это делает - это популярная тема в разработке ПО.

[x]. Замечание о терминологии. Для обозначения каждого из этих двух аспектов имеются соответствующие синонимы: слово данные будет использоваться как синоним слова объекты, а вместо слова действие мы, следуя обычной практике, будем говорить о функциях системы.

[x]. Термин "функция" также не лишен недостатков, поскольку при обсуждении ПО он используется по крайней мере в двух смыслах: математическом и в смысле ПО как подпрограмма, возвращающая некоторый результат. Но, не боясь неоднозначности, мы будем использовать фразу "функции системы", требуемую здесь.

[x]. Причина, по которой мы используем это слово, а не "действие" - чисто грамматическое удобство от использования соответствующего прилагательного, например во фразе "функциональная декомпозиция". Слово "действие" не имеет соответствующего производного прилагательного. Другим термином, чье значение в нашем обсуждении эквивалентно значению слова "действие", является слово "операция".

Всякое обсуждение, связанное с программированием, должно учитывать оба аспекта: объект и функцию, это относится и к проектированию программной системы. Но есть один вопрос, при ответе на который между ними нужно выбирать - это вопрос данной лекции: что является критерием выделения модулей системы? Здесь нужно решить, будут ли модули строиться как единицы функциональной декомпозиции или они будут создаваться вокруг главных типов объектов.

Ответ на этот вопрос демонстрирует различие между ОО-подходом и другими методами. При традиционных подходах каждый модуль строится вокруг некоторой единицы функциональной декомпозиции - некоторой части действия. В отличие от них, ОО-метод строит каждый модуль вокруг некоторого типа объектов.

Нетрудно догадаться, что в этой книге развивается именно этот подход. Но нам не следует принимать ОО-декомпозицию на веру лишь потому, что она подразумевается названием этой книги, или потому, что она является "вещью-в-себе", которую просто необходимо делать.

В последующих разделах мы проанализируем аргументы, обосновывающие использование типов объектов в качестве основы модуляризации, а начнем с исследования достоинств и ограничений традиционных не ОО-методов. Затем мы попытаемся получить ясное представление о том, что на самом деле означает слово "объект" для проектирования ПО, хотя полный ответ, требующий некоторых дополнительных теоретических рассуждений, появится только в следующей лекции.

Мы должны также отложить до следующей лекции урегулирование старинной и грозной битвы, ставшей темой нашего обсуждения - Войны Объектов и Функций. Пока же мы подготовим кампанию опорочивания функций в качестве базиса декомпозиции, и, соответственно, восхваления объектов для достижения этих целей. И все-таки нам не следует забывать сделанное выше наблюдение, в конечном счете, в нашем решении проблем должно найтись место, как объектам, так и функциям, хотя и не на равных основаниях. Для установления нового мирового порядка необходимо определить роли граждан первого и второго сорта.

Функциональная декомпозиция

Вначале мы рассмотрим достоинства и ограничения традиционного подхода, использующего функции в качестве основы архитектуры программных систем. Это не только приведет нас к пониманию того, почему требуется еще кое-что - объектная технология, но и поможет избежать некоторых методологических ловушек, таких как преждевременное упорядочение операций, которым, как известно, грешат даже опытные разработчики ОО-ПО.

Непрерывность

Ключевой проблемой при ответе на вопрос: "вокруг чего следует структурировать системы: вокруг функций или вокруг данных?" является проблема расширяемости, более точно - цель, названная непрерывностью в предшествующем обсуждении. Как вы помните, метод проектирования удовлетворяет этому критерию, если он приводит к устойчивой архитектуре, обеспечивающей объем изменений в проекте, соразмерный объему изменений в спецификации.

Обеспечение непрерывности - это главная забота при рассмотрении реального жизненного цикла программных систем, включающего не только производство приемлемой первоначальной версии, но и эволюцию системы на протяжении долгого времени. Большинство систем подвергаются многочисленным изменениям после их первоначальной поставки. Поэтому всякая модель разработки ПО, которая рассматривает только период, предшествующий этой поставке, и игнорирующая последующую эру изменений и пересмотров, весьма далека от реальной жизни, как те романы, которые заканчиваются женитьбой героя на героине в тот момент, когда, как каждый знает, только и должно начинаться самое интересное.

Чтобы оценить качество архитектуры (и породившего ее метода), нужно понять не только то, насколько просто было изначально получить эту архитектуру, не менее важно выяснить, насколько легко ее можно изменить.

Традиционным ответом на этот вопрос была функциональная декомпозиция "сверху вниз", кратко определенная в одной из предыдущих лекций. Насколько хорошо разработка сверху вниз отвечает требованиям модульности?

Проектирование сверху вниз

Там был также весьма изобретательный архитектор, придумавший новый способ постройки домов. Постройка должна была начинаться с крыши и кончаться фундаментом. Он оправдывал мне этот способ ссылкой на приемы двух мудрых насекомых - пчелы и паука.

Джонатан Свифт, "Путешествия Гулливера"

При подходе сверху вниз система строится с помощью последовательных уточнений. Этот процесс начинается с самого общего утверждения об ее абстрактной функции, такого как

[C0]

"Оттранслировать СИ-программу в машинный код"

или

[P0]

"Обработать команду пользователя"

и продолжается путем последовательных шагов уточнения. На каждом шаге уровень абстракции получаемых элементов должен уменьшаться, каждая операция на нем разлагается на композицию одной или нескольких более простых операций. Например, следующий шаг в первом примере (транслятор с СИ) может привести к декомпозиции

[C1]

"Прочесть программу и породить последовательность лексем"

"Разобрать последовательность лексем и построить абстрактное синтаксическое дерево"

"Снабдить дерево семантической информацией"

"Сгенерировать по полученному дереву код"

или, используя другую структуру (и сделав упрощающее предположение, что СИ-программа - это последовательность определений функций):

[C'1]

from

"Инициализировать структуры данных"

until

"Определения всех функций обработаны"

loop

"Прочесть определение следующей функции"

"Сгенерировать частичный код"

end

"Заполнить перекрестные ссылки"

В любом случае разработчик должен на каждом шаге проверять оставшиеся не полностью уточненными элементы (такие как "Читать программу..." и "Определения всех функций обработаны") и раскрывать их, используя тот же процесс уточнения до тех пор, пока все не окажется на достаточном низком уровне абстракции, допускающем непосредственную реализацию.

Процесс уточнения сверху вниз можно представить как построение дерева. Вершины представляют элементы декомпозиции, ветви показывают отношение "B есть уточнение A".

Рис. 5.2.  Разработка сверху вниз: структура дерева

У метода проектирования сверху вниз имеется ряд достоинств. Он логичен, хорошо организует дисциплину мышления, поддается эффективному изучению, поощряет систематическое проектирование систем, помогает разработчику найти пути преодоления больших сложностей, возникающих обычно на начальной стадии разработки систем.

Нисходящий подход может быть весьма полезен при разработке отдельных алгоритмов. Однако у него есть ряд ограничений, которые делают сомнительным использование этого подхода при проектировании целых систем:

[x]. Сомнительной является сама идея охарактеризовать всю систему посредством только одной функции.

[x]. Используя в качестве основы декомпозиции системы на модули свойства, которые склонны подвергаться наибольшим изменениям, этот метод не способен учесть эволюционную природу программных систем.

Не только одна главная функция

При эволюции системы то, что вначале воспринималось как ее главная функция, с течением времени может стать менее важным.

Рассмотрим типичную систему расчета зарплаты. При формулировке начальных требований заказчик мог представить лишь то, что следует из ее названия: систему для генерации чеков на зарплату по соответствующим данным. Его представление системы, явное или неявное, могло оказаться версией следующей схемы, возможно, чуть более амбициозное:

Рис. 5.3.  Структура простой системы расчета зарплаты

Эта система получает некоторые входные данные (такие как часы работы служащего и некоторую информацию о нем) и производит некоторые выходные данные (чеки и т. п.). Это простая функциональная спецификация, в строгом смысле слова "функциональный". Она определяет программу как механизм для выполнения одной функции - платить зарплату служащим. Функциональный метод проектирования сверху вниз предназначен как раз для таких строго очерченных проблем, когда задание состоит в вычислении одной функции - "вершины" конструируемой системы.

Предположим, однако, что разработка нашей платежной системы благополучно завершена и программа выполняет всю необходимую работу. Скорее всего, на этом разработка не прекратится. Хорошие системы имеют противную привычку возбуждать в своих пользователях множество идей о других вещах, которые они могут делать. Как разработчику системы вам было сказано вначале, что все, что вы должны сделать - это сгенерировать чеки и пару вспомогательных выходных данных. Но затем просьбы о расширениях начинают попадать на ваш стол одна за другой: "Может ли программа собирать некоторую дополнительную статистику?" "Я говорил вам, что в следующем квартале мы собираемся начать платить некоторым служащим ежемесячно, а некоторым - дважды в месяц, не так ли?" "И, между прочим, мне нужен ежемесячный суммарный отчет для администрации и еще один ежеквартальный для акционеров". "Бухгалтерам требуется отдельный отчет для начисления налогов". "Кстати, правильно ли вы храните информацию о зарплате? Очень хотелось бы предоставить персоналу интерактивный доступ к ней. Не понимаю, почему трудно добавить такую функцию?"

Этот феномен - желание добавить непредусмотренные заранее функции к успешным системам - встречается во всех прикладных областях. Программа для ядерной физики, которая вначале просто применяла некоторый алгоритм для выдачи таблицы чисел по пакетному входу, со временем непременно будет расширена. Она должна будет обрабатывать графический вход, выдавать графический выход и сохранять в базе данных полученные результаты. Компилятор, предназначенный только для трансляции корректных исходных текстов в объектные коды, будет через некоторое время существенно расширен, чтобы красиво распечатывать программы, а также служить верификатором синтаксиса, статическим анализатором и даже - программным окружением.

Процесс изменений происходит непрерывно. Новая система все еще является во многих отношениях "той же", что и старая: все еще платежной системой, программой для ядерной физики, компилятором. Но исходная "главная функция", которая вначале выглядела самой важной, часто становится просто одной из функций системы, а иногда и совсем исчезает, становясь ненужной.

Если при анализе и проектировании используется метод декомпозиции, основанный на функции, то структура системы будет вытекать из исходного понимания разработчиками главной функции системы. При этом добавление всякой новой функции, даже если оно кажется заказчику простым, может разрушить всю структуру системы. Поэтому очень важно найти в качестве критерия декомпозиции свойства менее изменчивые, чем главная функция системы.

Обнаружение вершины

Нисходящий метод проектирования предполагает, что каждая система характеризуется на самом абстрактом уровне своей главной функцией. Хотя многие учебные примеры алгоритмических проблем - "Ханойские башни", "Задача о 8 ферзях" и т. п. - действительно легко задать с помощью их "верхних" функций, более полезно описывать практические системы в терминах предоставляемых ими услуг.

Рассмотрим какую-либо операционную систему. Наиболее разумно представлять ее как систему, предоставляющую такие услуги, как распределение времени процессора, управление памятью, обращение с устройствами ввода-вывода, декодирование и исполнение команд пользователя. Модули хорошо структурированной ОС стремятся сгруппироваться вокруг этих групп функций. Но это не та структура, которую можно получить при нисходящей функциональной декомпозиции. Этот метод заставляет проектировщика отвечать на искусственный вопрос: "что является "верхней" функцией?", а затем использовать последовательные уточнения полученного ответа в качестве основы для структуры системы. При определенных усилиях можно придти к следующему ответу на исходный вопрос

"Обработать все запросы пользователя",

который далее можно уточнять примерно так:

from

начальная загрузка системы

until

остановка или аварийный отказ

loop

"Прочесть запрос пользователя и поместить во входную очередь"

"Взять запрос r из входной очереди"

"Обработать r"

"Поместить результат в выходную очередь"

"Взять результат q из выходной очереди"

"Выдать результат q получателю"

end

Уточнения могут продолжаться. Однако маловероятно, что после такого начала кому-либо удастся спроектировать разумно структурированную операционную систему.

Вернемся к примеру с компилятором. Оставив в нем самую суть или представив точку зрения старых учебников, можно сказать, что компилятор - это реализация функции типа вход-выход, трансформирующей текст исходной программы на некотором языке программирования в машинный код некоторой платформы. Но для современных компиляторов этот взгляд недостаточен. Среди многих услуг, предоставляемых компилятором, обнаружение ошибок, форматирование программы, возможность управления конфигурацией системы, вход в систему, генерация отчетов.

По-видимому, очевидная отправная точка проектирования сверху вниз - взгляд, согласно которому для каждой новой разработки требуется запросить некоторую специальную функцию - является весьма сомнительной:

У реальной системы нет "вершины"!

Функции и эволюция

Главная функция часто не только не является наилучшим критерием для начального определения системы, но она может также в процессе эволюции системы почти сразу оказаться среди изменяемых свойств.

Рассмотрим в качестве примера программу, имеющую две версии: одну "пакетную", которая выполняет во время сессии одно большое непрерывное вычисление, и другую - интерактивную, которая в каждой сессии реализует последовательность транзакций с разбиением взаимодействия пользователя с системой на более мелкие шаги. Большие научные программы очень часто имеют две версии: одну, которая "пусть работает всю ночь, выполняя большую порцию вычислений", и другую, которая "позволяет мне сначала проверить некоторые вещи, посмотреть на результаты, а затем вычислить еще что-нибудь".

Уточнение сверху вниз пакетной версии могло начаться следующим образом.

[B0] - Абстракция верхнего уровня

"Решить полный экземпляр проблемы"

[B1] - Первое уточнение

"Прочесть входные данные"

"Вычислить результаты"

"Вывести результаты"

и т. д. Проектирование интерактивной версии сверху вниз может происходить в следующем стиле.

[I1]

"Обработать одну транзакцию"

[I2]

if "Пользователь предоставил новую информацию" then

"Ввести информацию"

"Запомнить ее"

elseif "Запрошена ранее данная информация" then

"Извлечь запрошенную информацию"

"Вывести ее"

elseif "Запрошен результат" then

if "Необходимая информация доступна" then

"Получить запрошенный результат"

"Вывести его"

else

"Запросить подтверждение запроса"

if Да then

"Получить требуемую информацию"

"Вычислить запрошенный результат"

"Вывести результат"

end

end

end

(и т. д.)

Начавшаяся таким образом разработка приведет к совершенно неверному результату. Подход сверху вниз не способен учесть то обстоятельство, что результирующие программы должны быть ничем иным как двумя версиями одной и той же программной системы, независимо от того, как они проектируются - одновременно или одна выводится из другой.

Этот пример высвечивает два самых неприятных последствия подхода сверху вниз: во-первых, он сосредотачивается на внешнем интерфейсе (здесь это проявилось в раннем выборе между пакетной и интерактивной версиями), во-вторых, он преждевременно устанавливает временные отношения (т.е. порядок выполнения действий).

Интерфейсы и проектирование ПО

Архитектура системы должна основываться на содержании, а не на форме. Но проектирование сверху вниз стремится использовать в качестве основы для структуры самый поверхностный аспект системы - ее внешний интерфейс.

Такой упор на внешний интерфейс неизбежен для метода, ключевой вопрос которого: "Что система будет делать для конечного пользователя?" Ответ на него обязательно будет акцентироваться на самых внешних аспектах.

Интерфейс пользователя, как правило, оказывается одним из наиболее изменчивых компонентов, поскольку трудно получить правильный интерфейс с первой попытки. Довольно часто удается построить интерфейс отдельно от других компонент системы, используя один из множества доступных сегодня инструментов реализации элегантных и дружественных интерфейсов, основанных на ОО-методах. В таких случаях интерфейс пользователя почти не оказывает влияния на проектирование всей системы.

Преждевременное упорядочение

Предыдущие примеры иллюстрируют также и другой недостаток функциональной декомпозиции сверху вниз: преждевременную фиксацию временных ограничений. Каждое уточнение развертывает часть абстрактной структуры в более подробную архитектуру управления, задающую порядок выполнения различных функций (различных частей соответствующего действия). Такие уточнения и ограничения порядка становятся существенными свойствами архитектуры системы, но они также подвержены изменениям.

Напомним две альтернативных структуры для первого уточнения компилятора.

[C1]

"Прочесть программу и породить последовательность лексем"

"Разобрать последовательность лексем и построить абстрактное синтаксическое дерево"

"Снабдить дерево семантической информацией"

"Сгенерировать по полученному дереву код"

[C'1]

from

"Инициализировать структуры данных"

until

"Определения всех функций обработаны"

loop

"Прочесть определение следующей функции"

"Сгенерировать частичный код"

end

"Заполнить перекрестные ссылки"

Как и в предыдущем примере, мы начинаем с двух совершенно разных архитектур. Каждая из них задается некоторой структурой управления (последовательностью команд в первом случае и циклом, за которым идет команда - во втором), накладывающей строгие ограничения на порядок элементов в этой структуре. Но было бы неразумно зафиксировать такие отношения порядка на самых ранних стадиях проектирования. Такие вопросы как число проходов компилятора, установление последовательности различных этапов (лексического анализа, синтаксического разбора, семантической обработки, оптимизации) имеют много различных решений, к которым должны придти разработчики, учтя соотношения между памятью и временем и другие критерии, которыми они, возможно, не руководствовались в начале проекта. Они могут успешно выполнять работу по проектированию и реализации отдельных компонентов задолго до фиксации временного порядка между ними, и захотят подольше сохранять свободу в выборе этого порядка. Функциональное проектирование сверху вниз не обеспечивает такой гибкости: требуется определять порядок выполнения операций до появления глубокого понимания того, что эти операции будут делать.

ОО-проектирование избегает преждевременного упорядочения. Разработчик изучает различные операции, применимые к определенным данным, и задает результат каждой из них, но при этом откладывает, насколько это возможно, определение порядка выполнения операций. Это можно назвать подходом списка необходимых покупок: здесь его роль играет список необходимых операций, т.е. всех операций, которые вам могут понадобиться. При этом ограничения на их порядок в процессе создания ПО не налагаются так долго, пока это возможно. В результате получаются намного более гибкие архитектуры.

Упорядочивание и ОО-разработка

Риск преждевременного упорядочивания заслуживает более глубокого рассмотрения, поскольку даже ОО-проектировщики не имеют к нему иммунитета. Подход списка покупок - это один из наименее понятных компонентов метода. Довольно часто можно встретить ОО-проекты, попавшие в старую ловушку, что немедленно отражается на их качестве. В частности, это может быть результатом неправильного использования идеи разбора случаев - case технологии, с которой мы встретимся при изучении ОО-методологии.

Проблема в том, что порядок операций, кажущийся очевидным свойством системы и ничему не обязывающий на ранних этапах проектирования, приводит к ужасным последствиям, если после всех уточнений его придется изменить. Альтернативный метод - подход списка покупок - кажется с первого взгляда менее естественным, но значительно более гибок, поскольку использует логические, а не временные ограничения. Он основан на концепции утверждений, разрабатываемой позже в этой книге (см. лекцию 11). Продемонстрируем теперь основные идеи на не программистском примере.

Рассмотрим проблему покупки дома, сведя ее к трем операциям: нахождение подходящего дома, получение ссуды, подписание контракта. Используя метод, основанный на упорядочивании, опишем наш проект, как простую последовательность шагов:

[H]

найти_дом

получить_ссуду

подписать_контракт

В подходе списка покупок при ОО-разработке мы бы на данном этапе отказались бы придавать так много значения порядку операций. Но, конечно, ограничения между операциями существуют, - нельзя подписать контракт, если у вас нет подходящего дома и нет денег на его покупку. Мы можем выразить эти ограничения в логической форме:

[H1]

найти_дом

ensure

дом_найден

получить_ссуду

ensure

ссуда_получена

подписать_контракт

require

дом_найден and ссуда_получена

Нотация будет введена только в лекции 11, но и здесь все должно быть достаточно ясно. Предложение require задает предусловие, логическое свойство, требуемое операцией перед ее выполнением; ensure - задает постусловие, свойство, выполняемое после завершения операции. Тем самым нам удалось описать результат двух операций, и то, что последняя операция требует для своего выполнения достижения результата этих операций.

Почему логическая форма H1, устанавливающая ограничения, лучше, чем временная форма H? Ответ ясен: H1 выражает минимум требований, избегая чрезмерной спецификации, характерной для H. В самом деле, почему не получить ранее ссуду, а потом уже думать о покупке дома, располагая определенными деньгами, это тактика может быть вполне оправдана для покупателя, у которого главная проблема - финансовая. Насколько возможно, следует поддерживать оба возможных порядка действий, соблюдая логические ограничения.

Подход, основанный не на порядке операций, а на логических ограничениях, более уравновешенный. Каждая операция просто устанавливает, что ей необходимо и что она гарантирует, -все это в терминах абстрактных свойств.

Эти замечания важны, в частности, и для объектных проектировщиков, кто все еще может находиться в плену функциональных идей, и будет пытаться применить раннюю идентификацию системы, используя сценарии (case технологию) как основу анализа. Это несовместимо с ОО-принципами и часто приводит в чистом виде к функциональной декомпозиции сверху вниз, даже если члены команды уверены, что они используют ОО-метод.

Возможность повторного использования

После этого краткого вторжения в зону объектной территории вернемся к анализу метода сверху вниз и рассмотрим его на сей раз по отношению к одной из наших основных целей - возможности повторного использования ПО.

При разработке сверху вниз элементы программы создаются в ответ на отдельные уточненные спецификации, встретившиеся в древообразном проектировании системы. В текущей точке разработки, соответствующей уточнению некоторой вершины дерева, разработчиком будет осознана необходимость введения некоторой функции, например анализа входной командной строки. Затем будет задана ее спецификация, а реализовывать функцию, возможно, будет другой исполнитель.

Рис. 5.4.  Контекст модуля при разработке сверху вниз

Рисунок, показывающий часть дерева уточнений сверху вниз, иллюстрирует это свойство: C2 пишется, чтобы удовлетворить некоторой части требований C. Характеристики C2 полностью определяются его непосредственным контекстом, т.е. нуждами C. Например, C может быть модулем, отвечающим за анализ некоторых входных данных, а C2 может быть модулем, отвечающим за анализ одной строки (части всего длинного входа).

Такой подход обеспечивает хорошее соответствие проекта его начальной спецификации, но не способствует повторному его использованию. Модули разрабатываются в ответ на отдельные возникающие подзадачи и, как правило, являются не более общими, чем к этому их вынуждает непосредственный контекст. В нашем примере, если C предназначен для входных текстов специального вида, то маловероятно, что C2, анализирующий одну строку таких текстов, будет применим к какому-либо другому виду входа.

Проектирование, имеющее в виду возможность повторного использования, подразумевает построение наиболее общих, по возможности, компонент, из которых затем составляются системы. Этот процесс идет снизу вверх и противоположен идее проектирования сверху вниз, требующей начинать с определения "задачи" и выводить ее решение путем последовательных уточнений.

Это обсуждение показывает, что проектирование сверху вниз является побочным продуктом того, что можно назвать культом проекта в разработке ПО, считающего, что единицей рассмотрения должен служить индивидуальный проект, никак не связанный с предыдущими или последующими проектами. Реальность не столь проста: n-ый проект компании обычно является вариацией (n-1)-го проекта и предшественником (n+1)-го. Сфокусировавшись лишь на одном проекте, разработка сверху вниз пренебрегает этой особенностью практического создания ПО.

Производство и описание

Одна из причин первоначальной привлекательности идей проектирования сверху вниз заключается в том, что этот стиль может быть удобен для объяснения каждого шага разработки. Но то, что хорошо для документации существующей разработки, не обязательно является наилучшим способом для ее проведения. Эта точка зрения была ярко представлена Майклом Джексоном в "Разработке систем" ([Jackson 1983], стр. 370-371):

"Сверху вниз - это разумный способ описания уже полностью понятых вещей. Но это неподходящий способ для проектирования, разработки или открытия чего-либо нового. Здесь имеется близкая параллель с математикой. В учебниках по математике ее отдельные дисциплины описываются в логическом порядке: каждая сформулированная и доказанная теорема используется при доказательстве последующих теорем. Но на самом деле эти теоремы не создавались или открывались указанными способами или в указанном порядке... Если у разработчика системы или программы в голове уже имеется ясное представление об окончательном результате, то он может применить метод сверху вниз, чтобы описать на бумаге то, что имеется у него в голове. Именно поэтому люди могут считать, что они проектируют и разрабатывают сверху вниз и делают это весьма успешно: они смешивают способ описания с методом разработки. Когда начинается этап сверху вниз, задача уже решена и осталось уточнить лишь некоторые детали. "

Проектирование сверху вниз: общая оценка

Проведенное обсуждение функционального проектирования сверху вниз показывает, что этот метод плохо приспособлен для разработки важных систем. Он остается полезной парадигмой для небольших программ и отдельных алгоритмов, он также полезен для описания хорошо понятных алгоритмов, особенно в учебниках по программированию. Но он не масштабируем и не годится для больших практических программных систем.

Декомпозиция, основанная на объектах

Использование объектов (или, более точно, как будет видно далее, - типов объектов) как ключа для разбиения системы на модули основано на содержательных целях, определенных в лекции 1, в частности, на расширяемости, возможности повторного использования и совместимости.

Доводы в пользу применения объектов будут довольно краткими, так как этот вопрос был уже ранее рассмотрен: многие из аргументов против основанного на функциях проектирования сверху вниз естественно превращаются в свидетельства в пользу основанного на объектах проектирования снизу вверх.

Эти свидетельства, тем не менее, не должны привести к полному отказу от функций. Как было отмечено в начале лекции, никакой подход к созданию ПО не может быть полным, если он не учитывает обе стороны - функции и объекты. Поэтому нам нужно и в ОО-методе сохранить надлежащее место для функций, даже если они в результирующей архитектуре системы будут подчинены объектам. Понятие абстрактного типа данных предоставит нам определение объектов, в котором для функций зарезервировано подходящее место.

Расширяемость

Так как функции системы имеют тенденцию изменяться в течение ее жизни, то возникает вопрос о поиске более стабильной характеристики ее существенных свойств, которая могла бы руководить нашим выбором модулей и соответствовала бы цели непрерывности.

Типы объектов, с которыми работает система, являются более перспективными кандидатами. Что бы ни случилось с использованной в примере выше системой расчета зарплаты, она все равно будет манипулировать объектами, представляющими служащих, штатные расписания с зарплатами, инструкции компании, табель учета рабочего времени, чеки. Что бы ни случилось с компилятором или другим средством обработки языка, он все еще будет манипулировать исходными текстами, последовательностями лексем, деревьями разбора, абстрактными синтаксическими деревьями, целевым кодом. Что бы ни случилось с системой, реализующей метод конечных элементов, она по-прежнему будет манипулировать матрицами, конечными элементами и сетками.

Этот аргумент справедлив только при рассмотрении объектов достаточно высокого уровня. Если рассматривать объекты на уровне их физических представлений, то расширяемость будет не намного лучше, чем у функций, на самом деле, даже хуже, так как функциональная декомпозиция сверху вниз, по крайней мере, поддерживает абстракцию. Поэтому вопрос поиска подходящего уровня абстракции для описания объектов является ключевым и ему будет посвящена остальная часть этой лекции.

Возможность повторного использования

Обсуждение возможности повторного использования показало, что процедура (элемент функциональной декомпозиции) обычно недостаточна как единица для повторного использования.

Мы рассмотрели ранее (лекция 4) типичный пример: поиск в таблице. Начав с, казалось бы, естественного кандидата на повторное использование - процедуры поиска, мы поняли, что ее нельзя повторно использовать отдельно от других операций, применяемых к таблице, таких как вставка и удаление.

Отсюда появилась идея, что в этой задаче модулем, достаточно хорошо допускающим повторное использование, должна быть совокупность таких операций. Но если попытаться понять, какая концепция все эти операции объединяет, то мы обнаружим тип объектов, к которым они применяются - таблицы.

Такие примеры подсказывают, что типы объектов, полностью снабженные связанными с ними операциями, и будут стабильными единицами для повторного использования.

Совместимость

Другой показатель качества ПО, совместимость, был определен как легкость, с которой программные продукты (в данном обсуждении - модули) можно комбинировать между собой.

Если структуры данных не проектировались с этой целью, то имеющие к ним доступ действия комбинировать очень сложно. Почему бы тогда не попробовать комбинировать целиком структуры данных?

Объектно-ориентированное конструирование ПО

У нас уже накоплено достаточно оснований, чтобы попытаться определить ОО-конструирование ПО. Это будет лишь первый набросок, более конкретное определение последует в следующей лекции.

ОО-конструирование ПО (определение 1)

ОО-конструирование ПО - это метод разработки ПО, который строит архитектуру всякой программной системы на модулях, выведенных из типов объектов, с которыми система работает (а не на одной или нескольких функциях, которые она должна предоставлять).

Содержательная характеристика этого подхода может служить лозунгом ОО-проектировщика:

Объектный девиз

Не спрашивай вначале, что система делает.

Спроси, кто в системе это делает!

Чтобы получить работающую реализацию, вам придется рано или поздно узнать, что она делает. Отсюда слово вначале. ОО-мудрость говорит, что узнать, что делается лучше позже, чем раньше. При этом подходе выбор главной функции является одним из последних шагов в процессе конструирования системы.

Вместо поиска самой верхней функции системы будут анализироваться типы входящих в нее объектов. Проектирование системы будет продвигаться вперед путем последовательного улучшения понимания классов этих объектов. Это процесс построения снизу вверх устойчивых и расширяемых решений для отдельных частей задачи и сборки из них все более и более мощных блоков до тех пор, пока не будет получен окончательный блок, доставляющий решение первоначальной задачи. При этом можно надеяться, что оно не является единственно возможным: если правильно применять метод, то те же компоненты, собранные по-другому и, возможно, объединенные с другими, окажутся достаточно общими, чтобы получить в качестве побочного продукта также и решения каких-то новых задач.

Для многих разработчиков программ такое изменение точки зрения является настолько же шокирующим, насколько шокирующей в далекие времена могла быть для многих мысль о том, что земля вращается вокруг солнца, а не наоборот. Это также противоречит многому в сложившейся практике разработки программного обеспечения, которая стремится представить построение системы как выполнение системной функции, представленной в подробном, привязанном к требованиям документе. Тем не менее, эта простая идея - вначале рассматривать данные, забыв о непосредственной цели системы, - может послужить ключом к повторному использованию и расширяемости.

Вопросы

Приведенное выше определение послужит отправной точкой для обсуждения ОО-метода. Оно не только дает ответ на некоторые относящиеся к ОО-проектированию вопросы, но и побуждает задать много новых вопросов таких, как:

[x]. Как находить релевантные типы объектов?

[x]. Как описывать типы объектов?

[x]. Как описывать взаимоотношения типов объектов и их близость?

[x]. Как использовать типы объектов для структурирования ПО?

Оставшаяся часть этой книги будет посвящена ответам на эти вопросы. Давайте рассмотрим предварительно некоторые ответы.

Выявление типов объектов

Вопрос "как мы будем находить объекты?" вначале может выглядеть пугающим. В лекции 4 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования" мы рассмотрим его более подробно, но здесь полезно рассеять некоторые из возникающих страхов. Этот вопрос может не отнять много времени у опытных ОО-разработчиков, в частности, благодаря доступности трех источников для ответа:

[x]. Многие объекты лежат на поверхности. Они непосредственно моделируют объекты физической реальности, к которой применяется ПО. ОО-технология является мощным средством моделирования, использующим типы программных объектов (классы) для моделирования типов физических объектов и отношения между типами объектов (клиент, наследование) для моделирования отношений между типами физических объектов таких, как агрегирование и специализация. Разработчику ПО не требуется изучать трактаты по ОО-анализу, чтобы в системе мониторинга для телекоммуникаций использовать класс CALL (ВЫЗОВ) и класс LINE (ЛИНИЯ), а в системе обработки документов - класс DOCUMENT (ДОКУМЕНТ), класс PARAGRAPH (АБЗАЦ) и класс FONT (ШРИФТ).

[x]. Одним из источников типов объектов является повторное использование: классы, ранее определенные другими. Этот метод, не всегда бросающийся в глаза в литературе по ОО-анализу, на практике часто оказывается наиболее полезным. Мы должны противостоять соблазну что-либо изобретать, если задача уже была удовлетворительно решена другими.

[x]. Наконец, опыт и копирование тоже играют важную роль. Ознакомившись с успешными ОО-разработками и образцами проектов, проектировщик может вдохновиться этими более ранними усилиями.

Мы лучше поймем эти и другие методы выделения объектов, когда приобретем более глубокое понимание сути понятия "объект" в программировании - не надо смешивать его с обыденным значением этого слова.

Описания типов и объектов

Предположим, что известно, как получить надлежащие типы объектов, служащие основой для структуры модулей нашей системы. Тогда немедленно возникнет вопрос, как описать эти типы и их объекты.

При ответе на него следует руководствоваться двумя требованиями:

[x]. Нужно добиваться независимости описаний от представлений, чтобы не потерять главное преимущество проектирования сверху вниз: абстрактность.

[x]. Нужно найти для функций подходящее место в архитектуре программ, чья декомпозиция основана на анализе типов объектов, так как оба двойственных аспекта - объекты и функции - должны получить в ней соответствующее место.

В следующей лекции развивается методика описания объектов, позволяющая достичь обе эти цели.

Описание отношений и структурирование ПО

Другой вопрос связан с тем, какие отношения допустимы между типами объектов. В рафинированной объектной технологии имеются только два отношения: "быть клиентом" и наследование. Они соответствуют различным видам возможных зависимостей между двумя типами объектов A и B :

B является клиентом A , если каждый объект типа B содержит информацию об одном или нескольких объектах типа A .

B является наследником A, если B представляет специализированную версию A .

В некоторых подходах к анализу, в частности, в таком подходе к информационному моделированию как моделирование сущность-связь, для описания возможных связей между элементами системы используются более богатые множества отношений. Для людей, привыкших к таким подходам, вначале кажется, что работать только с двумя видами отношений весьма неудобно. Но это опасение может и не подтвердиться:

[x]. Отношение "быть клиентом" достаточно широкое и покрывает многие виды зависимостей. Примерами таких зависимостей является отношение, часто называемое агрегацией (присутствие в каждом объекте типа B подобъекта типа A ), а также зависимость по ссылке и родовая зависимость.

[x]. Отношение наследования покрывает многочисленные формы специализации.

[x]. Многие зависимости можно выразить в общем виде другими способами. Например, для описания зависимости "от 1-го до n" (каждый объект типа B связан с не менее чем одним и не более чем с n объектами типа A) укажем, что B является клиентом A, и присоединим инвариант класса, точно определяющий природу отношения "быть клиентом". Так как инварианты классов выражаются с помощью логического языка, они покрывают намного больше различных отношений, чем может предложить подход сущность-связь или другие аналогичные подходы.

Ключевые концепции

[x]. Вычисление включает три вида ингредиентов: процессоры (или потоки управления), действия (или функции) и данные (или объекты).

[x]. Архитектуру системы можно получить исходя из функций или из типов объектов.

[x]. Описание, основанное на типах объектов, с течением времени обеспечивает лучшую устойчивость и лучшие возможности для повторного использования, чем описание, основанное на анализе функций системы.

[x]. Как правило, неестественно считать, что задача системы состоит в реализации только одной функции. У реальной системы обычно имеется не одна "вершина" и ее лучше описывать как систему, предоставляющую множество услуг.

[x]. На ранних стадиях проектирования и разработки системы не нужно уделять много внимания ограничениям на порядок действий. Многие временные соотношения могут быть описаны более абстрактно в виде логических ограничений.

[x]. Функциональное проектирование сверху вниз не подходит для программных систем с долгим жизненным циклом, включающим их изменения и повторное использование.

[x]. При ОО-конструировании ПО структура системы основывается на типах объектов, с которыми она работает.

[x]. При ОО-разработке первоначальный вопрос не в том, что система делает, а в том, с какими типами объектов она это делает. Решение о том, какая функция является самой верхней функцией системы (и имеется ли таковая), откладывается на последние этапы процесса проектирования.

[x]. Чтобы проектируемое ПО было расширяемым и допускало повторное использование, ОО-конструирование должно выводить архитектуру из достаточно абстрактных описаний объектов.

[x]. Между типами объектов могут существовать два вида отношений: "быть клиентом" и наследование.

Библиографические замечания

Вопрос об ОО-декомпозиции рассматривается с использованием различных аргументов в [Cox 1990] (первоначально в 1986), [Goldberg 1981], [Goldberg 1985], [Page-Jones 1995] и [M 1978], [M 1979], [M 1983], [M 1987], [M 1988].

Метод проектирования сверху вниз отстаивается во многих книгах и статьях. Вирт [Wirth 1971] развил понятие пошагового уточнения.

Что касается других методов, то, по-видимому, наиболее близким является метод структурного проектирования Джексона JSD [Jackson 1983] и его расширение высокого уровня в [Jackson 1975]. См. также предложенный Варнье метод проектирования от данных [Orr 1977]. Для знакомства с методами, которые ОО-технология призвана заменить, смотрите книги по методу структурного проектирования Константина и Йордана [Yourdon 1979], по структурному анализу [DeMarco 1978], [Page-Jones 1980],[McMenamin 1984], [Yourdon 1989]; по методу Merise [Tardieu 1984], [Tabourier 1986].

Метод моделирования сущность-связь был введен Ченом [Chen 1976].

Лекция 6. Абстрактные типы данных (АТД)

Чтобы объекты играли лидирующую роль в архитектуре ПО, нужно их адекватно описывать. В этой лекции показывается, как это делать.

Если вам не терпится окунуться в глубины объектной технологии и подробно изучить множественное наследование, динамическое связывание и другие игрушки, то, на первый взгляд, эта лекция может показаться лишней задержкой на этом пути, поскольку она в основном посвящена изучению некоторых математических понятий (хотя вся используемая в ней математика элементарна).

Но так же, как самый талантливый музыкант извлечет пользу из изучения основ музыкальной теории, знания об абстрактных типах данных помогут вам понять и получить удовольствие от практики ОО-анализа, проектирования и программирования, хотя привлекательность этих понятий, возможно, уже проявилась и без помощи теории. Поскольку абстрактные типы данных являются теоретическим базисом для всего метода, следствия идей, вводимых в этой лекции, будут ощущаться во всей оставшейся части курса.

Более того, как будет видно в конце лекции, эти идеи выходят за рамки собственно ПО и приводят к принципам интеллектуальных исследований, которые, возможно, применимы и в других дисциплинах.

Это открыло мне глаза, я начал понимать, что значит использовать инструмент, называемый алгеброй. Черт возьми, никто никогда не говорил мне ничего подобного раньше. Мсье Дюпюи [учитель математики] произносил напыщенные фразы об этом предмете, но ни разу не сказал этих простых слов: это разделение труда, которое, как и всякое другое разделение труда производит чудеса и позволяет уму сконцентрировать все свои силы только на одной стороне объектов, только на одном из их качеств.

Насколько другим это предстало бы перед нами, если бы мсье Дюпюи сказал нам: "Этот сыр мягкий или твердый, он белый, он синий, он старый, он молодой, он твой, он мой, он легкий или он тяжелый. Из всех его многочисленных качеств давайте рассматривать только вес. Каким ни был этот вес, давайте назовем его A. А теперь, не думая больше о весе, давайте применять к А все, что мы знаем о количестве."

Такая простая вещь, но до сих пор никто не говорил нам о ней в этой отдаленной провинции...

Стендаль, "Жизнь Анри Брюлара"

Что касается абстракции, то она состоит в отделении ощутимых свойств тел либо от других их свойств, либо от самих тел, которые ими обладают. Когда это отделение делается неудачно или неверно применяется, возникают ошибки, что возможно как в философских вопросах, так и в физических и математических вопросах. Прямой путь к ошибке в философии - недостаточно упростить изучаемые объекты, и верный путь к получению ошибочных результатов в физике и математике - это считать объекты менее сложными, чем они есть на самом деле.

Дени Дидро, "Письмо слепого на благо тех, кто может видеть"

Критерии

Чтобы получить надлежащие описания объектов, наш метод должен удовлетворять трем условиям:

[x]. Описания должны быть точными и недвусмысленными.

[x]. Они должны быть полными - или, по крайней мере, иметь в каждом конкретном случае нужную нам полноту (некоторые детали можно намеренно опускать).

[x]. Они не должны быть излишне специфицированы.

Последний пункт делает ответ нетривиальным. В конце концов, легко сделать описание точным, недвусмысленным и полным, если мы готовы "выдать все секреты", указав все детали объектного представления. Но такое описание, как правило, будет включать чересчур много информации для авторов программ, которым требуется доступ к таким объектам.

Это замечания похожи на комментарии, которые привели к понятию скрытия информации. Там дело было в том, что, предоставляя в качестве первичного источника информации исходный код модуля (элементы, связанные с реализацией) авторам клиентских программ, зависящих от этого модуля, мы можем окунуть их в поток деталей, который помешает им сосредоточиться на своей собственной работе и затруднит перспективу развития проекта. Здесь нас ожидает та же опасность, что и в случае, когда мы позволяем модулям использовать некоторую структуру данных на основании информации, которая относится к представлению этой структуры, а не к ее существенным свойствам.

Различные реализации

Чтобы лучше понять всю важность описаний абстрактных типов данных, исследуем глубже потенциальные последствия использования физической реализации в качестве основы описания объектов.

Удобным и хорошо изученным примером является описание объектов типа стек. Объект стек служит для того, чтобы накапливать и доставать другие объекты в режиме "последним пришел - первым ушел" ("LIFO"), элемент, вставленный в стек последним, будет извлечен из него первым. Стек повсеместно используется в информатике и во многих программных системах, в частности, компиляторы и интерпретаторы усыпаны разными видами стеков.

Надо сказать, что стеки присутствуют в дидактических представлениях абстрактных типов данных в таком большом количестве, что Э. Дейкстра как-то остроумно заметил, что "абстрактные типы данных являются прекрасной теорией, целью которой является описание стеков". Совершенно справедливо. Но в следующих лекциях курса понятие абстрактных типов данных так часто применяется в гораздо более сложных случаях, что я не чувствую стыда, начиная рассмотрение с этого ключевого примера. Он является простейшим из известных мне примеров, содержащих в себе почти все важные идеи абстрактных типов данных.

Представления стеков

Существует несколько физических представлений стеков:

Рис. 6.1.  Три возможных представления стеков

Этот рисунок иллюстрирует три наиболее популярных представления стеков. Для удобства ссылок дадим каждому из них свое имя:

[x]. МАССИВ_ВВЕРХ: представляет стек посредством массива representation и целого числа count, с диапазоном значений от 0 (для пустого стека) до capacity - размера массива representation, элементы стека хранятся в массиве и индексируются от 1 до count.

[x]. МАССИВ_ВНИЗ: похож на МАССИВ_ВВЕРХ, но элементы помещаются в конец стека, а не в начало. Здесь число, называемое free, является индексом верхней свободной позиции в стеке или 0, если все позиции в массиве заняты и изменяется в диапазоне от capacity для пустого стека до 0 для заполненного. Элементы стека хранятся в массиве и индексируются от capacity до free+1.

[x]. СПИСОЧНОЕ: при списочном представлении каждый элемент стека хранится в ячейке с двумя полями: item, содержащем сам элемент, и previous, содержащем указатель на ячейку с предыдущим элементом. Для этого представления нужен также указатель last на ячейку, содержащую вершину стека.

Рядом с каждым представлением на рисунке приведен фрагмент программы (в духе Паскаля), с соответствующей реализацией основной стековой операции: втолкнуть элемент x на вершину стека (push).

Для представлений с помощью массивов МАССИВ_ВВЕРХ и МАССИВ_ВНИЗ команды увеличивают или уменьшают указатель на вершину (count или free) и присваивают x соответствующему элементу массива. Так как эти представления поддерживают стеки с не более чем capacity элементами, то корректные реализации должны содержать защищающие от переполнения тесты соответствующего вида:

if count " capacity then ...

if free " 0 then ...,

(на рисунке они для простоты опущены).

Для представления СПИСОЧНОЕ вталкивание элемента требует четырех действий:

[x]. создания новой ячейки n (здесь оно выполняется с помощью процедуры Паскаля new, которая выделяет память для нового объекта);

[x]. присваивания x полю item новой ячейки;

[x]. присоединения новой ячейки к вершине стека путем присвоения ее полю previous текущего значения указателя last;

[x]. изменения last так, чтобы он ссылался на только что созданную ячейку.

Хотя эти представления встречаются чаще всего, существует и много других представлений стеков. Например, если вам нужны два стека с однотипными элементами и память для их представления ограничена, то можно использовать один массив с двумя метками вершин count как в представлении МАССИВ_ВВЕРХ и free как в МАССИВ_ВНИЗ. При этом один стек будет расти вверх, а другой - вниз. Условием полного заполнения этого представления является равенство count= free.

Преимущество такого представления состоит в уменьшении риска переполнить память: при двух массивах размера n, представляющих стеки способом МАССИВ_ВВЕРХ или МАССИВ_ВНИЗ, память исчерпается, как только любой из стеков достигнет n элементов. А в случае одного массива размера 2n, содержащего два стека лицом к лицу, работа продолжается до тех пор, пока их общая длина не превысит 2n, что менее вероятно, если стеки растут независимо друг от друга. (Для любых переменных p и q, max (p +q) "= max (p) + max (q)).

Рис. 6.2.  Представление двух стеков лицом к лицу

Каждое из этих и другие возможные представления полезны в разных ситуациях. Выбор одного из них в качестве эталона для определения стека был бы типичным примером излишней спецификации. Почему мы должны, например, предпочесть МАССИВ_ВВЕРХ представлению СПИСОЧНОЕ? Большинство видимых свойств представления МАССИВ_ВВЕРХ - массив, число count, верхняя граница - несущественны для понимания представляемой ими структуры.

Опасность излишней спецификации

Почему так плохо использовать конкретное представление в качестве спецификации?

Можно напомнить результаты изучения Линцем (Lientz) и Свенсоном (Swanson) стоимости сопровождения. Было установлено, что более 17% стоимости ПО приходится на изменения в форматах данных. Ясно, что метод, который ставит анализ и проектирование в зависимость от физического представления структур данных, не обеспечит разработку достаточно гибкого ПО.

Поэтому при использовании объектов или типов объектов в качестве основы для архитектуры системы требуется найти лучший способ описания, чем конкретное представление.

Какова длина второго имени?

Как бы стеки не заставили нас забыть, что кроме излюбленных специалистами по информатике примеров имеются структуры данных, тесно связанные с объектами реальной жизни. Вот забавный пример, взятый из почты форума Риски (Risks) (группа новостей Usenet comp.risks), который иллюстрирует опасности взгляда на данные, чересчур сильно зависящего от их конкретных свойств. Некто Даррелл Д. Е. Лонг, которого родители наградили двумя инициалами второго имени, получил кредитную карточку, в которой был указан лишь первый из них "Д". После обращения к менеджеру фирмы TRW ему была прислана другая карточка, в которой был лишь второй инициал "Е". Он пишет:

Я позвонил в бюро выдачи кредитов, и оказалось, что, по-видимому, программист, который проектировал базу данных TRW, решил, что каждому хорошему американцу пожаловано второе имя лишь с одним инициалом. Как вежливо объяснила мне по телефону дама: "Они выделили в системе достаточно мегабайт (sic) только для одного инициала второго имени и это чрезвычайно трудно изменить".

Кроме типичного примера технократического оправдания ("мегабайты"), урок в этом случае заключается в том, что нужно избегать ориентации программы на физические свойства данных.

Автор приведенного выше письма, в основном, беспокоился из-за ненужной почты, что неприятно, но не смертельно, архивы форума Риски (Risks) полны случаями вызванной компьютерами неразберихи с гораздо более серьезными последствиями. Уже отмечавшаяся выше "проблема миллениума" является другим примером опасности, возникающей при организации доступа к данным на основе их физического представления, ее последствия обошлись в сотни миллионов долларов.

К абстрактному взгляду на объекты

Как нам сохранить полноту, точность и однозначность, не заплатив за это излишней спецификацией?

Использование операций

Представления стека при всех их различиях объединяет то, что они описывают структуру "хранения" (т.е. структуру, используемую для хранения других объектов), к которой применяются определенные операции, обладающие определенными свойствами. Сосредоточившись не на выборе конкретного представления структуры, а на этих операциях и свойствах, можно получить достаточно абстрактное, но, тем не менее, полезное описание понятия стек.

Обычно для стеков рассматриваются следующие операции:

[x]. Команда вталкивания некоторого элемента на вершину стека. Назовем эту операцию put.

[x]. Команда удаления верхнего элемента стека. Назовем ее remove.

[x]. Запрос элемента, находящегося на вершине стека (если стек не пуст). Назовем его item.

[x]. Запрос на проверку пустоты стека. (Он позволит клиентам заранее проверить возможность операций remove и item.)

Кроме того, нам понадобится операция-конструктор для создания пустого стека. Назовем ее make.

Две вещи заслуживают более подробных объяснений далее в этой лекции. Во-первых, могут показаться необычными имена операций, Давайте пока считать, что put означает push, remove означает pop, а item означает top. Во-вторых, операции разбиты на три категории: конструкторы, создающие объекты, запросы, возвращающие информацию об объектах, и команды, которые могут изменять объекты. Эта классификация также требует дополнительных объяснений.

При традиционном взгляде на структуры данных мы рассматривали бы понятие стека, заданное с помощью некоторого объявления данных, соответствующего одному из вышеуказанных представлений, например для представления МАССИВ_ВВЕРХ. В стиле Паскаля это выглядит как

count: INTEGER

representation: array [1 .. capacity] of STACK_ELEMENT_TYPE

где константа capacity - это максимальное число элементов в стеке. Тогда put, remove, item, empty и make будут подпрограммами, которые работают на структурах, определенных этим объявлением объектов.

Чтобы сделать главный шаг в направлении абстракции данных, нужно стать на противоположную точку зрения: забыть на некоторое время о конкретном представлении и взять в качестве определения структуры данных операции сами по себе. Иначе говоря, стек - это любая структура, к которой клиенты могут применять перечисленные выше операции.

Политика невмешательства в обществе модулей

Только что намеченный метод описания структур данных выглядит довольно эгоистичным подходом в мире структур данных. Нас не столько интересует то, что они собой представляют внутренне, как то, что они могут друг другу предложить. В этом мы похожи на экономиста - пылкого приверженца теорий приоритета производства и невидимой руки, воспитанного в духе школы "пусть-все-решит-свободный-рынок". Мир объектов (а, следовательно, и архитектуры ПО) будет миром взаимодействующих объектов, общающихся на основе точно определенных протоколов.

Аналогия с экономикой будет сопровождать наше изложение и дальше, агенты - программные модули - называются поставщиками и клиентами, протоколы будут называться контрактами, и большая часть ОО-разработки, на самом деле, может рассматриваться как "Проектирование по Контракту" - это заголовок одной из следующих лекций.

Не следует чересчур увлекаться этой аналогией (как и всякой другой): эта работа не учебник по экономике и она не содержит даже намеков на точку зрения автора в этой области. Сейчас нам достаточно отметить поразительные аналогии подхода абстрактных типов данных с некоторыми теориями о взаимодействии агентов-людей.

Согласованность имен

Давайте убедимся в том что, приведенная выше спецификация и ее детали являются достаточно удобными. Для того, кто раньше сталкивался со стеками, избранные при обсуждении стека имена операций могут показаться странными или даже шокирующими. Каждому уважающему себя специалисту по информатике операции со стеком известны под другими именами:

Стандартное имя операции над стеком

Имя, используемое здесь

Push (втолкнуть)

Put (поместить)

Pop (вытолкнуть)

Remove (удалить)

Top (вершина)

Item (элемент)

New (новый)

Make (создать)

Таблица 6.1.Имена операций над стеком

Зачем использовать терминологию, отличающуюся от общепринятой? Причина - в желании достичь более высокого уровня понимания структур данных - особенно "контейнеров", которые используются для хранения объектов.

Стеки это просто один из видов контейнеров, точнее они относятся к категории контейнеров, которые можно назвать распределителями. Распределитель предоставляет своим клиентам механизм для хранения (put), извлечения (item) и удаления (remove) объектов, но не дает им возможности управлять тем, какой объект будет извлекаться или удаляться. Например, метод доступа LIFO, используемый в стеках, позволяет извлекать или удалять только тот элемент, который был сохранен последним. Другой вид распределителей - очередь, которая использует метод доступа "первым в, первым из" (FIFO): элементы добавляются в один конец очереди, а извлекаются и удаляются - с другого конца. Пример контейнера, не являющегося распределителем, - это массив, в нем вы сами выбираете целочисленные номера позиций, в которые вставляются или из которых извлекаются объекты.

Поскольку схожесть разных видов контейнеров (распределителей, массивов и т.п.) более важна, чем различия между тем, как они хранят, извлекают или удаляют объекты, эта книга твердо придерживается стандартизованной терминологии, которая сглаживает различия между вариантами структур данных и, наоборот, подчеркивает их общность. Поэтому базисная операция извлечения элемента будет всегда называться item, базисная операция удаления элемента будет всегда называться remove, и т.д.

Вопросы именования могут вначале показаться поверхностными - "косметическими", как иногда говорят программисты. Но не забывайте, что одна из наших конечных целей - создать основу для мощных, профессиональных библиотек программных компонент, допускающих повторное использование. Такие библиотеки будут содержать десятки тысяч доступных операций. Без их систематической и ясной номенклатуры и разработчики, и пользователи этих библиотек быстро потонут в потоке специальных и несравнимых имен, что создаст сильное (и не имеющее оправдания) препятствие к масштабному повторному использованию.

Таким образом, вопросы именования - это не косметика. Хорошее, допускающее повторное использование ПО - это ПО, которое предоставляет пользователям соответствующий набор функций и предоставляет их под правильными именами.

Имена, использованные здесь для операций стеков, являются частью соглашений об именовании, которых мы придерживаемся во всей книге.

Можно ли обойтись без абстракций?

В разработке программного обеспечения, как и в других научных и технических дисциплинах, плодотворная идея после того, как ее раскрыли, может показаться очевидной, даже если потребовалось много времени, чтобы она возникла. Сначала зачастую появляются плохие и запутанные (что часто одно и то же) идеи, и требуется время, чтобы более простые и элегантные заняли их место.

Это замечание справедливо и для абстрактных типов данных. Хотя хорошие разработчики ПО всегда с пользой применяли абстракцию (вследствие хорошего образования или просто интуитивно), многие из существующих ныне систем были разработаны без учета этой цели.

Однажды я невольно провел один небольшой эксперимент, который хорошо иллюстрирует такое состояние дел. Как-то, когда в курсе, который я читал, пришло время готовить проекты, я решил предоставить студентам нечто вроде анонимного рынка, куда бы они могли помещать шутливые объявления о продаже программных модулей, не раскрывая их источников. (Идея, хорошая или не очень, состояла в том, чтобы процесс выбора модулей происходил только на основе точных спецификаций их возможностей.) Почтовые средства знаменитой операционной системы, предпочитаемой американскими университетами, казалось бы, предоставляли соответствующий базовый механизм, но, естественно, эта почтовая система показывала имя отправителя при доставке сообщения получателям. У меня был доступ к исходному коду - огромной программе на Си, и я решил, наверное, по глупости, взять этот код, убрать в нем все ссылки на имя отправителя в доставляемых сообщениях и перекомпилировать. С помощью своего ассистента я взялся за работу, казавшуюся достаточно очевидной, хотя ей и не учат в курсах по разработке ПО, - систематическую разборку программы. Будучи уверенными в себе, мы быстро нашли первое место, в котором программа обращалась к имени отправителя, и удалили соответствующий код. После чего наивно решили, что работа сделана, и перекомпилировали код. Но когда мы послали тестовое сообщение, то обнаружили, что имя отправителя все еще сохранилось! После чего начался долгий и сюрреалистический процесс: снова и снова, веря, что мы, наконец, обнаружили последнее обращение к имени отправителя, мы удаляли его, перекомпилировали программу и посылали тестовое сообщение, чтобы в очередной раз исправно обнаружить имя отправителя на обычном месте. Как знаменитая стоглавая гидра, почтовая программа отращивала новую голову всякий раз, когда мы считали, что отрубили ей последнюю. Наконец, повторив в нашу эру древний подвиг Геракла, мы полностью уничтожили этого зверя, удалив более двадцати участков кода, каждый из которых, так или иначе, задавал информацию об отправителе.

В предыдущих разделах нам удалось сделать первые шаги по дороге к АТД. Их достаточно для понимания того, что программа, написанная в соответствии с самыми элементарными представлениями об абстракции данных, должна была бы рассматривать MAIL_MESSAGE (ПОЧТОВОЕ_СООБЩЕНИЕ) как точно определенное абстрактное понятие. Одной из операций сообщения мог быть запрос, называемый, например, sender (отправитель), возвращающий информацию об отправителе сообщения. Любой элемент почтовой программы, которому была бы нужна эта информация, получал бы ее только через этот запрос sender. Если бы почтовая программа была разработана в соответствии с этим, кажущимся очевидным, принципом, то для моего небольшого упражнения достаточно было бы изменить только код запроса sender. Более того, весьма вероятно, что в этом случае программа предоставляла бы также и операцию set_sender (установить_отправителя), которая позволила бы выполнить требуемую работу еще проще.

Отметим, что рассматриваемая почтовая программа использовалась весьма успешно. Но она является типичным представителем нынешнего стандарта в индустрии ПО. До тех пор, пока мы не выйдем далеко за пределы этого стандарта фраза "проектирование программного обеспечения" останется примером принятия желаемого за действительное.

Формализация спецификаций

Представленный выше беглый набросок абстракции данных слишком неформален, чтобы его можно было постоянно использовать. Вернемся к нашему главному примеру. Стек, как мы это поняли, должен определяться в терминах применимых к нему операций, но тогда нам нужно определить эти операции!

Приведенные содержательные описания явно недостаточны - put вталкивает элемент на "вершину" стека, remove выталкивает элемент, находящийся на вершине. Нам нужно точно знать, как клиенты могут использовать эти операции и что они для этого должны делать.

Спецификация АТД предоставит эту информацию. Она состоит из четырех разделов, разъясняемых в следующих разделах:

[x]. ТИПЫ

[x]. ФУНКЦИИ

[x]. АКСИОМЫ

[x]. ПРЕДУСЛОВИЯ

Для спецификации АТД в этих разделах будут использоваться простая математическая нотация.

Эту нотацию - математический формализм - не надо путать с программной нотацией в остальной части книги, даже если для согласования она использует тот же стиль синтаксиса. У нее нет специального имени, и она не является нотацией языка программирования. Она могла бы послужить отправной точкой для формального языка спецификаций, но мы удовлетворимся использованием не требующих объяснения соглашений для однозначной спецификации АТД.

Специфицирование типов

В разделе ТИПЫ указываются специфицируемые типы. В общем случае, может оказаться удобным определять одновременно несколько АТД, хотя в нашем примере имеется лишь один тип STACK(СТЕК). Между прочим, что такое тип? Ответ на этот вопрос объединит все положения, развиваемые далее в этой лекции: тип - это совокупность объектов, характеризуемая функциями, аксиомами и предусловиями. Не будет большой ошибкой рассматривать пока тип как множество объектов в математическом смысле слова "множество" - тип STACK как множество всех возможных стеков, тип INTEGER как множество всех целых чисел и т.д.

Однако при этом не должно быть никакой путаницы: АТД, такой как STACK, - это не объект (один конкретный стек), а совокупность объектов (множество всех стеков). Напомним, в чем состоит наша главная цель: найти подходящую основу для модулей наших программных систем. Очевидно, не имеет смысла делать основой для модуля один конкретный объект - один стек, один самолет, один счет в банке. ОО-проектирование даст нам возможность строить модули, отражающие свойства всех стеков, всех самолетов, всех банковских счетов, или, по крайней мере, значительной их части.

Объект, принадлежащий множеству объектов, описываемых спецификацией АТД, называется экземпляром этого АТД. Например, конкретный стек, обладающий свойствами абстрактного типа данных STACK, будет экземпляром АТД STACK. Понятие экземпляра проходит через все ОО-проектирование и программирование, и будет играть важную роль в объяснении поведения программ во время исполнения.

В разделе ТИПЫ просто перечисляются типы, вводимые в данной спецификации. Здесь:

Типы

[x]. STACK[G]

Таким образом, наша спецификация относится к одному абстрактному типу данных - STACK, задающему стеки объектов произвольного типа G.

Универсализация (Genericity)

В описании STACK[G] именем G обозначен произвольный, не определяемый тип. G называется формальным родовым параметром для типов элементов АТД STACK, а сам STACK называется родовым или универсальным АТД. Механизм, допускающий такие параметризованные спецификации, известен как универсализация, мы уже сталкивались с аналогичным понятием в обзоре конструкций пакетов.

Можно писать спецификации АТД без параметризации, но ценой будут неоправданные повторения. Кроме того, возможность повторного использования желательна не только для программ, но и для спецификаций! Благодаря механизму универсализации, можно выполнять параметризацию типов в явном виде, выбрав для параметра некоторое произвольное имя (здесь - G), представляющее переменную для типа элементов стека.

В результате такой АТД как STACK - это не просто тип, а скорее образец типа. Для получения непосредственно используемого типа стека нужно определить тип элементов стека, например ACCOUNT, и передать его в качестве фактического родового параметра, соответствующего формальному параметру G. Поэтому, хотя сам по себе STACK это образец типа, обозначение STACK[ACCOUNT] задает полностью определенный тип. Про такой тип, полученный с помощью передачи фактических параметров типов в родовой тип, говорят, что он порожден из общего по образцу.

Эти понятия можно применять рекурсивно: каждый тип должен, по крайней мере, в принципе, иметь спецификацию АТД, поэтому можно и тип ACCOUNT считать абстрактным типом данных. Кроме того, тип, подставляемый в качестве фактического параметра типа в STACK (для получения типа, порожденного по образцу) может и сам быть порожденным по образцу. Например, можно вполне корректно использовать обозначение STACK[STACK [ACCOUNT]] для определения соответствующего абстрактного типа данных: элементами этого типа являются стеки, элементами которых, в свою очередь, являются банковские счета.

Как показывает этот пример, предыдущее определение "экземпляра" нуждается в некоторой модификации. Строго говоря, конкретный стек является экземпляром не типа STACK (который, как мы заметили, является скорее образцом типа, а не типом), а некоторого типа, порожденного типом STACK, например, образцом типа STACK[ACCOUNT]. Тем не менее, нам удобно и далее говорить об экземплярах типа S и других образцов типов, понимая при этом, что речь идет об экземплярах порожденных ими типов.

Аналогично, не очень правильно говорить о типе STACK как об АТД: правильный термин в этом случае - "образец АТД". Но для простоты в данном обсуждении мы будем и далее, если это не приведет к путанице, опускать слово "образец".

Это отличие перенесется и на ОО-проектирование и программирование, но там нам не потребуется два разных термина:

[x]. Основным понятием будет класс, который может иметь родовые параметры.

[x]. Описание реальных данных требует типов. Класс без параметров является также и типом, но класс с параметрами - только образец типа. Чтобы получить конкретный тип из такого класса, нужно передать ему фактические параметры типов, точно так, как мы это делали при получении АТД STACK[ACCOUNT], исходя из образца АТД STACK[G].

Перечисление функций

Вслед за разделом ТИПЫ идет раздел ФУНКЦИИ, в котором перечисляются операции, применяемые к экземплярам данного АТД. Как уже говорилось, эти операции будут главными компонентами определения типа, с их помощью описывается, что могут предложить его экземпляры, а не то, чем они являются.

Ниже приведен раздел ФУНКЦИИ для абстрактного типа данных STACK. Если вы разработчик ПО, то этот стиль описания вам знаком: строки этого раздела напоминают декларации типизированных языков программирования таких, как Pascal или Ada. Строка для операции new похожа на объявление переменной, остальные - на заголовки процедур.

Функции

[x]. put: STACK [G] × G

[x]. remove: STACK [G]

[x]. item: STACK [G]

[x]. empty: STACK [G]

[x]. new: STACK [G]

В каждой строке вводится определенная математическая функция, моделирующая соответствующую операцию над стеком. Например, функция put представляет операцию, которая вталкивает элемент на вершину стека.

Почему функции? Большая часть программистов не посчитает такую операцию как put функцией. Когда во время работы программной системы операция put применяется к стеку, она, как правило, изменяет этот стек, добавляя к нему элемент. Вследствие этого в приведенной выше классификации операций put была "командой" - операцией, которая может модифицировать объекты. (Две другие категории операций - это конструкторы и запросы).

Однако спецификация АТД - это математическая модель и в ее основании должны быть корректные математические методы. В математике понятие команды или, более общно, изменение чего-либо как таковое отсутствует: вычисление квадратного корня из числа 2 не изменяет само это число. Математические выражения просто определяют одни математические объекты в терминах некоторых других математических объектов. В отличие от вычисления программы на компьютере, они никогда не изменяют никакие математические объекты. Но поскольку мы нуждаемся в некотором математическом объекте для моделирования операций компьютера, то понятие функции представляется наиболее близким приближением. Функция - это механизм для получения некоторого результата, принадлежащего некоторому результирующему множеству по любому допустимому входу, принадлежащему некоторому исходному множеству. Например, если R обозначает множество вещественных чисел, то определение функции

square_plus_one: R R

square_plus_one(x)= x2 + 1 (для каждого x из R)

вводит функцию square_plus_one, для которой R является и исходным и результирующим множеством и которая выдает для любого входа в качестве результата квадрат этого входа, увеличенный на 1.

Спецификации абстрактных типов данных используют именно это понятие. Например, операция put определяется как

put: STACK [G] × G STACK [G]

и означает, что put будет брать два аргумента: STACK экземпляров типа G и экземпляр типа G и возвращать в качестве результата новый STACK [G]. (Более формально, множеством определения функции put является множество STACK [G] _ G, являющееся декартовым произведением множеств STACK [G] и G, т.е. множеством пар <s, x>, в которых первый элемент s принадлежит STACK [G] , а второй элемент x принадлежит G.) Вот рисунок, иллюстрирующий это:

Рис. 6.3.  Применение функции put

АТД имеют дело только с математическими функциями, у которых нет никаких побочных эффектов и которые, на самом деле, ничего не изменяют. Когда мы покинем утонченную сферу спецификации и попадем в неразбериху проектирования и реализации программ, нам придется восстановить понятие изменения, так как из-за накладных расходов мало кто одобрит программное окружение, в котором каждое выполнение операции "втолкнуть" в стек начинается с копирования этого стека. Мы рассмотрим позже переход от лишенного изменений мира АТД к полному изменений миру разработки ПО. Но поскольку сейчас мы хотим понять, как лучше всего определять типы, то математический взгляд на вещи нас вполне устраивает.

Из нашего обсуждения следуют роли операций, моделируемых каждой из функций спецификации STACK:

[x]. Функция put возвращает новое состояние стека с одним новым элементом, помещенным на его вершину. Рисунок на предыдущей странице иллюстрирует операцию put(s, x), выполняемую над стеком s и элементом x.

[x]. Функция remove возвращает новое состояние стека с вытолкнутым верхним элементом, если таковой был. Как и put, эта функция при проектировании и реализации должна превращаться в команду (операцию, изменяющую объект, обычно реализуемую как процедура). Мы увидим далее, как учесть возможность пустого стека, с вершины которого нечего удалять.

[x]. Функция item возвращает верхний элемент стека, если таковой имеется.

[x]. Функция empty выявляет пустоту стека, ее результатом является логическое значение (истина или ложь). Предполагается, что АТД BOOLEAN, задающий логические значения, определен отдельно.

[x]. Функция new создает пустой стек.

В разделе ФУНКЦИИ эти функции определяются не полностью, вводятся только их сигнатуры - списки типов их аргументов и результата. Сигнатура функции put

STACK [G] × G STACK [G]

показывает, что put берет в качестве аргумента пару вида <s,x>, в которой s - экземпляр типа STACK [G], а x - экземпляр типа G, и возвращает в качестве результата экземпляр типа STACK [G]. Вообще говоря, множество значений функции (его тип указывается в сигнатуре правее стрелки, здесь это STACK [G]) может само быть декартовым произведением. Это можно использовать при описании операций, возвращающих два или более результатов.

В сигнатуре функций remove и item вместо обычной стрелки используется перечеркнутая стрелка new выглядит просто как

new: STACK

без всякой стрелки в сигнатуре. Фактически, это сокращение для записи

new: STACK,

определяющей функцию без аргументов. Здесь аргументы не нужны, поскольку new должна всегда возвращать один и тот же результат - пустой стек. Поэтому для простоты мы убрали здесь стрелку. Результат применения этой функции (т. е. пустой стек) будет записываться new, как сокращение для new(), обозначающего результат применения new к пустому списку аргументов.

Категории функций

В начале этой лекции операции над типами были разделены на конструкторы, запросы и команды. В спецификации АТД для нового типа T, например для STACK [G] в нашем примере можно определить эту классификацию более строго. Эта классификация просто проверяет, где по отношению к стрелке расположен в сигнатуре каждой функции тип T:

В альтернативной терминологии эти три категории называются "конструктор", "аксессор" и "модификатор". Здесь мы придерживаемся терминов, более непосредственно связанных с интерпретацией функций АТД как моделей операций над программными объектами.

[x]. Функция, в сигнатуре которой T появляется лишь справа от стрелки, например new, является функцией-конструктором. Она моделирует операцию, создающую экземпляры T из экземпляров других типов или вообще не использующую аргументов, например как в случае константного конструктора new.

[x]. Такие функции как item и empty, у которых T появляется только слева от стрелки, являются функциями-запросами. Они моделируют операции, которые устанавливают свойства T, выраженные в терминах экземпляров других типов (в наших примерах - это BOOLEAN и параметр типа G).

[x]. Такие функции как put и remove, у которых T появляется с обеих сторон стрелки, являются функциями-командами. Они моделируют операции, которые по существующим экземплярам T и, возможно, экземплярам других типов выдают новые экземпляры типа T.

Раздел АКСИОМЫ

Мы уже видели, как типы данных (например, STACK) описываются посредством задания списка функций, применимых к их экземплярам. Все, что известно об этих функциях, - это их сигнатуры.

Чтобы указать, что речь идет о стеке, а не какой-либо другой структуре данных, имеющейся пока спецификации АТД совершенно недостаточно. Всякий распределитель, например очередь: "первым вошел - первым вышел", также будет удовлетворять этой спецификации.

Это, конечно, не должно удивлять, поскольку в разделе ФУНКЦИИ сами функции только объявляются (так же, как в программе объявляются переменные), но полностью не определяются. В ранее рассмотренном примере математического определения:

square_plus_one: R R

square_plus_one (x)= x2 + 1 (для каждого x из R)

первая строка играет роль сигнатуры, но есть еще и вторая строка, в которой определяется значение функции. Как можно достичь того же для функций АТД?

Мы не будем использовать явные определения в духе второй строки определения функции square_plus_one, потому что это заставило бы нас выбрать интерпретацию, а все предшествующее обсуждение показало нам опасность раннего выбора представления.

Только чтобы убедиться в том, что мы понимаем, как может выглядеть явное определение, давайте напишем одно такое определение для приведенного ранее представления стека МАССИВ_ВВЕРХ. С точки зрения математики выбор этого представления означает, что экземпляр типа STACK - это пара <count, representation> , где representation - это массив, а count - это число помещенных в стек элементов. Тогда явное определение функции put (для любого экземпляра x типа G) выглядит так:

put (<count, representation>, x)= <count + 1, representation [count+1: x]>

где a [n: v] обозначает массив, полученный из a путем изменения значения элемента с индексом n на v (все остальные элементы не изменяются).

Это определение функции put является просто математической версией реализации операции put, набросок которой в стиле Паскаля приведен вслед за представлением МАССИВ_ВВЕРХ на рисунке с возможными представлениями стеков в начале этой лекции.

Но это не то определение, которое бы нас устроило. "Освободите нас от рабства представлений!" - этот лозунг Фронта Освобождения Объектов и его военного крыла (бригады АТД) является также и нашим. (Отметим, что его политическая ветвь специализируется на тяжбах: класс - действие).

Поскольку всякое явное определение заставляет выбирать некоторое представление, обратимся к неявным определениям. При этом воздержимся от определения значений функций в спецификации АТД и вместо этого опишем свойства этих значений - все их существенные свойства, но только эти свойства.

Они формулируются в разделе АКСИОМЫ (AXIOMS). Для типа STACK он выглядит следующим образом.

Аксиомы

Для всех x: G, s: STACK [G],

[x]. (A1) item (put (s, x)) = x

[x]. (A2) remove (put (s, x)) = s

[x]. (A3) empty (new)

[x]. (A4) not empty (put (s, x))

Первые две аксиомы выражают основные свойства стеков (последним пришел - первым ушел) LIFO. Чтобы понять их, предположим, что у нас есть стек s и экземпляр x, и определим s' как результат put(s, x) , т. е. как результат вталкивания x в s. Приспособим один из предыдущих рисунков:

Рис. 6.4.  Применение функции put

Здесь аксиома A1, говорит о том, что вершиной s' является x - последний элемент, который мы втолкнули, а аксиома A2 объясняет, что при удалении верхнего элемента s' мы снова получаем тот же стек s, который был до вталкивания x. Эти две аксиомы дают лаконичное описание главного свойства стеков в чисто математических терминах без всякой помощи императивных рассуждений или ссылок на свойства представлений.

Аксиомы A3 и A4 говорят о том, когда стек пуст, а когда - нет: стек, полученный в результате работы конструктора new пустой, а всякий стек, полученный после вталкивания элемента в уже существующий стек (пустой или непустой) не является пустым.

Эти аксиомы, как и остальные, являются предикатами (в смысле логики), выражающими истинность некоторых свойств для всех возможных значений s и x. Некоторые предпочитают рассматривать A3 и A4 в другой эквивалентной форме как определение функции empty индукцией по размеру стеков:

Для всех x: G, s: STACK [G]

A3' · empty (new) = true

A4' · empty (put (s, x)) = false

Две или три вещи, которые мы знаем о стеках

Спецификации АТД являются неявными. Имеются два вида "неявности":

[x]. Метод АТД определяет неявно некоторое множество объектов, задавая применимые к ним функции. Из этого определения никогда не следует, что в нем перечислены все операции; часто, на пути к представлению, будут добавлены и другие.

[x]. Сами функции также определяются неявно. Вместо явных определений используются аксиомы, задающие свойства этих функций. Здесь тоже ничего не утверждается о полноте: когда вы, в конце концов, дойдете до реализации этих функций, они приобретут дополнительные свойства.

Эта неявность является ключевым аспектом абстрактных типов данных и, как следствие, - их будущих аналогов в построении ОО-ПО - классов. Когда мы определяем абстрактный тип данных или класс, мы всегда сообщаем кое-что об этом типе или классе, просто перечисляя те их свойства, которые знаем, и берем их в качестве определения. При этом никогда не предполагается, что других применимых свойств нет.

Неявность также предполагает открытость определений: всегда можно добавить новые свойства АТД или класса. Основным механизмом для выполнения таких расширений без разрушения уже существующего первоначального определения является наследование.

Этот "неявный" подход имеет далеко идущие последствия. В пункте "дополнительные темы" в конце этой лекции помещены еще некоторые комментарии о неявности.

Частичные функции

Спецификация всякого реалистичного примера, даже такого простого как стеки, неизбежно сталкивается с проблемами не всюду определенных операций: некоторые операции применимы не ко всем возможным элементам исходных множеств. Например, это имеет место для функций remove и item: нельзя удалить элемент из пустого стека, и у пустого стека нет верхнего элемента.

Решение этой проблемы, использованное в приведенной выше спецификации, состоит в том, чтобы определить эти функции как частичные. Функция из исходного множества X в результирующее множество Y является частичной, если она определена не для всех элементов X. Функция, не являющаяся частичной, называется полной. Простым примером частичной функции в обычной математике является функция обращения действительных чисел inv, значение которой на действительном числе x равно

inv(x)= 1/x.

Поскольку inv не определена при x = 0, мы можем определить ее как частичную функцию на множестве R всех действительных чисел:

Inv: R R

Чтобы указать, что функция частичная, используется перечеркнутая стрелка

Областью (определения) частичной функции типа X является подмножество тех элементов X, для которых эта функция имеет некоторое значение. В нашем примере областью функции inv является R - {0}, т.е. множество действительных чисел, отличных от 0.

В спецификации АТД STACK эти идеи использованы для стеков при объявлении remove и item как частичных функций в разделе ФУНКЦИИ - это указано с помощью перечеркнутых стрелок в их сигнатуре. При этом возникает новая проблема, обсуждаемая в следующем пункте: как задавать области таких функций?

В некоторых случаях функцию put тоже желательно описывать как частичную, например, это требуется в таких реализациях как МАССИВ_ВВЕРХ и МАССИВ_ВНИЗ, которые поддерживают выполнение лишь конечного числа подряд идущих операций put для каждого заданного стека. Это на самом деле полезное упражнение - приспособить спецификацию STACK к тому, чтобы она описывала ограниченные стеки конечного объема, поскольку в приведенном выше виде она не содержит никаких ограничений на размеры стеков.

Это будет новым применением частичных функций, отражающим ограничения реализации. В отличие от этого, объявление функций remove и item как частичных отражает абстрактное свойство этих операций, относящееся ко всем реализациям.

Предусловия

Частичные функции являются неустранимым фактом процесса проектирования ПО, отражающим очевидное наблюдение: не каждая операция применима ко всем объектам. Но они также являются и потенциальным источником ошибок: если функция f из X в Y является частичной, то нельзя быть уверенным в том, что выражение f(e) имеет смысл, даже если e принадлежит X - требуется гарантировать, что это значение принадлежит области f.

Для этого всякая спецификация АТД, содержащая частичные функции, должна задавать их области. В этом и состоит роль раздела ПРЕДУСЛОВИЯ (PRECONDITIONS). Для АТД STACK этот раздел выглядит так:

Предусловия (preconditions)

[x]. remove (s: STACK [G]) require not empty (s)

[x]. item (s: STACK [G]) require not empty (s)

В нем у каждой из функций в пункте "требует" перечисляются условия, которым должны удовлетворять аргументы функции, чтобы входить в ее область.

Булевское выражение, которое определяет область функции, называется предусловием соответствующей частичной функции. В нашем случае предусловия обеих функций remove и item утверждают, что стек должен быть непустым. Перед "требует" помещается имя функции с именами ее аргументов (в примере для аргумента-стека использовано s), так что предусловие может ссылаться на эти аргументы.

С точки зрения математики предусловие функции f - это характеристическая функция области f. Характеристической функцией подмножества Aмножества X называется полная функция ch: X
BOOLEAN такая, что ch(x) истинна, если x принадлежит A, и ложна в противном случае.

Полная спецификация

Раздел ПРЕДУСЛОВИЯ (PRECONDITIONS) завершает простую спецификацию абстрактного типа данных STACK. Для удобства ссылок полезно собрать вместе разные компоненты спецификации, приведенные выше. Вот полная спецификация.

Спецификация стеков как АТД

ТИПЫ (TYPES)

[x]. STACK [G]

ФУНКЦИИ (FUNCTIONS)

[x]. put: STACK [G] × G

[x]. remove: STACK [G]

[x]. item: STACK [G]

[x]. empty: STACK [G]

[x]. new: STACK [G]

АКСИОМЫ (AXIOMS)

Для всех x: G, s: STACK [G]

[x]. (A1) item (put (s, x)) = x

[x]. (A2) remove (put (s, x)) = s

[x]. (A3) empty (new)

[x]. (A4) not empty (put (s, x))

ПРЕДУСЛОВИЯ (PRECONDITIONS)

[x]. remove (s: STACK [G]) require not empty (s)

[x]. item (s: STACK [G]) require not empty (s)

Ничего кроме правды

Сила спецификаций АТД проистекает из их способности отражать только существенные свойства структур данных без лишних деталей. Приведенная выше спецификация стеков выражает все, что нужно по существу знать о понятии стека, и не включает ничего, что относилось бы к каким-либо конкретным реализациям стеков. Это вся правда о стеках, и ничего кроме правды.

Такие спецификации задают общую модель вычислений на соответствующих структурах данных. Определенные в спецификации абстрактного типа данных функции позволяют строить сложные выражения, а аксиомы АТД позволяют упрощать такие выражения и получать более простые результаты. Сложное стековое выражение является математическим эквивалентом программы, а процесс упрощения является математическим эквивалентом вычисления или выполнения этой программы.

Вот пример. Рассмотрим для приведенной выше спецификации АТД STACK следующее выражение stackexp:

item (remove (put (remove (put (put (

remove (put (put (put (new, x1), x2), x3)),

item (remove (put (put (new, x4), x5)))), x6)), x7)))

По-видимому, выражение stackexp будет проще понять, если мы представим его как последовательность вспомогательных выражений:

s1 = new

s2 = put (put (put (s1, x1), x2), x3)

s3 = remove (s2)

s4 = new

s5 = put (put (s4, x4), x5)

s6 = remove (s5)

y1 = item (s6)

s7 = put (s3, y1)

s8 = put (s7, x6)

s9 = remove (s8)

s10 = put (s9, x7)

s11 = remove (s10)

stackexp = item (s11)

Какой бы вариант определения вы ни выбрали, по нему несложно восстановить вычисление, математической моделью которого является stackexp: создать новый стек; втолкнуть в него элементы x1, x2, x3 (в указанном порядке); удалить верхний элемент (x3), назвав получившийся стек s3; создать другой пустой стек и т. д. Этот процесс графически представлен на рис. 6.5.

Можно легко найти значение такого АТД выражения, нарисовав последовательно несколько таких рисунков. (Здесь найдено x4). Но теория позволяет нам получить этот результат формально, не обращаясь к рисункам, а только последовательно применяя аксиомы для упрощения выражения, до тех пор, пока дальнейшее упрощение станет невозможным. Например:

[x]. Применить A2 для упрощения s3 - т. е. заменить remove(put (put (put (s1, x1), x2), x3)) на выражение put (put (s1, x1), x2)). (Согласно A2 всякую пару remove-put можно выбросить).

Рис. 6.5.  Манипуляции со стеком

[x]. По той же аксиоме s6 равно put(s4, x4) . Затем можно применить аксиому A1 и вывести, что y1, т. е. item(put(s4, x4)) на самом деле равно x4, установив тем самым (как указано стрелкой на рисунке), что s7 получается в результате вталкивания x4 на верщину стека s3.

И так далее. Последовательность таких упрощений, выполненная механически так же легко и как последовательность упрощений в элементарной арифметике, приведет к значению выражения stackexp, которое действительно равно x4 (попробуйте проверить это сами, аккуратно проведя весь процесс упрощения).

Этот пример позволяет отметить одну из важнейших теоретических ролей абстрактных типов данных: они предоставляют формальную модель для понятий программы и выполнения программы. Эта модель чисто математическая: в ней нет императивных понятий состояния программы, переменных с изменяемыми во времени значениями, последовательности выполняемых действий. Она основана на обычных математических методах преобразования выражений.

От абстрактных типов данных к классам

Итак, у нас имеется отправная точка - элегантная математическая теория для моделирования структур данных и, как мы только что видели, в целом - программ. Но наша цель - это архитектура ПО, а не математическая или даже теоретическая информатика! Не сбились ли мы с нашего пути? Отнюдь. При поиске подходящей модульной структуры, основанной на типах объектов, АТД предоставляют механизм описания высокого уровня, не связанный с особенностями реализации. Это приведет нас к фундаментальным структурам ОО-технологии.

Классы

В поиске, начатом в лекции 3, АТД будут служить непосредственной основой модулей. Точнее, ОО-система будет строиться (на уровне анализа, проектирования и реализации) как совокупность взаимодействующих, частично или полностью реализованных АТД. Основное понятие здесь - класс:

Определение: класс

Класс - это абстрактный тип данных, снабженный некоторой (возможно частичной) реализацией

Таким образом, чтобы получить класс, мы должны построить АТД и решить, как его реализовывать. АТД - это математическое понятие, а реализация - это его версия, ориентированная на компьютер. Приведенное определение, однако, утверждает, что реализация может быть частичной. Введенные ниже термины позволяют отделить этот случай от полностью реализованного класса:

Определение: отложенный и эффективный классы

Полностью реализованный класс называется эффективным (effective). Класс, который реализован лишь частично или совсем не реализован, называется отложенным (deferred). Всякий класс является либо отложенным, либо эффективным.

Чтобы получить эффективный класс, требуется предусмотреть все детали реализации. Для отложенного класса можно выбрать определенный уровень реализации, но при этом оставить некоторые аспекты реализации незавершенными. В самом крайнем случае при частичной реализации можно вообще отказаться от принятия каких-либо решений о ее уточнении. В этом случае получившийся класс будет полностью отложенным и будет эквивалентен АТД.

Как создавать эффективный класс

Рассмотрим вначале эффективные классы. Что нужно сделать для реализации АТД? Результирующий эффективный класс будет формироваться из элементов трех видов:

[x]. (E1) Спецификации АТД (множество функций с соответствующими аксиомами и предусловиями, описывающими их свойства).

[x]. (E2) Выбора представления.

[x]. (E3) Отображения из множества функций (E1) в представление (E2) в виде множества механизмов (или компонентов (features)), каждый из которых реализует одну из функций в терминах представления и при этом удовлетворяет аксиомам и предусловиям. Многие из этих компонентов будут методами - обычными процедурами, но некоторые могут появляться в качестве полей данных или "атрибутов" (это будет показано в следующих лекциях).

Например, для АТД STACK можно выбрать в качестве представления (шаг E2) решение, названное выше МАССИВ_ВВЕРХ, при котором каждый стек реализуется парой

<representation, count>,

где representation - это массив, а count - это целое число. При реализации функций (E3) у нас будут процедуры для функций put, remove, item, empty и new, выполняющие соответствующие действия. Например, функцию put можно реализовать программой вида

put (x: G)

is -- Втолкнуть x в стек.

-- (без проверки стека на возможное переполнение.)

do

count := count + 1

representation [count]:= x

end

Объединение элементов, полученных в пунктах (E1), (E2) и (E3), приведет к классу - модульной структуре объектной технологии.

Роль отложенных классов

В определении эффективного класса должна присутствовать полная информация о реализации (пункты E2 и E3). Если она хоть в чем-то неполна, то класс является отложенным.

Чем более "отложенным" является класс, тем он ближе к АТД, одетому в некоторую синтаксическую одежду, которая скорее поможет завоевать признание разработчиков ПО, чем математиков. Отложенные классы особенно полезны при анализе и проектировании:

[x]. При ОО-проектировании многие аспекты реализации будут опущены, проектирование должно сосредотачиваться на архитектурных свойствах высокого уровня - на том, какую функциональность обеспечивает каждый модуль системы, а не на том, как он это делает.

[x]. При постепенном продвижении к полной реализации будут добавляться все новые и новые ее свойства до тех пор, пока не будет получен эффективный класс.

Но на этом роль отложенных классов не завершается, даже в полностью реализованной системе можно часто обнаружить много таких классов. Кое-что следует из только что перечисленных применений: когда из отложенных классов получаются эффективные, то появляется желание сохранить их в качестве предков (в смысле наследования) эффективных классов как живую память о процессе анализа и проектирования.

Очень часто при разработке ПО с помощью не ОО-подходов система в окончательном виде не содержит никаких записей о тех значительных усилиях, которые были затрачены на ее получение. Для тех, кто вынужден будет обслуживать такую систему - расширять, переносить, отлаживать - понять ее без этих записей будет так же трудно, как трудно геологу понять видимый ландшафт, не имея доступа к осадочным слоям. Один из лучших способов обеспечить необходимую для сопровождения системы информацию - это сохранить отложенные классы в ее окончательной форме.

У отложенных классов имеется также применение, полностью связанное с реализацией. Они служат для классификации групп связанных типов объектов, предоставляют некоторые наиболее важные многократно используемые модули высокого уровня, фиксируют общие свойства поведения многих вариантов и играют ключевую роль (вместе с полиморфизмом и динамическим связыванием) в обеспечении децентрализации и расширяемости программной архитектуры.

Несколько следующих лекций, в которых вводятся основные ОО-методы, будут сосредоточены на эффективных классах. Но при этом следует помнить о понятии отложенного класса, чья важность будет расти по мере овладения всей мощью ОО-метода.

Абстрактные типы данных и скрытие информации

Особенно интересным следствием ОО-политики, в которой модули основаны на реализациях АТД (классах), является то, что она дает ясный ответ на вопрос, который остался нерешенным при обсуждении скрытия информации: как нам следует разделять общедоступные и скрытые свойства модуля - видимую и невидимую части айсберга?

Рис. 6.6.  АТД вид модуля при скрытии информации

Если модуль является классом, полученным из АТД, то ответ ясен. Из трех частей, вовлеченных в эту эволюцию, E1- спецификация АТД, является открытой, а E2 и E3 - выбор представления и реализация функций АТД в терминах этого представления - должны быть закрытыми (секретными). Когда мы начнем строить классы, то столкнемся еще с четвертой частью, также секретной, - вспомогательными свойствами, необходимыми только для внутренних нужд этих программ.

Таким образом, использование абстрактных типов данных в качестве источника модулей дает нам практичное, однозначное указание для применения скрытия информации в наших проектах.

Переход к более императивной точке зрения

Переход от АТД к классам включает существенное изменение стилистики: введение изменений и императивных аргументов.

Как вы помните, спецификация абстрактных типов данных не описывает явно изменений, т. е., используя термин из теоретической информатики, является аппликативной. Все свойства АТД моделируются как математические функции, это относится к конструкторам, запросам и командам. Например, операция вталкивания для стеков моделируется функцией-командой:

put: STACK [G] × G STACK [G],

задающей операцию, которая возвращает новый стек, а не изменяет существующий.

Классы отказываются от чисто аппликативной точки зрения на функции и переопределяют команды как операции, которые могут изменять объекты. Например, операция put будет определена как процедура, которая получает некоторый элемент типа G (формальный параметр) и модифицирует стек, вталкивая новый элемент на его вершину, не создавая нового стека.

Такое изменение стиля отражает императивные настроения, преобладающие при разработке ПО. (В качестве синонима слова "императивный" иногда используется термин "операционный"). При этом потребуется изменять аксиомы АТД. Аксиомы стеков A1 и A4, которые имели вид

[x]. (A1) item (put (s, x)) = x

[x]. (A4) not empty (put (s, x))

превратятся в императивной форме в предложение, называемое постусловием программы (routine postcondition), вводимое ключевым словом ensure (обеспечивает):

put (x: G) is

-- Втолкнуть x на вершину стека

require

... Предусловие (если таковое имеется) ...

do

... Соответствующая реализация (если известна) ...

ensure

item = x

not empty

end

Здесь постусловие объясняет, что результатом вызова программы put значение item будет равно x (втолкнутому элементу), а значение empty будет ложно.

Другие аксиомы спецификации АТД приводят к утверждению, известному как инвариант класса. Постусловия, инварианты класса и другие перевоплощения предусловий и аксиом АТД мы рассмотрим во время обсуждения утверждений и проектирования по контракту (п. 11.10 "Связь с АТД").

Назад к тому, с чего начали?

Если вы внимательно следили, начиная с лекции о модульности, за главной линией рассуждений, которая привела нас к абстрактным типам данных, а затем и к классам, то сейчас, быть может, вы будете удивлены. Поставив целью получить по возможности наилучшую модульную структуру, мы пришли к тому, что объекты, точнее - типы объектов, будут лучшей основой для модулей, чем их традиционные соперники - функции. Это привело к следующему вопросу: как описать эти типы объектов. Но, когда мы на него ответили: описывать нужно в виде абстрактных типов данных (и их заменителей на практике - классов), то оказалось, что нужно основывать описание данных на ... применяемых к ним функциях! Не получился ли у нас порочный круг?

Нет. Типы объектов, представлямые АТД и классами, остаются неизменной основой модуляризации.

Неудивительно, что и объектный, и функциональный аспект должен проявиться в окончательной архитектуре системы: никакое описание вопросов ПО не может считаться полным, если в нем опущена одна из этих компонент. Фундаментальное различие ОО-методов и старых подходов состоит в распределении ролей: типы объектов - безусловные победители при выборе критериев для построения модулей. Функциям достается только роль их слуг.

При ОО-декомпозиции никакая функция не существует сама по себе - каждая функция прикреплена к некоторому типу объектов. Это относится и к уровню проектирования, и к уровню разработки: никакое свойство не существует само по себе, каждое из них прикреплено к некоторому классу.

Конструирование объектно-ориентированного ПО

Мы уже давали определение конструирования ОО-ПО: будучи весьма общим, оно представляет метод следующим образом: "основывать архитектуру всякой программной системы на модулях, полученных из типов объектов, с которыми оперирует система". Придерживаясь рамок этого определения, мы можем дополнить его теперь более техническим определением:

Конструирование объектно-ориентированного ПО (определение 2)

Конструирование ОО-ПО - это построение программной системы как структурированной совокупности реализаций (возможно частичных) абстрактных типов данных.

Это определение будет нашим рабочим определением. Все его компоненты являются важными:

[x]. В основе лежит понятие абстрактного типа данных.

[x]. Для конструирования программ нам нужны не сами по себе АТД (как математическое понятие), а реализации АТД - программистское понятие.

[x]. При этом эти реализации не обязаны быть полными, оговорка "возможно частичные" позволяет использовать и отложенные классы, включая, как крайний случай, полностью отложенный класс без какой-либо реализации.

[x]. Система представляет собой совокупность классов без выделения какого-либо главного или ответственного класса или головной программы.

[x]. Эта совокупность является структурированной благодаря двум отношениям между классами: "быть клиентом" и наследованию.

За пределами программ

Подчеркнем теперь важность понятия АТД для областей, лежащих вне непосредственной области его предполагаемого применения.

Подход, основанный на АТД, говорит нам, что серьезное интеллектуальное исследование должно отвергать всякую попытку понять суть вещей изнутри как бесполезную, и вместо этого должно сосредотачиваться на понимании используемых свойств этих вещей. Не объясняйте мне, что вы собой представляете, скажите мне, что у вас есть - что я могу от вас получить. Если потребуется дать имя этой эпистемологической дисциплине, мы скажем, что это принцип разумного эгоизма.

Если я испытываю жажду, то апельсин - это то, из чего я могу выдавить сок, если художник, то цвет - это то, что может воодушевить мою палитру, если фермер, то это - продукт, который я могу продать на рынке, если архитектор, то это - чертежи, показывающие мне, как спроектировать новый оперный театр, но если я - ни один из них, и никак не использую апельсин, то я не должен говорить о нем, поскольку понятие "апельсин" для меня даже не существует.

Принцип эгоизма, утверждающий, что вы - это то, что у вас есть, является крайним выражением идеи, играющей центральную роль в развитии науки: идеи абстракции или важности разделения понятий. Две цитаты, приведенные в начале этой лекции, каждая из которых по-своему замечательна, выражают важность этой идеи. Их авторы Дидро и Стендаль были писателями, а не учеными, хотя очевидно, что у обоих имелось хорошее понимание сути научного метода. (Дидро был пылким вдохновителем Большой энциклопедии, а Стендаль готовился к поступлению в Политехническую школу, хотя затем решил, что может найти более подходящие занятия). Просто поразительно, насколько обе цитаты применимы к использованию абстракции при конструировании программ.

Но в принципе эгоизма есть и кое-что помимо абстракции - это, кажущаяся с первого взгляда шокирующей, идея о том, что ни о каком свойстве не стоит говорить, если от него нет никакой прямой пользы говорящему.

Это приводит к мысли рассмотреть общее интеллектуальное значение нашей области.

На протяжении ряда лет во многих статьях и выступлениях предлагалось проверить, как разработчики ПО могут извлечь выгоду от изучения философии, общей теории систем, "когнитивных наук", психологии. Но для практикующих разработчиков программ результаты оказываются разочаровывающими. Если исключить из рассмотрения универсально применимые законы рационального (разумного) исследования, известные просвещенным умам уже в течение многих веков (по крайней мере, с Декарта), которые, разумеется, применимы к информатике, как и ко всему прочему, то иногда кажется, что специалисты в вышеуказанных дисциплинах могут получить больше, обучаясь у специалистов по программному обеспечению, чем наоборот.

Конструкторы программ брались - с различной степенью успеха - за решение ряда самых сложных из когда-либо рассматриваемых интеллектуальных задач. Немногие из инженерных проектов могут сравниться по сложности с программными проектами, содержащими много миллионов строк, которые регулярно производятся в наши дни. Приложив немало амбициозных усилий, программистское сообщество достигло точного понимания таких предметов и понятий, как размер, сложность, структура, абстракция, таксономия, параллельность, рекурсивный вывод, различие между описанием и предписанием, язык, изменение и инварианты. Все это произошло так недавно и настолько интуитивно, что сама эта профессиональная среда еще не осознала эпистемологических последствий собственной деятельности.

В конце концов, появится кто-нибудь, кто объяснит, какие уроки весь интеллектуальный мир может извлечь из опыта конструирования ПО. Нет сомнений в том, что абстрактные типы данных будут играть в них выдающуюся роль.

Дополнительные темы

Представленное выше описание абстрактных типов данных вполне достаточно для использования АТД в рамках данной книги. (Чтобы дополнить его, выполните упражнения, которые помогут уточнить ваше понимание этого понятия).

Если же, как я надеюсь, АТД уже завоевали вас своей элегантностью, простотой и мощью, то не исключено, что вам захочется узнать побольше об их свойствах, даже о таких, которые не будут использоваться в обсуждении ОО-методов. Далее на нескольких страницах рассмотрены следующие дополнительные темы, которые можно опустить при первом чтении:

[x]. неявность и ее связь с процессом конструирования ПО;

[x]. различие между спецификацией и проектированием;

[x]. различие между классами и записями;

[x]. возможные альтернативы использованию частичных функций;

[x]. решение о полноте или неполноте спецификации.

Библиографические ссылки к этой лекции указывают на более специальную литературу по АТД.

Еще раз о неявности

Неявная природа абстрактных типов данных и классов, рассмотренная выше, отражает одну из важных проблем конструирования программ.

Вполне законен вопрос о различии между упрощенной спецификацией АТД, использующей объявление функций

x: POINT REAL

y: POINT REAL

и объявлением типа в таком традиционном языке программирования, как Pascal:

type

POINT =

record

x, y: real

end

На первый взгляд эти два объявления представляются эквивалентными: оба утверждают, что с типом POINT связаны два значения x и y типа REAL. Но между ними имеется существенная, хотя и тонкая разница:

[x]. Запись в языке Pascal является законченной и явной: она показывает, что объект POINT включает два данных поля и ничего кроме них.

[x]. Объявление функций АТД не несут такого смысла. Они показывают, что объект типа POINT можно запрашивать о значениях его x и y, но не исключают других запросов, например, о массе и скорости точки в кинематическом приложении.

С упрощенной математической точки зрения можно считать, что приведенное выше объявление в Паскале является определением математического множества POINT как декартова произведения:

POINT REAL × REAL,

где знак POINT. В отличие от этого спецификация АТД не определяет явно POINT посредством такой математической модели как декартово произведение, она просто неявно характеризует POINT, перечисляя два запроса, применимых к объектам этого типа.

Если имеются спецификации некоторого понятия, то может появиться желание переместить ее из неявного мира в явный, идентифицируя понятие с декартовым произведением применимых к нему простых запросов, например захочется идентифицировать точки с парами <x, y>. Такой процесс идентификации можно рассматривать как определение перехода от анализа и спецификации к проектированию и реализации.

Соотношение спецификации и проектирования

Предыдущее наблюдение помогает уточнить один из центральных вопросов, возникающих при изучении ПО: различие между начальным этапом разработки ПО - его спецификацией, называемым также анализом, - и более поздними стадиями такими, как проектирование и реализация.

В литературе по разработке программ обычно объясняется, что это различие между "определением задачи" и "построением ее решения". Будучи в принципе правильным, такое объяснение не всегда применимо на практике и иногда бывает трудно понять, где заканчивается спецификация и начинается проектирование. Даже в среде исследователей люди запросто критикуют друг друга в связи с этой темой: "вы рекламируете язык x как язык спецификаций, но на самом деле он предназначен для проектирования". Наивысшим оскорблением считается обвинение некоторой системы обозначений в обслуживании реализации (подробнее об этом в одной из следующих лекций).

Приведенное выше определение дает более точный критерий: пересечь Рубикон между спецификацией и проектированием - это перейти от неявного к явному, другими словами:

Определение: переход от анализа (спецификации) к проектированию

Перейти от спецификации к проектированию - это идентифицировать каждую абстракцию с декартовым произведением ее простых запросов.

Последующий переход - от проектирования к реализации - это просто движение от одного явного вида к другому: форма при проектировании более абстрактна и ближе к математическим понятиям, а при реализации более конкретна и ближе к компьютеру, но обе они являются явными. Этот переход менее драматичен, чем предыдущий - действительно, при дальнейшем чтении станет понятно, что объектная технология почти стирает различие между проектированием и реализацией. При хорошей системе ОО-нотации нашими компьютерами непосредственно выполняется (с помощью компиляторов) то, что в не ОО-мире часто рассматривалось бы как проекты.

Соотношение классов и записей

Другим замечательным свойством объектной технологии является то, что при ней можно сохранять неявные описания гораздо дольше, чем при других подходах. В последующих лекциях будет введена система обозначений, позволяющая определять класс в виде:

class POINT feature

x, y: REAL

end

Это выглядит подозрительно похожим на приведенное выше определение записи в Паскале. Но, несмотря на внешнее сходство, определение класса другое - оно неявное! Эта неявность проявляется при наследовании: автор класса или (что еще более интересно) кто-либо другой может в любой момент определить новый класс, например:

class MOVING_POINT inherit

POINT

feature

mass: REAL

velocity: VECTOR [REAL]

end

который расширяет исходный класс совершенно незапланированным способом. Тогда переменная (или сущность, если использовать вводимую далее терминологию) типа POINT, объявленная как

p1: POINT

может быть связана с объектом не только типа POINT, но и с каждым потомком этого типа, например с объектом типа MOVING_POINT. Это может получиться, в частности, с помощью "полиморфных присваиваний" вида:

p1 := mp1

где mp1 имеет тип MOVING_POINT.

Эти возможности иллюстрируют неявность и открытость определения класса: соответствующие экземпляры представляют не только точки в узком смысле, т. е. непосредственно экземпляры класса POINT, но и экземпляры всякого класса, описывающего понятия, выводимые из исходного класса.

Способность определять элементы программ (классы), которые немедленно используются (посредством наследования), оставаясь неявными, является одним из главных нововведений объектной технологии, непосредственно отвечающему принципу Открыт-Закрыт. В последующих лекциях будут раскрыты все вытекающие из нее следствия.

Альтернативы частичным функциям

Один из технических приемов, используемый в этой лекции, мог вызвать удивление, - применение частичных функций. Он связан с неустранимой проблемой применения в некоторой спецификации не всюду определенных операций. Но являются ли частичные функции лучшим решением этой проблемы?

Конечно, это не единственно возможное решение. Другим способом, который приходит на ум и действительно используется в некоторых работах по АТД, является превращение частичной функции во всюду определенную за счет введения специального значения "ошибка" для случаев применения функции к неподходящим аргументам.

Каждый тип T дополняется значением "ошибка". Обозначим его через wT . Тогда для всякой функции f сигнатура

f: ... Типы входов ... T

определяет, что всякое применение f к объекту, для которого соответствующее вычисление не может быть выполнено, выдаст значение wT.

Хотя этот метод и используется, он приводит к математическим и практическим неудобствам. Проблема в том, что такие специальные значения являются весьма эксцентричными существами, которые могут чрезвычайно осложнить жизнь невинных математических существ.

Предположим, например, что рассматриваются стеки целых чисел - экземпляры типа STACK [INTEGER], где INTEGER - это АТД, экземпляры которого - целые числа. Хотя для нашего примера не требуется полностью выписывать спецификацию INTEGER, этот АТД должен моделировать основные операции (сложение, вычитание, "меньше чем" и т. п.), определенные на математическом множестве целых чисел. Аксиомы этого АТД должны выражать обычные свойства целых чисел. Вот одно из таких типичных свойств: для всякого целого n:

[Z1]

n + 1 n

Пусть теперь n будет результатом запроса верхнего элемента пустого стека, т. е. значением выражения item (new), где new - это пустой стек целых чисел. При этом запросе n должно получить специальное значение wINTEGER . Что же тогда должно быть значением выражения n+1? Если у нас в распоряжении имеются в качестве значений только обычные целые числа и wINTEGER , то в качестве ответа мы вынуждены выбрать wINTEGER:

wINTEGER + 1 = wINTEGER.

Это единственный допустимый выбор. Если присвоить wINTEGER+1 любое другое значение, "нормальное" число q, то это означает, что после попытки доступа к вершине пустого стека и получения в качестве результата ошибочного значения мы можем волшебным образом устранить всякую память об этой ошибке, просто прибавив к результату единицу!

Но, при выборе wINTEGER в качестве значения n + 1 при n равном wINTEGER, нарушается указанное выше свойство Z1. В общем случае, выражение wINTEGER+p будет равно wINTEGER для любого p. Это означает, что для измененного типа данных (INTEGER, дополненные ошибочным элементом) требуется новая система аксиом, объясняющая, что всякая операция над целыми числами возвращает значение wINTEGER, если хоть один из ее аргументов равен wINTEGER. Аналогичные изменения потребуются для каждого типа.

Получившееся усложнение не кажется обоснованным. Мы не можем изменять спецификацию целых чисел только для того, чтобы промоделировать каждую отдельную структуру данных (в нашем случае - стеки). При использовании частичных функций ситуация более простая. Конечно, для всякого выражения, содержащего частичные функции, приходится проверять, что их аргументы удовлетворяют соответствующим предусловиям. После завершения такой проверки, можно беспрепятственно применять аксиомы. При этом не требуется изменять существующие системы аксиом.

Полна ли моя спецификация?

Другой вопрос, который может вас тревожить: есть ли какой-нибудь способ убедиться в том, что спецификация описывает все нужные свойства объектов, для которых она предназначена? Студенты, которым требуется написать их первые спецификации (например, проделать упражнения в конце этой лекции), часто приходят с аналогичным вопросом: "Как узнать, что я уже специфицировал достаточно свойств и могу остановиться?"

В более общей форме вопрос звучит так: существует ли метод, позволяющий определять полноту спецификации АТД?

Если непосредственно задать вопрос в такой форме, то ответ будет простой - нет. Понятно, что для формальной спецификации сказать, что она полна - это утверждать, что она покрывает все необходимые свойства, но это имеет смысл только по отношению к некоторому эталонному документу, в котором все эти свойства перечислены. Тогда мы сталкиваемся с двумя равно неутешительными ситуациями:

[x]. Если эталонный документ является неформальным (например, документом с требованиями на естественном языке или просто текстом упражнения), то отсутствие формальности предотвращает всякую попытку систематической проверки соответствия спецификации всем требованиям, описанным в этом документе.

[x]. Если же эталонный документ является формальным, и мы можем, используя его, проверить полноту нашей спецификации, то это просто отодвигает проблему дальше: как можно убедиться в полноте самого эталонного документа?

Таким образом, в этой тривиальной форме вопрос о полноте неинтересен. Но имеется и более полезное понятие полноты, соответствующее значению этого слова в математической логике. Для математика некоторая теория является полной, если ее аксиомы и правила вывода являются достаточно мощными, чтобы доказать истинность или ложность любой формулы, выразимой в языке данной теории. Хотя такое понятие полноты является более ограниченным, но оно интеллектуально вполне удовлетворительно, поскольку показывает, что если теория позволяет нам выражать некоторое свойство, то она также дает возможность определить имеет ли это свойство место.

Как можно перенести эту идею на спецификации АТД? Здесь "язык теории" - это множество правильно построенных выражений, т.е. тех выражений, которые можно построить, используя функции АТД, применяемые к аргументам соответствующих типов. Например, используя спецификацию АТД STACK и считая, что x является правильно построенным выражением типа G, можно указать следующие правильно построенные выражения:

new

put (new, x)

item (new) - если это кажется странным, то см. комментарии ниже.

empty (put (new, x))

stackexp - ранее определенное сложное выражение.

Однако выражения put (x) и put (x, new) не являются правильно построенными, так как они не соответствуют правилу: put всегда должно иметь два аргумента - первый типа STACK [G] и второй типа G.

Третий пример в рамке item (new) не задает никакого осмысленного вычисления, поскольку аргумент new не удовлетворяет предусловию для item. Хотя это выражение и правильно построено, оно не является корректным. Вот точное определение этого понятия.

Определение: корректное выражение АТД

Пусть f(x1 , ... , xn) - правильно построенное выражение, содержащее одну или более функций некоторого АТД. Это выражение является корректным тогда и только тогда, когда все его аргументы xi являются (по рекурсии) корректными и их значения удовлетворяют предусловию f, если оно имеется.

Не следует путать "корректное" и "правильно построенное". "Правильно построенное" - это структурное свойство, указывающее на то, что функции, входящие в выражение, имеют правильное число аргументов соответствующих типов, а корректность, которой могут обладать лишь правильно построенные выражения, означает, что данное выражение задает осмысленное вычисление. Как мы видели, выражение put (x) не является правильно построенным (и поэтому бессмысленно спрашивать, корректно ли оно), а выражение item (new) правильно построено, но некорректно.

Правильно построенное, но некорректное выражение похоже на программу, которая компилируется (поскольку построена в соответствии с требованиями синтаксиса языка программирования и удовлетворяет ограничениям, накладываемым в нем на типы), но аварийно завершается во время выполнения из-за выполнения некоторой недопустимой операции, например, деления на 0 или выталкивания элемента из пустого стека.

Особый интерес с точки зрения полноты представляют выражения-запросы, у которых самая внешняя функция является запросом. Вот примеры таких выражений:

empty (put (put (new, x1), x2))

item (put (put (new, x1), x2))

stackexp

Выражение-запрос задает значение, которое (если оно определено) принадлежит не определяемому АТД, а некоторому другому ранее определенному типу. Так, первое приведенное выше выражение имеет значение типа BOOLEAN, а второе и третье - тип G формального параметра для элементов стека, например если мы рассматриваем АТД STACK [INTEGER], то это будет тип INTEGER.

Выражения-запросы представляют внешние наблюдения, которые можно сделать о результатах некоторого вычисления, использующего экземпляры нового АТД. Если спецификация этого АТД хорошая, то она должна позволить нам установить определены ли эти результаты, и если да, то каковы они. Представляется, что спецификация стека обладает этим свойством, по крайней мере, для трех представленных в примере выражений, поскольку она позволяет установить, что все эти выражения определены, и с помощью аксиом можно получить их значения:

empty (put (put (new, x1), x2)) = False

item (put (put (new, x1), x2)) = x2

stackexp = x4

Эти наблюдения, перенесенные на произвольные спецификации АТД, приводят к прагматическому понятию полноты, известному как достаточная полнота, она означает, что спецификация содержит достаточно сильные аксиомы, которые позволяют находить для любого выражения-запроса его результат в виде некоторого простого значения.

Приведем точное определение достаточной полноты. (Не расположенные к математике читатели могут пропустить остаток этого раздела).

Определение: достаточная полнота

Спецификация АТД T является достаточно полной тогда и только тогда, когда аксиомы ее теории позволяют для каждого выражения expr решить следующие задачи:

[x]. (S1) Определить, является ли expr корректным.

[x]. (S2) Если expr - выражение-запрос и в пункте S1 установлена его корректность, то представить значение expr в виде, не включающем никаких значений типа T.

В S2 выражение expr имеет вид f(x1 , ..., xn), где f - функция вида запрос такая, как empty и item для стеков. S1 говорит о том, что у expr есть значение, но этого недостаточно, нам хотелось бы знать, каково это значение, представленное в терминах значений других типов (в примере со стеком это значения типов BOOLEAN и G). Если аксиомы настолько сильны, что всегда позволяют ответить на этот вопрос, то спецификация является достаточно полной.

Достаточная полнота свидетельствует о том, что никакое важное свойство не осталось вне нашей спецификации. Поэтому ее можно считать ответом на поставленный выше вопрос: как понять, что можно прекратить поиски новых свойств при построении спецификации? На практике хорошо бы проводить такую проверку, по крайней мере неформально, для любой спецификации АТД, которую вы пишете - начните с решений упражнений, приведенных в этой лекции. Часто, можно получить формальное доказательство достаточной полноты; приведенное ниже доказательство для спецификации STACK является образцом, которому во многих случаях можно следовать.

Пункт S2 оптимистически говорит об одном значении expr, а что, если аксиомы приводят к двум или более значениям? Это сделало бы спецификацию бесполезной. Чтобы устранить такую ситуацию нам нужно еще одно свойство, называемое в математической логике непротиворечивостью:

Определение: непротиворечивость АТД

Спецификация АТД является непротиворечивой тогда и только тогда, когда для всякого правильно построенного выражения expr ее аксиомы позволяют вывести не более одного значения.

Эти два свойства являются взаимно дополнительными. Нам хотелось бы для каждого выражения-запроса выводить ровно одно значение: хотя бы одно (достаточная полнота), но не более одного (непротиворечивость).

Доказательство достаточной полноты

(Этот раздел и остаток этой лекции содержат дополнительный материал и их результаты не нужны для остальной части книги).

Достаточная полнота спецификаций АТД является, в общем случае, алгоритмически неразрешимой проблемой. Иными словами, не существует общего метода доказательства, который мог бы по заданной спецификации АТД выяснить за конечное время ее достаточную полноту. Непротиворечивость также в общем случае неразрешима.

Несмотря на это, часто удается доказать достаточную полноту и непротиворечивость конкретной спецификации АТД. Чтобы удовлетворить любопытство читателей-любителей математики, в заключение этой лекции мы приведем доказательство того, что спецификация STACK на самом деле является достаточно полной. Доказательство ее непротиворечивости будет оставлено в качестве упражнения.

Для доказательства достаточной полноты спецификации стека нужно придумать эффективное правило для решения указанных выше задач S1 и S2, другими словами, такое правило, которое позволит нам для любого стекового выражения e:

[x]. (S1) Определить, является ли e корректным.

[x]. (S2) Если в пункте S1 установлена корректность e и его внешними функциями являются item или empty (т.е. функции-запросы), то представить значение e с помощью значений типов BOOLEAN и G без ссылок на значения типа STACK [G] или на функции из спецификации STACK.

Для начала мы рассмотрим только правильно построенные выражения, не включающие ни одну из двух функций-запросов item и empty, т. е. выражения, построенные только из функций new, put и remove. Таким образом, на этом этапе нас будет интересовать лишь задача S1 (установить определено ли выражение). Функции-запросы и S2 будут рассмотрены далее.

Правило для решения задачи S1 задается следующим свойством:

Правило корректного веса

Правильно построенное стековое выражение e, не содержащее ни item, ни empty, является корректным тогда и только тогда, когда его вес неотрицателен и каждое его подвыражение является (по индукции) корректным.

Здесь "вес" выражения представляет число элементов в соответствующем стеке, это значение также совпадает с разностью между числом вложенных вхождений функций put и remove. Приведем точное определение этого понятия:

Определение: вес

Вес правильно построенного стекового выражения, не содержащего ни item, ни empty, определяется по индукции следующим образом:

[x]. (W1) Вес выражения new равен 0.

[x]. (W2) Вес выражения put (s, x) равен ws + 1, где ws - это вес s.

[x]. (W3) Вес выражения remove (s) равен ws- 1, где ws - это вес s.

Содержательно, правило корректного веса утверждает, что стековое выражение корректно тогда и только тогда, когда в нем самом и в каждом из его подвыражений имеется не меньше операций put (вставляющих элементы в стек), чем операций remove (выталкивающих элементы с вершины стека). Если рассмотреть такое выражение как представление некоторого вычисления над стеком, то это означает, что мы никогда не будем пытаться вытолкнуть больше элементов, чем втолкнули. Напомним, что на этом этапе мы сосредоточились на функциях put и remove, оставив в стороне запросы item и empty.

Интуитивно сформулированное правило выглядит верным, но нам следует все же доказать, что оно имеет место. Удобно ввести еще одно вспомогательное правило и одновременно доказывать справедливость обоих этих правил:

Правило нулевого веса

Пусть e - это правильно построенное и корректное стековое выражение, не содержащее item или empty. Тогда empty (e) истинно тогда и только тогда, когда вес e равен 0.

Доказательство использует индукцию по уровню вложенности (максимальному числу вложенных пар скобок) выражения. Для удобства ссылок напомним аксиомы, относящиеся к функции empty:

Аксиомы стека

Для всех x: G, s: STACK [G]

[x]. (A3) empty (new)

[x]. (A4) not empty (put (s, x))

При уровне вложенности 0 (без скобок) выражение e должно совпадать с new, поэтому его вес равен 0 и оно корректно, так как у new нет никаких предусловий. Аксиома A3 утверждает, что empty (new) истинно. Это обеспечивает базис индукции как для правила корректного веса, так и для правила нулевого веса.

Индукционный шаг: предположим, что оба правила выполняются для всех выражений с уровнем вложенности не более n. Нужно доказать, что тогда они выполняются и для любого выражения e с уровнем вложенности n+1. Поскольку наши выражения сейчас не содержат функций-запросов, то e должно иметь один из следующих двух видов:

E1 · e = put (s, x)

E2 · e = remove (s)

где x имеет тип G, а уровень вложенности у s равен n. Пусть ws - это вес s.

В случае E1, поскольку put - всюду определенная функция, e корректно тогда и только тогда, когда s корректно, т. е. (по предположению индукции) тогда и только тогда, когда s и все его подвыражения имеют неотрицательные веса. Но это эквивалентно тому, что e и все его подвыражения имеют неотрицательные веса, что и доказывает правило корректного веса в этом случае. Кроме того, e имеет положительный вес ws+1, и (по аксиоме A4) является непустым, что доказывает правило нулевого веса.

В случае E2 выражение e корректно тогда и только тогда, когда выполняются два следующих условия:

EB1 _ s и все его подвыражения являются корректными.

EB2 _ not empty (s) (это предусловие для функции remove).

По предположению индукции условие EB2 означает, что вес s ws положителен или, что эквивалентно, вес e, равный ws - 1, является неотрицательным. Следовательно, e удовлетворяет Правилу корректного веса. Чтобы доказать, что оно также удовлетворяет правилу нулевого веса, нужно показать, что e пусто тогда и только тогда, когда его вес равен 0. Так как вес s положителен, то s должно содержать по крайней мере одно вхождение put, которое также входит и в e. Рассмотрим самое внешнее вхождение put в e, это вхождение находится непосредственно внутри remove (так как remove находится на самом внешнем уровне у e). Это означает, что у e имеется подвыражение (быть может, совпадающее с самим e) вида

remove (put (stack_expression, g_expression)),

которое по аксиоме A2 можно сократить просто до stack_expression. После выполнения этой замены вес e уменьшится на 2, и получившееся выражение, имеющее то же значение, что и e, удовлетворяет по предположению индукции правилу нулевого веса. Это доказывает утверждение индукции в случае E2.

Это доказательство попутно показывает, что во всяком правильно построенном выражении, не содержащем функций-запросов item и empty, можно устранить все вхождения remove, т.е. получить, применяя всюду, где это возможно, аксиому A2, некоторую каноническую форму, в которую будут входить только put и new. Например, выражение:

put (remove (remove (put (put (remove (put (put (new, x1), x2)), x3), x4))), x5)

имеет то же значение, что и каноническая форма:

put (put (new, x1), x5).

Давайте дадим этому механизму имя и приведем его определение:

Правило канонического сокращения

Всякое правильно построенное и корректное стековое выражение, не содержащее функций-запросов item и empty, имеет эквивалентную каноническую форму, которая не содержит функции remove (т.е. состоит только из функций put и new>). Эта каноническая форма получается путем применения аксиомы стека A2 всегда, пока это возможно.

Таким образом, мы завершили доказательство достаточной полноты, но только для выражений, не содержащих функции-запросы, и, следовательно, только свойства S1 (проверка корректности выражения). Для завершения доказательства нужно рассмотреть выражения, включающие функции-запросы, и обсудить задачу S2 (нахождение значений для выражений-запросов). Это означает, что нам нужно некоторое правило для определения корректности и значения всякого правильно построенного выражения вида f(s), где s - это правильно построенное выражение, а f - это либо item, либо empty.

Это правило и доказательство его корректности также используют индукцию по уровню вложенности. Пусть n - это уровень вложенности s. Если n=0, то s может быть только new, поскольку остальные функции требуют аргументов и, следовательно, содержат хоть одну пару скобок. Тогда для обеих функций-запросов ситуация ясна:

[x]. empty (new) корректно и имеет значение истина (true) (по аксиоме A3);

[x]. item (new) некорректно, так как предусловие item требует выполнения not empty (s) .

Индукционный шаг: предположим, что s имеет уровень вложенности n не менее 1. Если у какого-либо подвыражения u выражения s внешняя функция есть item или empty, то уровень вложенности u не превосходит n-1, что по предположению индукции позволяет определить корректность u и, если u корректно, получить его значение, применяя аксиомы. Выполнив замены всех таких подвыражений, получим для s эквивалентную форму, в которую входят только функции put, remove и new.

Далее используем идею введенной выше канонической формы, чтобы избавиться от всех вхождений remove, так что результирующая форма для s будет включать только функции put и new. Случай, когда s это просто new уже был рассмотрен, остался случай, когда s имеет вид put(s', x) . В этом случае для двух рассматриваемых выражений имеем:

[x]. empty (s) корректно и по аксиоме A3 значение этого выражения есть ложь (false);

[x]. item (s) корректно, так как предусловие not empty (s) для item выполнено; из аксиомы A1 следует, что значение этого выражения равно x.

Это завершает доказательство достаточной полноты, так как мы показали справедливость множества правил - правила корректного веса и правила канонического сокращения, позволяющего нам выяснять корректность заданного стекового выражения, а для корректного выражения-запроса - определять его значение в терминах значений типов BOOLEAN и G.

Ключевые концепции

[x]. Теория абстрактных типов данных (АТД) примиряет необходимость в точности и полноте спецификаций с желанием избежать лишних деталей в спецификации.

[x]. Спецификация абстрактного типа данных является формальным математическим описанием, а не текстом программы. Она аппликативна, т.е. не включает в явном виде изменений.

[x]. АТД может быть родовым, и он задается функциями, аксиомами и предусловиями. Аксиомы и предусловия выражают семантику данного типа и важны для полного и однозначного его описания.

[x]. Частичные функции образуют удобную математическую модель для описания не всюду определенных операций. У каждой частичной функции имеется предусловие, задающее условие, при котором она будет выдавать результат для заданного конкретного аргумента.

[x]. ОО-система - это совокупность классов. Каждый класс основан на некотором абстрактном типе данных и задает частичную или полную реализацию этого АТД.

[x]. Класс является эффективным, если он полностью реализован, в противном случае он называется отложенным.

[x]. Классы должны разрабатываться в наиболее общем виде, допускающем повторное использование; процесс их объединения в систему часто идет снизу-вверх.

[x]. Абстрактные типы данных являются скорее неявными, чем явными описаниями. Эта неявность, которая также означает открытость, переносится на весь ОО-метод.

[x]. Не существует формального определения интуитивно ясного понятия "полноты" спецификации абстрактного типа данных. Строго определяемое понятие достаточной полноты как правило обеспечивает удовлетворительный ответ. Хотя не существует метода, устанавливающего достаточную полноту произвольной спецификации, часто удается ее доказать для конкретных спецификаций; приведенное в этой лекции доказательство достаточной полноты для спецификации стеков может служить образцом и для других случаев.

Библиографические замечания

Несколько работ, опубликованных в начале 1970-х, сделали возможным появление абстрактных типов данных. Среди них наиболее известны статья Хоара о "доказательстве корректности представлений данных" [Hoare 1972a], в которой было введено понятие абстракции функций, и работа Парнаса по скрытию информации, отмеченная в библиографических заметках к лекции 3.

Конечно, абстрактные типы данных не ограничиваются вопросами скрытия информации, хотя многие их элементарные изложения дальше этого не идут. Собственно АТД были введены Лисков и Зиллеса [Liskov 1974]; более алгебраические представления были приведены в [M1976] и [Guttag 1977]. Так называемая группа ADJ (Гоген, Тэтчер, Вагнер) исследовали алгебраические основания абстрактных типов данных, используя теорию категорий. В частности, см. их важную статью [Goguen 1978], опубликованную в коллективной монографии.

На основе абстрактных типов данных основано несколько языков спецификаций. Двумя результатами группы ADJ являются CLEAR [Burstall 1977] [Burstall 1981] и OBJ-2 [Futatsugi 1985]. См. также Larch, предложенный Гуттагом, Хорнингом и Вингом [Guttag 1985].

Идеи АТД повлияли на такие языки формальных спецификаций как Z в ряде его воплощений [Abrial 1980] [Abrial 1980a] [Spivey 1988] [Spivey 1992] и VDM [Jones 1986]. Недавние расширения Z обнаружили тесную связь с ОО-идеями, см. например, Object Z [Duke 1991] и дальнейшие ссылки в гл. 11.

Фраза "разделение интересов" является центральной в работе Дейкстры, см. в частности, его "Дисциплину программирования" [Dijkstra 1976].

Понятие достаточной полноты было впервые опубликовано Гуттагом и Хорнингом [Guttag 1978] (оно основано на диссертации Гуттага 1975г.)

Идея о том, что переход от спецификации к проектированию означает переключение с неявного на явное путем отождествления АТД с декартовым произведением его простых запросов, была предложена в [M 1982] как часть теории описания структур данных в терминах трех разных уровней (физического, структурного, неявного).

Упражнения

У6.1 Точки

Написать спецификацию, задающую абстрактный тип данных ТОЧКА (POINT), моделирующий точки на плоскости в планиметрии. Эта спецификация должна отражать следующие аспекты: декартовы и полярные координаты, повороты, параллельные переносы, расстояние от начала координат, расстояние до другой точки.

У6.2 Боксеры

Члены Ассоциации Боевых Петухов - боксерской лиги - регулярно встречаются в поединках, чтобы установить их относительную силу. В поединке встречаются два боксера, и его результатом является победа одного и поражение другого боксера или ничья. Если выявлен победитель, то результат поединка используется для изменения рангов боксеров лиги: объявляется, что победитель превосходит побежденного и каждого боксера b, которого до поединка превосходил проигравший. Остальные соотношения остаются без изменений.

Опишите эту проблему как набор абстрактных типов данных: АТД_ЛИГА, БОКСЕР, ПОЕДИНОК. (Указание: не вводите явно понятие "ранг", а промоделируйте его с помощью функции "превосходит", выражающей отношение превосходства на множестве боксеров лиги.)

У6.3 Банковские счета

Написать спецификацию АТД "счет в банке" с такими операциями как "положить на счет", "снять со счета", "текущий баланс", "владелец", "смена владельца".

Каким образом добавить функции, представляющие операции открытия и закрытия счета? (Указание: эти функции являются функциями другого АТД).

У6.4 Сообщения

Рассмотрите знакомую вам систему электронной почты. Определите в духе этой лекции абстрактный тип данных ПОЧТОВОЕ_СООБЩЕНИЕ. Включите в него не только функции-запросы, но и команды и конструкторы.

У6.5 Имена

Разработайте абстрактный тип данных ИМЯ, в котором учитывались бы различные компоненты полного имени человека.

У6.6 Текст

Рассмотрите понятие текста, обрабатываемого текстовым редактором. Задайте это понятие в виде АТД. (Это задание оставляет достаточно много свободы спецификатору, не забудьте включить содержательное описание тех свойств текста, которые вы избрали для моделирования в АТД).

У6.7 Покупка дома

Напишите спецификацию абстрактного типа данных для задачи покупки дома, описанной в предыдущей лекции. Уделите особое внимание определению логических ограничений, выраженных в виде предусловий и аксиом спецификации АТД.

У6.8 Дополнительные операции для стеков

Модифицируйте спецификацию АТД для стеков, включив в нее операции count (возвращает число элементов стека), change_top (заменяет верхний элемент стека заданным элементом) и wipe_out (удаляет все элементы). Не забудьте включить необходимые аксиомы и предусловия.

У6.9 Ограниченные стеки

Измените приведенную в этой лекции спецификацию стеков так, чтобы она описывала стеки ограниченной емкости. (Указание: введите емкость как явную функцию-запрос и сделайте функцию put частичной).

У6.10 Очереди

Описать в виде АТД очереди (первым пришел - первым ушел) в том же стиле, что и стеки. Обратите внимание на общие и отличительные черты этих АТД. (Указание: аксиомы для item и remove должны отличаться, при описании put (s,x) рассмотрите случаи, когда очередь s пуста и непустая).

У6.11 Распределители

(Это упражнение предполагает, что вы выполнили предыдущее).

Определите общий АТД РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ, покрывающий и стеки и очереди.

Рассмотрите механизм для задания более специальных спецификаций АТД (таких как стеки и очереди) с помощью ссылок на общие спецификации такие, как спецификация распределителей. (Указание: посмотрите на механизм наследования, изучаемый в следующих лекциях).

У6.12 Булевский -- BOOLEAN

Определите абстрактный тип данных BOOLEAN так, чтобы его можно было использовать в определениях других АТД из этой лекции. Можно считать, что операции равенства и неравенства (= и

У6.13 Достаточная полнота

(Это упражнение предполагает, что вы выполнили одно или несколько предыдущих упражнений).

Изучите спецификацию АТД, написанную вами в качестве решения одного из предыдущих упражнений, и попытайтесь доказать, что она является достаточно полной. Если она не достаточно полная, то объясните, почему и покажите, как ее можно исправить или расширить, чтобы сделать достаточно полной.

У6.14 Непротиворечивость

Докажите, что приведенная в этой лекции спецификация стеков является непротиворечивой.

Лекция 7. Статические структуры: классы

Анализируя основы программной инженерии, мы поняли причины, требующие совершенствования модульного подхода - повторное использование и расширяемость кода. Мы осознали, что традиционные методы исчерпали себя, - централизованная архитектура ограничивает гибкость. Мы выявили хорошую теоретическую основу ОО-подхода - абстрактные типы данных. Теперь, когда проблемам уделено достаточно внимания, вперед к их решению! Раздел содержит введение в фундаментальные методы ОО-анализа, проектирования и программирования. Необходимые обозначения (элементы описания) будут вводиться по мере необходимости. Сначала необходимо рассмотреть базовые строительные блоки - классы.

Классы, а не объекты - предмет обсуждения

Какова центральная концепция объектной технологии? Необходимо дважды подумать, прежде чем ответить "объект". Объекты полезны, но в них нет ничего нового.

С тех пор, как структуры используются в Cobol, с тех пор, как в Pascal существуют записи, с тех пор как программист написал на C первое определение структуры, человечество располагает объектами.

Объекты важны при описании выполнения ОО-систем. Но базовым понятием объектной технологии является класс. Обратимся вновь к его определению. (Детальное обсуждение объектов содержится в следующей лекции.)

Определение класса

Класс - это абстрактный тип данных, поставляемый с возможно частичной реализацией.

Абстрактные типы данных (АТД) являются математическим понятием, пригодным на этапе подготовки спецификации - в процессе анализа. Понятие класса, предусматривая частичную или полную реализацию, обеспечивает необходимую связь с разработкой ПО на этапах проектирования и программирования. Напомним, класс называется эффективным, если его реализация полна, и отложенным - при частичной реализации.

Аналогично АТД, класс - это тип, описывающий множество возможных структур данных, называемых экземплярами (instances) класса. Экземпляры АТД являются абстракциями - элементами математического множества. Экземпляр класса конкретен - это структура данных, размещаемая в памяти компьютера и обрабатываемая программой.

Например, если определить класс STACK, взяв за основу спецификацию АТД из предыдущей лекции и добавив информацию, необходимую для адекватного представления, то экземплярами класса будут структуры данных - конкретные стеки. Другим примером является класс POINT, моделирующий точку на плоскости. Если для представления точки выбрана декартова система координат, то каждый экземпляр POINT представляет собой запись с полями x, y - абсциссой точки и ее ординатой.

Термин "объект" появляется как побочный продукт определения "класса". Объект это просто экземпляр некоторого класса.

Программные тексты, описывающие создаваемую систему, содержат определения классов. Объекты создаются только в процессе выполнения программ.

Настоящая лекция посвящена основным приемам создания программных элементов и объединения их в системы, именно поэтому в центре внимания - классы. В следующей лекции будут рассмотрены структуры периода выполнения, порождаемые ОО-системой, что потребует изучения некоторых особенностей реализации и более детального рассмотрения природы объектов.

Устранение традиционной путаницы

Класс - это модель, а объект - экземпляр такой модели. Эта особенность настолько очевидна, что обычно не требует дополнительных комментариев. Тем не менее, в определенной категории специальной литературы имеет место весьма небрежное обращение с этими понятиями, - смешиваются понятие отдельного объекта и концепция объектов в целом, которую характеризует класс. У этой путаницы два источника. Один - возникает из-за широкого толкования термина "объект" в естественном языке. Другой источник недоразумений связан с метаклассами, - с ситуациями, когда классы сами выступают в роли объектов. Классическим примером может служить транслятор объектного языка, для которого классы языка являются объектами трансляции.

Некоторые ОО-языки, особенно Smalltalk, для выхода из рассмотренной ситуации используют понятие метакласс (metaclass). Метакласс - это класс, экземпляры которого сами являются классами. В романе "Имя Розы", отрывок из которого приведен в эпиграфе к данной лекции, встречается понятие "знаки знаков". По сути, это и есть неформальное определение метаклассов.

Мы будем избегать введения метаклассов, поскольку создаваемых ими проблем больше, чем тех, которые они решают. В частности, введение метаклассов создает трудности при проведении статической проверки типов, что является необходимым условием разработки надежного ПО. Основные функции метаклассов могут быть гораздо лучше реализованы с помощью других средств:

[x]. Метаклассы можно использовать для задания свойств, доступных многим или всем классам. Тот же результат можно достичь, создавая семейство классов, наследников общего предка - класса ANY, содержащего объявления универсальных свойств.

[x]. Некоторые операции характерны, скорее, для класса в целом, а не для отдельных его экземпляров, так что их можно рассматривать как методы метакласса. Но этих операций обычно немного и они хорошо известны. Опять-таки, их можно ввести при определении класса ANY, или реализовать введением специальных языковых конструкций. Наиболее очевидным примером является конструктор класса, выполняющий операцию создания объектов.

[x]. Метакласс может использоваться для получения дополнительной информации о классе - имени, списке свойств, списке родителей и т.д. Но и здесь нет необходимости в метаклассе. Достаточно разработать специальный библиотечный класс E_CLASS, экземпляры которого представляют классы и их свойства. При создании такого экземпляра необходимо передать в качестве параметра соответствующий класс C и далее использовать этот экземпляр для получения информации о классе C, обращаясь к соответствующим компонентам E_CLASS.

В данной книге не используется самостоятельная концепция метакласса. Присутствие метаклассов в том или ином языке или среде разработки не оправдывает смешение понятий моделей и их экземпляров - классов и объектов.

Роль классов

Затратив немного времени на устранение абсурдных, но распространенных и вредных заблуждений, можно вернуться к рассмотрению центральных свойств классов и выяснить, в частности, почему они столь важны в объектной технологии.

Для понимания ОО-подхода необходимо ясно представлять, что классы выполняют две функции, которые до появления ОО-технологий всегда были разделены. Класс одновременно является модулем и типом.

Модули и типы

Средства, используемые при разработке ПО, - языки программирования, проектирования, спецификаций, графические системы обозначений для анализа, - всегда включали в себя как возможность применения модулей, так и систему типов.

Модули - это структурные единицы, из которых состоит программа. Различные виды модулей, такие как подпрограммы и пакеты, рассматривались в одной из предыдущих лекций (см. лекция 3). Независимо от конкретного выбора той или иной модульной структуры, модуль всегда рассматривается как синтаксическая концепция. Отсюда следует, что разбиение на модули влияет лишь на форму записи исходных текстов программ, но не определяет их функциональность. В самом деле, принципиально можно написать программу Ada в виде единственного пакета, или программу Pascal как единую основную программу. Безусловно, такой подход не рекомендуется, и любой компетентный программист будет использовать модульные возможности языка для деления программы на обозримые и управляемые части. Но если взять существующую программу, например на Паскале, то всегда можно собрать воедино все модули и получить работоспособную программу с эквивалентной семантикой. (Присутствие рекурсивных подпрограмм делает этот процесс менее тривиальным, но не оказывает принципиального влияния на данную дискуссию.) Таким образом, деление на модули диктуется принципами управления проектами, а не внутренней необходимостью.

Концепция типов на первый взгляд совершенно иная. Тип является статическим описанием вполне определенных динамических объектов - элементов данных, которые обрабатываются во время выполнения программной системы. Набор типов обычно содержит предопределенные типы, такие как INTEGER или CHARACTER, а также пользовательские типы: записи (структуры), указатели, множества (в Pascal), массивы и другие. Понятие типа является семантической концепцией, и каждый тип непосредственно влияет на выполнение программной системы, так как описывает форму объектов, которые система создает и которыми она манипулирует.

Класс как модуль и как тип

В не ОО-подходах концепции модуля и типа существуют независимо друг от друга. Наиболее замечательным свойством класса является одновременное использование обеих концепций в рамках единой лингвистической конструкции. Класс является модулем или единицей программной декомпозиции, но одновременно класс это тип (или шаблон типа в тех случаях, когда поддерживается параметризация).

Мощь ОО-метода, во многом, следствие этого отождествления. Наследование, в частности, может быть полностью понято только при рассмотрении его, как модульного расширения, так и, одновременно, уточнения специализации типа.

Как практически соединить две столь различные на первый взгляд концепции? Последующая дискуссия и примеры позволят ответить на этот вопрос.

Унифицированная система типов

Важным аспектом ОО-подхода является простота и универсальность системы типов, которая строится на основе фундаментального принципа.

Объектный принцип

Каждый объект является экземпляром некоторого класса

Объектный принцип будет распространяться не только на составные объекты, определяемые разработчиками (такие как структуры данных, содержащие несколько полей), но и на базовые объекты - целые и действительные числа, булевы значения и символы, которые будут рассматриваться как экземпляры предопределенных библиотечных классов (INTEGER, REAL, DOUBLE, BOOLEAN, CHARACTER).

На первый взгляд подобное стремление превратить любое сколь угодно простое значение в экземпляр некоторого класса может показаться преувеличенным и даже экстравагантным. В конце концов, математики и инженеры в течение многих лет успешно используют целые и действительные числа, не подозревая о том, что они работают с экземплярами классов. Однако настойчивое требование к унификации вполне окупается по ряду причин.

[x]. Всегда желательно иметь простую и универсальную схему, нежели множество частных случаев. Предлагаемая система типов полностью опирается на понятие класса.

[x]. Описание базовых типов как абстрактных структур данных и далее как классов является простым и естественным. Нетрудно представить, например, определение класса INTEGER с функциональностью включающей арифметические операции, такие как "+", операции сравнения, такие как "=" и ассоциированные свойства, следующие из соответствующих математических аксиом.

[x]. Определение базовых типов как классов позволяет использовать все возможности ОО, главным образом наследование и родовые средства. Если базовые типы не будут классами, то придется вводить ряд ограничений и рассматривать частные случаи.

Пример наследования - классы INTEGER, REAL и DOUBLE могут быть наследниками двух более общих классов; NUMERIC, в котором определены основные арифметические операции ("+", "-", "*"); COMPARABLE, представляющий операции сравнения ("<" и другие). В качестве примера использования универсализации можно рассмотреть родовой класс MATRIX, родовой параметр которого определяет тип элементов матрицы. Экземпляры класса MATRIX [INTEGER] будут целочисленными матрицами, а экземпляры MATRIX [REAL] будут в качестве элементов содержать действительные числа. В качестве комплексного примера одновременного использования наследования и родовых классов можно использовать класс MATRIX [NUMERIC], экземпляры которого могут содержать элементы типа INTEGER или REAL или любого нового типа T, определенного разработчиком как наследника класса NUMERIC.

При условии хорошей реализации нет необходимости опасаться каких-либо негативных последствий решения определять все типы как классы. Ничто не мешает предоставить компилятору специальную информацию о базовых классах. В этом случае порождаемый код для операций со значениями классов INTEGER и BOOLEAN может быть столь же эффективным, как если бы они были встроенными типами данного языка.

Построение непротиворечивой и универсальной системы типов требует комплексного применения ряда важных ОО-методик, которые будут рассмотрены позже. К их числу относятся расширяемые классы, гарантирующие корректное представление простых значений; инфиксные и префиксные операции, обеспечивающие возможность использования привычного синтаксиса (a < b или -a вместо неуклюжих конструкций a.less_than (b) или a.negated); ограниченная универсализация, необходимая для описания классов, адаптируемых к типам со специфическими операциями. Например, класс MATRIX может представлять целочисленные матрицы, а также матрицы, элементами которых являются числа других типов.

Простой класс

Что представляет собой класс можно выяснить, изучая простой, но типичный пример, который демонстрирует фундаментальные свойства, применимые практически ко всем классам.

Компоненты

Пример использует представление точки в двумерной графической системе:

Рис. 7.1.  Точка и ее координаты

Для определения типа POINT как абстрактного типа данных потребуется четыре функции-запроса: x, y, ρ, θ. (В текстах подпрограмм для двух последних функций будут использоваться имена rho и theta). Функция x возвращает абсциссу точки (горизонтальную координату), y - ординату (вертикальную координату), ρ - расстояние от начала координат, θ - полярный угол, отсчитываемый от горизонтальной оси. Значения x и y являются декартовыми, а ρ и θ - полярными координатами точки. Другой полезной функцией является distance, возвращающая расстояние между двумя точками.

Далее спецификация АТД будет содержать такие команды, как translate (перемещение точки на заданное расстояние по горизонтали и вертикали), rotate (поворот на определенный угол вокруг начала координат) и scale (уменьшение или увеличение расстояния до начала координат в заданное число раз).

Нетрудно написать полную спецификацию АТД, включающую указанные функции и некоторые ассоциированные аксиомы. Далее в качестве примера приведены две из перечисленных функций:

x: POINT REAL

translate: POINT × REAL × REAL POINT

и одна из аксиом:

x (translate (p1, a, b)) = x (p1) + a

утверждающая, что для произвольной точки p1 и действительных значений a и b при трансляции точки на <a, b> абсцисса увеличивается на a.

Читатель, если пожелает, может самостоятельно завершить спецификацию АТД. В дальнейшей дискуссии подразумевается, что вы понимаете, как устроен данный АТД, вне зависимости от того, написали ли вы его полную формализацию или нет. Сосредоточим внимание на реализации АТД - классе.

Атрибуты и подпрограммы

Любой абстрактный тип данных и POINT в частности характеризуется набором функций, описывающих операции применимые к экземплярам АТД. В классе, реализующем АТД, функции становятся компонентами (features) - операциями, применимыми к экземплярам класса.

В лекции 6 было показано, что в АТД существуют функции трех видов: запросы (queries), команды (commands) и конструкторы (creators). Для компонентов классов необходима дополнительная классификация, основанная на том, каким образом реализован данный компонент - в пространстве или во времени (by space or by time). (См. "Категории функций", лекция 6)

Пример координат точки отчетливо демонстрирует эту разницу. Для точек доступны два общепринятых представления - в декартовых или полярных координатах. Если для представления выбрана декартова система координат, то каждый экземпляр класса содержит два поля представляющих координаты x и y соответствующей точки:

Рис. 7.2.  Представление точки в декартовых координатах

Если p1 является такой точкой, то получение значений x и y сведется просто к просмотру соответствующих полей данной структуры. Однако определение значений ρ и θ требует вычисления выражения √(x^2 + y^2) для ρ и arctg (y/x) для θ (при условии ненулевого x).

Использование полярной системы координат (рис. 7.3) приводит к противоположной ситуации. Теперь ρ и θдоступны просто как значения полей, а определение x и y возможно после простых вычислений (ρ cosθ, ρ sinθ, соответственно).

Рис. 7.3.  Представление точки в полярных координатах

Приведенный пример указывает на необходимость рассмотрения компонентов двух видов:

[x]. Некоторые компоненты представлены в пространстве и, можно сказать, ассоциируются с некоторой частью информации каждого экземпляра класса. Они называются атрибутами (attributes). Для точки, представленной в декартовых координатах, атрибутами являются x и y, а в полярных координатах в роли атрибутов выступают rho и theta.

[x]. Другие компоненты представлены во времени, и для доступа к ним требуется описать некоторые вычисления (алгоритмы), применимые далее ко всем экземплярам данного класса. В дальнейшем они называются подпрограммами или методами класса (routines). В декартовом представлении точек - rho и theta это подпрограммы, а x и y выступают в качестве подпрограмм при использования полярных координат.

Вторая категория - подпрограммы - нуждается в дальнейшей дополнительной классификации. Часть подпрограмм возвращает результат, и их называют функциями (functions). В приведенном примере функциями являются x и y в представлении в полярных координатах, в то время как rho и theta - функции в декартовых координатах, все они возврвщают результат типа REAL. Подпрограммы, не возвращающие результат, соответствуют командам в спецификации АТД и называются процедурами (procedures). Например, класс POINT содержит процедуры translate, rotate и scale.

Не следует путать понятие "функция", обозначающее в классах программу, возвращающую результат, с использованным ранее толкованием функции как математического описания операций АТД. Эта досадная путаница понятий обусловлена устоявшейся терминологией в математике и программировании.

На рис. 7.4 дана рассмотренная выше классификация, представленная в виде дерева:

Рис. 7.4.  Классификация компонентов класса по их роли

Эта классификация является внешней, основанной на том, каким образом данный компонент выглядит для использующего его клиента.

Можно предложить другую, внутреннюю классификацию, использующую в качестве основного критерия способ реализации компонента в классе:

Рис. 7.5.  Классификация компонентов класса по способу реализации

Унифицированный доступ

На первый взгляд один из аспектов приведенной выше классификации может вызывать беспокойство. Во многих случаях необходимо иметь возможность работать с объектом, например с точкой p1, не заботясь о том, какое внутреннее представление используется для p1 - декартово, полярное или иное. Необходимо ли для этого отличать атрибуты от функций?

Ответ зависит от того, с какой точки зрения рассматривать данную проблему - разработчика, автора данного класса POINT или клиента, создавшего класс, использующий POINT. Для разработчика разница между атрибутами и функциями принципиально важна и имеет смысл. Ему необходимо принимать решения о том, какие компоненты будут реализованы как данные в памяти и какие будут доступны в результате вычислений. Но заставлять клиента осознавать эту разницу, было бы серьезной ошибкой. Клиент должен обращаться к значениям x или ρ для точки p1, не заботясь и не имея информации о том, как реализованы соответствующие запросы.

Решение проблемы дает принцип унифицированного доступа (Uniform Access principle), введенный в дискуссии о модульности (лекция 3). Принцип декларирует, что клиент должен иметь возможность доступа к свойствам объекта, используя одинаковую нотацию, вне зависимости от того, как это свойство реализовано - в памяти или как результат вычислений (в пространстве или во времени, в виде атрибута или подпрограммы). Этому важному принципу необходимо следовать при разработке нотации для обращения к компонентам класса. Так выражение, обозначающее значение компонента x объекта p1 будет всегда записываться в виде:

p1.x

вне зависимости от того, осуществляется ли доступ к полю данных объекта или выполняется подпрограмма.

При использовании такой нотации неопределенность может возникать только для запросов без аргументов, которые могут быть реализованы и как функции и как атрибуты. Команда должна быть процедурой, запрос с аргументами должен быть функцией, так как атрибуты не могут иметь аргументов.

Принцип унифицированного доступа необходим для гарантирования автономности компонентов ПО. Он защищает право создателя класса свободно экспериментировать с различными способами реализации, не создавая помех клиентам. (СМ. "Использование утверждений для документирования: краткая форма класса", лекция 11)

Pascal, C и Ada нарушают этот принцип, предоставляя различную нотацию для вызова функций и для доступа к атрибутам. Это объяснимо для таких не ОО-языков (хотя еще в 1966 г. синтаксис Algol W предшественника Pascal удовлетворял этому принципу). Более новые языки, такие как C++ и Java, также не следуют этому принципу. Отход от этого принципа может служить причиной того, что изменения внесенные во внутренние представления (например переход от полярной системы координат к декартовой или иные) повлекут за собой неработоспособность многих клиентских классов. Это является одной из причин нестабильности программных разработок.

Принцип унифицированного доступа является источником определенных требований и к подготовке документации. Последовательное применение этого принципа должно гарантировать, например, что в официальной документации не содержится сведений о том, является ли данный запрос без аргументов функцией или атрибутом. Это одно из требований к стандартной методике документирования классов, известной как краткая форма класса.

Класс POINT

Ниже приведена версия исходного текста класса POINT. Фрагменты, начинающиеся с двух тире "--", представляют собой комментарии, продолжающиеся до конца строки. Комментарии содержат пояснения, облегчающие понимание текста, и не влияют на семантику класса.

indexing

description: "Точка на плоскости"

class POINT feature

x, y: REAL

-- Абсцисса и ордината

rho: REAL is

-- Расстояние до начала координат (0, 0)

do

Result := sqrt (x^2 + y^2)

end

theta: REAL is

-- Полярный угол

do

-- Предлагается реализовать в качестве упражнения (упр. У7.3)

end

distance (p: POINT): REAL is

-- Расстояние до точки p

do

Result := sqrt ((x - p.x)^2 + (y- p.y)^2)

end

translate (a, b: REAL) is

-- Перемещение на a по горизонтали, b по вертикали

do

x := x + a

y := y + b

end

scale (factor: REAL) is

-- Изменение расстояния до начала координат в factor раз

do

x := factor * x

y := factor * y

end

rotate (p: POINT; angle: REAL) is

-- Поворот вокруг p на угол angle

do

-- Предлагается реализовать в качестве упражнения (упр. У7.3)

end

end

Некоторые аспекты приведенного текста неочевидны и требуют дополнительных разъяснений.

Класс в основном состоит из предложения, перечисляющего различные компоненты, вводимого ключевым словом feature. Кроме того, присутствует предложение indexing дающее общее описание (description), полезное для понимания функциональности класса, но никак не влияющее на семантику исполнения. Позднее будут рассмотрены три дополнительных предложения: inherit - для наследования; creation - при необходимости использования специального конструктора; invariant - для объявления инвариантов класса. Будет рассмотрена также возможность включения в класс двух или более предложений feature.

Основные соглашения

Класс POINT демонстрирует ряд приемов, которые будут использованы в последующих примерах. Необходимо оговорить основные соглашения.

Распознавание вида компонент

Компоненты x и y объявлены как относящиеся к типу REAL без ассоциированного алгоритма, следовательно, они являются атрибутами. Все остальные компоненты содержат конструкции вида

is

do

... Инструкции ...

end

которые описывают алгоритм, что является признаком подпрограмм. Подпрограммы rho, theta и distance возвращают результат типа REAL во всех трех случаях, что отражено в объявлениях вида

rho: REAL is ...

Это определяет их как функции. Две другие подпрограммы, translate и scale, не возвращают результата (объявление не завершается конструкцией: T, где T некоторый тип) и, соответственно, являются процедурами.

Поскольку x и y являются атрибутами, а rho и theta функциями, данный конкретный класс использует для представления точки декартову систему координат.

Тело подпрограммы и комментарии к заголовку

Тело подпрограммы (предложение do) представляет собой последовательность инструкций. Можно разделять последовательные инструкции и объявления точкой с запятой в традициях Algol-Pascal, но это не обязательно. Далее с целью упрощения точка с запятой будет опускаться между элементами на отдельных строках, но всегда будет использоваться как разделитель нескольких инструкций или объявлений в одной строке. (См. "Война вокруг точек с запятой", лекция 8 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

В подпрограммах класса POINT все инструкции являются присваиваниями значений. В данной нотации для обозначения присваивания используется символ ":=" также следуя соглашениям, принятым в Algol и Pascal. Этот символ нельзя перепутать с символом равенства "=", применяемым, как и в математике, в операциях сравнения.

Другое соглашение о нотации касается использования комментария к заголовку подпрограммы. Уже отмечалось, что комментарии начинаются с двух последовательных тире "--". Они могут размещаться в любом месте, где, по мнению автора, дополнительные разъяснения могут принести пользу. Особую роль играет комментарий к заголовку (header comment). В соответствии с общим стилевым правилом он должен помещаться в начале каждой подпрограммы после ключевого слова is с отступом как в примере класса POINT. Комментарий к заголовку должен кратко отражать назначение подпрограммы.

Атрибуты также сопровождаются комментариями, следующими непосредственно за их объявлением и имеющими тот же отступ, что и комментарии к заголовку подпрограмм. Иллюстрацией могут служить объявления x и y.

Предложение indexing

В начале нашего класса помещено предложение, начинающееся с ключевого слова indexing. Оно содержит единственный пункт, помеченный как description. Предложение indexing не оказывает влияния на выполнение программ и служит для размещения информации, ассоциированной с классом. В общем случае оно содержит ноль или более пунктов вида

index_word: index_value, index_value, ...

где index_word - произвольный идентификатор (элемент индексирования), а каждое значение index_value - произвольный элемент языка (идентификатор, целое число, строка и т.д.) (См. "Заметки об indexing", лекция 4).

Это дает два преимущества:

[x]. Читатели исходного текста получают сводку свойств класса без необходимости рассмотрения деталей.

[x]. В средах разработки с поддержкой повторного использования кода соответствующие инструментальные средства (часто называемые браузерами, навигаторами кода, инспекторами кода и т.д.) могут использовать информацию из данного раздела, помогая потенциальным пользователям найти нужные им классы. Эти средства обычно позволяют вести поиск по заданному шаблону среди элементов индексирования и их значений index_value.(В лекции 18 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования" рассмотрен базовый механизм ОО-браузеров.)

Приведенный пример содержит единственный индексный элемент - description, значение которого - строка, описывающая назначение класса. Все примеры классов в данной книге будут также содержать элемент description. Настоятельно рекомендуется следовать этому примеру и начинать исходный текст любого класса с предложения indexing, дающего краткую характеристику класса по аналогии с тем, как каждая подпрограмма начинается с комментария к заголовку.

Предложения indexing и комментарии к заголовку являются иллюстрацией правильного применения принципа самодокументирования (Self-Documentation principle): везде, где это возможно, документация модуля должна размещаться непосредственно в самом модуле. (См. "Самодокументирование", лекция 3)

Обозначение результата функции

Для понимания текстов функций rho, theta и distance в классе POINT необходимо еще одно соглашение.

Любой язык программирования, поддерживающий функции (подпрограммы, возвращающие результат) должен предусматривать нотацию, позволяющую установить в теле функции значение, возвращаемое в результате ее вызова. В качестве значения, возвращаемого функцией, в данной книге будет использоваться предопределенная сущность (entity) Result. (Полное определение сущности будет дано в конце этой лекции.)

Например, тело функции rho содержит следующее присваивание

Result := sqrt (x^2 + y^2)

Result - зарезервированное слово, которое может присутствовать только в теле функций. В функции, возвращающей результат типа T, Result рассматривается наряду с другими сущностями и ему может быть присвоено значение с помощью инструкций присваивания, как это показано выше.

При любом вызове функции в качестве результата будет возвращаться последнее присвоенное Result значение. Оно всегда определено благодаря правилам языка (они будут детально рассмотрены позже), требующим обязательной инициализации Result в начале каждой подпрограммы путем присваивания значения, предопределенного типом T. Для типа данных REAL инициализирующее значение равно нулю и следующая функция:

non_negative_value (x: REAL): REAL is

-- Возвращает значение аргумента при x>0; ноль при x<=0

do

if x > 0.0 then

Result := x

end

end

будет всегда возвращать вполне определенное значение (как указано в комментарии к заголовку), несмотря на то, что условная инструкция не содержит части else.

Дискуссия в конце данной лекции обсуждает логику использования соглашения Result в сопоставлении с другими приемами, такими как инструкции возврата. Хотя это соглашение касается всех языков программирования, оно является особенно важным при ОО-подходе.

Правила стиля

Исходные тексты классов в данной книге строго подчиняются основным правилам стиля. Они регламентируют отступы, шрифты, выбор имен классов и их компонент, использование нижнего и верхнего регистров.

Далее этим правилам будет уделяться серьезное внимание, а их подробному обсуждению полностью посвящена лекция 8 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования". Правила стиля не следует рассматривать как "косметическое" средство. Разработка качественного ПО требует последовательности и внимания ко всем деталям, - к форме в той же степени, что и к содержанию. Задача повторного использования делает соблюдение этих правил еще более важным, поскольку предполагается, что исходные тексты ждет долгая жизнь, в течение которой многие люди будут в них разбираться и развивать их.

Следует правильно применять правила стиля с самого начала написания исходного текста класса. Так, никогда не следует начинать подпрограмму, не задав комментарий к заголовку. Это не займет много времени и это время нельзя считать потерянным. Фактически достигается существенная экономия времени при дальнейшей работе с этим классом его автором или другими программистами, возможно, через полчаса, скорее, через пять лет. Использование одинаковых отступов, грамотное написание комментариев и выбор идентификаторов, применение адекватных лексических соглашений (пробел перед каждой открывающей скобкой, но не после нее и т. д.) не слишком усложнят задачу, но сделают более совершенным результат многомесячного труда над громадой исходных текстов. Внимание к деталям, безусловно, не достаточное, но необходимое условие разработки качественного ПО.

Элементарные правила стиля совершенно понятны из приведенного примера класса. Поскольку целью настоящего раздела является изучение базовых механизмов объектной технологии, то детальному описанию правил стиля будет посвящена одна из последующих лекций (лекция 8 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования").

Наследование функциональных возможностей общего характера

Другим аспектом класса POINT, требующим разъяснений, является присутствие в функциях rho и distance вызовов функции sqrt. Понятно, что эта функция возвращает квадратный корень действительного числа, но откуда она появилась?

Поскольку загромождать универсальный язык специализированными арифметическими операциями нецелесообразно, наилучшим решением будет определение подобных операций как компонентов некоторого специализированного класса, который называется, например, ARITHMETIC. Далее любой класс, в котором необходимо использовать указанные возможности, нужно просто объявить потомком этого специализированного класса. Для этого достаточно переписать класс POINT следующим образом

class POINT inherit

ARITHMETIC

feature

... Остальная часть кода без изменений ...

end

Эта методика наследования функциональных возможностей общего характера является до некоторой степени спорной. Кто-то может полагать, что принципы ОО-подразумевают включение функций типа sqrt в качестве компонентов класса, которому принадлежит объект, например, REAL. Однако существует ряд операций с действительными числами, не все из которых стоит включать в данный класс. В дискуссии о принципах дизайна мы вернемся к вопросу о полезности "вспомогательных" классов, таких как ARITHMETIC. (См. "Наследование функциональных возможностей", лекция 6 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".)

Объектно-ориентированный стиль вычислений

Обратимся теперь к фундаментальным свойствам класса POINT и попытаемся понять, как устроено типичное тело подпрограммы и составляющие его инструкции. Далее выясним, каким образом класс и его компоненты могут использоваться другими классами - клиентами данного.

Текущий экземпляр

Обратимся опять к тексту одной из подпрограмм, процедуре translate:

translate (a, b: REAL) is

-- Перемещение на a по горизонтали, b по вертикали

do

x:= x + a

y:= y + b

end

На первый взгляд этот текст совершенно понятен - для перемещения точки на расстояние a по горизонтали и b по вертикали значение a прибавляется к x, а b к y. При более внимательном рассмотрении все становится не столь очевидным. Из приведенного текста непонятно, о какой точке идет речь. Какому объекту принадлежат x и y, к которым прибавляются a и b? Этот вопрос связан с одним из наиболее характерных аспектов ОО-стиля разработки. Прежде чем получить ответ, следует разобраться в некоторых промежуточных деталях.

Текст класса описывает свойства и поведение объектов определенного типа, в данном случае точек. Это достигается путем описания свойств и поведения типичного экземпляра такого типа. Можно было бы назвать этот экземпляр "точкой на улице" по примеру того, как газеты представляют мнение "человека с улицы". Мы будем использовать более формальное имя - текущий экземпляр класса.

Иногда возникает необходимость явного обращения к текущему экземпляру. Зарезервированное слово

Current

обеспечивает эту возможность. В тексте класса Current обозначает текущий экземпляр этого класса. Потребность в использовании Current может возникнуть, если попытаться переписать функцию distance таким образом, чтобы осуществлялась проверка, не совпадает ли аргумент p с текущей точкой; в этом случае результат равнялся бы нулю без последующих вычислений. Эта версия distance будет выглядеть следующим образом:

distance (p: POINT): REAL is

-- Расстояние до точки p

do

if p /= Current then

Result := sqrt ((x - p.x)^2 + (y- p.y)^2)

end

end

Здесь /= операция неравенства. В соответствии с сформулированным ранее правилом инициализации условная инструкция не нуждается в части else, поскольку результат равен нулю при p = Current.

Тем не менее, в большинстве случаев текущий экземпляр подразумевается, и нет необходимости обращаться к Current по имени. Так ссылка на x в теле translate и других подпрограмм обозначает "значение x текущего экземпляра" без дополнительного уточнения.

Конечно, по-прежнему остается загадкой, кто же он - "Current"? Ответ придет позже при изучении вызовов подпрограмм, пока же при рассмотрении текста достаточно полагать, что все операции можно рассматривать только относительно некоторого неявно определенного объекта - текущего экземпляра.

Клиенты и поставщики

Игнорируя ряд моментов, связанных с загадкой идентификации Current, можно считать выясненным, как определять простые классы. Теперь необходимо обсудить применение этих определений, - как они используются в других классах. При последовательном ОО-подходе каждый программный элемент является частью некоторого класса, поэтому использовать эти определения будут другие классы.

Существуют лишь две возможности использования класса, например, POINT. Первый способ - наследование, будет детально рассмотрен позднее. Для реализации второй возможности необходимо создать класс, являющийся клиентом (client) класса POINT. (Наследованию посвящены лекции 14-16.)

Чтобы стать клиентом класса S, простейший и наиболее общий путь - объявить сущность типа S.

Определение: клиент, поставщик

Пусть S некоторый класс. Класс C называется клиентом (client) S, если содержит объявление сущности a: S. Класс S называется поставщиком (supplier) C.

В этом определении a может быть атрибутом или функцией класса C, или локальной сущностью, или аргументом подпрограммы в классе C.

Например, наличие в классе POINT объявлений x, y, rho, theta и distance делает этот класс клиентом класса REAL. Напротив, другие классы могут стать клиентами POINT. Например:

class GRAPHICS feature

p1: POINT

...

some_routine is

-- Выполнение неких действий с p1.

do

... Создание экземпляра POINT и присоединение его к p1 ...

p1.translate (4.0, -1.5) --**

...

end

...

end

Перед выполнением инструкции помеченной "--**" атрибут p1 принимает значение, соответствующее конкретному экземпляру класса POINT. Предположим, что этот объект представляет точку, совпадающую с началом координат x = 0, y = 0:

Рис. 7.6.  Начало координат

В таких случаях говорят, что сущность p1 присоединена (attached) к данному объекту (объект связан с сущностью). На данном этапе можно не беспокоиться о том, как был создан и инициализирован объект (строка "... Создание экземпляра POINT ..." до конца не раскрыта). В следующей лекции эти вопросы будут подробно обсуждаться как часть объектной модели. Пока достаточно знать, что объект существует и связан с сущностью p1 (она присоединена к объекту).

Вызов компонента

Отмеченная звездочками инструкция

p1.translate (4.0, -1.5)

заслуживает внимательного изучения, поскольку представляет собой первый пример использования базового механизма ОО-вычислений (basic mechanism of object-oriented computation). Это обращение к компоненту или вызов компонента (feature call). В процессе выполнения кода ОО-системы все вычисления реализуются путем вызова соответствующих компонентов определенных объектов.

Приведенный конкретный пример означает вызов компонента translate класса POINT применительно к объекту p1 с аргументами 4.0 и -1.5, соответствующими a и b в объявлении translate в указанном классе. В общем случае допустимы две основные формы записи вызова компонента.

x.f

x.f (u, v, ...)

Здесь x называется целью (target) вызова и может быть сущностью или выражением, которые во время выполнения присоединены к конкретному объекту. Цель x, как любая сущность или выражение, имеет определенный тип, заданный классом C, следовательно, f должен быть одним из компонентов класса C. Точнее говоря, в первом случае f должен быть атрибутом или подпрограммой без аргументов, а во втором - подпрограммой с аргументами. Значения u, v, ... называются фактическими аргументами (actual arguments) вызова и они должны быть выражениями, число и тип которых должны в точности соответствовать числу и типу формальных аргументов (formal arguments) объявленных для f в классе C.

Кроме того, компонент f должен быть доступен (экспортирован) клиенту, содержащему данный вызов. Ограничению прав доступа посвящен следующий раздел (см. лекция 7), пока по умолчанию все компоненты доступны всем клиентам.

Результат рассмотренного выше вызова во время выполнения определяется следующим образом:

Эффект вызова компонента f для цели x

Применить компонент f к объекту, присоединенному к x, после инициализации всех формальных аргументов f (если таковые предусмотрены) значениями соответствующих фактических аргументов.

Принцип единственности цели

Чем так замечателен вызов компонента? В конце концов, каждый программист знает, как написать процедуру translate, которая перемещает точку на заданное расстояние. Традиционная форма вызова, доступная с незначительными вариациями во всех языках программирования, будет выглядеть следующим образом:

translate (p1, 4.0, -1.5)

В отличие от ОО-стиля в данном вызове все аргументы равноправны. Объектно-ориентированная форма не столь симметрична, определенный объект (в данном случае точка p1) выбирается в качестве цели, другим аргументам (действительные числа 4.0 и -1.5) отводится вспомогательная роль. Выбор единственного объекта в качестве цели для каждого вызова занимает центральное место в ОО-методе вычислений.

Принцип единственности цели

Каждая операция при ОО-вычислениях связана с определенным объектом - текущим экземпляром на момент выполнения операции

Этот аспект метода часто вызывает наибольшие затруднения у новичков. При разработке объектно-ориентированного ПО никогда не говорят: "Применение данной операции к этим объектам", но "Применение данной операции к данному объекту в данный момент". Если предусмотрены аргументы, то возможно такое дополнение: "Между прочим, я едва не забыл, вам необходимы здесь эти значения в качестве аргументов".

Слияние понятий модуль и тип

Принцип единственности цели является прямым следствием слияния понятий модуля и типа, рассмотренного ранее в качестве отправной точки ОО-декомпозиции. Поскольку каждый модуль является типом, каждая операция в данном модуле рассматривается относительно конкретного экземпляра данного типа (текущего экземпляра). Однако до сих пор детали этого слияния оставались немного загадочными. Как уже было сказано, класс одновременно представляет собой модуль и тип, но как согласовать синтаксическое понятие модуля (объединение родственных функциональных возможностей, формирование части программной системы) с семантическим понятием типа (статическое описание неких возможных объектов времени выполнения). Пример класса POINT дает определенный ответ:

Как функционирует слияние модуль-тип

Функциональные возможности класса POINT, рассматриваемого как модуль, в точности соответствуют операциям доступным для экземпляров класса POINT, рассматриваемого как тип

Эта идентификация операций экземпляров типа и служб (services), предоставляемых модулем, лежит в основе структурной дисциплины, навязываемой ОО-методом.

Роль объекта Current

Теперь настало время с помощью того же примера раскрыть тайну текущего экземпляра и выяснить, что он собой представляет в действительности.

Сама форма вызова показывает, почему текст подпрограммы (translate в классе POINT) не нуждается в дополнительной идентификации объекта Current. Поскольку любой вызов подпрограммы связан с определенной целью, которая явно обозначена при вызове, то при выполнении вызова имя каждого компонента в тексте подпрограммы (например, x в тексте translate) будет присоединено к той же цели. Таким образом, при выполнении вызова

p1.translate (4.0, -1.5)

каждое вхождение x в тело translate, как в следующей инструкции

x := x + a

означает: "x объекта p1".

Из этих соображений следует точный смысл понятия Current, как цели текущего вызова. Так в течение всего времени выполнения приведенного выше вызова Current будет обозначать объект, присоединенный к p1. При другом вызове Current будет обозначать цель нового вызова. Можно сформулировать следующий принцип вызова компонет (Feature Call principle):

Принцип вызова компонента

[x]. (F1) Любой элемент программы может выполняться только как часть вызова подпрограммы.

[x]. (F2) Каждый вызов имеет цель.

Квалифицированные и неквалифицированные вызовы

Выше было отмечено, что ОО-вычисления основаны на вызове компонентов. Как следствие этого положения исходные тексты в действительности содержат гораздо больше вызовов, чем может показаться на первый взгляд. До сих пор рассматривались две формы вызовов:

x.f

x.f (u, v, ...)

Подобные вызовы используют так называемую точечную нотацию и их называют квалифицированными (qualified), так как точно указана цель вызова, идентификатор которой расположен перед точкой.

Однако другие вызовы могут быть неквалифицированны, поскольку их цель не указана. В качестве примера предположим, что необходимо в класс POINT добавить процедуру transform, которая будет комбинацией процедур translate и scale точки. Текст такой процедуры может обращаться к процедурам translate и scale:

transform (a, b, factor: REAL) is

-- Сместиться на a по горизонтали, на b по вертикали,

-- затем изменить расстояние до начала координат в factor раз.

do

translate (a, b)

scale (factor)

end

Тело процедуры содержит вызовы translate и scale. В отличие от предыдущих примеров здесь не указана точная цель и не применяется точечная нотация. Такие вызовы называют неквалифицированными (unqualified).

Неквалифицированные вызовы не нарушают пункта F2 принципа вызова компонент, так как тоже имеют цель. В данном случае целью является текущий экземпляр. Когда процедура transform вызывается по отношению к определенной цели, вызовы translate и scale имеют ту же цель. Фактически приведенный выше код эквивалентен следующему

do

Current.translate (a, b)

Current.scale (factor)

Можно переписать любой вызов как квалифицированный, указав Current в качестве цели (строго говоря, это справедливо только для экспортированных компонент). Форма неквалифицированного вызова конечно проще и вполне понятна.

Приведенные неквалифицированные вызовы являются вызовами процедур. Аналогичные соображения можно распространить и на атрибуты, хотя наличие вызовов в этом случае возможно менее очевидно. Ранее было отмечено, что в теле процедуры translate присутствие x в выражении x + a означает поле x текущего экземпляра. Можно истолковать это иначе - как вызов компонента x и выражение в полной форме примет вид Current.x+a.

В общем случае любые инструкции или выражения вида:

f

или:

f (u, v, ...)

фактически являются неквалифицированными вызовами и могут быть переписаны в форме квалифицированных вызовов:

Current.f

Current.f (u, v, ...)

хотя неквалифицированная форма является более удобной. Если подобная нотация используется как инструкция, то f представляет процедуру (без параметров в первом случае или с соответствующим числом параметров определенного типа - во втором). В выражениях f может быть функцией или атрибутом (в первом варианте записи).

Компоненты-операции

Рассмотрение выражения:

x + a

приводит к важному понятию компонента-операции (operator feature). Это понятие может восприниматься как чисто косметическое, имеющее только синтаксическую значимость, и реально не вносящее ничего нового в ОО-метод. Но именно такие синтаксические свойства способны существенно облегчить жизнь разработчика, если они существуют, и сделать ее убогой, если их нет. Компоненты-операции являются хорошим примером успешного использования ОО-парадигмы в давно известных областях.

Для реализации этой идеи нужно догадаться, что выражение x + a содержит не один вызов (компонента x), а два. В вычислениях, не использующих объектный подход, + рассматривается как операция сложения двух значений x и a типа REAL. Как уже отмечалось, в чистой ОО-модели единственным механизмом вычислений является вызов компонентов. Следовательно, можно считать, по крайней мере теоретически, что и сложение является вызовом соответствующего компонента.

Для лучшего понимания необходимо обсудить определение типа REAL. Сформулированное ранее объектное правило (лекция 7) подразумевает, что каждый тип основан на каком-то классе. Это в равной мере относится к предопределенным классам, аналогичным REAL, и к классам, определенным разработчиком, таким как POINT. Предположим, что необходимо описать REAL как класс. Нетрудно определить набор существенных компонентов: арифметические операции (сложение, вычитание, изменение знака...), операции сравнения (меньше чем, больше чем...). Итак, первый набросок будет выглядеть так:

indexing

description: "Действительные числа (не окончательная версия!)"

class REAL feature

plus (other: REAL): REAL is

-- Сумма текущего значения и other

do

...

end

minus (other: REAL) REAL is

-- Разность между текущим значением и other

do

...

end

negated: REAL is

-- Текущее значение, взятое с противоположным знаком

do

...

end

less_than (other: REAL): BOOLEAN is

-- Текущее значение меньше чем other?

do

...

end

... Другие компоненты ...

end

При использовании такого описания класса уже нельзя более записывать арифметическое выражение в виде: x + a. Вместо этого надо использовать следующий вызов:

x.plus (a)

По аналогии, вместо привычного -x следует теперь писать x.negated.

Можно попытаться оправдать такой отход от привычной математической нотации стремлением к последовательной реализации ОО-модели и призвать в качестве примера Lisp для обоснования возможности отхода от стандартной нотации в сообществе разработчиков ПО. Но такой аргумент нельзя считать убедительным: использование Lisp было всегда весьма ограниченным. Отход от нотации, существующей уже много столетий и знакомой всем с начальной школы, чрезвычайно опасен. Тем более что в этой нотации нет ничего неправильного.

Простой синтаксический прием позволяет сохранить последовательность подхода (требование унификации вычислительного механизма, основанного на вызове компонент) и обеспечивает совместимость с традиционной нотацией. Достаточно рассматривать выражение вида

x + a

как вызов дополнительного компонента класса REAL. Для реализации такого подхода необходимо переписать компоненту plus таким образом, чтобы для ее вызовов использовать знак операции, а не точечную нотацию. Вот описание класса, реализующее эту цель:

indexing

description: "Real numbers"

class REAL feature

infix "+" (other: REAL): REAL is

-- Сумма текущего значения и other

do

...

end

infix "-" (other: REAL) REAL is

-- Разность между текущим значением и other

do

...

end

prefix "-": REAL is

-- Текущее значение, взятое с противоположным знаком

do

...

end

infix "<" (other: REAL): BOOLEAN is

-- Текущее значение меньше чем other?

do

...

end

... Other features ...

end

Введены два новых ключевых слова - infix и prefix. Единственное синтаксическое новшество заключается в том, что имена компонент не являются идентификаторами (такими как distance или plus), а записываются в одной из двух форм (В следующей лекции будет показано, как определить "развернутый класс". См. "Роль развернутых типов".)

infix "§"

prefix "§"

где § заменяется конкретным знаком операции (+, -, *, <, <= и др.). Компонент может иметь имя в инфиксной форме только если является функцией с одним аргументом, примерами могут служить plus, minus и less_than в первоначальной версии класса REAL. Префиксная форма может использоваться только для функций без аргументов или атрибутов.

Инфиксные и префиксные компоненты, называемые далее компоненты-операции (operator features), используются аналогично именованным компонентам (identifier features). Существуют лишь два синтаксических различия. Для имен компонентов-операций при их объявлении используются формы infix "§" или prefix "§", а не идентификаторы. Вызов компонентов-операций в случае инфиксных компонент имеет вид:

u § v

для префиксных:

§ u

Компоненты-операции поддерживают только квалифицированные вызовы. Неквалифицированный вызов plus (y) в подпрограмме первой версии класса REAL во второй версии должен быть записан в виде Current + y. Для именованных компонентов аналогичная нотация Current.plus (y) допустима, но обычно не используется.

Кроме указанных отличий во всем остальном компоненты-операции полностью синтаксически эквиваленты именованным компонентам, в частности могут наследоваться обычным образом. Не только базовые классы аналогичные REAL, но и любые другие, могут использовать компоненты-операции, например для функции сложения двух векторов в классе VECTOR вполне допустимо использовать инфиксную компоненту "+".

Операции, используемые в компонентах-операциях, должны подчиняться следующим правилам. Знак операции - последовательность из одного или более отображаемых символов, не содержащая пробелов и переводов строки, причем первым символом может быть только один из ниже перечисленных:

+ - a / < > = \ ^ @ # | &

Ограничения, налагаемые на первый символ, облегчают распознавание инфиксных и префиксных операций.

Кроме того, для совместимости с традиционной нотацией для булевых выражений следующие ключевые слова используются для обозначения операций:

not and or xor and then or else implies

Базовые классы (INTEGER и другие) используют так называемые стандартные операции:

[x]. префиксные: + - not

[x]. инфиксные: + - a / < > <= >= = // \\ ^ and or xor and then or else implies .

Здесь // обозначает целочисленное деление, \\ - остаток при целочисленном делении, ^ - операцию возведения в степень, xor - исключающее "или". В классе BOOLEAN and then и or else являются вариантами and и or (отличия обсуждаются далее), implies обозначает импликацию: выражение a implies b эквивалентно ( not a ) or else b .

Операции, не входящие в число "стандартных", называют свободными операциями. Приведем два примера свободных операций.

[x]. Далее в классе ARRAY будет использован инфиксный компонент-операция "@" для функции, возвращающей указанный элемент массива. Обращение к i-ому элементу массива будет выглядеть как a @ i.

[x]. В класс POINT вместо функции distance можно ввести компонент-операцию "|-|" и расстояние между точками p1 and p2 будет записываться в виде p1 |-| p2, а не как p1.distance(p2).

Все операции имеют фиксированный приоритет, стандартные операции имеют свой обычный приоритет, а все свободные операции обладают более высоким приоритетом.

Использование компонентов-операций позволяет использовать общепринятую нотацию для выражений и одновременно отвечает требованиям полной унификации системы типов. Реализация арифметических и булевых операций как компонентов класса INTEGER вовсе не должна быть причиной снижения производительности. Концептуально a + x является вызовом компонента, но хороший компилятор может создать в результате обработки такого вызова код не менее эффективный, чем компиляторы C, Pascal, Ada или других языков, в которых "+" это жестко зафиксированная языковая конструкция.

В большинстве случаев мы можем забыть о том, что использование операций в выражениях фактически является вызовом процедур, поскольку конечный эффект будет таким же, как и при традиционном подходе. В то же время приятно сознавать, что и в этом случае не допущено отхода от принципов ОО-подхода.

Селективный экспорт и скрытие информации

До сих пор все компоненты класса были доступны всем потенциальным клиентам. Это, безусловно, не всегда приемлемо, поскольку скрытие информации является важным элементом построения последовательной и гибкой архитектуры.

Рассмотрим способы скрытия компонент от всех или некоторых клиентов. Данный раздел содержит лишь введение в нотацию - подробному рассмотрению интерфейсов классов посвящена одна из последующих лекций (лекция 5 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования"). В примерах для простоты будут рассматриваться только именованные компоненты, однако все изложенные ниже соображения справедливы и для компонент-операций.

Неограниченный доступ

По умолчанию все компоненты доступны для всех клиентов. Для класса

class S1 feature

f ...

g ...

...

end

компоненты f, g, ... доступны всем клиентам S1. Это означает, что если в классе C объявлена сущность x класса S1, то вызов

x.f ...

является допустимым, если выполнены все другие условия корректности вызова f.

Ограничение доступа клиентам

Для ограничения доступа клиентов к некоторой компоненте h, будет использована возможность включения в объявление класса двух или более разделов feature. Объявление будет выглядеть следующим образом

class S2 feature

f ...

g ...

feature {A, B}

h ...

...

end

Компоненты f и g по-прежнему доступны всем клиентам. Компонент h доступен только для классов A и B, а также их потомков (прямых или косвенных). Это означает, что для некоторого x типа S2 следующий вызов

x.h

является допустимым только в исходных текстах классов A, B или одного из их потомков.

В особом случае, когда необходимо скрыть компонент i от всех клиентов, можно объявить его экспортируемым пустому списку клиентов (Не рекомендуемый стиль (см. ниже S5).):

class S3 feature { }

i ...

end

В этом случае любой вызов x.i(...) недопустим. Единственная возможность обращения к i - неквалифицированный вызов

i (...)

в тексте подпрограммы класса S3 или его потомков. Такой механизм обеспечивает полное скрытие информации.

Возможность полного скрытия компонента от клиентов доступна во многих ОО-языках, а вот механизм селективного ограничения доступа, проиллюстрированный на примере h, к сожалению, практически не поддерживается. Подобный более тонкий контроль доступа необходим достаточно часто. Вопрос о важности селективного экспорта обсуждается в дискуссии в конце лекции.

В примерах последующих лекций мы столкнемся с различными примерами селективного экспорта и рассмотрим его методологическую роль при разработке интерфейсов.

Стиль объявления скрытых компонент

Использованный выше стиль объявления скрытой компоненты i не слишком удачен. Это хорошо видно в следующем примере (Не рекомендуемый стиль (см. ниже S5).)

class S4 feature

exported ...

feature {}

secret ...

end

где secret является скрытой компонентой, а exported - общедоступной. Разница в написании feature {} с пустым списком в скобках и feature без всяких скобок едва заметна. Гораздо разумнее вместо пустого использовать список, содержащий единственный класс NONE (Рекомендуемый стиль.)

class S5 feature

... exported ...

feature {NONE}

... secret ...

end

Класс NONE является базовым библиотечным классом и обсуждается далее в связи с наследованием. По определению он не может иметь потомков и нельзя создать его экземпляр. Таким образом, компонент, экспортированный классу NONE, фактически является скрытым. Между объявлениями S4 и S5 нет принципиальной разницы, однако во втором случае исходный текст становится более понятным и удобочитаемым. Именно такой стиль объявления скрытых компонент будет использоваться далее в этой книге.

"Внутренний" экспорт

Рассмотрим объявление класса

indexing

замечание: "Ошибочное объявление (объяснение см. ниже)"

class S6 feature

x: S6

my_routine is do ... print (x.secret) ... end

feature {NONE}

secret: INTEGER

end -- class S6

Наличие в объявлении класса атрибута x типа S6 и вызова x.secret делает его собственным клиентом. Но такой вызов недопустим, так как компонент secret скрыт от всех клиентов! Тот факт, что неавторизованным клиентом является сам класс S6, нечего не меняет - объявленный статус secret делает недопустимым любой вызов вида x.secret. Всякие исключения нарушают простоту сформулированного правила.

Есть простое решение: написать вместо feature {NONE} предложение feature {S6} , экспортируя компоненту самому себе и своим потомкам.

Необходимо отметить, что подобный прием необходим, только если в тексте класса присутствует квалифицированный вызов аналогичный print (x.secret). Очевидно, что неквалифицированный вызов secret в инструкции print (secret) допустим без дополнительных ухищрений. Все компоненты, объявленные в данном классе, могут использоваться в подпрограммах данного класса и его потомков. Только при наличии квалифицированных вызовов приходится экспортировать компонент самому себе.

Собираем все вместе

После введения в базовые механизмы ОО-вычислений настало время ответить на вопрос, каким образом можно построить исполняемую систему на основе отдельных классов.

Общая относительность

Удивительно, но все приведенные до сих пор описания того, что происходит во время выполнения, были относительными. Результат выполнения подпрограммы всегда связан с текущим экземпляром, который в исходном тексте класса неизвестен. Можно попытаться понять действие вызова, только принимая во внимание цель этого вызова, например p1 в следующем примере:

p1.translate (u, v)

Однако возникает следующий вопрос: что в действительности обозначает p1? Ответ опять относителен. Предположим, приведенный вызов присутствует в тексте некоторого класса GRAPHICS, а p1 это атрибут GRAPHICS. Тогда очевидно, что в этом случае p1 фактически означает Current.p1. Но это не ответ на поставленный вопрос, так как неизвестно, что представляет собой объект Current в момент вызова! Другими словами, теперь необходимо установить клиента, вызывающего подпрограмму класса GRAPHICS, в которой используется наш вызов.

Большой Взрыв

Рассмотрим произвольный вызов. Понимание смысла, происходящего в процессе произвольного вызова, позволит полностью разобраться в механизме ОО-вычислений. Используем сформулированный ранее принцип вызова компонентов:

[x]. (F1) Любой элемент программы может выполняться только как часть вызова подпрограммы.

[x]. (F2) Каждый вызов имеет цель.

Любой вызов может принимать одну из следующих форм:

[x]. неквалифицированная: f (a, b, ...);

[x]. квалифицированная: x.g (u, v, ...) .

Аргументы в обоих случаях могут отсутствовать. Вызов размещен в теле подпрограммы r и может выполняться только как часть вызова r. Предположим, что известна цель этого вызова - некий объект OBJ. Тогда можно легко установить цель этого вызова - t. Возможны четыре варианта, первый из которых относится к неквалифицированному вызову, а остальные - к квалифицированному:

[x]. (T1) Для неквалифицированного вызова t это просто OBJ.

[x]. (T2) Если x это атрибут, то x - поле объекта OBJ-имеет значение, которое, в свою очередь, присоединено к некоторому объекту - он и есть t.

[x]. (T3) Если x - функция, то необходимо сначала осуществить ее вызов (неквалифицированный), результат которого и дает t.

[x]. (T4) Если x - локальная сущность r, то к моменту вызова предыдущие инструкции вычислят значение x, присоединенное к определенному объекту, который и является объектом t.

Проблема в том, что все четыре ответа опять относительны и могут помочь только в том случае, если известно, чем является текущий экземпляр OBJ. Очевидно, что OBJ это цель текущего вызова! Ситуация как в песенке о том, как у попа была собака (в оригинале: котенок съел козленка, котенка укусил щенок, щенка ударила палка ...) - бесконечная цепь.

Для приведения относительных ответов к абсолютным необходимо выяснить, что происходит тогда, когда все только начинается - в момент Большого Взрыва. Итак, определение:

Определение: выполнение системы

Выполнение ОО-программной системы состоит из следующих двух шагов:

[x]. Создание определенного объекта, называемого корневым объектом выполнения.

[x]. Применение определенной процедуры, называемой процедурой создания, к данному объекту.

В момент Большого Взрыва создается объект и начинается выполнение процедуры создания. Корневой объект является экземпляром корневого класса системы, а процедура создания - одной из процедур этого класса. Выполнение системы в целом сводится к успешному развертыванию отдельных частей (прямо или косвенно зажженных от начальной искры) в гигантский комплексный фейерверк.

Зная, где все началось, несложно проследить судьбу Current в процессе этой цепной реакции. Первым текущим объектом, созданным в момент Большого Взрыва, является корневой объект. Рассмотрим далее некоторый этап выполнения системы. Пусть r-последняя вызванная подпрограмма, а текущим на момент вызова r был объект OBJ. Тогда во время выполнения r объект Current определяется следующим образом:

[x]. (C1) Если в r выполняется инструкция, не являющаяся вызовом подпрограммы (например, присваивание), то текущим остается прежний объект.

[x]. (C2) Неквалифицированный вызов также оставляет тот же объект текущим.

[x]. (C3) Запуск квалифицированного вызова x.f ... делает текущим объект, присоединенный к x. Зная объект OBJ, можно идентифицировать x, используя сформулированные ранее правила T1-T4. После завершения вызова роль текущего возвращается к объекту OBJ.

В случаях C2 и C3 вызов может в свою очередь содержать последующие квалифицированные или неквалифицированные вызовы, и данные правила нужно применять рекурсивно.

Итак, нет ничего загадочного и запутанного в определении цели любого вызова, несмотря на всю относительность и рекурсивность правил. Что действительно является удивительным, так это мощь компьютеров, которую мы используем, выступая в роли учеников чародея. Мы создаем относительно небольшой текст заклинания - ПО, и затем выполняем его, в результате чего создаются объекты и выполняются вычисления, и число этих объектов и вычислений столь велико, что кажется почти бесконечным по меркам человеческого сознания.

Системы

Эта лекция акцентирует внимание на классах - элементах конструкции ОО-ПО. Для получения исполняемого кода классы необходимо скомпоновать в систему.

Определение системы вытекает из предшествующего обсуждения. Для построения системы необходимы три вещи:

[x]. Создать совокупность классов CS, называемую множеством классов (class set) системы.

[x]. Указать класс из CS, являющийся корневым (root class).

[x]. Указать в корневом классе процедуру, играющую роль корневой процедуры создания (root creation procedure) .

Для получения системы эти элементы должны удовлетворять критерию целостности. Каждый класс, прямо или косвенно необходимый корневому, должен быть частью множества CS. Это условие замыкания системы (system closure) .

Понятие необходимости следует уточнить, как это обычно делается при построении замыкания:

[x]. Класс D непосредственно необходим классу C , если текст C ссылается на D. Здесь можно выделить два варианта: C может быть либо клиентом D, либо потомком D.

[x]. Класс E необходим классу C, либо, когда C совпадает с E, либо существует класс D непосредственно необходимый классу С, и классу D необходим (возможно, рекурсивно) класс E. Другими словами, существует цепочка классов, связанных отношением непосредственной необходимости, и началом этой цепочки является класс C, а концом - класс E.

Теперь можно дать определение замкнутой системы.

Определение: замкнутая система

Система является замкнутой, если и только если множество ее классов содержит все классы, необходимые корневому классу.

Специализированная программа, например компилятор, может обработать все классы замкнутой системы, начиная с корневого. Рекурсивное обращение к необходимым классам будет происходить по мере того, как встретится упоминание о них. В результате будет сформирован исполняемый код, соответствующий системе в целом.

Этот процесс называется компоновкой или сборкой (assembly) системы и является завершающим этапом разработки.

Программа main отсутствует

Неоднократно подчеркивалось, что системы, разработанные с помощью ОО-подхода, не используют понятия основной программы. Не впускаем ли мы основную программу с черного хода, вводя определение корневого класса и корневой процедуры?

Не совсем. В традиционном понятии основной программы объединены две не связанные концепции:

[x]. Место, с которого начинается выполнение.

[x]. Вершина или фундаментальный компонент архитектуры системы.

Первое условие, безусловно, необходимо. Выполнение любой системы должно начинаться с вполне определенной позиции. В ОО-системах эта позиция определяется корневым классом и корневой процедурой. В случае параллельных, а не последовательных вычислений можно определить несколько начальных точек - по одной для каждой независимой нити или потока (Thread) вычислений.

Концепция вершины уже достаточно обсуждалась ранее и не требует дополнительных комментариев.

Нет никаких оснований для объединения столь разных понятий. Нельзя приписывать особую роль точке начала выполнения кода в архитектуре системы. Типичным примером может служить инициализация операционной системы, выполняемая процедурой загрузки. Этот небольшой и незначительный компонент безусловно нельзя считать центральным в архитектуре операционной системы. Объектная технология исходит из прямо противоположной предпосылки, считая, что важнейшими свойствами системы являются входящий в нее ансамбль классов, функциональные возможности этих классов и их взаимосвязь. В таком контексте выбор корневого класса играет второстепенную роль и при необходимости его можно легко изменить.

Ранее уже указывалось, что необходимо отказаться на раннем этапе разработки системы от вопроса, - "где основная программа?". Если строить архитектуру системы на основе ответа на этот вопрос, то нельзя обеспечить расширяемость и повторное использование кода. Другой подход - готовые к повторному использованию классы, реализации АТД. Программные системы в этом случае представляют собой перестраиваемые ансамбли таких компонент.(О критике функциональной декомпозиции см. "Функциональная декомпозиция", лекция 5)

Не всегда конечной целью разработки является создание систем. Важным приложением метода является разработка библиотек классов для повторного использования. Библиотека это не система и она не имеет корневого класса. В процессе разработки библиотеки часто создают несколько систем, но такие системы используются только для отладки и не являются частью завершенной версии библиотеки. Окончательный продукт является набором классов, который другие разработчики будут использовать для разработки своих систем или своих библиотек.

Компоновка системы

Как практически реализовать процесс компоновки системы?

Допустим, что операционная система использует обычный способ хранения исходных текстов классов в файлах. Инструментальному средству компоновки (компилятор, интерпретатор) необходима следующая информация:

[x]. (A1) Имя корневого класса.

[x]. (A2) Генеральная совокупность (universe) файлов, содержащих тексты классов, необходимых корневому.

Эта информация не должна содержаться непосредственно в исходных текстах классов. Идентификация класса как корневого в его исходном тексте (А1) нарушает принцип отсутствия основной программы. Включение в исходные тексты классов информации о местонахождении соответствующих файлов означало бы жесткую привязку к файловой системе и, очевидно, является неприемлемым решением. Если размещение изменить, то использование таких классов становится невозможным.

Из этих рассуждений следует, что для сборки системы необходима информация, размещенная вне исходных текстов классов. Для обеспечения такой информацией будем использовать небольшой управляющий язык под названием Lace. Рассмотрим процесс сборки, но сразу отметим, что детали Lace совершенно несущественны в контексте ОО-подхода. Язык Lace просто конкретный пример управляющего языка, позволяющего сохранить автономность и возможность повторного использования классов, используя некий механизм для сборки файлов системы.

Рассмотрим типичный документ Lace, так называемый файл Ace:

system painting root

GRAPHICS ("painting_application")

cluster

base_library: "\ library\ base";

graphical_library: "\ library\ graphics";

painting_application: "\ user\ application"

end -- system painting

Предложение cluster определяет генеральную совокупность файлов, содержащих тексты классов. Оно содержит список кластеров. Кластер - это группа связанных классов, представляющих подсистему или библиотеку. (Модель кластеров обсуждается в лекции 10 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

Операционные системы, такие как Windows, VMS или Unix, содержат удобный механизм поддержки кластеров - подкаталоги. Их файловые системы имеют древовидную структуру. Конечные узлы дерева (листья), называемые "обычными файлами", содержат непосредственно информацию, а промежуточные узлы, подкаталоги, содержат наборы файлов, состоящие из обычных файлов и подкаталогов.

Рис. 7.7.  Структура каталогов

Можно ассоциировать каждый кластер с подкаталогом. В Lace используется следующее соглашение: каждый кластер, например base_library, имеет связанный с ним подкаталог, имя которого дано в двойных апострофах - "\ library\ base". Такое соглашение об именах файлов используется в Windows (\dir1\dir2\ ... ) и здесь приведено только ради примера. Соответствующие имена Unix получаются заменой символов обратной косой черты на обычную.

Можно использовать иерархию подкаталогов для определения иерархии кластеров. Кроме того, Lace поддерживает понятие субкластера, что позволяет определить логическую структуру иерархии вложенных кластеров независимо от их физического положения в файловой системе.

Каталоги, перечисленные в предложении cluster, могут содержать файлы всех типов. Для работы с генеральной совокупностью процессу компоновки системы необходима информация о том, какие из файлов содержат тексты классов. Используем простое соглашение - текст некоторого класса с именем NAME размещается в файле name.e (нижний регистр). В этом случае, генеральная совокупность представляет собой набор файлов с именами вида name.e в каталогах, перечисленных в предложении cluster.

Предложение root Lace служит для задания корневого класса системы. В данном случае корневым является класс GRAPHICS и он находится в кластере painting_application. Если только один класс в генеральной совокупности называется GRAPHICS, то нет необходимости указывать кластер.

Предположим, что компилятор начинает создание системы, описанной в приведенном файле Ace. Далее предположим, что ни один из файлов системы еще не откомпилирован. Компилятор находит текст корневого класса GRAPHICS в файле graphics.e кластера painting_application, который размещается в каталоге \user\application. Анализируя текст класса GRAPHICS, компилятор находит имена классов, которые необходимы GRAPHICS и ведет поиск файлов с соответствующими именами в каталогах трех кластеров. Далее этот поиск повторяется до тех пор, пока не будут обнаружены все классы, прямо или косвенно необходимые корневому классу GRAPHICS.

Важнейшей особенностью этого процесса является возможность его автоматизации. Разработчику ПО не нужно составлять списки зависимых модулей, известных как "Make-файлы", или указывать в каждом файле имена файлов, необходимых для его компиляции ("директивы Include" в C и C++). Кроме своей утомительности процесс создания этой информации вручную является потенциальным источником ошибок. Единственное, что самостоятельно не сможет определить ни одна утилита - это имя корневого класса и размещение необходимых классов в файловой системе.

Для дальнейшего упрощения работы программиста хороший компилятор должен уметь создавать шаблоны файлов Ace, предложение cluster которых включает базовые библиотеки (ядро, фундаментальные структуры данных и алгоритмы, графика и т. д.) и указание на текущий каталог. В этом случае разработчику остается только указать имя системы и ее корневого класса без необходимости глубокого знания синтаксиса Lace.

Конечным продуктом процесса компиляции является исполняемый файл, имя которого совпадает с именем системы в файле Ace, в данном примере - painting.

Язык содержит ряд других простых конструкций, поддерживающих управление действиями инструментальных средств компоновки, в частности директив компилятора и уровней контроля утверждений. При дальнейшем изучении ОО-метода некоторые из них будут использованы. Уже отмечалось, что Lace поддерживает понятие логического субкластера и может использоваться для описания комплексных структур, включая подсистемы и многоуровневые библиотеки.

Использование независимого от языка разработки языка описания системы аналогичного Lace позволяют классам оставаться системно независимыми. Классы являются компонентами ПО, аналогичными электронным микросхемам, и система собрана из конкретного набора классов подобно компьютеру, собранному из определенного набора микросхем.

Классическое "Hello"

Повторное использование замечательная вещь, но иногда надо решить очень простую задачу, например вывести строку. Интересно, как написать такую "программу". После введения понятия системы можно ответить и на этот животрепещущий вопрос.

Следующий маленький класс содержит процедуру, выводящую строку:

class SIMPLE creation

make

feature

make is

-- Вывод строки.

do

print_line ("Hello Sarah!")

end

end

Процедура print_line с параметром некоторого типа выводит значение соответствующего объекта, в данном случае строки. Другая процедура с именем print делает то же самое, но без перехода на новую строку. Обе процедуры доступны во всех классах и унаследованы от универсального предка GENERAL, обсуждаемого далее. (О классе GENERAL см. "Универсальные классы", лекция 16)

Для получения системы, которая будет выводить данную строку необходимо сделать следующее:

[x]. (E1) Поместить текст класса в файл simple.e.

[x]. (E2) Запустить компилятор.

[x]. (E3) Если файл Ace заранее не создан, то можно запросить автоматическое создание шаблона и в режиме его редактирования заполнить имя корневого класса - SIMPLE, системы - my_first и указать каталог кластера.

[x]. (E4) После выхода из редактора компилятор осуществит компоновку системы и создаст исполняемый файл my_first.

[x]. (E5) Выполнить my_first. В режиме командной строки необходимо просто ввести my_first. В системах с графическим интерфейсом появится новая пиктограмма с именем my_first и запуск программы производится двойным щелчком на ней.

В результате на консоли появится сообщение:

Hello Sarah!

Структура и порядок: программист в роли поджигателя

Общую картину процесса построения ПО ОО-методом мы уже знаем. Нам также известно, как восстановить цепочку событий, связанную с выполнением некоторой операции. Рассмотрим операцию:

[A]

x.g (u, v, ...)

присутствующую в тексте подпрограммы r класса C и предположим, что x это атрибут. Как и когда она будет выполняться? Класс C должен быть включен в систему, скомпонованную затем с помощью соответствующего файла Ace. Далее следует запустить выполнение системы, которое начнется с создания экземпляра корневого класса. Корневая процедура создания должна выполнить одну или более операций, которые прямо или косвенно создадут объект C_OBJ - экземпляр класса C, а затем выполнят вызов:

[B]

a.r (...)

где a присоединено к C_OBJ. Далее вызов [A] выполнит g с заданными аргументами, используя в качестве цели объект, присоединенный к полю x объекта C_OBJ.

Итак, теперь мы знаем, как восстановить точную последовательность событий, происходящих в процессе выполнения системы. Подразумевается, что мы видим систему целиком. Текст одного класса, естественно, не позволяет определить порядок, в котором клиенты будут вызывать его подпрограммы. В этом случае единственная доступная для обозрения последовательность событий это порядок, в котором выполняются инструкции в теле данной подпрограммы.

Даже на уровне системы структура настолько децентрализована, что задача точного определения порядка операций, безусловно разрешимая, практически оказывается очень сложной. Важно то, что это и не очень интересно. Необходимо помнить, что корневой класс является весьма поверхностным свойством системы. Это частный выбор, сделанный уже после формирования набора классов. Всегда есть возможность достаточно просто изменить выбор корневого класса.

Этот уход от упорядочения является частью объектной технологии и стимулирует создание децентрализованной архитектуры систем. В центре внимания не "порядок выполнения программы", а функциональные возможности набора классов. "Порядок", в котором эти возможности будут реализованы в процессе выполнения конкретной системы, является вторичным свойством. (См. "Преждевременное упорядочение", лекция 5)

Данные наблюдения позволяют рассматривать роль программиста как пиротехника или человека, разжигающего огромный костер. Он складывает дрова, следя за тем, чтобы все компоненты были готовы для компоновки и необходимые связи присутствовали. Далее он зажигает спичку и следит за огнем. Если структура правильно подготовлена, то нет необходимости стараться предсказать последовательность возгораний. Достаточно знать, что каждая часть, которая должна вспыхнуть, загорится и это произойдет не раньше положенного времени.

Обсуждение

В заключение данной лекции имеет смысл рассмотреть обоснования и альтернативы некоторых принятых решений, связанных с разработкой метода и нотации. Аналогичными разделами завершаются все лекции, в которых вводятся новые понятия.

Форма объявлений

Отточим наши критические навыки вначале на чем-либо не столь существенном. Поэтому начнем с синтаксиса. Рассмотрим нотацию, используемую при объявлении компонентов. В отличие от многих языков мы не использовали для подпрограмм ключевых слов procedure или function. Форма объявления компонента позволяет отличить, будет ли он атрибутом, процедурой или функцией. Любое объявление компонента всегда начинается с его имени:

f ...

Тем самым сохраняется возможность дальнейшего определения компонента любого типа. Если далее присутствует список параметров

g (a1: A; b1: B; ...) ...

то понятно, что g подпрограмма, которая может быть процедурой или функцией. Далее может следовать:

f: T ...

g (a1: A; b1: B; ...): T ...

В первом примере все еще есть выбор - f может быть либо атрибутом, либо функцией без аргументов. Во втором случае неопределенность заканчивается и g может быть только функцией. Для f неопределенность разрешается в зависимости от того, что следует за T. Если ничего, то f это атрибут, как в следующем примере:

my_file: FILE

Но если далее присутствует ключевое слово is, а за ним тело подпрограммы (do или варианты once и external, рассматриваемые позже), как в примере:

f: T is

-- ...

do ... end

то f - функция. Еще один вариант

f: T is some_value

определяет f как атрибут-константу (constant attribute), значение которой равно some_value. (Атрибуты-константы обсуждаются в лекции 18)

Такой синтаксис позволяет легко распознавать различные виды компонентов, подчеркивая в то же время их фундаментальные общности. Само понятие компонента, объединяющее подпрограммы и атрибуты лежит в русле принципа унифицированного доступа. Общность в объявлениях атрибутов основана на тех же принципах.

Атрибуты или функции?

Рассмотрим подробнее следствия принципа унифицированного доступа и объединения атрибутов и подпрограмм под общим заголовком - компоненты. (См."Унифицированный доступ", лекция 3. См. также данную лекцию.)

Принцип декларирует, что клиенты модуля обращаются ко всем его сервисам идентичным образом независимо от способа их реализации. В данном случае в роли сервисов выступают компоненты класса, и для клиентов имеет значение только доступность соответствующих компонентов, независимо от того, как они реализованы атрибутами или функциями.

Рассмотрим класс PERSON, содержащий компонент типа INTEGER без параметров. Если автор клиентского класса записывает выражение

Isabelle.age

то единственно важным будет то, что age возвращает целое число - значение возраста экземпляра PERSON, который во время выполнения присоединен к сущности Isabelle. Компонент age может быть как атрибутом, так и функцией, вычисляющей результат, используя значение атрибута birth_date и текущую дату. Автору клиентского класса нет необходимости знать, какое из этих решений выбрал автор PERSON.

Нотация для доступа к атрибуту идентична вызову подпрограммы, а нотации для объявления этих видов компонентов одинаковы настолько, насколько это концептуально возможно. Если в дальнейшем автор класса заменит реализацию функции на атрибут или наоборот, то это никак не отразится на клиентах данного класса.

Различие в точках зрения поставщика и клиента на атрибут представлено на рис. 7.4 и рис. 7.5, использованных для определения понятия компонента. Рис. 7.5 иллюстрирует разницу между подпрограммами и атрибутами - это внутреннее представление с позиций реализации, используемое поставщиком. Рис. 7.4 в качестве первичного критерия использует разницу между командами и запросами - это внешнее представление клиента.

Решение рассматривать атрибуты и функции без параметров как эквивалентные для клиентов имеет два важных следствия, рассматриваемые подробно в последующих лекциях:

[x]. Первое следствие касается программной документации. Стандартная документация класса для клиента, известная как краткая форма класса, составляется так, чтобы отсутствовала разница в описаниях атрибутов и функций без параметров. (См. "Использование утверждений в документации: краткая форма класса", лекция 11)

[x]. Второе следствие связано с наследованием, как основным способом адаптации программных элементов к новым условиям без разрушения существующего ПО. Если некий класс содержит компонент, представляющий собой функцию без аргументов, то вполне допустимо в классах-потомках переопределить его как атрибут. (См. "Предопределение функции в качестве атрибута", лекция 14)

Экспорт атрибутов

В завершение предшествующей дискуссии необходимо обсудить вопрос об экспорте атрибутов. Рассмотренный в этой лекции класс POINT имеет атрибуты x и y и экспортирует их клиентам, также как и функции rho и theta. Для получения значения атрибута некоторого объекта используется обычная нотация для вызова компонентов в виде my_point.x или my_point.theta.

Эта возможность экспорта атрибутов отличается от соглашений, принятых во многих ОО-языках. Типичным примером является Smalltalk, в котором только подпрограммы (методы) могут быть экспортированы классом, а прямой доступ к атрибутам (свойствам) запрещен.

Следуя подходу Smalltalk, доступ к атрибуту можно обеспечить только с помощью небольшой экспортированной функции, возвращающей значение атрибута. В примере класса POINT назовем атрибуты internal_x, internal_y и добавим функции abscissa и ordinate. Лаконичный синтаксис Smalltalk допускает присваивание одинаковых имен атрибуту и функции, избавляя от необходимости придумывать специальные имена для атрибутов.

class POINT feature

-- Общедоступные компоненты:

abscissa: REAL is

-- Горизонтальная координата

do Result := internal_x end

ordinate: REAL is

-- Вертикальная координата

do Result := internal_y end

... Другие компоненты аналогичны предыдущей версии ...

feature {NONE}

-- Компоненты недоступные клиентам:

internal_x, internal_y: REAL

end

Этот подход имеет два недостатка:

[x]. Он побуждает авторов классов писать много маленьких функций, аналогичных abscissa и ordinate. Несмотря на то, что такие функции будут очень короткими, автор класса будет тратить на их написание дополнительные усилия, а их присутствие затрудняет восприятие исходного текста.

[x]. Существенное снижение производительности, так как каждое обращение к полю объекта требует вызова функции. Ничего удивительного в том, что объектная технология в некоторых кругах заработала репутацию неэффективной. Можно конечно разработать оптимизирующий компилятор, осуществляющий подстановку вместо вызова функций, но тогда какова роль таких функций?

Подход, обсуждаемый в данной лекции, представляется предпочтительным. Он избавляет от необходимости загромождать исходные тексты многочисленными крошечными функциями и предоставляет возможность экспорта, где это необходимо. Такая практика не мешает скрытию информации, а фактически является непосредственной реализацией этого принципа, как и принципа унифицированного доступа.

Эта методика удовлетворяет требованиям унифицированного доступа (преимущество для клиентов), упрощает восприятие исходных текстов (преимущество для поставщиков) и повышает эффективность (преимущество для всех).

Доступ клиентов к атрибутам

Экспорт атрибута с использованием рассмотренной техники делает его доступным клиентам только для чтения в виде my_point.x. Модификация атрибута путем присваивания не разрешается. Следующая синтаксическая конструкция недопустима для атрибутов (Внимание: недопустимая конструкция - только для иллюстрации.):

my_point.x := 3.7

Действует простое правило. Если attrib является атрибутом, то a.attrib является выражением, а не сущностью. Следовательно, ему нельзя присвоить значение, как нельзя присвоить значение выражению a + b.

Возможность модификации attrib достигается добавлением экспортируемой процедуры вида:

set_attrib (v: G) is

-- Установка значения attrib равным v.

do

attrib := v

end

Вместо этого можно было бы представить следующий синтаксис для разграничения прав доступа пользователей (Внимание: не поддерживаемая нотация. Только для обсуждения.)

class C feature [AM]

...

feature [A]{D, E}

...

здесь A обозначает возможность чтения, а M - модификации. Это устранило бы потребность в частом написании процедур аналогичных set_attrib.

Помимо неоправданных дополнительных языковых сложностей такой подход не слишком гибок. Во многих случаях может потребоваться специфический способ модификации атрибута. Например, некоторый класс экспортирует счетчик, значения которого нельзя изменять произвольно, а только с шагом +1 или -1:

class COUNTING feature

counter: INTEGER

increment is

-- Увеличение значения счетчика

do

counter := counter + 1

end

decrement is

-- Уменьшение значения счетчика

do

counter := counter - 1

end

end

Аналогичным образом клиенты класса POINT не имеют возможности непосредственно изменять координаты точки x и y. Для этой цели служат экспортированные процедуры translate и scale.

При изучении утверждений мы рассмотрим еще одну принципиальную причину недопустимости непосредственных присваиваний a.attrib := some_value. Причина в том что не любые значения some_value могут быть допустимыми. Можно определить процедуру

set_polygon_size (new_size: INTEGER) is

-- Установить новое значение числа вершин многоугольника

require

new_size >= 3

do

size := new_size

end

параметр которой может равен 3 или больше. Прямое присваивание не позволяет учесть это условие и в результате получается некорректный объект.

Эти рассуждения показывают, что автор класса имеет в своем распоряжении пять возможных уровней предоставления прав доступа клиентов к атрибутам (рис. 7.8).

Рис. 7.8.  Возможные варианты прав доступа клиентов к атрибутам

Уровень 0 соответствует полному отсутствию доступа к атрибуту. На уровне 1 открыт доступ только для чтения. На уровне 2 разрешена модификация с помощью специальных алгоритмов. На уровне 3 новое значение может быть присвоено, только если удовлетворяет определенным условиям, как в примере для многоугольника. На уровне 4 ограничения снимаются.

Решение, описанное в данной лекции, следует из приведенного анализа. Экспорт атрибута дает клиентам право доступа только для чтения (уровень 1). Разрешение на модификацию обеспечивается написанием и экспортом соответствующих процедур. Они предоставляют ограниченные права, как в примере для счетчика (уровень 2), право модификации при соблюдении определенных условий (3) и неограниченный доступ (4).

Это решение является развитием идей, существующих в различных ОО-языках:

[x]. В Smalltalk для обеспечения доступа клиентов к атрибуту на уровне 1 приходится писать специальные функции подобные abscissa and ordinate. Это источник дополнительной работы для программиста и причина снижения производительности.

[x]. C++ и Java представляют другую крайность. Если атрибут экспортирован, то он сразу становится доступным на уровне 4 для чтения и для записи путем прямого присваивания в стиле my_point.x := 3.7. Единственный путь реализации других уровней это полное скрытие атрибута и написание экспортированных процедур для поддержки уровней 2 и 4 и функций для уровня 1. Далее все аналогично Smalltalk. Поддержка уровня 3 невозможна в связи с отсутствием в этих языках механизма утверждений.

Данная дискуссия иллюстрирует два важных принципа построения языка: не создавать без необходимости дополнительных проблем программисту и не вводить лишних языковых конструкций.

Оптимизация вызовов

На уровнях 2 и 3 неизбежно использование явных вызовов процедуры подобных my_polygon.set_size (5) для изменения значения атрибута. Существует опасение, что использование такого стиля на уровне 4 негативно скажется на производительности. Тем не менее компилятор может создавать для вызова my_point.set_x (3.7) код столь же эффективный, как и для my_point.x := 3.7, если бы такое присваивание было бы разрешено.

Компилятор ISE добивается этого путем общего механизма непосредственного встраивания кода подпрограмм с подстановкой соответствующих параметров и необходимость вызовов устраняется.

Встраивание кода подпрограмм является одним из преобразований, которое должен обеспечивать оптимизирующий компилятор ОО-языка. Модульный стиль разработки, поощряемый объектной технологией, сопряжен с наличием большого числа небольших подпрограмм. Программисты не должны беспокоиться, что соответствующие вызовы приведут к снижению производительности. Они должны заботиться о последовательном соблюдении принципов объектной архитектуры, а не об особенностях выполнения.

В некоторых языках программирования, особенно в Ada и C++, разработчики могут отметить, какие подпрограммы они хотели бы встраивать. По ряду причин предпочтительно, чтобы эта работа выполнялась в режиме автоматической оптимизации.

[x]. Встраивание кода далеко не всегда применимо, и компилятор гораздо корректнее может принять правильное решение.

[x]. При внесении изменений в ПО, в частности с использованием наследования, встроенная подпрограмма может стать не встроенной. Компилятор выявит такие ситуации гораздо лучше, чем человек.

[x]. В случае больших систем компилятор всегда более эффективен. На основе анализа размера подпрограмм и числа вызовов он может точнее определить, какие подпрограммы целесообразно встраивать. Это опять же существенно в случае изменений ПО, поскольку человек не в состоянии отследить эволюцию каждого фрагмента.

[x]. Программисты могут занять время более полезной работой.

Современная концепция разработки ПО подразумевает, что утомительную, автоматизируемую и тонкую работу по оптимизации нужно возлагать на соответствующие утилиты, а не на человека. Это обстоятельство является одной из причин принципиальной критики C++ и Ada. Мы вернемся к этому вопросу при обсуждении двух других ключевых моментов объектной технологии - управления памятью и динамического связывания. (См. "Требования к сборщику мусора", лекция 9, и "Подход C++ к связыванию", лекция 14)

Архитектурная роль селективного экспорта

Селективный экспорт это не просто удобство, а неотъемлемая часть ОО-архитектуры. Он позволяет группе концептуально связанных классов обеспечить друг другу доступ ко всем своим компонентам, скрыв их от остального мира в соответствии с принципом скрытия информации. Кроме того, это ключ к пониманию вопроса о том, нужны ли вообще модули более высокого уровня, чем классы.

Без селективного экспорта единственным решением будет введение нового типа модулей, представляющего собой группу классов. Такие супермодули - аналоги пакетов Ada и Java - будут осуществлять скрытие информации и экспорт по своим правилам. Добавление в элегантную структуру, основанную на классах, нового и частично несовместимого модульного уровня приведет к усложнению и увеличению объема языка.

Лучшим решением является использование в качестве супермодулей самих классов. Такой подход реализован в Simula, допускающем вложение классов. Однако он не дает ощутимых преимуществ.

Простота объектной технологии в значительной степени базируется на использовании простой концепции модулей. Поддержка классами повторного использования основана на возможности их извлечения из контекста, сохраняя лишь их логические зависимости. Существует риск потери этих преимуществ, если ввести супермодули. В частности, становится невозможным непосредственное повторное использование класса, являющегося частью пакета. Придется либо полностью импортировать весь пакет, либо делать копию класса. Явно непривлекательная форма повторного применения.

Необходимость объединения классов в структурированные коллекции сохраняется. В данной книге она реализована через понятие кластера (лекция 10 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования"). Однако понятие кластера относится к области управления и организации. Если включить его в качестве языковой конструкции, то это угроза потери простоты ОО-подхода и его поддержки модульности.

Если необходима группа классов, в которой каждый наделен специальными привилегиями, то нет нужды в супермодулях. Простое решение обеспечивается за счет селективного экспорта, что позволяет сохранить классам свой независимый статус.

Импорт листингов

В исходных текстах классов, в предложениях feature, перечислены компоненты, доступные другим классам. Почему бы, в свою очередь, не включать списки компонентов, полученных от других классов? Язык Modula-2 поддерживает, например, объявление import.

Тем не менее, при ОО-подходе это ничего не дает кроме документирования. Для использования компонента f из другого класса C, данный класс должен быть клиентом или потомком этого класса. В первом случае это означает, что f используется как

a.f

но тогда должно присутствовать объявление a:

a: C

недвусмысленно показывающее, что f компонента C. В случае классов потомков информация будет доступна из официальной документации класса, его плоской краткой формы.

Следовательно, нет необходимости в предложении import. ("Плоская краткая форма", лекция 11)

Тем не менее, удобная графическая среда разработки должна обладать возможностью предоставления программисту информации о поставщиках и предках данного класса и их поставщиках и предках, следуя далее по цепочке.

Присваивание функции результата

Присваивание функции результата является интересной языковой проблемой, обсуждение которой было начато ранее в данной лекции. Стоит изучить ее подробнее ввиду ее важности и для языков, не использующих ОО-подход.

Рассмотрим функцию - подпрограмму, возвращающую результат. Целью любого вызова функции является вычисление некоторого результата и возвращение его в вызывающую подпрограмму. Вопрос в том, каким образом обозначить этот результат в тексте самой функции, в частности в инструкциях инициализирующих и изменяющих результат.

Введенное в данной лекции соглашение использует специальную сущность Result. Она рассматривается как локальная сущность, инициализируется соответствующим значением по умолчанию, а возвращаемое значение равно окончательному значению Result. В соответствии с правилами инициализации это значение всегда определено, даже если в теле функции нет присваивания Result значения. Так функция

f: INTEGER is

do

if some_condition then Result := 10 end

end

возвратит 10 при выполнении условия some_condition на момент вызова и 0 (значение по умолчанию при инициализации INTEGER) в противном случае. Насколько известно автору, техника использования Result была впервые предложена в данной книге. С момента выхода первого издания она была включена по крайней мере в один язык - Borland Delphi. Надо заметить, что она неприемлема для языков, допускающих объявление функций внутри других функций, поскольку имя Result становится двусмысленным. В различных языках наиболее часто используются следующие приемы:

[x]. (A) Заключительные инструкции return (C, C++/Java, Ada, Modula-2).

[x]. (B) Использование имени функции в качестве переменной (Fortran, Algol 60, Simula, Algol 68, Pascal).

Соглашение A основано на инструкции вида return e , выполнением которой завершается функция, возвращая e в качестве результата. Преимущество этого метода в его ясности, поскольку возвращаемое значение четко выделено в тексте функции. Однако он имеет и отрицательные стороны:

[x]. (A1) На практике результат часто определяется в процессе вычислений, включающих инициализацию и ряд промежуточных изменений значения. Возникает необходимость во временной переменной для хранения промежуточных результатов.

[x]. (A2) Методика имеет тенденцию к использованию модулей с несколькими точками завершения. Это противоречит принципам хорошего структурирования программ.

[x]. (A3) В языке должна быть предусмотрена ситуация, когда последняя инструкция, выполненная при вызове функции, не является return. В программах Ada в этом случае возбуждается исключение времени выполнения.

Две последние проблемы разрешаются, если рассматривать return не как инструкцию, а как синтаксическое предложение, являющееся обязательной частью текста любой функции:

function name (arguments): TYPE is

do

...

return

expression

end

Это решение развивает идею инструкции return и устраняет ее наиболее серьезные недостатки. Тем не менее, ни один язык его не использует, оставляя проблему A1 открытой.

Методика B использует имя функции как переменную в тексте функции. Возвращаемое значение совпадает с окончательным значением этой переменной. Это избавляет от необходимости объявления временной переменной, упомянутой в A1.

При таком подходе указанные три проблемы не проявляются. Но возникают другие трудности, поскольку одно и то же имя обозначает одновременно и функцию, и переменную. Присутствие имени функции в ее теле может быть истолковано двояко: как имя переменной и как рекурсивный вызов. Поэтому язык должен точно регламентировать, в каких ситуациях речь идет о переменной, а в каких о рекурсивном вызове функции. Если в теле функции f, имя f присутствует как цель присваивания, то речь идет о переменной

f := x

а если f является частью выражения, то подразумевается рекурсивный вызов функции

x := f

который допустим только при отсутствии у f параметров. Однако присваивания вида

f := f + 1

будут отклонены компилятором в случае наличия у f параметров, а при отсутствии таковых будут поняты как рекурсивные вызовы, результат которых присваивается переменной f. Последняя интерпретация скорее всего не будет соответствовать замыслу разработчика, который просто хотел увеличить переменную f на единицу, а в результате получит бесконечный цикл. Для достижения требуемого эффекта придется все равно ввести временную переменную.

Соглашение, основанное на предопределенной сущности Result, устраняет проблемы приемов A и B. В языках, предусматривающих инициализацию по умолчанию всех сущностей, включая Result, достигается дополнительное преимущество. Упрощается написание функций, так как часто функция должна во в всех случаях, кроме специально обусловленных, возвращать значение по умолчанию. Например, функция

do

if some_condition then Result := "Some specific value" end

end

не нуждается в предложении else. Подразумевается, что язык должен строго определить значения по умолчанию. Такие соглашения будут введены в следующей лекции.

Последнее преимущество соглашения Result вытекает из принципа проектирования по контракту (см. гл. 11). Можно использовать Result для выражения абстрактного свойства результата функции, не зависящего от реализации в постусловии подпрограммы. Никакой другой подход не позволит написать следующее:

prefix "|_": INTEGER is

-- Целая часть числа

do

... Реализация опущена ...

ensure

no_greater: Result <= Current

smallest_possible: Result + 1 > Current

end

В предложении ensure содержатся постусловия, утверждающие два свойства результата: результат не должен быть больше значения, к которому применяется операция, и это значение должно быть меньше чем результат плюс единица.

Дополнение: точное определение сущности

Будет полезно в процессе обсуждения проблем нотации уточнить понятие сущности, которое мы постоянно использовали. Это в значительной степени техническое понятие, обобщающее традиционное понятие переменной.

Сущности, в том смысле, в котором они используются в данной книге, обозначают имена некоторых величин времени выполнения, связанных с объектами. Можно выделить три возможных случая:

Определение: сущность (entity)

Сущность может представлять собой:

[x]. (E1) Атрибут класса

[x]. (E2) Локальную сущность подпрограммы, включая предопределенную сущность Result для функции

[x]. (E3) Формальный аргумент подпрограммы

Случай E2 подчеркивает, что сущность Result всегда рассматривается как локальная. Другие локальные сущности введены в объявлении local. Result и другие локальные сущности заново инициализируются при каждом вызове подпрограммы.

Все сущности, за исключением формальных аргументов (E3), доступны для записи, то есть могут присутствовать как цель x в присваивании x := some_value.

Ключевые концепции

[x]. Фундаментальная концепция объектной технологии основана на понятии класса. Класс это абстрактный тип данных, частично или полностью реализованный.

[x]. Класс может иметь экземпляры, называемые объектами.

[x]. Нельзя путать объекты (динамические элементы) с классами (статическим описанием свойств, общих для множества объектов времени выполнения).

[x]. При последовательном подходе к объектной технологии каждый объект является экземпляром класса.

[x]. Класс одновременно служит модулем и типом. Оригинальность и мощь ОО-модели следует частично из интеграции этих понятий.

[x]. Класс характеризуется компонентами, включая атрибуты, представляющие поля в экземплярах класса, и подпрограммы, представляющие вычисления с участием данных экземпляров. Подпрограмма может быть функцией возвращающей результат или процедурой, если результат не возвращается.

[x]. Базовым механизмом ОО-вычислений является вызов компонентов (обращение к компонентам) класса. Вызов компонента применяет компонент к экземпляру класса (возможно с аргументами).

[x]. При вызове именованных компонентов используется точечная нотация, а при вызове компонент-операций - инфиксная или префиксная нотация.

[x]. Каждая операция относительна к "текущему экземпляру" класса.

[x]. Для клиентов класса (других классов, которые используют его компоненты) атрибут ничем не отличается от функции без аргументов, в соответствии с принципом унифицированного доступа.

[x]. Исполняемый ансамбль классов называется системой. Система содержит корневой класс и все классы, которые необходимы корневому прямо или косвенно через клиентские отношения или наследование. Выполнение системы сводится к созданию экземпляра корневого класса и вызову процедуры создания для данного экземпляра.

[x]. Системы имеют децентрализованную архитектуру. Порядок действий несущественен для разработки.

[x]. Уточнение процесса сборки достигается с помощью простого языка описания систем Lace. В спецификации Lace, называемой файлом Ace, указывается корневой класс и набор каталогов, в которых размещены кластеры системы.

[x]. Процесс компоновки может быть автоматизирован без использования Make-файлов и директив Include.

[x]. Механизм скрытия информации требует гибкости. Наряду с неограниченным доступом и полным скрытием может потребоваться экспорт только для части клиентов. Атрибуты могут быть доступны только для чтения, для чтения и ограниченной модификации и в режиме полного доступа.

[x]. Экспорт атрибута означает доступ к нему только для чтения. Модификация требует вызова соответствующей экспортированной процедуры.

[x]. Селективный экспорт дает возможность группам родственных классов обеспечить специальный режим доступа для каждого компонента.

[x]. Необходимость в надстройках над классами - супермодулей - отсутствует. Классы должны оставаться независимыми программными компонентами.

[x]. Модульный стиль ОО-разработок требует большого числа небольших подпрограмм. Потенциальная опасность снижения производительности может быть достигнута путем встраивания этих подпрограмм оптимизирующим компилятором. Ответственность за поиск таких фрагментов следует возложить на компилятор, а не на разработчиков.

Библиографические замечания

Понятие класса пришло из языка Simula 67 (см. библиографические ссылки к лекции 17 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования"). Класс в Simula является одновременно модулем и типом, однако эта особенность специально не подчеркивалась и была утрачена у преемников Simula.

Принцип единственности цели может рассматриваться как аналог приема, хорошо известного в математической логике и теоретической компьютерной науке: редукция (currying). Редукция функции двух переменных f означает замену ее функцией g одной переменной, возвращающей в качестве результата функцию одной переменной. В результате редукции для любых допустимых значений x и y:

(g (x)) (y)= f (x, y)

Редуцировать функцию это, другими словами, специализировать ее по первому аргументу. Этот прием аналогичен использованной в данной лекции замене традиционной процедуры rotate, имеющей два параметра:

rotate (some_point, some_angle)

на функцию с одним параметром, имеющую цель:

some_point.rotate (some_angle)

В [M 1990] описана редукция и некоторые из ее применений в информатике, в частности, при формальном изучении синтаксиса и семантики языков программирования. Редукция будет еще рассматриваться при обсуждении графического интерфейса пользователя (лекция 14 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования").

В отличие от положений данной лекции в некоторых языках объект рассматривается как языковая конструкция, а не как понятие времени выполнения. Такой подход предназначен для исследовательских целей и не нуждается в понятии класса. Наиболее известным представителем этой школы является язык Self [Chambers 1991], в котором вместо классов используются "прототипы".

Детали соглашения об инфиксных и префиксных операциях, в частности таблица приоритетов, приведены в [M 1992].

James McKim обратил мое внимание на последний аргумент в пользу соглашения Result (использование для постусловий).

Упражнения

У7.1 POINT как абстрактный тип данных

Напишите спецификацию абстрактного типа данных для описания точки на плоскости.

У7.2 Завершение реализации POINT

Завершите исходный текст класса POINT. Заполните недостающие фрагменты, добавьте процедуру rotate (вращение точки вокруг начала координат), а также другие компоненты, которые считаете необходимыми.

У7.3 Полярные координаты

Перепишите класс POINT таким образом, чтобы в качестве базового использовалось бы представление точки в полярных, а не декартовых координатах.

Лекция 8. Динамические структуры: объекты

В предыдущей лекции отмечалось, что экземпляры классов называют объектами. Настало время переключить внимание на эти объекты, и в общем смысле - на модель ОО-вычислений времени выполнения. В предыдущих лекциях рассматривались в основном концептуальные вопросы. Теперь необходимо обратиться к аспектам реализации. В частности, рассмотреть вопросы использования памяти (обсуждение будет продолжено в следующей лекции в связи со сборкой мусора). Неоднократно отмечалось, что одним из преимуществ объектной технологии разработки ПО является учет в полном объеме деталей реализации. Поэтому экскурсия в область реализации будет полезной, даже если сфера ваших интересов связана в основном с вопросами анализа и проектирования. Невозможно понять метод, не рассматривая его влияние на структуры времени выполнения.

Объекты

Изучение объектных структур в данной лекции может служить весьма хорошим примером того, насколько неправильно отделять вопросы реализации от проблем будто бы "высокого" уровня. В процессе рассмотрения новых технических приемов, связанных с вопросами реализации, приходит более глубокое понимание абстрактных понятий. Типичным примером может служить введение ссылочных и развернутых значений, представляющих, на первый взгляд, неприметное техническое решение. В действительности, это ответ на общий вопрос об отношении части и целого, постоянно обсуждаемый в дискуссиях по ОО-анализу.

В некоторой части компьютерной литературы принижается значение реализации и считается, что самое важное - это анализ. Но разработка ПО - это разработка моделей. Хорошая техника реализации часто является одновременно и хорошим средством моделирования. Помимо программных систем ее можно использовать и во многих других областях.

Данная лекция в большей степени посвящена моделированию, нежели реализации в строгом смысле этого термина. В ней показано, как можно использовать объектные структуры для построения реалистичных и полезных операционных описаний различного вида систем.

В процессе выполнения ОО-система создает некоторое число объектов. Организация этих объектов и отношения между ними определяют конструкцию времени выполнения. Рассмотрим свойства объектов.

Что такое объект?

Прежде всего, необходимо напомнить смысл термина "объект". Полная ясность была внесена в предыдущей лекции в виде строгого определения (Определение и объективное правило, см. лекцию 7):

Определение: объект

Объект - это экземпляр некоторого класса

Во время выполнения программная система, содержащая класс C, может в разных точках, используя процедуры создания или клонирования, создавать экземпляры C, - структуры данных, соответствующие образцу, заданному классом C. Например, экземпляр класса POINT представляет собой структуру данных, состоящую из двух полей, соответствующих атрибутам x и y класса. Экземпляры всех возможных классов составляют множество объектов системы.

Это официальное определение в мире ОО-ПО. Но в повседневном языке термин "объект" имеет гораздо более широкий смысл. Любая программная система связана с определенной внешней системой, которая может содержать "объекты": точки, линии, поверхности и тела в графической системе; сотрудников и их оклады в системе расчета заработной платы и т.д. В таких ситуациях, как правило, реальным объектам соответствуют программные объекты. Примером может служить класс EMPLOYEE в системе расчета зарплаты, экземпляры которого являются компьютерными моделями сотрудников.

Хорошим следствием дуализма слова "объект" является естественность и мощь ОО-метода, применяемого для целей моделирования реальных систем. Это уже отмечалось при рассмотрении принципа Прямого Отображения (direct mapping), который, как отмечалось, является принципиальным требованием модульного проектирования. Неудивительно, что некоторые классы являются моделями внешних типов объектов проблемной области, а экземпляры классов - моделями реальных объектов. (См. "Прямое отображение", лекция 3)

Но не стоит переоценивать "реальность" слова "объект". В науке и технике существует большой риск в заимствовании слов естественного языка и придания им специального смысла. Термин "объект" настолько перегружен повседневным смыслом, что техническое его использование может стать источником недоразумений. В частности:

[x]. Не все классы соответствуют типам проблемной области. Многие классы, введенные в интересах проектирования и реализации, не имеют двойников в моделируемой системе. Именно эти классы на практике могут иметь наибольшее значение и именно их труднее всего спроектировать.

[x]. Некоторые концепции проблемной области естественно приводят к классам, хотя в проблемной области не существует реальных объектов, которые можно было бы поставить в соответствие экземплярам этих классов. Примерами могут быть класс STATE, описывающий состояние системы, или класс COMMAND. (См. лекцию 20 и лекцию 21 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

Когда слово "объект" используется в этой книге, то из контекста ясно, в общем или техническом смысле используется этот термин. В тех случаях, когда эту разницу необходимо подчеркнуть, используется уточнение - программный объект или внешний объект.

Базовая форма

Программный объект довольно простое существо, если известен класс, которому он принадлежит.

Пусть O - объект. По определению он является экземпляром некоторого класса. Точнее, он является прямым экземпляром (direct instance) только одного класса, например C.

С учетом наследования O будет тогда косвенным экземпляром других классов, - предков C. Это тема дальнейшего обсуждения; в данной дискуссии достаточно понятия прямого экземпляра. Везде, где не может возникнуть недоразумений, слово "прямой" будет опущено.

Класс C называется порождающим классом (generating class) или просто генератором (generator) объекта O. Заметьте, C- программный текст, а O - структура данных времени выполнения, появляющаяся в результате работы рассмотренных ниже механизмов создания объектов.

Часть компонентов C является атрибутами. Эти атрибуты полностью определяют форму объекта, представляющего собой просто набор полей, по одному на каждый атрибут.

Рассмотрим класс POINT из предшествующей лекции (Текст класса POINT см. в лекции 7). Исходный текст имеет вид:

class POINT feature

x, y: REAL

... Объявления подпрограмм ...

end

Подпрограммы опущены, так как форма объектов полностью определяется атрибутами соответствующих классов. Данный класс имеет два атрибута x и y типа REAL, следовательно, его экземпляр - это объект с двумя полями, содержащими значения этого типа:

Рис. 8.1.  Экземпляр класса POINT

В данной книге объекты - набор полей - изображаются в виде смежных прямоугольников, содержащих соответствующие значения. Внизу курсивом в скобках дается имя класса (в данном случае - POINT). Против каждого поля, тоже курсивом - имена соответствующих атрибутов (x и y). Иногда сверху указывается имя объекта (здесь P_OBJ), не имеющее двойника в программном тексте, но позволяющее ссылаться на объект при обсуждении. На диаграммах, представляющих структуру ОО-системы или части такой системы, классы изображаются в виде эллипсов. Эти соглашения позволяют не путать классы и объекты.

Простые поля

Оба атрибута класса POINT относятся к типу REAL. Следовательно, соответствующие поля прямого экземпляра POINT содержат действительные числа.

Это пример полей, соответствующих атрибутам одного из "базовых" типов. Формально эти типы определены как классы, а их экземпляры принимают значения из предопределенных диапазонов. К базовым (предопределенным, встроенным)типам относятся:

[x]. BOOLEAN, может иметь только два различных экземпляра, соответствующих булевым значениям true и false;

[x]. CHARACTER, экземпляры которого представляют символы;

[x]. INTEGER, экземпляры которого представляют целые числа;

[x]. REAL и DOUBLE, экземпляры которых представляют действительные числа одинарной и двойной точности.

Тип STRING, представляющий конечную последовательность символов, на данном этапе рассматривается как базовый. Далее будет показано, что в действительности он относится к другой категории. ("Строки", см. лекцию 13)

Для каждого базового типа необходимо определить правила записи их значений в исходных текстах. Соглашения просты:

[x]. Для типа BOOLEAN два различных экземпляра обозначаются как True и False.

[x]. Экземпляр CHARACTER будет записываться как символ в апострофах: 'A'.

[x]. Экземпляр STRING обозначается как последовательность символов в двойных апострофах: "Это строка".

[x]. Для обозначения экземпляра INTEGER используем обычную десятичную нотацию: 34, -675, +4.

[x]. Для экземпляров REAL или DOUBLE будет применяться как обычная нотация: 3.5 или -0.05, так и экспоненциальное представление: -5.e-2.

Простое представление книги - класс BOOK

Рассмотрим класс с атрибутами базовых типов:

class BOOK1 feature

title: STRING

date, page_count: INTEGER

end

Типичный экземпляр класса выглядит так:

Рис. 8.2.  Объект, представляющий книгу

Поскольку в настоящий момент нас в первую очередь интересует структура объектов, то в последующих примерах все компоненты классов будут атрибутами, а подпрограммы отсутствуют.

Это означает, что на данном этапе обсуждения объекты подобны записям или структурам в языках Pascal и C. Принципиальное отличие от этих языков выражается в том, что, благодаря наличию механизмов скрытия информации, клиенты классов не могут непосредственно присваивать значения полям таких объектов. В Pascal и в C с незначительными синтаксическими различиями допустимо объявление записи с последующим присваиванием (Внимание: Недопустимая нотация! Только для обсуждения.):

b1: BOOK1

...

b1.page_count := 355

Здесь во время выполнения полю page_count объекта, присоединенного к b1, присваивается значение 355. Для классов такая возможность не допускается. Предоставлять клиентам классов разрешение менять поля объектов было бы насмешкой над правилом скрытия информации. В этом случае терял бы смысл выборочный экспорт, управляемый автором класса. В ОО-подходе модификация значений полей допустима только с помощью процедур класса, добавляемых в том случае, если автор класса решит предоставить такую возможность своим клиентам. Далее такая процедура будет добавлена в класс BOOK1.

Разрешение присваиваний вида b1.page_count := 355 в C++ и Java отражает ограничения, возникающие при попытках внедрения объектной технологии в контекст языка C. Сами разработчики Java отмечают, что программист может испортить объект при наличии общедоступного поля, так как значение такого поля можно изменить путем непосредственного присваивания. Многие авторы языков вводят такую возможность, а затем предупреждают: "не делайте этого". Логичнее определить метод и нотацию, поддерживающие такие ограничения.

В ОО-ПО классы без подпрограмм редко имеют практическое значение. Исключением являются ситуации, когда в родительских классах определяется набор атрибутов, а потомки содержат необходимые подпрограммы. Другим примером могут служить классы, представляющие внешние объекты, которые принципиально невозможно модифицировать, например данные от внешних датчиков в системе реального времени. Но на данном этапе такой подход полезен для понимания основных концепций, подпрограммы будут добавлены позже.

Писатели

Используя указанные выше типы, определим класс WRITER для описания автора книги:

class WRITER feature

name, real_name: STRING

birth_year, death_year: INTEGER

end

Рис. 8.3.  Объект «писатель»

Ссылки

Чаще всего нам необходимы объекты с полями, представляющими другие объекты. Например, книга имеет автора, который представлен экземпляром класса WRITER.

Можно ввести понятие подобъекта. В новой версии класса BOOK2 его экземпляры содержат поле, являющееся объектом - экземпляром класса WRITER.

Рис. 8.4.  Два объекта «книга» с подобъектами «писатель»

Такое понятие подобъекта, несомненно, полезно, и далее в этой лекции будет показано, как создавать соответствующие классы.

Но это не совсем то, что необходимо. В каждом экземпляре BOOK2 приходится дублировать информацию об одном и том же авторе в виде подобъекта. Причины неприемлемости такого решения:

[x]. Расходуется дополнительная память. Можно привести в качестве более характерного примера совокупность объектов, представляющих людей. Каждый объект в качестве подобъекта содержит информацию о стране гражданства. Очевидно, что численность населения намного превышает число стран.

[x]. Более важно, что такая техника не обеспечивает разделения информации. Вполне естественно желание, чтобы внесение изменений в объект WRITER повлекло за собой автоматическое обновление этой информации для всех объектов - книг данного автора.

Лучшим является решение, представленное на рис.8.5 . Оно основано на новой версии класса, BOOK3.

Каждый экземпляр BOOK3 в поле author содержит ссылку (reference) на объект типа WRITER. Нетрудно дать точное определение.

Определение: ссылка

Ссылка это значение времени выполнения. Она может быть пустой (void) или присоединенной (attached).

Присоединенная ссылка однозначно идентифицирует объект (присоединена к конкретному объекту).

Рис. 8.5.  Два объекта «книга» со ссылками на один и тот же объект «писатель»

На рис.8.5 оба поля author экземпляров BOOK3 присоединены к одному экземпляру WRITER. Здесь и далее ссылки, присоединенные к объектам, обозначаются стрелками. На следующем рисунке используется графическое обозначение пустой ссылки, которая может обозначать неизвестного автора.

Рис. 8.6.  Объект, содержащий пустую ссылку (Роман «Кандид» (Candide) опубликован анонимно)

Определение ссылки не подразумевает конкретной аппаратно-программной реализации. Если ссылка не пуста, то она идентифицирует объект и может рассматриваться как абстрактное имя объекта.

Концепция ссылки должна, безусловно, иметь аналог при реализации. Программирование на уровне машинного кода использует адресацию, многие языки программирования содержат понятие указателя. Понятие ссылки является более абстрактным. Хотя ссылка, в конечном итоге, может быть представлена адресом, не следует из этого исходить. Ссылка может содержать адрес наряду с другой информацией.

Отличие ссылок от указателей выражается в том, что они типизированы. Они напоминают типизированные указатели в Pascal и Ada (но не в C). Это означает, что данная ссылка может быть связана только с объектами определенных типов. По аналогии с обычной жизнью - код города имеет смысл только при наборе телефонных номеров. Он может выглядеть как обычное целое, но никому не придет в голову суммировать коды.

Идентичность объектов

Понятие ссылки приводит к концепции идентичности объектов. Каждый объект, созданный в процессе выполнения ОО-системы, уникален и идентифицируется независимо от значений его полей. Возможны две ситуации:

[x]. (I1) Два различных объекта могут иметь абсолютно одинаковые поля.

[x]. (I2) Напротив, поля данного объекта могут изменяться в процессе выполнения системы, но это не влияет на идентификацию объекта.

Эти наблюдения свидетельствуют о неоднозначности высказывания "a обозначает тот же объект, что и b". Можно подразумевать различные объекты с одинаковыми данными (I1) или состояния одного и того же объекта до и после изменения значений полей (I2). Мы будем использовать второе толкование и считать, что значения полей заданного объекта могут изменяться в процессе выполнения, а он остается "тем же самым объектом". В случае (I1) будем говорить о равных (но различных) объектах, точное определение понятия равенства будет дано позже.

В соответствии с определением I2 можно сказать, что поля объекта могут изменяться и это не будет ошибкой. Термин "поле" обозначает одно из значений, составляющих объект, а не соответствующий идентификатор поля - имя одного из атрибутов порождающего класса. Каждому атрибуту класса соответствует поле объекта (1832 для атрибута date класса BOOK3 на рис.8.6 ). Атрибуты неизменны в процессе выполнения, как неизменно и деление объекта на поля, а значения полей меняться могут. Любой экземпляр BOOK3 будет всегда содержать четыре поля, соответствующие атрибутам title, date, page_count, author. Значения этих полей могут меняться у каждого экземпляра.

Изучение того, как сделать объекты сохранямыми (persistent), заставит нас продолжить изучение свойств идентичности объектов. (См. "Идентичность объектов", лекция 13 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

Объявление ссылок

Класс BOOK1 содержал атрибуты только базовых типов, его вариант BOOK3, содержит атрибут, представляющий ссылку на автора.

class BOOK3 feature

title: STRING

date, page_count: INTEGER

author: WRITER -- Новый атрибут.

end

Объявленный тип дополнительного атрибута author это просто имя соответствующего класса: WRITER. Это будет общим правилом: если имеется стандартное объявление класса

class C feature ... end

то объявление некоторой сущности типа C

x: C

обозначает значения, являющиеся ссылками на потенциальные объекты типа C. Такое соглашение, использующее ссылки, обеспечивает большую гибкость и приемлемо в большинстве случаев. Подробное обсуждение этого правила и других возможных решений содержится в последнем разделе данной лекции.

Ссылка на себя

Ничто не препятствует объекту O1 в определенный момент выполнения системы содержать ссылку, присоединенную к самому O1. Такая ссылка на себя может быть косвенной. В ситуации на рис.8.7 объект, имеющий значением поля name: "Almaviva", сам является своим лендлордом (прямая циклическая ссылка). Фигаро любит Сюзанну, которая любит Фигаро (косвенная циклическая ссылка).

Рис. 8.7.  Прямые и косвенные ссылки на себя

Такие циклы в динамических структурах возможны, только если клиентские отношения между соответствующими классами также содержат прямые или косвенные циклы. Объявление класса

class PERSON1 feature

name: STRING

loved_one, landlord: PERSON1

end

содержит прямой цикл (PERSON1 - клиент PERSON1).

Обратное утверждение неверно - присутствие цикла в объявлении класса не означает, что циклы обязательно появятся в структурах времени выполнения. Можно объявить класс

class PERSON2 feature

mother, father: PERSON2

end

Класс является собственным клиентом. Однако если он моделирует соответствующие именам атрибутов отношения между людьми, то структуры времени выполнения никогда не будут содержать циклов, поскольку ни один человек не может быть собственным родителем или предком.

Взгляд на структуру объектов периода выполнения

На основе предшествующего рассмотрения выясняется в первом приближении структура ОО-системы в процессе выполнения.

Рис. 8.8.  Возможная структура объектов во время выполнения

Система состоит из нескольких объектов с различными полями. Некоторые поля содержат значения базовых типов, а другие являются пустыми или присоединенными ссылками на другие объекты. Каждый объект является экземпляром некоторого типа, основанного на классе (на рисунке тип указывается под объектом). Некоторые типы представлены единственным экземпляром, но гораздо чаще присутствует несколько экземпляров одного типа. На рис.8.8 тип TYPE1 представлен двумя экземплярами, остальные - единственным. Некоторые объекты содержат поля только ссылочного типа (экземпляр TYPE4) или только базовых типов (экземпляр TYPE5). Могут присутствовать прямые или косвенные циклические ссылки (верхнее поле экземпляра TYPE2, по часовой стрелке от нижнего экземпляра TYPE1).

Подобная структура может показаться слишком запутанной. Впечатление от приведенной иллюстрации, демонстрирующей различные возможности, можно выразить выражением: "блюдо спагетти".

Это впечатление не совсем правильно. Впечатление простоты должен создавать программный текст, но не структура объектов периода выполнения. Текст отражает определенные отношения (такие как "любит", "имеет хозяина"). Конкретную структуру объектов периода выполнения можно назвать экземпляром таких отношений, она фиксирует связи между элементами данного набора объектов. Моделируемые отношения могут быть простыми, в то время как отношения индивидуумов конкретного множества объектов - достаточно сложными. Понятие "любит" очень просто, однако любовные отношения конкретных людей могут быть безнадежно запутаны.

Во время выполнения могут неизбежно возникать структуры, содержащие много объектов и имеющие запутанную структуру ссылок. Хорошая среда разработки должна предоставлять средства анализа объектных структур для тестирования и отладки.

Сложность динамических структур не должна влиять на статическую картину. Необходимо стараться сохранить набор классов и их отношения настолько простыми, насколько это возможно.

Тот факт, что простым моделям могут соответствовать сложные структуры данных, частично отражает мощь наших компьютеров. Короткий исходный текст может описывать огромные вычисления. Простая ОО-система может порождать в процессе выполнения миллионы объектов, связанных большим числом ссылок. Важнейшей целью программной инженерии является сохранение простоты ПО, даже когда экземпляры объектов такой простотой не обладают.

Объекты как средство моделирования

Рассмотренные приемы позволяют продвинуться в понимании возможностей ОО-подхода как средства моделирования. Важно, в частности, прояснить два аспекта: рассмотреть различные миры, связанные с разработкой ПО и отношения между ПО и внешней реальностью.

Четыре мира программной разработки

Из предшествующей дискуссии следует, что когда мы говорим об ОО-разработке, следует различать четыре отдельных мира:

[x]. Моделируемую систему, - внешнюю по отношению к программной системе, описываемую типами объектов и их абстрактными отношениями.

[x]. Частную конкретизацию внешней системы, состоящую из объектов с фиксированными отношениями.

[x]. Программную систему, состоящую из классов, связанных ОО-отношениями ("быть клиентом", "быть наследником").

[x]. Объектную структуру в том виде, в котором она существует в процессе выполнения программной системы, то есть множество программных объектов, связанных ссылками.

Соотношения между этими мирами представлены на рис.8.9.

Рис. 8.9.  Формы и их экземпляры

И на программном и на внешнем уровне (нижняя и верхняя части рисунка) важно разграничить общие понятия и их конкретные реализации (классы и абстрактные отношения слева, объекты и отношения экземпляров справа). Данный момент уже обсуждался в дискуссии о сравнительной роли классов и объектов в предыдущей лекции. Применительно к отношениям необходимо отличать абстрактные отношения loved_one от множества связей loved_one, существующих между элементами конкретного множества объектов.

Это различие невыразимо ни в стандартных математических определениях понятия "отношение", ни в программистской терминологии, например в теории реляционных баз данных. Если ограничиться бинарными отношениями, то и в математике и в теории баз данных отношение определяется как множество пар в форме <x, y>, где x и y являются элементами заданных множеств TX и TY. В терминах программирования все x относятся к типу TX, а все y - к типу TY. Будучи пригодными для математиков, эти определения не подходят для целей моделирования, поскольку не позволяют различать абстрактные отношения и отношения конкретных экземпляров. При моделировании системы отношение "любит" имеет свои общие и абстрактные свойства, совершенно не зависящие от записи того, кто кого любит в конкретной группе людей в некоторый момент времени.

Это обсуждение будет продолжено в лекции 11, когда будут рассматриваться преобразования между абстрактными и конкретными объектами, и будет дано имя вертикальным стрелкам предыдущего рисунка - функция абстракции. (См. "Функции абстракции", лекция 11)

Реальность: "седьмая вода на киселе"

Предшествующее обсуждение не содержит ссылок на "реальный мир", - вместо этого используется термин "моделируемая система".

Такое разграничение проводится не всегда. Во многих дискуссиях используется выражение "моделирование реального мира"; аналогичные высказывания содержат и книги по ОО-анализу. Однако говорить о "реальности" применительно к программной системе ошибочно, по крайней мере, по четырем причинам.

Во-первых, реальность отражается в глазах очевидца. Не впадая в профессиональный шовинизм, программист всегда вправе спросить своих заказчиков, почему их системы более реальны, чем его. Возьмите программу, выполняющую математические вычисления - проверку гипотезы четырех красок в теории графов, интегрирование дифференциальных уравнений или решение геометрических проблем на четырехмерной римановой поверхности. Нужно ли нам, программистам, спорить с друзьями (математиками, заказчиками) о том, чьи искусственные объекты - артефакты более реальны - фрагменты программного кода или полное подпространство отрицательной кривизны? (См. также лекцию 2)

Во-вторых, понятие реального мира рушится в нередких ситуациях, когда ПО предназначено для разрешения проблем ПО. Рассмотрим компилятор C, написанный на Pascal. Для него "реальными" объектами являются программы на C. Насколько эти программы более реальны, чем сам компилятор? Это наблюдение применимо и к другим системам, работающим с объектами, существующими только в компьютере. (См. лекцию 6)

Третье соображение обобщает второе. В сегодняшнем информационном мире компьютеры стали частью реальности. На заре появления компьютеров можно было говорить, что создаваемая программная система моделирует реальную систему. Предприятие приобретало компьютеры для автоматизации бизнес процессов. При описании процессов современного банка его ПО является фундаментальной частью банковской системы. Ситуация аналогична квантовой физике, где невозможно отделить измерение от измеряемого механизма. Термин "виртуальная реальность" в какой-то мере отражает данную ситуацию. Программные продукты не менее реальны, чем те, что приходят из внешнего мира. Во всех таких ситуациях программная система пересекается с реальностью, отчего возникает положительная обратная связь, когда работа существующей системы приводит к новым и важным изменениям самой модели, приводя к изменениям программной системы.

Последний довод наиболее фундаментален. Программная система не является моделью реальности. В лучшем случае это модель модели некоторой части некоторой реальности. Система мониторинга пациента больницы не является моделью больницы, но реализацией конкретной точки зрения на некоторые аспекты работы больницы. Это модель модели некоторой части реальности больницы. Астрономическая программа это не модель вселенной, а всего лишь программная модель чьей-то модели некоторых свойств некоторой части вселенной. Финансовая информационная система не является моделью фондового рынка. Это программная реализация модели, разработанной конкретной компанией для описания тех аспектов фондового рынка, которые соответствуют целям данной компании.

Абстрактные типы данных, лежащие в основе ОО-метода, помогают понять, почему не следует придерживаться широко распространенной, но иллюзорной точкой зрения, что мы имеем дело с "реальным миром". Первый шаг к объектной ориентации, выражаемый теорией АТД, состоит в отказе от реальности ради менее грандиозного, но более аппетитного яства, - представляющего множество абстракций, характеризующих операции, доступные клиентам, и их формальные свойства. (На этом построен девиз модельера АТД - не говорите мне, кто вы, скажите, чем вы обладаете.) Мы никогда не претендуем на то, что рассмотрели все возможные операции и свойства: мы выбрали некоторые из них, подходящие для наших целей и отбросили остальные. Моделирование означает отсекание лишнего.

В идеальном случае программная система приходится соответствующей реальности лишь "седьмой водицей на киселе" (cousin twice removed).

Работа с объектами и ссылками

Вернемся к более приземленным проблемам и рассмотрим, как программные системы работают с объектами, как создают и используют гибкие структуры данных.

Динамическое создание и повторное связывание

Что не было показано при описании структуры объектов периода выполнения, так это в высшей степени динамичная природа настоящей ОО-модели. Статическая и ориентированная на стеки политика управления объектами характерна для языков уровня Fortran и Pascal соответственно. Противоположной является политика в настоящем ОО-окружении, позволяющая создавать объекты в период выполнения, когда в них возникает потребность. Какому образцу (типу) соответствуют создаваемые объекты, как правило, невозможно предсказать при статической проверке программного текста.

В начальном состоянии, как описано в предыдущей лекции, создается единственный корневой объект. Затем система повторно выполняет операции создания новых объектов, связывает изначально пустые ссылки с этими объектами, делает ранее присоединенные ссылки пустыми или присоединяет их к другим объектам. Динамическая и непредсказуемая природа этих операций обеспечивает гибкий подход и позволяет поддерживать динамические структуры данных, необходимые для реализации сложных алгоритмов и моделирования быстро меняющихся свойств внешних систем.

Следующий раздел посвящен механизмам, необходимым для создания объектов и манипулирования их полями, в частности, ссылками.

Инструкция создания

Рассмотрим создание экземпляра класса BOOK3. Это возможно только с помощью подпрограммы класса, являющегося клиентом BOOK3, как, например:

class QUOTATION feature

source: BOOK3

page: INTEGER

make_book is

-- Создание объекта BOOK3 и присоединение его к source.

do

... См. ниже ...

end

end

Этот класс описывает цитирование книги в других публикациях. Он содержит два поля: ссылку на цитируемую книгу и число страниц, содержащих ссылки на нее.

Механизм создания экземпляра QUOTATION (скоро он будет рассмотрен) предусматривает инициализацию всех его полей. Правило инициализации по умолчанию определяет, что любое ссылочное поле (в данном примере - поле, соответствующее атрибуту source) после инициализации должно содержать пустую ссылку. Другими словами, создание объекта типа QUOTATION не сопровождается созданием объекта типа BOOK3.

Ссылка остается пустой, пока над ней не будут выполнены некоторые действия, - таково общее правило. Изменить значение ссылки можно, создав, например, новый объект. В процедуре make_book это делается следующим образом:

make_book is

-- Создание объекта BOOK3 и присоединение его к source.

do

create source

end

Это иллюстрация простейшей формы инструкции создания: create x , где x - атрибут охватывающего (enclosing) класса или, как будет показано позже, локальная сущность охватывающей подпрограммы. Далее эта базовая нотация будет расширена.

Сущность x, именованная в инструкции (в данном примере source), называется целью (target) инструкции создания.

Данная форма известна как "базовая инструкция создания". Другая форма, включающая вызов процедуры класса, скоро появится. Вот точное определение действия базовой инструкции создания:

Результат базовой инструкции создания

Эффект инструкции создания вида create x , где тип цели x является ссылочным типом, основанном на классе C, состоит в выполнении трех следующих действий:

[x]. (C1) Создание нового экземпляра C(набора полей, по одному на каждый атрибут C). Пусть OC - это новый экземпляр.

[x]. (C2) Инициализация каждого поля OC соответствующими стандартными значениями по умолчанию.

[x]. (C3) Присоединение значения x (ссылки) к OC.

На этапе C1 создается экземпляр C. На этапе C2 устанавливаются предопределенные значения всех полей, зависящие от типа соответствующего атрибута:

Значения по умолчанию при инициализации

Для ссылок значение по умолчанию - пустая ссылка.

Для полей BOOLEAN значение по умолчанию - False.

Для полей CHARACTER значение по умолчанию - символ null.

Для чисел (типов INTEGER, REAL или DOUBLE) значение по умолчанию - ноль в соответствующем данному типу представлении.

Итак, для цели source типа BOOK3 в соответствии с объявлением класса

class BOOK3 feature

title: STRING

date, page_count: INTEGER

author: WRITER

end

результатом инструкции создания create source, выполняемой при вызове процедуры make_book класса QUOTATION, будет объект изображенный на рис.8.10.

Рис. 8.10.  Созданный и инициализированный объект

После инициализации значения целочисленных полей равны нулю. Ссылочное поле author и поле title типа STRING, содержат пустые ссылки. Тип STRING, о котором ничего не говорится в правилах инициализации, двойственен, - фактически являясь ссылочным типом, он рассматривается во многих ситуациях как базовый тип. (О строках см. лекцию 13)

Общая картина

Важно проследить за последовательностью происходящих событий. Для рассмотренного выше экземпляра BOOK3 происходит следующее:

[x]. (B1) Создан экземпляр QUOTATION. Пусть Q_OBJ - этот экземпляр и имеется сущность a, значение которой ссылка, присоединенная к Q_OBJ.

[x]. (B2) Спустя некоторое время после B1 вызов вида a.make_book приводит к выполнению процедуры make_book с Q_OBJ в качестве цели.

Правомерен вопрос - как будет создан сам Q_OBJ (шаг B1)? Это, оставляя проблему, отодвигает ее вглубь. Но к этому моменту мы уже знаем ответ на этот вопрос: все возвращается к первопричине - Большому Взрыву. Для выполнения системы необходимо снабдить ее корневым классом и процедурой этого класса, названной процедурой создания. В начале выполнения автоматически создается один объект - корневой объект - экземпляр корневого класса. Корневой объект является единственным объектом, не создаваемым инструкциями программного текста; он приходит извне, как objectus ex machine (объект от машины). Начав с одного, провидением посланного объекта, далее уже программа может создавать объекты нормальным путем через подпрограммы, выполняющие инструкции создания. Первой выполняемой подпрограммой является процедура создания, автоматически применяемая к корневому объекту. Не всегда, но чаще всего она содержит по крайней мере одну инструкцию создания, что в предыдущей лекции называлось началом грандиозного фейерверка, процесса, создающего столько новых объектов, сколько нужно текущему выполнению.

Для чего необходимо явное создание объектов?

Объекты создаются явным образом. Объявление сущности

b: BOOK3

не влечет за собой создание объекта во время выполнения, это происходит, когда некий элемент системы выполнит операцию

create b

Это может показаться удивительным. Разве объявления b недостаточно для создания объекта? Что хорошего в объявлении, если объект не создается?

Достаточно минуты размышления для понимания того, что разделение объявления и создания объекта является единственно разумным решением.

Первый аргумент - reductio ad absurdum (доведение до абсурда). Предположим, что начата обработка объявления и немедленно создается соответствующий объект. Но это экземпляр класса BOOK3, имеющий атрибут author ссылочного типа WRITER, значит поле author - ссылка, для которой опять нужно создавать объект. Этот объект вновь содержит ссылочные поля, требуется опять делать то же самое и начинается длинный путь рекурсивного создания объектов.

Этот аргумент еще более убедителен для таких классов как PERSON1, содержащих ссылки на себя:

class PERSON1 feature

name: STRING

loved_one, landlord: PERSON1

end

Появление каждого экземпляра PERSON1 повлечет за собой создание двух других таких объектов (соответствующих loved_one и landlord ) и начнется бесконечный цикл. Такие прямые или косвенные циклические ссылки не экзотика - они часто встречаются и необходимы.

Другой аргумент следует из обсуждения роли объектной технологии как мощного метода моделирования. Если для каждого ссылочного поля будет создаваться новый объект, то не было бы возможности выделить пустые ссылки и множественные ссылки на один и тот же объект. И то, и другое необходимо для реалистичного моделирования систем:

[x]. В некоторых случаях требуется, чтобы ссылка не была связана ни с каким объектом. Примером может служить пустая ссылка author для обозначения неизвестного автора.

[x]. В других случаях, в соответствии с моделью две ссылки должны быть присоединены к одному объекту. (См. рис.8.7) В примере с циклическими ссылками присутствовали поля loved_one двух персон PERSON1, присоединенные к одному и тому же объекту. Не имело бы смысла создание своего объекта для каждого из этих полей. Все, что требуется, - это операция присваивания (рассмотрена далее в этой лекции) для присоединения ссылки к уже существующему объекту. В еще большей степени это соображение применимо для ссылки на себя (поле landlord верхнего объекта в том же примере).

Механизм управления объектами никогда не присоединяет ссылку неявно. Он создает объекты через инструкции создания (или операции клонирования, тоже явные), инициализируя их ссылочные поля пустыми ссылками. Эти поля, в свою очередь, могут стать присоединенными к объектам, только в результате явных операций над этими полями.

В дискуссии о наследовании будет показано, что инструкция создания может использовать синтаксис create {T}x для создания объекта, чей тип T является наследником типа объявленного для x. (Полиморфное создание, см.лекцию 14)

Процедуры создания

Все до сих пор рассмотренные инструкции создания основывались на инициализации по умолчанию. В некоторых случаях инициализация, определенная в языке, может нас не устраивать - хотелось бы обеспечить создаваемый объект специфической информацией. В этом предназначение процедур создания.

Перекрытие инициализации по умолчанию

Для использования инициализации, отличной от предопределенной умолчанием, необходимо класс снабдить одной или несколькими процедурами создания. Такие процедуры должны быть перечислены в предложении, начинающимся ключевым словом creation в начале класса перед первым предложением feature. Схема такова:

indexing

...

class C creation

p1, p2, ...

feature

... Объявления компонент, включая реализацию процедур p1, p2, ...

end

Совет, отражающий стиль: в случае класса с единственной процедурой создания - для нее рекомендуется имя make. Для классов с двумя и более процедурами создания желателен префикс make_, за которым следует квалификатор, как в следующем примере POINT. (См. "Правильный выбор имен", лекция 8 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

Соответствующая инструкция создания в этих случаях имеет другую форму:

create x.p (...)

где p одна из процедур создания перечисленных в разделе creation, и в круглых скобках (...) перечисляются фактические аргументы p. Результатом является создание объекта с использованием значений по умолчанию, как и ранее, а затем вызов p с заданными аргументами. Такая инструкция является комбинацией инструкции создания и вызова процедуры и называется порождающим вызовом (creation call). (Оригинальная версия класса POINT приведена в лекции 7)

В качестве примера добавим две процедуры создания в класс POINT, что позволит клиентам при создании новой точки указывать ее начальные координаты - декартовы или полярные. Введем процедуры создания: make_cartesian и make_polar. Вот схема:

class POINT1 creation

make_cartesian, make_polar

feature

... Компоненты из предыдущей версии класса:

x, y, ro, theta, translate, scale, ...

feature {NONE} - Этот вариант экспорта рассмотрен ниже.

make_cartesian (a, b: REAL) is

-- Инициализация точки с декартовыми координатами a и b.

do

x := a; y := b

end

make_ polar (r, t: REAL) is

-- Инициализация точки с полярными координатами r и t.

do

x := r * cos (t); y := r * sin (t)

end

end

Для такого класса клиент будет создавать точки инструкциями вида:

create my_point.make_cartesian (0, 1)

create my_point.make_polar (1, Pi/2)

В обоих случаях создается точка с одинаковыми координатами в предположении, что константа Pi имеет общепринятый смысл. Вот правило, определяющее эффект порождающего вызова. Первые три пункта правила такие же, как и для базисной формы, приведенной ранее:

Эффект порождающего вызова

Рассмотрим порождающий вызов в форме create x.p(...).

Пусть тип цели x это ссылочный тип, основанный на классе C, p(...) - процедура создания класса C, с заданным списком фактических аргументов. Эффект вызова состоит в выполнении следующих четырех шагов:

[x]. (C1) Создание нового экземпляра C (набора полей, по одному на каждый атрибут C). Пусть OC - это новый экземпляр.

[x]. (C2) Инициализация каждого поля OC соответствующими стандартными значениями по умолчанию.

[x]. (C3) Присоединение значения x (ссылки) к OC.

[x]. (С4) Вызов процедуры p c заданными аргументами и с целевым объектом OC.

Статус экспорта процедур создания

Для двух процедур создания, объявленных в классе POINT1, предложение feature имело вид feature {NONE}. Это означает, что эти процедуры закрыты для обычных вызовов, но остаются открытыми для порождающих вызовов. Только что представленные два примера порождающих вызовов являются корректными, но нормальные вызовы, например my_point.make_cartesian (0, 1) или my_point.make_polar (1, Pi/2) некорректны, так как процедуры недоступны клиентам со статусом обычных компонентов.

Решение о закрытости процедур означает, что мы не хотим после создания точки дать возможность клиентам прямого доступа к изменению их координат, хотя они могут делать это через другие процедуры класса, например такие, как translate и scale . Конечно, это лишь одна из возможных политик, вполне разумно экспортировать процедуры создания клиентам, придавая им дополнительно статус обычных процедур.

Для процедур создания можно установить выборочный статус порождающего вызова. Для этого достаточно в предложении creation перечислить классы, которым разрешается создавать объекты:

class C creation {A, B, ...}

p1, p2,

...

Этот прием применяется значительно реже, чем задание статуса экспорта этих процедур как обычных компонентов класса в предложении feature. Важно помнить, что статус экспорта порождающего вызова и статус экспорта обычного вызова не зависят друг от друга, они устанавливаются независимо в разных предложениях.

Правила, применимые к процедурам создания

Две формы инструкций создания: create x и create x.p (...) , являются взаимно исключающими. Если в классе задано предложение creation , то допускается только порождающие вызовы, базовая форма создания считается в этом случае недопустимой и отвергается компилятором.

Это соглашение кажется на первый взгляд странным, но смысл его становится понятным при рассмотрении требований согласованности объекта. Объект - это не просто набор полей, это реализация АТД, так что поля его будут согласованы только если они удовлетворяют ограничениям, заданным спецификацией АТД. Вот типичный пример. Предположим, что объект задает некоторую личность с двумя полями - год рождения и возраст. Понятно, что согласованность этого объекта не допускает независимых значений этих полей, они связаны вполне определенным соотношением, которое может быть частью спецификации. Инструкция создания обязана всегда производить на свет согласованный объект. Базовая форма этой инструкции применима только в тех частных и довольно редких случаях, когда стратегия умолчания удовлетворяет требованиям согласованности. Во всех остальных случаях в классе требуется определять процедуры создания, что автоматически запрещает использование базовой инструкции создания.

В тех редких случаях, когда инициализация по умолчанию допустима, поскольку удовлетворяет инварианту класса, может появиться желание включить ее в состав процедур создания. Для этого необходимо в список процедур создания включить специальную процедуру, наследуемую от класса ANY, с именем nothing. Как следует из ее имени, эта процедура без аргументов ничего не делает, имея пустое тело. Вот пример подобного включения:

class C creation

nothing, some_creation_procedure, some_other_creation_procedure...

feature

...

Хотя по-прежнему базовая инструкция создания является некорректной в этом случае, но теперь клиент имеет возможность создать объект порождающим вызовом create x.nothing

В заключение обратите внимание на специальное правило - теперь появилась возможность определить класс, клиенты которого не смогут создавать экземпляры класса. Вот пример того, как этого можно добиться:

class C creation

-- Здесь ничего не указано!

feature

... Текст класса, как обычно ...

end

Класс имеет предложение creation , но пустое. Это означает согласно установленным правилам, что создавать объекты можно только с помощью процедур создания, которых нет, что означает невозможность создания объектов.

Если ограничиться ОО-механизмом, рассмотренным до сих пор, то такая возможность запрета на создание объектов класса кажется надуманной. Знакомство с наследованием придает ей смысл, - иногда желательно использовать класс только в интересах наследования. Эта цель и может быть достигнута таким способом. Заметьте, этого же можно добиться, сделав класс абстрактным (отложенным). Но в этом случае у класса должен быть, по крайней мере, один отложенный метод. Иногда разумно полностью определить методы, но не включить в класс процедуры создания.

Процедуры создания и перегрузка

В продолжение обсуждения полезно сравнить применяемый подход с несколькими процедурами создания с подходом, используемым в языках C++/Java. В этих языках применяется техника, основанная на перегрузке. Суть ее такова: все процедуры создания, называемые конструкторами, перегружены - они имеют одно и то же имя, совпадающее с именем класса. Конструкторы должны иметь различную сигнатуру (отличаться числом и/или типами аргументов).

Как мы видели при обсуждении перегрузки, сигнатура не является подходящим критерием распознавания. Например: конструкторы make_cartesian и make_polar имеют одинаковую сигнатуру, так что придется вводить искусственный аргумент в один из конструкторов, чтобы стало возможным отличить вызов нужного конструктора.

Наша техника кажется предпочтительнее во всех отношениях. Минимум усилий (никаких процедур создания), если инициализация по умолчанию применима; при желании позволяет предотвратить создание объектов клиентами; вводит столько процедур создания, сколько необходимо, не создавая никаких коллизий; каждая процедура создания имеет собственное имя, облегчая понимание ее предназначения, например make_polar .

Еще о ссылках

Модель периода выполнения определяет важную роль ссылок. Рассмотрим некоторые их свойства, в частности, понятие пустой (void) ссылки и связанные с ней проблемы.

Состояния ссылок

Ссылка может находиться в одном из двух состояний - она может быть пустой или присоединенной. Мы уже видели, что изначально ссылка всегда находится в состоянии void и может стать присоединенной благодаря созданию объекта. Вот как выглядит более полная картина, показывающая все возможности перехода между состояниями:

Рис. 8.11.  Возможные состояния ссылки и переходы

Помимо создания, ссылка может изменять состояние в результате присваивания. Проверьте себя, понимаете ли вы разницу между тремя понятиями - объектом, ссылкой и сущностью:

[x]. "Объект" - это понятие периода выполнения; любой объект является экземпляром класса, создается во время выполнения системы и представляет собой набор полей.

[x]. "Ссылка" - это понятие периода выполнения. Значение ссылки либо void , либо она присоединена к объекту. Точное определение "присоединения" уже появлялось. Присоединенная ссылка однозначно идентифицирует объект.

[x]. "Сущность" - это статическое понятие, применимое к программному тексту, - это идентификатор в тексте класса, представляющий значение или множество значений в период выполнения. Сущностями являются обычные переменные, именованные константы, аргументы подпрограмм и результаты функций.

Если b - сущность ссылочного типа, то ее значением в период выполнения является ссылка, которая может быть присоединена к объекту O. В этом случае говорим, что сущность b присоединена к O.

Вызовы и пустые ссылки

В большинстве случаев мы ожидаем, что ссылка присоединена к объекту, хотя допустимо иметь и пустые ссылки. Ссылки void играют важную роль в ОО-модели вычислений. В предыдущей лекции подробно разбиралась фундаментальная операция ОО-модели - вызов компонента - применение к экземпляру класса компонента этого класса. Вот как это пишется:

some_entity.some_feature (arg1, ...)

Для корректного выполнения вызова сущность some_entity должна быть присоединена к нужному целевому объекту. Если случится, что some_entity ссылочного типа и имеет значение void , то вызов не может быть обработан, так как необходим целевой объект.

ОО-система никогда не должна в момент выполнения вызывать компонент с целевым объектом void . Результатом подобного вызова будет исключение (exception).(Исключения и их обработка будут изучаться в лекции 12)

Было бы прекрасно, если бы компилятор проверял программный текст и гарантировал, что подобные события не встретятся в период выполнения, точно также как он проверяет отсутствие несовместимости типов, используя соответствующие правила типизации. К сожалению, такая цель недостижима для компиляторов, если только не накладывать жестких ограничений на язык. Так что ответственность за то, чтобы все вызовы имели присоединенный целевой объект, возлагается на разработчика. Конечно, есть простой способ - окружать все вызовы тестом:

if "x не void" then

x.f (...)

else

...

end

Этот прием не применим в качестве универсального требования, хотя и может использоваться, когда из контекста не следует, что целевой объект не будет пуст.

Вопрос о не пустоте ссылок является частью вопроса корректности ПО. Для проверки корректности системы необходимо проверить, что нет вызовов, применимых к void ссылкам, и что все утверждения (изучаемые в последующих лекциях) удовлетворяются в соответствующий момент выполнения. Проверка не пустоты, также как и проверка утверждений, могла бы проводиться специальным автоматом - верификатором, встроенным в компилятор или являющимся независимым средством. В отсутствие такого механизма подобные нарушения приведут к ошибке периода выполнения - исключению. Разработчики могут защитить ПО двумя путями:

[x]. В процессе разработки использовать все доступные приемы, позволяющие избежать ошибочных ситуаций, применяя, например, средства, позволяющие выполнять частичную проверку.

[x]. Если остаются малейшие сомнения, то поставлять ПО с механизмом обработки исключений.

Операции над ссылками

Мы уже знакомы с одним из способов изменения значения ссылки x: использование инструкции создания в форме create x , позволяющей создать новый объект и присоединить его к ссылке. Имеются и другие интересные операции, доступные при работе со ссылками.

Присоединение ссылки к объекту

Классы, появляющиеся в этой лекции, не имели подпрограмм - у них были только атрибуты. Как отмечалось, такие классы почти бесполезны, так как у них нет способа изменить значение атрибутов. Необходимы способы модификации ссылок, не использующие при этом инструкций в духе языков Pascal-C-Java-C++, подобных присваиванию: my_beloved.loved_one := me (напрямую изменяющих у объекта поле loved_one), что нарушает принцип скрытия информации и синтаксически некорректно в нашей нотации.

Для модификации полей объекта клиент обязан вызвать подпрограмму, специально поставляемую разработчиком класса для этих целей. Давайте включим в класс PERSON1 процедуру, позволяющую модифицировать поле loved_one. Вот результат:

class PERSON2 feature

name: STRING

loved_one, landlord: PERSON2

set_loved (l: PERSON2) is

-- Присоединить поле loved_one текущего объекта к объекту l.

do

loved_one := l

end

end

Процедура set_loved присваивает ссылочному полю loved_one текущего экземпляра PERSON2 значение другой ссылки l. Ссылочное присваивание (левая и правая части являются ссылками) присваивает значение источника (правой части) целевой ссылке (слева).

Эффект ссылочного присваивания очевиден: целевая ссылка становится присоединенной к объекту, к которому присоединен источник - или становится void, если такое значение имеет источник. Предположим, например, что мы начинаем с ситуации, изображенной на рис.8.12 , где поля landlord и loved_one всех изображенных объектов пока пусты.

Рис. 8.12.  Перед присваиванием ссылке

Предположим, что выполняется вызов процедуры:

a.set_loved (r)

Сущность a присоединена к объекту O1, а сущность r - к O3. В результате выполнения процедуры set_loved выполнится присваивание:

loved_one := l

Здесь в роли текущего объекта выступает объект O1, сущности l и r имеют одинаковое значение - ссылки на объект O3. В результате изменится значение поля loved_one объекта O1 - ссылка присоединится к другому объекту O3, как показано на следующем рисунке:

Если бы r было пустой ссылкой, то такой же в результате присваивания стала бы и ссылка в поле loved_one объекта O1.

Рис. 8.13.  После присваивания ссылки

Сравнение ссылок

Наряду с присваиванием возникает необходимость и в тесте - проверить, присоединены ли две ссылки к одному и тому же объекту. Для этого есть оператор эквивалентности =.

Если x и y - сущности ссылочного типа, то выражение:

x = y

истинно тогда и только тогда, когда обе ссылки пусты или присоединены к одному и тому же объекту. Противоположный оператор "не эквивалентно" записывается как /=.

Выражение:

r = a.loved_one

истинно в ситуации, представленной на рис.8.13 и ложно для ситуации рис.8.12 .

Заметьте, в операциях эквивалентности сравниваются ссылки, а не объекты, к которым они присоединены. Так что если две ссылки присоединены к разным объектам, результатом операции эквивалентности будет false, даже если объекты имеют все поля с одинаковыми значениями. Операции, сравнивающие объекты, а не ссылки, будут введены позднее.

Значение void

Получить пустую ссылку достаточно просто - при инициализации по умолчанию все ссылки пусты. Однако удобно иметь специальное имя для ссылки, доступной в любом контексте и имеющей значение void . Предопределенный компонент

Void

играет эту роль.

Обычно компонент Void используется в тестах, проверяющих пустоту ссылок:

if x = Void then ...

и для того, чтобы присвоить некоторой ссылке это значение:

x := Void

В результате последнего присваивания происходит отсоединение ссылки от объекта, и она становится пустой. Эта ситуация показана на следующем рисунке:

Рис. 8.14.  Отсоединение ссылки от объекта

Присваивание Void ссылке не оказывает никакого влияния на объект, ранее присоединенный к ссылке, - разрывается только связь между ссылкой и объектом. Было бы некорректно рассматривать эту операцию как освобождение памяти, так как другие ссылки могут продолжать быть связанными с объектом (на рисунке x может быть отсоединено от объекта O1, но другие ссылки могут быть еще присоединены к нему). Об управлении памятью смотри следующую лекцию.

Клонирование и сравнение объектов

Ссылочное присваивание приводит к тому, что две или несколько ссылок присоединяются к одному объекту. Иногда необходима другая форма присваивания, в результате которой мы хотим получить не копию ссылки, а копию объекта. Эта цель достигается при вызове функции клонирования clone.

Если y присоединено к объекту OY, выражение

clone (y)

означает создание нового объекта OX , такого, что он имеет те же поля, что и OY, и все соответствующие поля имеют идентичные значения. Если y равно void, то значение clone (y) также void.

Скопировать присоединенный к y объект и связать копию со ссылкой x позволяет присваивание:

[1]

x := clone (y)

Вот иллюстрация этого механизма:

Рис. 8.15.  Клонирование объекта

Наряду со сравнением ссылок необходим механизм, позволяющий сравнивать объекты. Этой цели служит функция equal . Вызов:

equal (x, y)

возвращает значение true, если и только если x и y оба имеют значение void или присоединены к двум объектам с идентичными полями. После выполнения присваивания с клонированием [1], состояние, непосредственно следующее за присваиванием, удовлетворяет equal (x, y).

Возможно, вы удивляетесь, почему у функции clone есть аргумент, а у функции equal - их два. Для ОО-стиля характерен квалифицируемый вызов в форме: y.twin и x.is_equal (y). Ответ появится в разделе обсуждения, но это будет еще не скоро, так что попытайтесь догадаться сами.

Копирование объектов

Функция clone создает новую копию существующего объекта. Иногда целевой объект уже существует, и все, что необходимо, это скопировать значения полей. Процедура copy выполняет эту работу. Она вызывается обычным образом:

x.copy (y)

Сущности x и y должны быть одного и того же типа; эффект от выполнения - копирование полей объекта, присоединенного к y, в соответствующие поля объекта, присоединенного к x.

Как и во всех вызовах компонента, вызов copy требует, чтобы целевой объект x был не пуст. Дополнительно требуется, чтобы и y был не пуст. Эта неспособность иметь дело с пустыми ссылками отличает copy от clone.

Требование не пустоты y настолько важно, что должен существовать способ для его формального выражения. Фактически речь идет о более общей проблеме: как программа может задать предусловия на аргументы, передаваемые клиентом при ее вызове. Такие предусловия, являясь частным случаем общего понятия "утверждение" в деталях будут обсуждаться в последующих лекциях. Аналогично, нам хотелось бы уметь выражать в виде постусловия семантическое свойство, отмеченное выше, - результат выполнения clone удовлетворяет equal.

Процедура copy может считаться более фундаментальной, чем функция clone в том смысле, что, по меньшей мере, для класса без процедуры создания можно выразить clone в терминах copy следующим образом:

clone (y: SOME_TYPE) is

-- Void если y равно void; иначе дублировать присоединенный к y объект

do

if y /= Void then

create Result --Правильно только в отсутствие процедур создания

Result.copy (y)

end

end

При вызове функции сущность Result автоматически инициализируется в соответствии с общими правилами для атрибутов. Вот почему нет необходимости в ветви else условного оператора: Result инициализируется значением Void , так что результатом функции будет void , если значение y это void.

Глубокое клонирование и сравнение

Формы копирования и сравнения, реализуемые подпрограммами clone, equal и copy , называются поверхностными, поскольку они работают с объектами только на первом уровне, никогда не пытаясь следовать вглубь по ссылкам. Возникает необходимость для глубоких вариантов этих операций, рекурсивно дублирующих полную структуру.

Для понимания разницы рассмотрим пример, показанный на рис.8.16. Предположим, что мы начинаем в начальном состоянии A, где сущностьaприсоединена к объекту O1.

Рис. 8.16.  Различные формы присваивания и клонирования

Рассмотрим простое присваивание ссылки:

b := a

В состоянии B, показанном на рисунке, цель b в результате присваивания присоединена к объекту O1, к которому присоединен источник a. Никаких новых объектов не создается.

Далее рассмотрим операцию клонирования:

c := clone (a)

Эта инструкция, как показывает раздел C нашего рисунка, создает новый объект O4, с полями, идентичными полям объекта O1. Будут скопированы два ссылочных поля, и значения ссылок будут указывать на те же объекты O1 и O3, как и поля оригинального объекта O1. Но, заметьте, не происходит дублирования самого объекта O3, и никакого другого объекта помимо дублирования O1. По этой причине базисная операция clone называется поверхностным клонированием, - она останавливается на первом уровне объектной структуры.

Заметьте, при клонировании исчезли ссылки на себя. Ссылка landlord объекта O1 была присоединена к самому объекту O1. У объекта O4 это поле становится ссылкой на оригинал O1.

В некоторых ситуациях вы, возможно, захотите пойти дальше и дублировать структуру рекурсивно без введения разделяемых ссылок. Функция глубокого клонирования deep_clone позволяет достичь цели. Процесс создания deep_clone (y) рекурсивно следует за всеми ссылочными полями, содержащимися в объекте, дублируя полную структуру. (Если y это void, то и результат будет также void.) Эта функция будет, конечно же, правильно обрабатывать циклические ссылочные структуры.

Нижняя часть на рисунке - раздел D - иллюстрирует выполнение этой операции:

d := deep_clone (a)

В этом случае не появляются новые разделяемые ссылки. Все объекты, прямо или косвенно доступные объекту O1, будут дублированы, создавая новые объекты O5, O6 и O7. Нет никаких связей между старыми объектами (O1, O2 и O3) и новыми. Объект O5, дублирующий O1, имеет собственные ссылки на себя.

Так же, как необходимы операции глубокого и поверхностного клонирования, необходимо иметь глубокий вариант эквивалентности. Функция deep_equal сравнивает две объектные структуры, определяя их структурную идентичность. В примере, показанном на рисунке, deep_equal выполнимо для любой пары из a, b и d. В то же время equal (a, c) истинно, поскольку поля объектов O1 и O4 идентичны, equal (a, d) - ложно. Фактически equal не выполнимо ни для одной пары из d и любого элемента оставшейся тройки. В целом имеют место следующие свойства:

[x]. В результате присваивания x := clone (y) или вызова x.copy (y), выражение equal (x, y) имеет значение true (в случае присваивания это свойство имеет место независимо от того, имеет ли y значение void).

[x]. В результате присваивания x := deep_clone (y), выражение deep_equal (x, y) имеет значение true.

Эти свойства будут отражены в постусловиях соответствующих подпрограмм.

Глубокое хранилище: первый взгляд на сохраняемость

Изучение глубокого копирования и эквивалентности приводит к механизму, обеспечивающему серьезные практические преимущества ОО-метода, естественно, при условии его доступности в среде разработки.

До сих пор обсуждение не затрагивало вопросов ввода и вывода. Но, конечно, ОО-системе необходимо общаться с внешним миром и другими системами. Такое общение предполагает возможность чтения и записи объектов в различные хранилища - файлы, базы данных, сеть.

Для простоты в этом разделе будем предполагать, что проблема сводится к чтению и записи файлов. Для этих операций будем использовать термины "возвратить" (retrieval) и "сохранить" (storage), адекватные терминам ввод и вывод (input, output). Изучаемые механизмы должны быть применимыми при использовании других средств коммуникации, например при посылке и получении объектов по сети.

Для экземпляров таких классов, как POINT или BOOK1 сохранение и возвращение объектов не является какой-либо новинкой. Эти классы, используемые в качестве первых примеров этой лекции, имеют атрибуты таких типов, как INTEGER, REAL и STRING, для которых доступно хорошо понятное внешнее представление. Сохранение или возвращение экземпляра такого класса из файла подобно выполнению операций ввода-вывода записей в языке Паскаль или структур языка С. Для этих хорошо известных технических проблем существуют стандартные решения. Поэтому резонно ожидать, что объектам в хорошем ОО-окружении можно предоставить процедуры общего назначения, скажем read и write, которые подобно clone и copy будут доступны для всех классов.

Но такие механизмы не могут нас полностью устраивать, поскольку они не управляют главным элементом объектной структуры - ссылками. Так как ссылки могут быть представлены адресами памяти или чем-то подобным, то и для них можно найти подходящее внешнее представление. Это не самая трудная часть проблемы. Сложнее обстоит дело с передачей смысла самих ссылок. Ссылки присоединены к объектам и бесполезны в отсутствие этих объектов. Так что, как только мы начинаем иметь дело с нетривиальными объектами - объектами, содержащими ссылки, нас перестают устраивать старые механизмы сохранения и возвращения, работающие только со значениями. Механизмы должны вместе с объектом обрабатывать и всех его связников (dependents) в соответствии со следующим определением:

Определение: связники, прямые связники

Прямыми связниками объекта являются объекты, присоединенные к его ссылочным полям, если таковые имеются.

Связниками объекта являются сам объект и (рекурсивно) связники его прямых связников.

Для структуры объектов, показанной на рис.8.17, было бы бессмысленно сохранить в файле или передать по сети только объект O1. Операция должна включать связников O1 - объекты O2 и O3.

Рис. 8.17.  Три взаимно зависимых объекта

В этом примере любой из трех объектов рассматривает оставшиеся два как своих связников. В примере, показанном на рис.8.18, объект W1 можно сохранить независимо, но сохранение объектов B1 или B2 требует сохранения также и W1.

Рис. 8.18.  Объекты «Book» и «Writer»

Понятие связников неявно присутствует в представлении deep_equal. Вот общее правило:

Принцип Замыкания Сохраняемости (Persistence Closure principle)

Всякий раз, когда механизм сохранения сохраняет объект, он должен сохранять и связников этого объекта. Всякий раз, когда механизм возвращения возвращает объект, он должен возвращать и связников этого объекта, если они еще не были возвращены.

Базисным механизмом, реализующим эти цели, является библиотечный класс STORABLE, включенный в библиотеку Base. Основными компонентами класса STORABLE являются:

store (f: IO_MEDIUM)

retrieved (f: IO_MEDIUM): STORABLE

Вызов x.store (f) сохраняет в файле, связанном с f, объект, присоединенный к x, вместе со всеми его связниками. Объект, присоединенный к x, называют головным объектом хранимой структуры. Порождающий класс для x должен быть потомком STORABLE. Это требуется только для класса головного объекта и не распространяется на связников.

Класс IO_MEDIUM это еще один класс библиотеки Base, предназначенный для работы не только с файлами, но и для передачи данных по сети. Очевидно, f не должно быть void, а присоединенный файл или сетевое устройство должны допускать запись.

Вызов retrieved (f) возвращает структуру объектов, идентичную структуре, сохраняемой в f предыдущим вызовом store. Компонент retrieved - это функция, возвращающая в качестве результата ссылку на головной объект возвращаемой структуры объектов.

Механизм STORABLE это наш первый пример важного свойства сохраняемости (persistence) объектов. Объект сохраняем, если он продолжает существовать по окончании очередной сессии работы системы. Класс STORABLE обеспечивает только частичное решение проблемы, накладывая ряд ограничений:

[x]. В сохраняемой и возвращаемой структуре только один объект известен индивидуально - головной объект. Было бы желательно уметь идентифицировать и другие объекты.

[x]. Как следствие, механизм не позволяет выборочное получение объектов, через запросы или по ключу, как это делается, например, в базах данных.

[x]. Вызов retrieved воссоздает полную структуру объектов. Это означает невозможность использовать два или более таких вызовов для получения отдельных частей структуры, если только структуры не являются независимыми.

В развитие этой темы следует перейти от понятия механизма сохранения к общему понятию ОО-базы данных, подробно рассматриваемому в лекции 13 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования". В ней обсуждаются проблемы механизмов сохранения STORABLE и другие проблемы, такие как эволюция схем и идентичность объектов сохранения.

Отмеченные выше ограничения механизма STORABLE нисколько не умаляют его практическую ценность. Хорошо известно, что отсутствие подобного механизма - одно из главных препятствий на пути широкого использования сложных структур данных в традиционном окружении. Без него хранение данных требует значительных программистских усилий: для каждого вида структуры приходится писать несколько взаимосвязанных рекурсивных процедур, реализующих операции ввода-вывода, также как и специальные механизмы обхода динамических структур данных. Но хуже всего - при изменении структуры данных приходится вновь обращаться к этим программам, внося соответствующие исправления.

Предопределенный механизм STORABLE позволяет решить все эти проблемы независимо от того, какова структура объектов, ее сложность, учитывая при этом эволюцию ПО.

Типичным приложением механизма STORABLE является свойство SAVE. Рассмотрим интерактивную систему, например текстовый редактор, графический редактор или систему компьютерного проектирования. Во всех случаях пользователю необходимо предоставить команду SAVE, сохраняющую состояние текущей сессии в файле. Хранимая информация должна быть достаточной для продолжения работы, так что она должна включать все важные структуры данных системы. Механизм STORABLE и хороший выбор головного объекта позволяет реализовать свойство SAVE одной командой:

head.store (save_file)

Уже одной этой причины достаточно для рекомендации выбора ОО-окружения в сравнении с другими более традиционными средами разработки.

Составные объекты и развернутые типы

Обсуждение структуры объектов времени выполнения показало важную роль ссылок. Для завершения картины необходимо выяснить, как работать со значениями, представляющими собой не ссылки на объекты, а непосредственно сами объекты.

Ссылок не достаточно

До сих пор все значения целочисленных, булевых и других аналогичных типов рассматривались как ссылки на объекты. Однако по двум причинам необходимы сущности, значениями которых являются объекты:

[x]. В предыдущей лекции была поставлена важная цель - построение полностью унифицированной системы типов. В этой схеме базовые типы (BOOLEAN, INTEGER и др.) обрабатываются аналогично типам, введенным разработчиком (POINT, BOOK и др.). Тем не менее, если используется сущность n типа INTEGER, то в большинстве случаев удобнее полагать, что значение n - целое число, а не ссылка на объект содержащий целое число. Это удобнее отчасти по соображениям эффективности. Понятно, что для размещения целочисленных объектов необходимо больше памяти, а на обработку косвенного доступа к ним - дополнительное время. Кроме того, концептуально целое число и ссылка на целое число - совершенно различные понятия. Этот довод важен, если нашей целью является построение точной модели.

[x]. Даже в случае сложных, определенных программистом объектов, может оказаться предпочтительным включение в объект O1 подобъекта O2, а не ссылки на внешний объект O2. Причиной такого подхода могут быть повышение эффективности, точное моделирование или и то, и другое.

Развернутые типы

Удовлетворить потребность в составных объектах очень просто. Пусть C- класс, определенный так, как это делалось до сих пор

class C feature

...

end

Класс C может использоваться в качестве типа. Любая сущность типа C является ссылкой. По этой причине C называется ссылочным типом (reference type).

Теперь предположим, что нам необходима сущность x, значение которой во время выполнения будет экземпляром C, а не ссылкой на такой экземпляр. Это достигается следующим объявлением x:

x : expanded C

Эта нотация использует новое ключевое слово expanded (развернутый). Нотация expanded C означает, что экземпляры этого типа в точности соответствуют экземплярам C. Единственное отличие от обычного объявления типа состоит в том, что сущности типа C обозначают ссылки, которые могут быть присоединены к экземплярам C, а сущности типа expanded C обозначают непосредственно экземпляры C.

Таким образом, к структуре, определенной в предыдущих разделах, добавлено понятие составного объекта (composite object). Объект O называется составным, если одно или более его полей являются объектами - подобъектами (subobjects) O . Следующий класс является примером описания составных объектов:

class COMPOSITE feature

ref: C

sub: expanded C

end

Класс COMPOSITE имеет два атрибута: ref, обозначающий ссылку, и sub, обозначающий подобъект. Вот как выглядит прямой экземпляр COMPOSITE.

Рис. 8.19.  Составной объект с одним подобъектом

Поле ref является ссылкой, присоединенной к экземпляру C (возможно, пустой ссылкой). Поле sub содержит экземпляр C и не может быть пустым.

Удобно несколько расширить нотацию. Иногда при проектировании класса, например E, хотелось бы установить, что все экземпляры класса должны быть развернутыми. Чтобы сделать это требование явным, следует объявить класс в следующей форме:

expanded class E feature

... Далее все аналогично любому другому классу ...

end

Так определенный класс называется развернутым классом. Такое объявление класса никак не отражается на экземплярах класса, они остаются такими же, как если бы класс был объявлен просто class E. Но сущности типа E изменяются - теперь их значения не ссылки, а сами объекты. Как следствие этой новой возможности понятие развернутого типа включает два случая:

Определение: развернутый тип

Тип является развернутым в двух случаях:

Он задан в форме: expanded C

Он задан в форме E, где E - развернутый класс.

Объявление вида

x: expanded E

где E - развернутый класс, не будет ошибкой, поскольку эквивалентно

x: E

Таким образом, имеется два вида типов. Тип, не являющийся развернутым, является ссылочным типом. Эту терминологию можно использовать и для сущностей - ссылочные сущности и развернутые сущности. Аналогично и классы могут быть ссылочными и развернутыми.

Роль развернутых типов

Почему нам нужны развернутые типы? Они играют три важные роли:

[x]. улучшают эффективность;

[x]. обеспечивают лучшее моделирование;

[x]. поддерживают базисные типы в унифицированной ОО-системе типов.

Первое применение наиболее очевидно: без развернутых типов каждый раз необходимо использовать ссылки для описания составных объектов. Это означало бы при каждом обращении к подобъекту выполнения операции, называемой "разыменование" (dereferencing), что влекло бы к временным потерям. Помимо этого, есть и потери в памяти, поскольку нужно отводить память не только объектам, но и самим ссылкам.

Аргумент производительности, однако, не является ключевым. ОО-конструирование ПО зачастую рассматривается как моделирование. Для отражения реальности необходимо моделировать объект как составной, а не как объект со ссылками. Это концептуальная проблема, а не проблема реализации.

Рассмотрим два объявления атрибутов:

D1. ref: S

D2. exp: expanded S

Объявления появляются в классе C, предполагается также, что S это ссылочный класс. Объявление D1 отражает тот факт, что каждый экземпляр класса C "знает о" существовании некоторого экземпляра S (если только ref не является void). Объявление D2 более требовательное: оно устанавливает тот факт, что каждый экземпляр класса C "содержит" экземпляр S. Даже если не думать о проблемах реализации, следует понимать, что речь идет о двух разных отношениях.

Отношение "содержит", поддерживаемое развернутыми типами, не допускает никакого разделения встроенного объекта, в то время как отношение "знает о" допускает несколько ссылок, присоединенных к объекту.

Вот пример объявления класса:

class WORKSTATION feature

k: expanded KEYBOARD

c: expanded CPU

m: expanded MONITOR

n: NETWORK

...

end

Рабочая станция имеет клавиатуру, ЦПУ, монитор и подключена к сети. Клавиатура, ЦПУ и монитор являются частью данного компьютера и не могут разделяться двумя или несколькими рабочими станциями. Однако несколько рабочих станций подключены к одной и той же сети. Эти особенности проявляются в определении класса, использующем развернутые типы для первых трех атрибутов и ссылочный тип для атрибута "сеть".

Рис. 8.20.  Отношения между объектами: «знает о» и «содержит»

Итак, концепция развернутого типа, появившаяся вначале как техника уровня реализации, фактически помогла описать некоторые из отношений, используемых при информационном моделировании. Отношение "содержит" и обратное к нему отношение "быть частью" являются центральными при построении моделей внешних систем; они появляются в методах анализа и при моделировании баз данных.

Третье важное приложение развернутых типов фактически является частным случаем второго. В предыдущей лекции подчеркивалась желательность унифицированной системы типов, включающей как встроенные, так и пользовательские типы. Пример REAL использовался, чтобы показать, как с помощью инфиксных и префиксных компонентов можно промоделировать понятие вещественного числа как класса. То же самое нетрудно проделать и для других базисных типов: BOOLEAN, CHARACTER, INTEGER, DOUBLE. Но проблема все же остается. Если классы рассматривать как ссылочные, то сущности базисных типов, такие как

r: REAL

будут в период выполнения ссылками на возможные объекты, содержащие значение (в данном случае REAL). Это неприемлемо: чтобы соответствовать общей практике программирования значение должно быть не ссылкой, а самим вещественным числом. Решение проблемы немедленно следует из обсуждения - класс REAL следует объявить как развернутый. Его объявление должно быть таким:

expanded class REAL feature

... Объявления компонент такие же как и ранее ...

end

Все другие базисные типы объявляются подобным образом как развернутые.

Агрегирование

В некоторых областях информатики - базах данных, моделировании, анализе требований - разработана классификация отношений, имеющих место между элементами моделируемой системы. В этих контекстах часто встречается отношение "агрегирования" (aggregation), выражающее тот факт, что каждый объект некоторого типа является агрегатом - содержит в своем составе ноль или более объектов, каждый из которых имеет свой собственный тип. Например: автомобиль является агрегатом, содержащим мотор, кузов и другие детали.

Развернутые типы обеспечивают эквивалентный механизм. Мы можем, например, объявить класс CAR с компонентами развернутых типов: expanded ENGINE и expanded BODY. Другой способ основан на том, что агрегирование представляется отношением "развернутый клиент". Говорят, что класс Cявляется развернутым клиентом класса S, если он содержит объявление компонента типа expanded S (или просто S, если S развернут). Одно из преимуществ такого модельного подхода в том, что развернутый клиент - это частный случай общего отношения "быть клиентом", так что можно использовать общие рамки и нотацию, комбинируя зависимости, подобные агрегированию с зависимостями, допускающими разделение. Примером могут служить с одной стороны - отношение между WORKSTATION и KEYBOARD, с другой - отношение между WORKSTATION и NETWORK.

Используя ОО-подход, можно избежать множественности отношений, используемых в литературе по информационному моделированию, - все покрывается двумя отношениями: клиент (развернутый или нет) и наследование.

Свойства развернутых типов

Рассмотрим развернутый тип E (в любой форме) и развернутую сущность x типа E.

Так как значение x это всегда объект, то он не может быть void. Так что булево выражение:

x = Void

будет всегда вырабатывать значение false, и вызов в форме x.some_ feature (arg1, ...) никогда не приведет к возбуждению исключения из-за void цели, что могло случиться для ссылочной сущности.

Пусть объект O является значением x. Как и в случае не пустой ссылки, говорят, что x присоединено к O. Итак, для любой сущности, значение которой не void, можем говорить о присоединенном объекте, независимо от типа - ссылочного или развернутого - сущности.

Что можно сказать о создании развернутых объектов? Инструкцию:

create x

можно применить к развернутому x. Для ссылки x эффект достигался за три шага: (C1) создание нового объекта; (C2) инициализация его полей значениями по умолчанию; (C3) присоединение к x. Для развернутого x, шаг C1 неуместен, а шаг C3 бесполезен; так что единственный эффект состоит в инициализации полей значениями по умолчанию.

В общем случае, в случае присутствия развернутых типов инициализация по умолчанию предполагает выполнение шага C2. Предположим, что класс, развернутый или нет, включает развернутые атрибуты:

class F feature

u: BOOLEAN

v: INTEGER

w: REAL

x: C

y: expanded C

z: E

...

end

Класс E развернут, а класс C нет. Инициализация прямого экземпляра F включает установку поля u в false, v - в 0, w - в 0.0, x - ссылкой void, а экземпляры y и z станут экземплярами классов C и E соответственно, чьи поля будут инициализированы в соответствии со стандартными правилами. Этот процесс инициализации может быть рекурсивно продолжен, поскольку поля экземпляров C и E могут быть в свою очередь развернутыми.

Как можно было понять, использование развернутых типов требует введения некоторых ограничений, гарантирующих, что рекурсивный процесс создания будет конечным. Хотя, как отмечалось ранее, клиентские отношения в общем случае могут включать циклы, такие циклы не должны включать развернутые атрибуты. Например, недопустимо для класса C иметь атрибут типа expanded D, если класс D имеет атрибут типа expanded C. Это означало бы, что каждый объект Cвключал бы подобъект D, который бы включал подобъект C и так далее. Сформулируем правило "развернутого клиента", ранее введенное неформально:

Правило Развернутого Клиента

Пусть отношение "развернутый клиент" определяется следующим образом: класс C является развернутым клиентом класса S, если некоторый атрибут C является развернутым типом, основанным на классе S.

Тогда отношение развернутый клиент не может включать никаких циклов.

Другими словами, не может существовать множества классов A, B, C, ... N, где каждый последующий является развернутым клиентом предыдущего, а последний класс N является развернутым клиентом класса A. В частности, класс A не может иметь атрибут типа expanded A, так как это делало бы класс A своим развернутым клиентом.

Недопустимость ссылок на подобъекты

Заключительное замечание ответит на вопрос, как сочетаются ссылки и подобъекты. Развернутый класс или развернутый тип, основанный на ссылочном классе, может иметь ссылочные атрибуты. Вполне допустимо, чтобы подобъект содержал ссылки на объекты, как показано на рисунке:

Рис. 8.21.  Подобъект со ссылкой на другой объект

Приведенная ситуация предполагает следующие объявления:

Class COMPOSITE1 feature

other: SOME_TYPE

sub: expanded C

end

class C feature

ref: D

x: OTHER_TYPE; y: YET_ANOTHER_TYPE

end

class D feature

...

end

Каждый экземпляр класса COMPOSITE, такой как O_COMP на рис.8.21, имеет подобъект, (OC на рисунке) содержащий ссылку ref, которая может быть присоединена к объекту (OD на рисунке).

Но противоположная ситуация, где ссылка становится присоединенной к объекту, невозможна. Это будет следовать из правил присваивания и передаче аргументов, изучаемых в следующем разделе. Итак, структура времени выполнения никогда не может находиться в ситуации, показанной на рис.8.22, где OE содержит ссылку на OC, - подобъект O_CMP1, и OC содержит ссылку на себя.

Рис. 8.22.  Ссылка на подобъект

Это правило открыто для критики, поскольку оно ограничивает моделирующие возможности подхода. Предыдущая версия нотации книги допускала ссылки на подобъекты. Но эта возможность порождала больше проблем, чем она того стоит:

[x]. С позиций реализации: механизм сборки мусора в этом случае должен быть готов справляться со ссылками на подобъекты, даже если в текущем выполнении будет всего несколько подобных ссылок или их вообще не будет. Это приводит к существенной потере производительности.

[x]. С позиций моделирования: ссылки на подобъекты заставляют отказаться от упрощения описания системы, что можно сделать, определив единственную ссылочную единицу - объект.

Присоединение: две семантики - ссылок и значений

В этом разделе рассматривается специальная информация, и он может быть пропущен при первом чтении.

Введение развернутых типов требует возвращения к рассмотрению двух фундаментальных операций, уже рассмотренных в этой лекции, - присваивания и сравнения. Так как сущности теперь могут обозначать объекты, а не только ссылки, следует точно определить, каков смысл присваивания и эквивалентности в первом из этих случаев.

Присоединение

Семантика присваивания, как отмечалось, распространяется еще на одну операцию - передачу аргумента при вызове подпрограмм. Предположим, существует подпрограмма (процедура или функция) в форме:

r (..., x: SOME_TYPE, ...)

Здесь сущность x это один из формальных аргументов r. Рассмотрим теперь некоторый вызов r в любой из двух возможных форм - квалифицированный или неквалифицированный вызов:

r (..., y, ...)

t.r (..., y, ...)

Выражение y является фактическим аргументом, передаваемым формальному аргументу x.

Выполнение r при любом из этих вызовов начинается с инициализации формальных аргументов значениями соответствующих фактических аргументов. Для простоты и согласованности правила, определяющие передачу аргументов, те же, что и правила присваивания. Другими словами, инициализация формального аргумента эквивалентна выполнению присваивания:

x := y

Это правило приводит к определению:

Определение: Присоединение

Присоединение y к x является результатом выполнения следующих двух операций:

Присваивания в форме x := y

Инициализации x при вызове подпрограммы, где x - формальный аргумент, а y - фактический аргумент вызова.

В обоих случаях x является целью присоединения, а y - источником.

Одни и те же правила действуют в обоих случаях для определения корректности присоединения (в зависимости от типов цели и источника). При условии корректности одни и те же правила определяют, каков будет эффект присоединения в период выполнения.

Присоединение: ссылочное и копии

При изучении ссылочного присваивания мы уже познакомились с эффектом присоединения. Если источник и цель являются ссылками, то эффект присваивания:

x := y

и соответствующей передачи аргументов состоит в том, что x получает значение ссылки y. Это иллюстрировалось несколькими примерами. Если значением y является void, то операция вместо присоединения сделает и x равным void; если y присоединен к объекту, то и x будет присоединен к этому же объекту.

Что происходит, когда типы x и y развернуты? Ссылочное присваивание не имеет смысла, а вот поверхностная форма копирования вполне возможна. Так и происходит. Рассмотрим объявления:

x, y: expanded SOME_CLASS

Присваивание x := y будет копировать каждое поле объекта, присоединенного к y, в соответствующие поля объекта, присоединенного к x, создавая тот же эффект, что и выполнение:

x.copy (y)

Копирование также является легальной операцией, эквивалентной в этом случае присваиванию. (В случае ссылок копирование и присваивание тоже легальны, но имеют разный эффект.)

Семантика копирования для развернутых типов дает ожидаемый эффект для всех базисных типов, которые, как отмечалось выше все относятся к развернутым типам. Например, если m и n типа INTEGER, то мы ожидаем от присваивания m := n, (или от соответствующей передачи аргументов) копирования значения n в m.

Проведенный анализ применим и к связанной с присваиванием операции эквивалентности. Рассмотрим булевы выражения: x = y и x /= y. Для x и y ссылочных типов, как уже отмечалось, истинность первого выражения (ложность второго) достигается только тогда, когда источник и цель оба имеют значение void или оба присоединены к одному и тому же объекту. Для развернутых x и y, такая семантика неприемлема, - здесь действует другая семантика, основанная на последовательном сравнении значений соответствующих полей, так что в этом случае выражение x = y имеет то же значение, что и equal (x, y).

Разрешается, как мы увидим позже при обсуждении наследования, изменить семантику equal для придания специального смысла эквивалентности экземпляров некоторого класса. Это никак не отразится на операции эквивалентности =, которая по соображениям безопасности и простоты всегда имеет смысл оригинальной функции standard_equal.

Правило присваивания и сравнения обобщается в следующем замечании.

Присоединение y к x означает копирование объекта x, если x и y принадлежат развернутым типам. Это ссылочное присоединение, если x и y ссылочного типа. Аналогично, тесты: x=y и x/=y означают сравнение объектов для x и y развернутых типов; это ссылочное сравнение, если x и y ссылочного типа.

Гибридное присоединение

В рассматриваемых до сих пор случаях источник и цель принадлежали одной категории - оба развернутого или ссылочного типа. Что если они из разных категорий?

Вначале рассмотрим ситуацию, когда в присваивании x := y цель x развернутого типа, а источник y - ссылочного типа. Единственно приемлемой в этом случае является семантика копирования: копирование полей объекта, присоединенного к y, в поля объекта, присоединенного к x. Все хорошо, если y не void в период выполнения. Если y - void, то результатом будет включение исключения. (Исключения изучаются в лекции 12)

Для развернутого x тест x = Void не является причиной появления исключительной ситуации; он просто дает значение false. Но нет приемлемой семантики для присваивания x := Void, так что всякая подобная попытка приводит к появлению исключения.

Рассмотрим теперь другой случай присваивания: x := y, где x ссылочного типа, а y - развернутого. Тогда в период выполнения y всегда присоединен к объекту, который мы можем назвать OY, и присоединение также должно присоединить x к объекту. Казалось бы, что можно присоединить x непосредственно к OY. Однако это привело бы к созданию ссылки на подобъект, а подобные ссылки запрещены нашими правилами. Поэтому правильной стратегией является клонирование источника OY и присоединение x к созданной копии. Рассмотрим пример:

class C feature

...

end

class COMPOSITE2 feature

x: C

y: expanded C

reattach is

do x := y end

end

При вызове компонента reattach в результате присваивания x будет присоединен к объекту, являющемуся клоном объекта y.

Следующая таблица обобщает семантику присоединения изученных случаев:

Тип цели x

Тип источника y

Ссылочный

Развернутый

Ссылочный

Ссылочное присоединение

Клонирование: эффект x := clone(y)

Развернутый

Копирование: эффект x.copy(y) Ошибка, если y - void

Копирование: эффект x.copy(y)

Таблица 8.1. Эффект присоединения x:=y

Проверка эквивалентности

Семантика операций, проверяющих эквивалентность (= и /=) должна быть совместимой с семантикой присваивания. Наряду с операцией = можно использовать и equal. Какую из этих операций следует применять, зависит от обстоятельств.

[x]. (E1) Если x и y - ссылки, их можно тестировать как на ссылочную эквивалентность, так и на объектную эквивалентность при условии, что ссылки не void. Мы определили операцию x = y, как обозначающую ссылочную эквивалентность в этом случае. Функция equal, введенная для проверки объектной эквивалентности, дополнена и применима, когда x или y - void.

[x]. (E2) Если x и y - развернутого типа, единственный смысл имеет объектное сравнение.

[x]. (E3) Если x - ссылка, y - развернутого типа, объектное сравнение - единственно возможный смысл операции и в данном случае. Сравнение расширяется, допуская случай, когда x - void, возвращая значение false в этой ситуации, поскольку y не может быть void.

Этот анализ дает желаемую интерпретацию равенства = во всех случаях. Для объектного сравнения всегда доступна функция equal, расширенная на случаи, когда один или оба операнда принимают значение void. Следующая таблица подводит итог семантике сравнения:

Тип цели x

Тип источника y

Ссылочный

Развернутый

Ссылочный

Ссылочное сравнение

equal(x,y) объектное сравнение, если x не void, иначе - false

Развернутый

equal(x,y) объектное сравнение, если y не void, иначе - false

equal(x,y) объектное сравнение

Таблица 8.2.Семантика сравнения x=y

Сравнение таблиц 8.1 и 8.2 показывает совместимость присваивания и операций сравнения в упоминавшемся уже смысле. Напомним, в частности, что equal (x, y) будет истинно после выполнения x := clone (y) или x. copy (y).

Обсуждаемые проблемы возникают во всех языках, включающих ссылки и указатели, таких как Pascal, Ada, Modula-2, C, Lisp и другие. Они особенно актуальны для ОО-языков, в которых все создаваемые пользователем типы являются ссылочными. В дополнение к причинам, объясняемых в разделе обсуждения, в синтаксисе явно не отражается факт представления объектов ссылками, так что следует быть особо внимательными при проверке эквивалентности объектов.

Работа со ссылками: преимущества и опасности

В предыдущих разделах отмечалось, что два свойства модели времени выполнения заслуживают дополнительного внимания. Во-первых, важная роль ссылок. Во-вторых, двойственность семантики базовых операций (присваивания, передачи параметров, проверки на равенство), имеющих различный смысл для ссылок и развернутых операндов.

Динамические псевдонимы

Для x и y ссылочного типа при непустом значении y присваивание x := y или соответствующее присоединение в результате вызова приведут к тому, что x и y будут присоединены к одному и тому же объекту.

Рис. 8.23.  Разделение как результат присоединения

В результате x и y становятся тесно связанными до тех пор, пока x или y не будет присвоено новое значение. В частности любая операция вида x.f, где f некоторый компонент соответствующего класса, приведет к тому же результату, что и y.f, поскольку воздействует на тот же объект.

Присоединение x к тому же объекту, что и y, известно как назначение динамического псевдонима (dynamic aliasing). Псевдоним является динамическим, поскольку существует только во время выполнения.

Статические псевдонимы закрепляют два имени за одним и тем же программным элементом в исходном тексте, и они всегда обозначают одно и то же значение вне зависимости от событий, происходящих во время выполнения. Этот прием включен в некоторые языки программирования. В Fortran директива EQUIVALENCE означает, что две переменные разделяют содержимое одной и той же области памяти. Директива препроцессора C #define x y определяет, что любое упоминание x в тексте программы эквивалентно y.

Наличие динамических псевдонимов оказывает более серьезное влияние на операции присваивания с участием сущностей ссылочного типа, нежели с участием сущностей развернутого типа. В случае x и y развернутого типа INTEGER присваивание x := y просто устанавливает для x значение y и никакого связывания x и y не происходит. После подобного присваивания с участием ссылочных типов x и y становятся псевдонимами одного объекта.

Семантика использования псевдонимов

Неприятным последствием применения псевдонимов (и статических, и динамических) является воздействие операций на сущности, даже не упоминаемые в операциях.

Модель вычислений без псевдонимов обладает приятным свойством: приведенный ниже фрагмент всегда справедлив

[БЕЗ СЮРПРИЗОВ]

-- Предположим, что свойство P(y) выполняется

x := y

C (x)

-- P(y) останется выполнимым.

Этот пример подразумевает, что P (y) это частное свойство y, а C (x) некая операция с участием x, но не y. В этом случае никакие действия над x не влияют на значение y.

Для сущностей развернутых типов это действительно так. Приведем типичный пример с x и y типа INTEGER:

-- Предположим, что здесь y = 0

x := y

x := -1

-- По-прежнему y "= 0.

В этом случае нет никакого способа изменить y путем присваивания значения x. Обратимся теперь к аналогичной ситуации с участием динамических псевдонимов. Пусть x и y экземпляры следующего класса C:

class C feature

boolattr: BOOLEAN

-- Булев атрибут для описания некоторого свойства объекта.

set_true is

-- Установка boolattr в true.

do

boolattr := True

end

... Другие компоненты ...

end

Теперь предположим, что тип y это C, и что y в определенный момент времени выполнения не является пустой ссылкой. Тогда следующий пример уже не обладает свойством "БЕЗ СЮРПРИЗОВ":

[СЮРПРИЗ, СЮРПРИЗ!]

-- Предполагаем, что y.boolattr равно false.

x := y

-- Значение y.boolattr по-прежнему false.

x.set_true

-- Но теперь y.boolattr равно true!

Последняя инструкция данного фрагмента никоим образом не содержит y, однако одним из ее результатов является изменение свойств y.

Выработка соглашений для динамических псевдонимов

Отмеченные тревожные последствия операций присваивания с участием ссылок порождают законный вопрос о целесообразности сохранения динамических псевдонимов в нашей модели вычислений.

Ответ - частично теоретический и частично практический:

[x]. Операции присваивания необходимы для использования всех преимуществ мощи ОО-метода, в частности для описания сложных структур данных. Необходимо постоянно помнить, что рассматриваемый подход предназначен для решения задач моделирования.

[x]. В практике разработки ОО-ПО для устранения опасностей, связанных с манипулированием ссылками, можно использовать инкапсуляцию.

Поочередно рассмотрим оба указанных аспекта.

Псевдонимы в ПО и за его пределами

Предварительное рассмотрение свидетельствует о том, что сами ссылки и их разделение необходимы во многих случаях. Некоторые стандартные структуры данных содержат циклически связанные элементы, которые невозможно реализовать без ссылок. В представлениях списков и деревьев удобно предоставить возможность узлам содержать ссылки на своих соседей или родителей. На рис.8.24 приведен циклический список, использующий обе эти идеи. Открыв любую книгу по фундаментальным структурам данных и алгоритмам, можно найти массу таких примеров. В объектной технологии хотелось бы использовать и более сложные структуры.

Рис. 8.24.  Связный циклический список

На самом деле необходимость в ссылках, присоединении и разделении ссылок возникает и в не слишком сложных ситуациях. Вернемся к одному из вариантов класса описывающего книгу

class BOOK3 feature

... Остальные компоненты ...

author: WRITER

end

Здесь необходимость разделения ссылок обусловлена тем, что две книги или более могут быть написаны одним и тем же автором. Во многих примерах данной лекции подразумевается разделение, - так в случае PERSON у нескольких персон может быть один лендлорд. Это вопрос потребностей моделирования, а не реализации.

Если b1 и b2 два экземпляра BOOK3 одного автора, то b1.author и b2.author - псевдонимы, то есть ссылки, присоединенные к одному объекту, и использование любой из них в качестве цели вызова даст в точности одинаковый эффект. Рассмотренные в таком свете динамические псевдонимы выглядят скорее не как потенциально опасная возможность программирования, а как факт из реальной жизни. Это цена, которую необходимо заплатить за возможности использования нескольких имен при обращении к одному объекту.

Можно легко найти нарушения приведенного выше свойства "БЕЗ СЮРПРИЗОВ", не обращаясь к области ПО. Пусть для некоторой книги b определены следующие свойства и операции:

[x]. NOT_NOBEL (b) обозначает: "автор никогда не получал Нобелевскую премию".

[x]. NOBELIZE (b) обозначает: "Присудить Нобелевскую премию автору книги b".

Теперь предположим, что rb обозначает книгу "Красное и черное", а cp - "Пармская обитель". Последующие действия вполне корректны:

[СЮРПРИЗ В ОСЛО]

-- Предположим, что сейчас выполняется NOT_NOBEL(rb)

NOBELIZE(cp)

-- Теперь свойство NOT_NOBEL(rb) уже несправедливо!

Операция над cp изменяет свойство другой сущности rb, которая не упоминается в инструкции! Последствия могут быть весьма значительными (редкая книга Нобелевского лауреата будет переиздана, ее цена возрастет и т.д.). В данной ситуации, не связанной с ПО, произошло в точности то же, что и в предыдущем программном примере после операции x.set_true, повлиявшей на состояние y без упоминания y.

Таким образом, динамические псевдонимы вовсе не являются результатом гнусных трюков программистов со ссылками и указателями. Это следствие свойственного человеку стремления давать имена вещам ("объектам" в наиболее общем смысле этого слова), а иногда и несколько имен одному предмету. В классической риторике эти явления известны как полионимия (polyonymy), например, использование имен "Кибела" (Cybele), "Деметра" (Demeter) и "Церера" (Ceres) "для одной и той же богини, и антономазия (antonomasia) - возможность ссылаться на объект, косвенно именуя его, как, например, в фразе "прекрасная дочь Агамемнона", обращаясь к прекрасной Елене из Трои.

Инкапсуляция действий со ссылками

Теперь накоплено достаточно подтверждений того, что любая система моделирования и разработки ПО должна поддерживать понятие ссылки, а, следовательно, и динамические псевдонимы. Как теперь справиться с неприятными последствиями? Невозможность обеспечить свойство "БЕЗ СЮРПРИЗОВ" показывает, что ссылки и псевдонимы подвергают опасности саму возможность систематического рассмотрения ПО. Это означает, что, изучая исходный текст, нельзя надежно и просто сделать какие либо выводы о свойствах ПО времени выполнения.

Для поиска решения необходимо сначала понять, является ли данная проблема специфической для ОО-метода. Знакомство с другими языками программирования, такими как Pascal, C, PL/I, Ada и Lisp убеждает в том, что и там ведутся подобные дискуссии. Все языки располагают средствами динамического размещения объектов и разрешают объектам содержать ссылки на другие объекты. Существенно различаются лишь уровни абстракции: указатели C и PL/I фактически являются машинными адресами, а Pascal и Ada наряжают указатели в более респектабельные одежды, используя правила типизации.

Что тогда нового в ОО-разработке? Ответ связан не с теоретическими возможностями метода (за исключением важных отличий, связанных со сборкой мусора, ОО-структуры времени выполнения идентичны своим аналогам в Pascal и Ada), а в практике разработки ПО. ОО-разработка подразумевает повторное использование. В частности, любой проект, в котором многочисленные прикладные классы выполняют хитрые манипуляции со ссылками, является примером некорректного использования ОО-подхода. Такие операции должны быть включены в библиотечные классы.

Для любой системы подавляющее большинство объектных структур, требующих нетривиальных операций со ссылками, не зависит от области приложения и представляет хорошо известные и часто используемые структуры: списки всевозможных типов, деревья в различных представлениях, хэш-таблицы и некоторые другие. В хорошей ОО-среде разработки библиотека должна быть легко доступной и предоставлять реализации подобных структур. В качестве иллюстрации в приложении A приведен эскиз библиотеки Base. Классы в таких библиотеках могут содержать множество ссылочных операций. Примером могут служить действия над ссылками, необходимые для вставки и удаления элемента связного списка или узла дерева.

Если же при разработке приложения появится потребность в сложных объектных структурах, не представленных адекватно в имеющихся библиотеках, то это следует рассматривать как потребность в новых классах общего назначения. Их необходимо разработать, потратить необходимое время на их тщательное тестирование и затем включить в соответствующую библиотеку. Такая ситуация в терминах одной из предшествующих лекций является примером перехода с позиций потребителя по отношению к повторному использованию на позиции производителя.

Оставшиеся операции со ссылками в классах, зависимых от конкретного приложения, должны быть ограничены простыми и безопасными операциями. В библиографических заметках упомянута статья Suzuki, развивающая эту идею.

Обсуждение

В данной лекции введены некоторые правила и нотация для работы с объектами и соответствующими сущностями. Некоторые из этих соглашений могут вызвать удивление. Поэтому полезно завершить изучение объектов и их свойств рассмотрением спорных вопросов и доводов в пользу выбранных решений. Автор, естественно, надеется, что читатели полностью одобрят его выбор. Основная цель данной дискуссии - добиться полного понимания основополагающих проблем. В этом случае, если кто-то предпочитает другое решение, то сможет выбрать его вполне осознанно.

Графические соглашения

Для разминки начнем с небольшой проблемы, связанной с нотацией. Это конечно деталь, но из деталей складывается общая картина. Речь идет о наборе соглашений, используемых для графического представления классов и объектов.

В предшествующей лекции отмечалось насколько важно различать понятия класс и объект. Соответственно, должны отличаться и графические обозначения. Классы на диаграммах, представляющих системную архитектуру, представлены в виде эллипсов. Они соединяются стрелками для обозначения отношений между классами, обычными стрелками отмечаются отношения наследования и двойными - клиентские отношения.

Классы и объекты существуют в различных контекстах. Эллипсы классов являются частью диаграмм, представляющих структуру программной системы. Прямоугольники-объекты используются на моментальных снимках состояния системы в процессе выполнения. Поскольку указанные виды диаграмм имеют совершенно разное назначение, то в бумажном представлении, как в данной книге, они не появляются одновременно в одном контексте. Но для интерактивных CASE-средств ситуация принципиально меняется. В процессе отладки программной системы возникает необходимость отобразить объект, а затем - порождающий класс для изучения его компонент, родителей и других свойств.

Используемые для классов и объектов графические соглашения совместимы со стандартом, установленным методом BON (Nerson и Walden). В методе BON, (Business Object Notation) предназначенном для использования в интерактивных CASE-средствах и в документации, классы отображаются в виде пузырьков, растягиваемых по вертикали, показывающих компоненты класса, инварианты и другие свойства.(О BON см. библиографические заметки и лекцию 9 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

В развитие нашего соглашения поля развернутых типов отличаются от ссылочных затенением, а подобъекты присутствуют в виде вложенных прямоугольников, содержащих собственные поля. Все эти соглашения вытекают из решения отображать объекты в виде прямоугольников.

Трудно удержаться от того, чтобы не процитировать следующий ненаучный аргумент, заимствованный из рецензии Ian Graham на книгу по ОО-анализу, использующую другие графические соглашения:

Мне не нравятся классы, изображаемые в виде треугольников с острыми углами. Мне кажется, что это их экземпляры имеют острые углы, так что можно пораниться, уронив их на ногу, а классы безопасны и поэтому у них должны быть скругленные углы.

Ссылки и простые значения

Важный синтаксический вопрос - должны ли мы установить синтаксическое различие при работе со ссылками и простыми значениями. Как отмечалось, присваивание и эквивалентность имеют различный смысл для ссылок и значений развернутых типов. Но синтаксис этого не различает, - в обоих случаях используются одинаковые символы (:=, =, /=). Не опасно ли это? Не предпочтительнее ли использовать различные наборы символов, напоминая тем самым, что они имеют разный смысл?

Два набора символов использовались в языке Simula 67. Немного изменив нотацию для совместимости с настоящей книгой (в языке Simula reference сокращается до ref), в Simula можно записать объявление сущности ссылочного типа Cтак:

x: reference C

Ключевое слово reference указывает, что экземпляры x будут ссылками. Рассмотрим объявления:

m, n: INTEGER

x, y: reference C

Нотация Simula, используемая для операций с простыми и ссылочными типами, приведена в таблице.

Операция

Операнды развернутых типов

Операнды-ссылки

Присваивание

m := n

x :- y

Проверка на равенство

m = n

x == y

Проверка на неравенство

m /= n

x =/= y

Таблица 8.3.Нотация в стиле Simula для операций со ссылками и значениями развернутых типов

Соглашения Simula лишены неоднозначности. Почему бы их не сохранить? К сожалению, эти соглашения могут служить примером благих намерений, приносящих скорее вред, нежели пользу. Проблемы начинаются в прозаической области поиска ошибок. Два набора символов похожи, - это провоцирует синтаксические ошибки, подобные использованию := вместо :-.

Такие ошибки будут обнаружены компилятором. Но хотя ограничения, проверяемые компилятором, предназначены помочь программисту, - здесь это может не сработать. Либо вы знаете разницу между семантикой ссылок и значений, и тогда подсказки компилятора о необходимости проверки, каждый раз, когда вы написали присваивание или равенство, могут показаться раздражающими. Либо вы не понимаете этой разницы, тогда его подсказки немногим могут помочь.

Но самый важный аспект соглашений Simula в том, что он не оставляет выбора: для ссылок нет доступной конструкции, дающей семантику значений. Представляется разумным для сущностей a и b ссылочного типа иметь два множества операций:

[x]. a :- b для ссылочных присваиваний и a == b сравнения ссылок;

[x]. a := b для присваивания путем копирования (эквивалент a := clone (b) или a.copy (b) в нашей нотации) и a = b для сравнения объектов (эквивалент нашего equal (a, b) ).

Но за одним исключением, Simula поддерживает только первое множество операций. Если необходимы операции второго множества (copy или clone , сравнение объектов), придется написать специальные подпрограммы для каждого целевого класса. Исключением является TEXT, для которого Simula предлагает оба множества операций.

Кстати, при дальнейшем анализе идея предоставления двух множеств операций для всех ссылочных типов не кажется уже столь разумной. Это бы означало, что тривиальная описка - использование := вместо :-, теперь уже не обнаруживалась бы компилятором, а приводила бы к результату, далекому от ожидаемого, например, к клонированию вместо ссылочного присваивания.

Как результат этого анализа, нотация этой книги использует соглашения, отличные от тех, что используются в Simula: одни и те же символы применимы для развернутых и ссылочных типов с различной семантикой. Эффекта семантики значений можно достигнуть для объектов ссылочного типа при использовании предопределенных подпрограмм, применимых для всех типов:

[x]. a := clone (b) или a.copy (b) для объектного присваивания;

[x]. equal (a, b) для сравнения объектов на идентичность всех полей.

Эта нотация существенно отличается от нотации, применяемой для их ссылочных двойников, (:= и =, соответственно) что снижает риск появления недоразумений.

Помимо чисто синтаксических аспектов, эта проблема интересна и тем, что она представляет типичный образец компромиссов, возникающих при проектировании языка, когда требуется найти баланс между конфликтующими критериями. Один из критериев, победивших в Simula, - может быть сформулирован следующим образом:

[x]. "Выражайте различные концепции с помощью различных символов".

Но другие силы, доминирующие в нашей нотации, требуют:

[x]. "Не создавайте разработчику лишних проблем".

[x]. "Тщательно взвешивайте все "за и против" любой новинки, обращая особое внимание на безопасность и качество".

[x]. "Убедитесь, что общие операции могут быть выражены в простой и ясной форме". Применение этого принципа требует особой тщательности, поскольку проектировщик языка может ошибаться в своих оценках того, что же является наиболее общим случаем. Но в данной ситуации все кажется проще. Для сущностей развернутого типа (таких как INTEGER) присваивание и сравнение значений представляются наиболее употребительными операциями. Для ссылок, в то же время, ссылочное сравнение и присваивание используется чаще, чем клонирование, копирование и сравнение объектов. Поэтому в обоих случаях предпочтительнее использовать := и = для фундаментальных операций.

[x]. "Для сохранения компактности и простоты языка вводите новые обозначения, только если это абсолютно необходимо". Это справедливо в частности для приведенного примера - существующая нотация работает и не существует опасности путаницы.

[x]. "Если вы знаете, что существует риск возникновения недоразумений между двумя возможностями, то соответствующие нотации должны различаться очевидным образом". Так что необходимо избегать использования символов, близких по написанию (:- и :=), но с различной семантикой.

Еще одна причина играет роль в данном случае, хотя она включает механизм, пока еще не изученный. В последующих лекциях мы познакомимся с родовыми или универсальными классами, такими как LIST [G], где G, известно как формальный родовой параметр, представляющий произвольный тип. Такой класс может манипулировать сущностями типа G и использовать их в присваиваниях и проверках на равенство. Клиенты, нуждающиеся в использовании такого класса, должны позаботиться о создании типа, служащего в качестве фактического родового параметра. Например, они могут использовать LIST [INTEGER] или LIST [POINT]. Как показывают эти примеры, фактический родовой параметр может быть развернутого типа, как в первом случае, так и ссылочного типа - во втором случае. В подпрограммах такого родового класса, если a и b имеют тип G, то часто полезно использовать присваивания в форме a := b или тесты в форме a = b с намерением получить семантику значений, когда фактический параметр принадлежит развернутому типу, такому как INTEGER, и ссылочную семантику - для ссылочного типа, такого как POINT.

Примером подпрограммы, нуждающейся в таком дуальном поведении, является процедура вставки элемента x в список. Процедура создает новый элемент списка. Если x целое, элемент должен содержать копию значения x. Если x является ссылкой, то элемент списка должен содержать ссылку на объект, присоединенный к x .

В таких случаях, правила, определенные выше, гарантируют желаемое дуальное поведение, что было бы недостижимо, если бы требовался различный синтаксис для двух видов семантики. С другой стороны, если во всех случаях требуется единая семантика, то и это достижимо: такое поведение может быть только семантикой значений (так как семантика ссылок не имеет смысла для развернутых типов); поэтому в соответствующих подпрограммах следует использовать clone (или copy) и equal, а не (:= и =).

Форма операций клонирования и эквивалентности

Форма вызова подпрограмм clone и equal является стилевой особенностью, которая может вызвать удивление. На первый взгляд нотация:

clone (x)

equal (x, y)

выглядит не слишком объектно-ориентированной. Догматичное следование принципу "ОО-стиля вычислений" из предыдущей лекции предполагает другую форму (См. "Объектно-ориентированный стиль вычислений", лекция 7):

x.twin -- twin это двойник - клон.

x.is_equal (y)

В первой версии нотации так и делалось, однако возникла проблема пустых ссылок. Вызов компонента вида x.f (...) не может быть корректно выполнен в случае пустого x во время выполнения. В этом случае вызов инициирует исключение, которое повлечет аварийное завершение всей системы, если в соответствующем классе не предусмотрена обработка исключений. Поскольку во многих случаях x может быть действительно пустой ссылкой, то это означало бы, что каждый вызов twin должен предусматривать охрану и выглядеть так:

if x = Void then

z := Void

else

z := x.twin

end

Соответственно, реализация вызова is_equal должна выглядеть (and then является вариантом and. См. "Нестрогие булевы операции", лекция 13):

if

((x = Void) and (y = Void)) or

((x /= Void) and then x.is_equal (y))

then

...

Излишне говорить, что не следует придерживаться этих соглашений. Нам быстро надоест писать подобные витиеватые фрагменты, а когда мы забудем это сделать, то результатом будет ошибка времени выполнения. Окончательный вариант соглашений, сформулированный в данной лекции, замечателен еще и тем, что дает ожидаемые результаты для x, равного void, - clone (x) вернет void, а equal (x, y) вернет true, если и y - void.

Вызов процедуры copy в форме x.copy (y) не создает подобных проблем, поскольку требует непустых x и y. Это следствие семантики процедуры copy, копирующей поля одного объекта в поля другого, и имеющей смысл, только если существуют оба объекта. Как показано далее, такое условие для y фиксируется формальным предусловием copy, заданным в явном виде в документации.

Отметим, что введенная выше функция is_equal существует в библиотеке системы. Причина в том, что часто удобнее определить специфические варианты эквивалентности элементов конкретного класса, перекрыв семантику по умолчанию. Для достижения этого эффекта достаточно переопределить функцию is_equal в соответствующем классе. Функция equal определяется в терминах is_equal (выражением, показанным выше при иллюстрации использования is_equal), и поэтому следует за всеми переопределениями is_equal.

Когда есть функция clone, то нет необходимости в twin. Это связано с тем, что функция clone определена как создание объекта с последующим вызовом copy. Поэтому для адаптации clone к специфике класса достаточно переопределить процедуру copy данного класса. (См. также лекция 16)

Статус универсальных операций

Последние комментарии частично прояснили вопрос о статусе универсальных операций clone, copy, equal, is_equal, deep_clone, deep_equal.

Эти операции не являются языковыми конструкциями, невзирая на их фундаментальную значимость для практики. Они поставляются классом ANY основной библиотеки Kernel. Этот класс имеет то специальное свойство, что каждый класс, созданный разработчиком, автоматически становится наследником (прямым или косвенным) класса ANY. Вот почему становится возможным переопределить вышеупомянутые компоненты для поддержки специального вида эквивалентности или копирования. (См. "Глобальная структура наследования", лекция 16)

Сейчас нет необходимости в деталях, поскольку мы еще вернемся к этой проблеме при изучении наследования. Но уже теперь полезно знать, что благодаря механизму наследования, мы можем полагаться на библиотечные классы, поддерживающие свойства, доступные всем классам, - и каждый класс может изменить их, приспосабливая к своим, специфическим целям.

Ключевые концепции

[x]. ОО-вычисления характеризуются высоко динамичной структурой времени выполнения, в которой объекты создаются только по запросу.

[x]. Некоторые объекты, используемые ПО, являются моделями внешних объектов (обычно косвенными). Другие объекты служат только для целей проектирования и реализации.

[x]. Объект состоит из ряда значений, называемых полями. Каждое поле соответствует атрибуту генератора объекта (класса, прямым экземпляром которого является объект).

[x]. Значение, в частности поле объекта, является объектом или ссылкой.

[x]. Ссылка может быть пустой (void) или присоединенной к объекту. Проверка условия x = Void позволяет определить текущее состояние ссылки. Корректное выполнение вызова x.f (...) возможно, если x не пустая ссылка.

[x]. Если объявление класса начинается с предложения class C ..., то сущность типа Cбудет обозначать ссылку, которая может быть присоединена к экземпляру C. Если начало объявления выглядит как expanded class D ..., то сущность типа D будет обозначать объект (экземпляр D) и никогда не может быть пустой ссылкой.

[x]. Базовые типы (BOOLEAN, CHARACTER, INTEGER, REAL, DOUBLE) определены как развернутые классы.

[x]. Развернутые объявления дают возможность определять составные объекты: объекты с подобъектами.

[x]. Объектные структуры могут содержать циклические цепочки ссылок.

[x]. Инструкция создания create x создает объект, инициализирует его поля значениями по умолчанию и присоединяет к нему x. Если в классе определены порождающие процедуры создания, то выполнение инструкции вида create x.creatproc (...) приведет, кроме того, к заданной специфической инициализации полей.

[x]. Для сущностей ссылочного типа присваивание (:=) и проверка эквивалентности (=) являются ссылочными операциями. Для сущностей развернутых типов используется семантика значений. Соответствующая семантика распространяется и на смешанные операнды.

[x]. В результате ссылочных операций появляются динамические псевдонимы. Они затрудняют получение выводов о работе системы при анализе ее текста. На практике большинство нетривиальных действий со ссылками можно инкапсулировать в библиотечные классы.

Библиографические замечания

Понятие идентичности объекта играет важную роль для баз данных, особенно объектно-ориентированных. Смотри лекцию 13 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", посвященную таким базам данных, и библиографию к ней.

Графические обозначения метода BON (Business Object Notation) разработаны Jean-Marc Nerson и Kim Walden [Walden 1995]. James McKim и Richard Bielak детально рассмотрели преимущества альтернативных порождающих процедур [Bielak 1994].

Риски, связанные с нетипизированными указателями и ссылочными операциями, уже долгое время волнуют специалистов в области методологии программирования, порождая намеки на то, что в области данных это аналог ненавистной операции goto в области управления выполнением кода. В удивительно малоизвестной статье Nori Suzuki [Suzuki 1982] обсуждается возможность избежать в рамках строгого подхода с использованием высокоуровневых операций проблем с динамическими псевдонимами (как избавляются от применения goto, используя приемы "структурного программирования"). Хотя по признанию автора выводы неутешительны, данная статья весьма полезна.

Я признателен Ross Scaife из Университета Кентукки за помощь по вопросам риторики. См. его страницу http://www.uky.edu/ArtsSciences/Classics/rhetoric.html.

Упражнения

У8.1 Книги и авторы

Напишите классы BOOK and WRITER описывающие книги и их авторов, используя заготовки из данной лекции. Обратите внимание на необходимость включения всех важных подпрограмм, а не только атрибутов.

У8.2 Личности

Напишите класс PERSON включающий простое понятие личности с атрибутами mother, father и sibling (следующий по старшинству брат или сестра, если они есть). Включите подпрограммы возвращающие списки имен родителей, двоюродных братьев и сестер, дядюшек и тетушек, свекра и свекрови, тестя и тещи данного лица. Совет: пишите рекурсивные процедуры, но внимательно избегайте бесконечных рекурсий для отношений, например, двоюродный брат или сестра, являющихся циклическими.

У8.3 Проектирование нотации

Предположим, вы часто используете сравнение в форме x.is_equal (y), и хотите упростить нотацию, используя преимущества инфиксной записи (применимой здесь, поскольку наша функция имеет один аргумент). Для инфиксного компонента используйте некоторый оператор §, вызов тогда будет записываться в виде x § y. Это маленькое упражнение потребует выбора для оператора §, подходящего для данной ситуации символа, совместимого с правилами инфиксных операторов. Конечно, здесь может существовать много возможных ответов, выбор одного из которых частично (но только частично) дело вкуса. (См. "Компоненты-операторы", лекция 7)

Лекция 9. Управление памятью

Честно говоря, было бы неплохо забыть про память. Программы создавали бы объекты по мере надобности. Неиспользованные объекты исчезали бы в небытие, а необходимые медленно передвигались бы вверх. Этот процесс подобен движению по служебной лестнице работника большой корпорации, в конце карьеры достигшего уровня руководства. Но это не так. Память не безгранична и не организуется в непрерывный ряд слоев с уменьшающейся скоростью доступа. Нам необходимо увольнять наших бестолковых работников даже, если мы должны называть это ранним уходом на пенсию, продиктованным общей экономической ситуацией. Эта лекция изучает, кто все же должен быть сокращен, кем и как.

Что происходит с объектами

ОО-программа создает объекты. Предыдущая лекция показала, как полезно полагаться на динамическое создание для получения гибких объектных структур, подстраивающихся автоматически к нуждам системы.

Создание объектов

Мы рассмотрели базовые операции размещения новых объектов. Простейший способ размещения записывается как

create x

и его эффект был определен триадой: создать новый объект; связать его со ссылкой x; и инициализировать его поля.

Вариант этой инструкции вызывает процедуру инициализации; можно также создать новый объект с помощью подпрограмм clone и deep_clone. Так как все эти формы размещения основаны на одной и той же базисной инструкции создания, можно без потери общности ограничиться рассмотрением create x .

Рассмотрим эффект, создаваемый инструкциями управления памятью.

Три режима управления объектами

Во-первых, будет полезным расширить рамки дискуссии. Форма управления объектами, используемая для ОО-вычислений, может поддерживаться одним из трех обычно встречаемых режимов: статическим, стековым и динамически распределяемым. Выбор режима определяет, как сущности присоединяются к объектам.

Напомним, что сущность - это имя в тексте программы, представляющее некоторое значение или совокупность значений в период выполнения. Такие значения являются либо объектами, либо (возможно неопределенными) ссылками на объект. Сущностями являются атрибуты, формальные аргументы подпрограмм, локальные переменные подпрограмм и Result. Термин присоединение описывает связь между сущностью и объектом: на определенном этапе выполнения программы сущность x присоединяется к объекту О, если значение x есть либо О (для x развернутого типа), либо ссылка на О (для x ссылочного типа). Если x присоединен к О, часто говорят также, что О присоединен к x. Ссылка может быть присоединена не более чем к одному объекту, объект может быть присоединен к двум и более ссылкам. Проблема динамических псевдонимов обсуждалась в предыдущей лекции.

В статическом режиме сущность может быть присоединена максимум к одному объекту в процессе выполнения программы. Эта схема, поддерживаемая в таких языках как Fortran, резервирует место для всех объектов и присоединяет объект к имени раз и навсегда при загрузке программы или в начале ее выполнения.

Рис. 9.1.  Статический режим

Статический режим прост и эффективно реализуем архитектурой обычного компьютера. Но он имеет серьезные ограничения:

[x]. Препятствует рекурсии. Рекурсивной программе необходимо иметь несколько одновременно активных копий, каждой со своими экземплярами сущностей.

[x]. Препятствует созданию динамических структур данных. Компилятор должен уметь определять точный размер каждой структуры данных из текста программы. Каждый массив, например, должен в этом случае объявляться статично со своим строгим размером. Это серьезно ограничивает мощность языка: становится невозможным оперировать структурами, растущими в ответ на события выполнения. Приходится резервировать максимально возможную память для каждой из структур - это не только неэффективно, но и довольно опасно. Если размер одной из структур данных недооценен, это, скорее всего, вызовет ошибку выполнения системы.

Второй режим размещения объектов - режим стека. Здесь сущность может быть в реальном времени последовательно присоединяться к нескольким объектам. Механизм выполнения размещает и удаляет эти объекты в порядке "последним пришел, первым ушел". Когда объект удаляется, относящаяся к нему сущность присоединяется вновь к объекту, с которым она была связана до появления нового элемента, если, конечно, такой объект существует.

Рис. 9.2.  Режим, основанный на стеке

Основанное на стеке управление объектами сделало популярным Algol 60 и с тех пор поддерживается (часто вместе с другими двумя режимами) в большинстве языков. Такой способ поддерживает рекурсию и динамические массивы, границы которых выясняются в процессе выполнения. В Pascal и C этот механизм не применяется к массивам, как это делается в Algol. Однако разработчикам хотелось бы чаще всего именно массивы распределять таким способом. Тем не менее, даже если этот механизм и может быть применен к массивам, размещение в стеке большинства сложных структур данных невозможно.9.1)

Для сложных структур данных нам нужен третий и последний режим: динамическая память, называемая также "кучей", из-за способа ее использования. Это память, в которой объекты создаются динамически по запросу. Сущности могут динамически присоединяться к разным объектам. Во время компиляции обычно нельзя предсказать, какие объекты будут созданы и присоединены к сущности. Кроме того, объекты могут содержать ссылки на другие объекты.

Рис. 9.3.  Динамический режим

Динамическая память позволяет создавать сложные динамические структуры данных, необходимые когда, как обсуждалось в предыдущей лекции, ПО требуется вся мощь методов моделирования.

Использование динамического режима

Динамический режим, очевидно, наиболее общий, и он необходим для ОО-программирования. Его используют многие не ОО-языки. В частности:

[x]. Pascal использует статический режим для массивов, режим, основанный на стеке, для переменных, не являющихся массивами и указателями, динамический режим для указателей. В последнем случае создание объекта выполняется с помощью вызова специальной процедуры создания new.

[x]. Язык C похож на Pascal, но дополнительно вводит динамические массивы и статические переменные, не являющиеся массивами, Язык С динамически размещает переменные типа указатель и массивы, используя библиотечную функцию malloc.

[x]. PL/I поддерживает все модели.

[x]. Lisp системы традиционно были высоко динамичны и полагались большей частью на динамический режим распределения памяти. Одна из наиболее важных операций Lisp, используемая многократно для представления списков, - CONS, создает структуру из двух полей. В первом поле хранится значение элемента, а во втором - указатель на следующий элемент. Здесь CONS, скорее источник новых объектов, чем инструкция их создания.

Повторное использование памяти в трех режимах

Для объектов, созданных как в основанном на стеке режиме, так и в динамическом режиме, возникает вопрос, что делать с неиспользуемыми объектами? Возможно ли память, занятую таким объектом, повторно использовать в более поздних инструкциях создания новых объектов?

В статической модели проблемы не существует: для каждого объекта есть одна навсегда присоединенная сущность. Выполнение требует поддерживать связь с объектом все время, пока сущность активна. Поэтому повторное использование памяти невозможно в настоящей трактовке этого понятия. Однако при острой нехватке памяти похожая технология иногда используется. Если вы уверены, что объекты, присоединенные к двум сущностям, никогда не нужны одновременно, и эти сущности не должны сохранять свои значения между последовательными использованиями, то можно на одной и той же памяти размещать две или более сущности, будучи совершенно увереными в безопасности того, что вы делаете. Эта техника, известная как перекрытие (overlay), достаточно ужасная, все еще практикуется при работе вручную.

Если все-таки использовать перекрытие, то, конечно, его следует выполнять автоматически, используя специальные инструменты, - слишком велика вероятность ошибки. Главной проблемой остается возможность изменений: решение о перекрытии двух переменных может быть корректным на определенном этапе жизни программы. Неожиданное изменение может сделать его неправильным. Мы столкнемся с похожей проблемой ниже, в технологии сборки мусора.

В режиме, основанном на стеке, объекты, присоединенные к сущностям, могут быть размещены в стеке. В языках с блочной структурой ситуация упрощается: размещение объектов происходит одновременно для всех сущностей данного блока, допуская использование одного стека для всей программы. Схема действительно элегантна, потому что использует два множества сопутствующих событий:

Динамическое свойство (событие времени выполнения)

Статическое свойство (положение в тексте программы)

Техника реализации

Размещение объекта

Начало блока

Вталкивание объектов (один для каждой локальной сущности блока) в стек

Удаление объекта

Конец блока

Выталкивание объектов из стека

Таблица 9.1.Размещение и удаление объектов в языках с блочной структурой

Простота и эффективность этой техники реализации является одной из причин успешности языков с блочной структурой. В динамическом режиме все не так просто. Проблема связана с мощью самого механизма: в период компиляции ничего нельзя сказать о создании объекта, невозможно предсказать, когда данный объект может стать ненужным.

Отсоединение

В динамическом режиме объекты могут стать ненужными в непредсказуемые моменты периода выполнения; раз так, то некоторый механизм (определяемый позже в этом обсуждении) может освобождать занятую ими память.

Причина - присутствие в этом режиме выполнения операции отсоединения (detachment), обратной к операции присоединения. В предыдущей лекции изучалось, как сущности присоединяются к объектам, но не рассматривались детали отсоединения. Пора это исправить.

Отсоединение распространяется только на объекты x ссылочного типа. Если x развернутого типа - значением x является объект O, то нет способа отсоединить x от O. Заметьте, однако, если x развернутый атрибут некоторого класса, O представляет подобъект некоторого большого объекта BO. Тогда BO, а вместе с ним и O, может стать недостижимым по одной из причин, изучаемых ниже. Посему в оставшейся части этой лекции можно ограничиться рассмотрением сущностей ссылочного типа.

Рис. 9.4.  Отсоединение

Основные причины отсоединения следующие. Предположим, x и y сущности ссылочного типа вначале присоединены к объектам O1 и O2. Рисунок иллюстрирует случаи D1 и D2.

[x]. (D1) Присваивание вида x := Void, или x := v где v типа void, отсоединяет x от O1.

[x]. (D2) Присваивание вида y := z, где z не присоединен к объекту O2, отсоединяет y от O2.

[x]. (D3) Завершение подпрограммы отсоединяет формальные аргументы от присоединенных к ним объектов.

[x]. (D4) Инструкция создания create x , присоединяет x к вновь созданному объекту и, следовательно, отсоединяет x, если он ранее был присоединен к объекту O1.

Случай D3 соответствует ранее данному правилу: инициализация формального аргумента a подпрограммы r во время вызова t.r(..., b, ...), где позиция b в вызове соответствует позиции a в объявлении r, в точности соответствует семантике присваивания a := b.

Недостижимые объекты

Значит ли отсоединение объектов, например O1 или O2 (рис.9.4 ), что они становятся бесполезными и, следовательно, механизмы периода исполнения могут освободить занимаемое ими место в памяти? Это было бы слишком просто! Сущность, для которой объект был первоначально создан, могла уже потерять интерес к объекту, но из-за динамических псевдонимов другие ссылки могут быть все еще подсоединены к нему. Например, рис.9.4 возможно отражает лишь частное видение связей между объектами. Рассматривая более широкий контекст, (рис.9.5 ) можно обнаружить, что O1 и O2 все еще достижимы для других объектов.

Но и эта картина все еще не дает полного видения структуры всех связей между объектами. Расширяя контекст, можно, например, выяснить, что O4 и O5 сами не нужны, так что в отсутствии других ссылок, O1 и O2 не нужны тоже.

Таким образом, ответ на вопрос: "Какие объекты можно удалить?" должен следовать из глобального анализа множества всех созданных объектов. Выделим три типа объектов:

[x]. (C1) Объекты, напрямую присоединенные к сущностям, известны (из правил языка программирования) как необходимые.

[x]. (C2) Зависимые от объектов категории C1. (Напомним, наряду с непосредственно зависимыми объектами, имеющими ссылки на объекты C1, зависимые объекты могут рекурсивно иметь ссылки на непосредственно зависимые объекты.) Здесь рассматривается прямая и косвенная зависимость.

Рис. 9.5.  Отсоединение - не всегда смерть объекта

[x]. C3 Объекты, не относящиеся к предыдущим двум категориям.

Объекты первой категории могут называться оригиналами (origins). Вместе с объектами категории С2 они составляют множество достижимых (reachable) объектов. Объекты категории С3 недостижимы (unreachable). Они ранее неформально назывались ненужными или бесполезными. В другой более мрачной терминологии используются термины "мертвые объекты" для категории С3 и "живые" для первых двух. (У программистов принята более прозаическая терминология, и процесс удаления мертвых объектов, изучаемый ниже, называется просто сборкой мусора.)

Для объектов наряду с термином "оригинал" используется термин "корень". Первый термин предпочтительнее, поскольку сама ОО-система имеет "корневой объект" и "корневой класс". Однако результат возможной двусмысленности не сильно вредит делу, потому что корневой объект, как будет видно далее, является одним из оригиналов.

Первый шаг к решению проблемы управления памятью при использовании динамического режима - выделение достижимых и недостижимых объектов. Для идентификации достижимых объектов нужно начать с оригиналов и пройти по всем многократно возникающим ссылкам. Так что первый вопрос, - как найти оригиналы? Ответ зависит от структуры периода выполнения, определяемой лежащим в ее основе языком программирования.

Достижимые объекты в классическом подходе

Поскольку проблема недостижимости рассматривается в таких классических подходах, как Pascal, C и Ada, разумно начать с этих случаев. (Читатели, незнакомые ни с одним из этих подходов, могут пропустить этот раздел и перейти к следующему, рассматривающему ОО-программирование.)

Все подходы используют стековое размещение объектов и размещение в динамической памяти. Языки C и Ada поддерживают также статическую модель, но для упрощения ее можно проигнорировать, рассматривая статику как специальный случай размещения в стеке. Можно полагать, что статические объекты размещаются в начале выполнения и находятся в конце стека. В языке Pascal они объявляются в самом внешнем блоке.

Общим свойством этих подходов является и то, что сущности могут задаваться указателями. В ОО-подходе вместо указателей используются ссылки - более абстрактное понятие (эта тема обсуждалась в предыдущей лекции). Позвольте сделать вид, что указатели есть в действительности ссылки, игнорируя слабо типизируемую природу указателей в С.

При этих допущениях и упрощениях на следующем рисунке показаны оригиналы, размещенные в стеке или присоединенные к ссылке, размещенной в стеке, достижимые и недостижимые объекты.

Рис. 9.6.  Живые и мертвые объекты в комбинированной модели - стек и динамическая память (живые объекты окрашены в серый цвет)

Проблема недостижимости возникает только для объектов, размещенных в динамической памяти. Такие объекты всегда подсоединяются к сущностям ссылочного типа. Поэтому удобно игнорировать проблему повторного использования памяти для объектов, непосредственно размещенных в стеке. Она может быть решена просто при помощи освобождения стека при окончании блока. Начнем рассмотрение со ссылок, размещенных в стеке. Мы можем назвать их ссылками оригиналами (reference origins). Они изображены толстыми стрелками на рисунке и представляют:

[x]. (O1) Значение локальных сущностей или аргументов функции ссылочного типа (как две верхних начальных ссылки на рисунке).

[x]. (O2) Поля ссылочного типа объектов, расположенных в стеке (ниже лежащая ссылка на рисунке).

Рассмотрим пример объявления типа и процедуры, написанный на смеси Pascal и нотации, используемой в этой книге ( reference G - ссылка, которая может быть подсоединена к объекту типа G):

type

COMPOSITE =

record

m:INTEGER

r:reference COMPOSITE

end

...

procedure p is

local

n: INTEGER

c: COMPOSITE

s: reference COMPOSITE

do

...

end

При каждом вызове процедуры p три значения вталкиваются в стек:

Рис. 9.7.  Размещение сущностей для процедуры

Тремя новыми значениями являются: целое n, не влияющее на проблему управления объектами (оно исчезнет при завершении процедуры и не ссылается на другие объекты); ссылка s, являющаяся примером категории О1; и объект с типа COMPOSITE. Сам объект содержится в стеке и занятая объектом память может быть использована по завершении работы процедуры. Но он содержит ссылочное поле r, являющееся примером категории О2.

Итак, для определения достижимости объекта в классическом подходе, комбинирующем стековую и динамическую память, следует начать со ссылок в стеке (переменные ссылочного типа и ссылочные поля комбинированных объектов), и последовательно просмотреть все ссылочные поля присоединенных объектов, если они существуют.

Достижимые объекты в ОО-модели

ОО-структура данных, представленная в предыдущих лекциях, имеет некоторые отличия от рассмотренной выше структуры.

Рис. 9.8.  Достижимость в ОО-модели

Работа любой системы начинается с создания объекта, называемого корневым объектом системы, или просто корнем (когда нет путаницы с корневым классом, задаваемым статически). Корень в этом случае является одним из оригиналов.

Другое множество оригиналов возникает из-за возможного присутствия локальных переменных в подпрограмме. Рассмотрим подпрограмму вида

some_routine is

local

rb1, rb2: BOOK3

eb: expanded BOOK3

do

. . .

create rb1

. . .Операции, возможно использующие rb1, rb2 и eb . . .

end

При любом вызове и выполнении подпрограммы some_routine, инструкции в теле подпрограммы могут ссылаться на rb1, rb2, eb и на присоединенные к ним объекты, если они есть. Это значит, что такие объекты должны быть частью множества достижимых объектов, но не обязательно зависимы от корня. Заметим, для eb всегда есть присоединенный объект, а rb1 и rb2 могут при некоторых запусках иметь значение void.

Локальные сущности ссылочного типа, такие как rb1 и rb2, подобны переменным подпрограммы, которые в предыдущей модели были размещены в стеке. Локальные сущности развернутого типа, как eb, подобны объектам, расположенным в стеке.

Когда завершается очередной вызов some_routine, исчезают сущности rb1, rb2 и eb текущей версии. В результате все присоединенные объекты перестают быть частью множества оригиналов. Это не значит, что они становятся недостижимыми, - они могут тем временем стать зависимыми от корня или других оригиналов.

Допустим, например, что а - это атрибут рассматриваемого класса и что полный текст подпрограммы имеет вид:

some_routine is

local

rb1, rb2: BOOK3

eb: expanded BOOK3

do

create rb1;create rb2

a := rb1

end

На следующем рисунке показаны объекты, создаваемые вызовом some_routine, и ссылки с присоединенными объектами.

Рис. 9.9.  Объекты, присоединенные к локальным сущностям

Когда вызов some_routine завершается, объект О, представляющий цель вызова, все еще доступен (иначе не было бы этого вызова). Поле а этого объекта О в результате вызова присоединено к объекту B1 класса BOOK3, созданного первой инструкцией создания нашей подпрограммы. Поэтому объект B1 остается достижимым по завершении вызова. Напротив, объекты B2 и EB, которые были присоединены к rb2 и eb во время вызова, теперь становятся недостижимыми: в соответствии с текстом процедуры невозможно, чтобы какой-либо другой объект "запомнил" В2 или ЕВ.

Проблема управления памятью в ОО-модели

Подводя итог предшествующего анализа, определим оригиналы и соответственно достижимые объекты:

Определение: начальные, достижимые и недостижимые объекты

В каждый момент времени выполнения системы множество оригиналов включает:

[x]. Корневой объект системы.

[x]. Любой объект, присоединенный к локальной сущности, или формальному аргументу, выполняемой в данный момент подпрограммы (для функции включается локальная сущность Result).

Любые объекты, прямо или косвенно зависящие от оригиналов, достижимы. Любые другие объекты недостижимы. Память, занятую недостижимыми объектами, можно восстановить, (например, выделить ее другим объектам) сохраняя корректность семантики выполнения программы.

Проблема управления памятью возникает из-за непредсказуемости операций, влияющих на множество достижимых объектов: создание и отсоединение.

Такое предсказание возможно в некоторых случаях для строго управляемых структур данных. Примером является библиотечный класс, задающий список, - LINKED_LIST, рассматриваемый позже, и связанный с ним класс LINKABLE, описывающий элементы этого списка. Экземпляр LINKABLE создается только с помощью специальных процедур класса LINKED_LIST и может становиться недостижимым только в результате выполнения процедуры remove, удаляющей элементы списка. Для подобных классов можно представить себе особенную процедуру управления памятью. (Такой подход будет изучен позднее в этой лекции.)

Приведенный пример, хотя и важен, но только для специальных случаев. В общем случае приходится отвечать на сложный вопрос - что делать с недостижимыми объектами?

Три ответа

С недостижимыми объектами можно поступать тремя способами:

[x]. Проигнорировать проблему и надеяться, что хватит памяти для размещения всех объектов: достижимых и недостижимых. Это можно назвать несерьезным (casual) подходом.

[x]. Предложить разработчикам включать в каждое приложение алгоритм, ищущий недостижимые объекты, и дать им механизм освобождения соответствующей памяти. Такой подход называется восстановлением вручную(manual reclamation) .

[x]. Включить в среду разработки (как часть исполняемой системы (runtime system)) механизм, автоматически определяющий и утилизирующий недостижимые объекты. Этот подход принято называть автоматической сборкой мусора (automatic garbage collection).

Остаток лекции посвящен этим подходам.

Несерьезный подход (тривиальный)

Первый подход заключается в игнорировании проблемы: предоставлять мертвые объекты их судьбе. Создаются объекты как обычно, но никто не волнуется о том, что может потом случиться с объектами.

Может ли быть оправдан несерьезный подход?

Несерьезный подход не создает проблем в системах, создающих небольшое число объектов, например, при проведении простых тестов и экспериментов.

Более интересен случай, когда система может создавать много объектов, гарантируя, что ни один или немногие из них станут недостижимыми. Этот случай аналогичен статической схеме размещения, в которой ни один объект не удаляется. Разница только в том, что создание происходит динамически во время выполнения программы. Несерьезный подход в этом случае оправдан, поскольку практически не возникает необходимость утилизации объектов.

Некоторые программы реального времени следуют этой схеме: по причине эффективности, создавая все необходимые объекты статично или во время инициализации, избегая непредсказуемых моделей динамического создания.

Этот метод применяется в "жестких" системах реального времени ("hard-real- time"), требующих гарантированное микросекундное время отклика на внешние события (например, системы обнаружения ракет). В таких системах время выполнения каждой операции должно быть полностью предсказуемо. Но тогда приходится отказываться не только от управления памятью, но и от динамического создания объектов, рекурсии, вызова процедур с локальными сущностями и так далее. Работа с такими системами подразумевают специализированную машину с одним исполняемым процессом, фактически без операционной системы в обычном понимании этого термина. В таких средах люди предпочитают писать на языках ассемблера, из-за страха дополнительных неожиданностей от сгенерированного компилятором кода. Все это сводит обсуждение к малой, хотя и стратегически важной области мира программ.

Надо ли заботиться о памяти?

Другой аргумент, который можно услышать в оправдание несерьезному подходу, - это постоянный рост объема доступной памяти компьютера и уменьшение цены памяти.

Используемая память может быть как виртуальной, так и реальной. В системах виртуальной памяти первичная и вторичная память делится на блоки, называемые страницами. Вновь требуемые страницы первичной памяти вытесняют во вторичную память редко используемые страницы первичной памяти. Если такая система используется для работы с ОО-системами, страницы, содержащие недостижимые объекты, будут вытесняться и освободят основную память для часто используемых объектов.

Если бы действительно в нашем распоряжении было почти безграничное количество почти свободной памяти, можно было бы удовлетвориться несерьезным подходом.

К несчастью, это не так.

Первая причина в том, что на практике виртуальная память не эквивалентна реальной. Если хранить большое количество объектов в виртуальной памяти, в которой меньшинство достижимых объектов рассыпано среди большинства недостижимых, то процесс выполнения будет постоянно вызывать перемещение страниц памяти, феномен, известный как пробуксовка (trashing), приводящий к драматическому увеличению времени выполнения. Действительно, системы виртуальной памяти усложняют эффективное разделение двух основных аспектов - пространства и времени. (См. "Эффективность", лекцию 1.)

Но есть более важное ограничение применения несерьезного подхода. Даже большая память имеет границы. Удивительно, как быстро программисты к ним подходят. Как только мы выходим за пределы систем с небольшим числом недостижимых объектов, лицом к лицу сталкиваемся с проблемой восстановления памяти.

Байт здесь, байт там, и реальные покойники

Пора послушать печальную и поучительную историю Лондонской службы скорой помощи.

Лондонская служба скорой помощи, как говорят, самая большая в мире, обслуживает территорию около 1500 кв. км, c постоянным населением почти в семь миллионов человек и с еще большим количеством населения в дневное время. Каждый день эта служба обслуживает пять тысяч пациентов и получает от двух до трех тысяч звонков.

Как можно догадаться по мрачному заголовку, в этой работе используются компьютеры (точнее ПО). Вначале было несколько неудачных разработок, даже не введенных в действие, как несоответствующих требованиям, несмотря на то что на разработку этих систем затрачивались значительные финансовые средства. Наконец, в 1992 была введена в эксплуатацию новая система, разработанная за миллион фунтов. Скоро о ней снова заговорили. 28 и 29 октября на телевидении и в прессе сообщалось, что из-за неадекватной работы системы были потеряны двадцать жизней. Говорили, что в одном конкретном случае врачи скорой помощи по рации сообщили на базу, что прибыли на место назначения и спросили, почему владелец похоронного бюро прибыл раньше. Исполнительный директор службы ушел в отставку, была назначена следственная комиссия.

Служба скорой помощи после трагедии не сразу отказалась от компьютерной системы, а переключилась на гибридную модель - частично ручную, частично полагающуюся на систему. Согласно официальным отчетам:

Эта гибридная система действовала с переменным успехом с 27 октября 1992 г. до раннего утра 4 ноября. Однако после двух часов 4 ноября работа системы значительно замедлилась, вскоре после этого система вышла из строя совсем. Перезагрузка не смогла решить проблему. Управление и персонал вернулись к бумаге и телефонным звонкам.

Что привело систему к краху, так что ее не могли сохранить даже как дополнение к ручным операциям? Отчет определил несколько причин. Вот основная:

Следственная команда пришла к выводу, что крах системы был вызван незначительной ошибкой программного обеспечения. Программист XX ("XX" здесь и далее заменяет название компании, разрабатывающей программное обеспечение данной системы) тремя неделями раньше оставил в системе кусок программного кода, который, используя небольшой файл на сервере, записывал и не стирал информацию о выезде машины на вызов. Через три недели память переполнилась. Эта ошибка была вызвана беспечностью и отсутствием проверки качества программного кода. Такого рода неисправности вряд ли могут быть обнаружены обычным тестированием программистом или пользователем.

Читатель должен сам решить, какую программную ошибку стоит называть незначительной, особенно принимая во внимание последний комментарий о трудностях тестирования, который еще будет подробно обсуждаться ниже.

Для тех, кто все еще думает, что можно пользоваться несерьезным подходом, и для тех, кто относится к управлению памятью только как к проблеме реализации, двадцать жертв лондонской службы скорой помощи должны служить грустным напоминанием о серьезности рассматриваемой проблемы.

Восстановление памяти: проблемы

Если уйти от несерьезного подхода и его упрощающих допущений, то предстоит решить, как и когда восстанавливать память. Возникают две проблемы:

[x]. Обнаружение (detection). Как найти мертвые элементы?

[x]. Восстановление (reclamation). Как восстановить для повторного использования память, присоединенную к этим элементам?

Для каждой из этих задач можно искать решение на одном из двух возможных уровнях:

[x]. Реализации языка - компилятор и среда исполнения обеспечивают общую поддержку любому ПО, создаваемому на этом языке и в данной среде.

[x]. Приложения - приложение само решает возникающие проблемы.

В первом случае управление выделенной памятью происходит автоматически с помощью программно-аппаратных средств. Во втором случае каждый разработчик приложения должен позаботиться об этом сам.

Фактически, существует еще третий возможный уровень, нечто среднее между этими двумя, - фабрика компонентов. Функции управления памятью возлагаются на общецелевые повторно используемые классы библиотеки ОО-среды. Подобно уровню приложения, можно использовать только разрешенные конструкции языка программирования, не имея прямого доступа к аппаратуре и функциям операционной системы. Подобно уровню реализации языка, проблемы управления памятью решаются один раз и для всех приложений.

Даны две проблемы и три способа решения каждой, в итоге - шесть возможных вариантов. Только четыре из них имеют практический смысл. Рассмотрим их.

Удаление объектов, управляемое программистом

Одно популярное решение - обнаружение мертвых элементов возложить на разработчика программы, а восстановление памяти решать на уровне реализации языка.

Это простейшее решение для реализаторов языка: все, что от них требуется, - это ввести в язык примитив, скажем, reclaim, такой что a.reclaim сообщает системе, что объект, присоединенный к a, не нужен, и соответствующие ячейки памяти можно освободить для новых объектов.

Это решение реализовано в не ОО-языках, таких как Pascal (dispose процедура), C (free), PL/I (FREE), Modula-2 и Ada. Оно есть в большинстве 'гибридных ОО" языков, в частности в C++.

Такое решение особенно приветствуется в мире С-программистов, любящих полностью контролировать происходящее. Обычная реакция таких программистов на тезис о том, что Objective-C может давать преимущества, благодаря автоматическому восстановлению памяти, следующая:

Я говорю, НЕТ! Оставлять недостижимые объекты - ПЛОХОЙ СТИЛЬ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. Если вы создаете объект, вы должны отвечать за его уничтожение, если вы им не пользуетесь. Разве мама не учила вас убирать свои игрушки после игры? (Послано Яном Стефенсоном (Ian Stephenson), 11 мая1993.)

Для серьезной разработки программ эта позиция не позволительна. Хорошие разработчики должны разрешать кому-либо другому играть со своими "игрушками" по двум причинам: надежности и простоты разработки.

Проблема надежности

Допустим, разработчик управляет утилизацией объектов с помощью механизма reclaim. Возможность ошибочного вызова reclaim всегда существует; особенно при наличии сложных структур данных. В жизненном цикле ПО reclaim, бывшее когда-то правильным, может стать некорректным.

Такие ошибки приводят к проблеме висячих ссылок, - когда в одном из полей существующего объекта хранится ссылка на удаленный объект. Если система, после того как область памяти, занимаемая этим объектом, была утилизирована и использована для хранения другой информации, попытается использовать ссылку, то результатом будет крах программы или (еще хуже) ее ошибочное или неуправляемое поведение.

Этот тип ошибки известен, как источник появления самых частых и неприятных жучков в практике языка С и производных языков. Программисты боятся таких жучков из-за трудности обнаружения их источника. Если программист не заметил, что определенная ссылка еще присоединена к объекту и как результат - ошибочно выполняет reclaim, то это часто происходит из-за того, что ссылка находится в другой части программы. Если так, то должна быть большая физическая и концептуальная дистанция между ошибкой - вызовом reclaim и ее проявлением - крах или другое ненормальное поведение из-за попытки применения некорректной ссылки. Проявиться ошибка может значительно позже и, по-видимому, совсем в другой части программы. К тому же, ошибка может быть плохо воспроизводимой, поскольку распределение памяти операционной системой не всегда происходит одинаково и может зависеть от внешних по отношению к программе факторов.

Сказать, что причиной этих ошибок является "плохой стиль программирования", как в письме, упомянутом выше, это не сказать ничего. Человеку свойственно ошибаться; ошибки при программировании неизбежны. Даже в приложениях средней сложности, нет разработчиков, которым можно доверять, нельзя доверять самому себе в способности проследить за всеми объектами периода выполнения. Это работа не для человека, с ней может справиться только компьютер.

Многие из С или С++ программистов ночи проводят, пытаясь понять, что произошло с одной из их игрушек. Нередко, что проект задерживается из-за загадочных ошибок при работе с памятью.

Проблема простоты разработки

Даже если можно было бы избежать ошибочных вызовов reclaim, остается вопрос - сколь реально просить разработчиков управлять удалением объектов? Загвоздка в том, что даже при обнаружении объекта, подлежащего утилизации, обычно просто удалить его недостаточно, он может сам содержать ссылки на другие объекты и нужно решить, что с ними делать.

Рассмотрим структуру, показанную на рис.9.10, ту же, что использовалась в предыдущей лекции для описания динамической природы объектных структур. Допустим, выяснилось, что можно утилизировать самый верхний объект. Тогда в отсутствии каких-либо других ссылок можно удалить и другие два объекта, на один из которых он ссылается прямо, а на другой - косвенно. Не только можно, но и нужно: разве хорошо удалять только часть структуры? В терминологии Pascal это иногда называется рекурсивной проблемой удаления: если операции утилизации имеют смысл, они должны быть рекурсивно применены ко всей структуре данных, а не только к одному индивидуальному объекту. Но конечно, необходимо быть уверенным, что на объекты удаляемой структуры нет ссылок из внешних объектов. Это трудная и чреватая ошибками задача.

Рис. 9.10.  Прямые и косвенные взаимные ссылки

На этом рисунке все объекты одного типа PERSON1. Предположим, что сущность x присоединена к объекту О типа MY_TYPE , объявленным как класс:

class MY_TYPE feature

attr1: TYPE_1

attr2: TYPE_2

end

Каждый объект типа MY_TYPE, такой как О, содержит две ссылки, которые (кроме void) присоединены к объектам типа TYPE_1 и TYPE_2. Утилизация О может предполагать, что эти два объекта тоже должны быть утилизированы, также как и зависимые от них объекты. Выполнение рекурсивной утилизации, в этом случае, предполагает написание множества процедур утилизации, - по одной для каждого типа объектов, которые, в свою очередь, могут содержать ссылки на другие объекты. Результатом будет множество взаимно рекурсивных процедур большой сложности.

Все это ведет к катастрофе. Нередко, в языках, не поддерживающих автоматическую сборку мусора, в приложения включаются специально разработанные системы управления памятью. Такая ситуация неприемлема. Разработчик приложения должен иметь возможность сконцентрироваться на своей работе, а не стать счетоводом или сборщиком мусора.

Возрастающая сложность программы из-за ручного управления памятью приводит к падению качества. В частности, она затрудняет читаемость и такие свойства как простота обнаружения ошибок и легкость модификации. В результате, к сложности конструкции добавляется проблема надежности. Чем сложнее система, тем больше вероятность содержания ошибок. Дамоклов меч ошибочного вызова reclaim всегда висит над головой и, скорее всего, упадет в наихудшее время: когда система пройдет тестирование и начнет использоваться, создавая большие и замысловатые структуры объектов.

Вывод очевиден. Кроме жестко контролируемых ситуаций (рассмотренных в следующем разделе), ручное управление памятью не подходит для разработки серьезных систем, как минимум, по соображениям качества.

Подход на уровне компонентов

(Этот раздел описывает решение, полезное только для специального случая; его можно пропустить при первом чтении книги.)

Перед тем как перейти к амбициозным схемам, таким как автоматическая сборка мусора, стоит посмотреть на решение, которое может быть альтернативой предыдущему, исправляя некоторые его недостатки.

Это решение применимо только для ОО-программирования "снизу-вверх", где структуры данных создаются не для нужд конкретной программы, а строятся как повторно используемые классы.

Что предлагает ОО-подход по отношению к управлению памятью? Одна из новинок скорее организационная, чем техническая: в этом подходе большое внимание уделяется повторному использованию библиотек. Между разработчиками приложения и создателями системных средств - компилятора и среды разработки - стоит третья группа людей, отвечающих за написание повторно используемых компонентов, реализующих основные структуры данных. Членов третьей группы, которые, конечно могут иногда выступать и в двух других ипостасях, принято называть производителями компонентов (component manufacturers).

Производители компонентов имеют полный контроль над любым использованием данного класса и потому находятся в лучшем положении при поиске приемлемого решения проблемы управления памятью для всех экземпляров этого класса.

Если модель размещения и удаления объектов класса достаточно проста, разработчики компонентов могут найти эффективное решение, возможно, даже не требующее специальной подпрограммы reclaim. Они могут выразить все в терминах понятий высокого уровня. Это и называется подходом на уровне компонентов.

Управление памятью связного списка

Приведем пример подхода на уровне компонентов. Рассмотрим класс LINKED_LIST, описывающий список, состоящий из заголовка (header) и набора связанных ячеек, являющихся экземплярами класса LINKABLE. Модель размещения и удаления для связного списка проста. Объектами рассмотрения являются связанные ячейки. В этом примере производители компонентов (люди, отвечающие за классы LINKED_LIST и LINKABLE) знают точно, как создаются и как становятся "мертвыми" экземпляры класса LINKABLE - процедурами вставки и удаления. Поэтому они могут управлять соответствующей памятью особенным способом.

Допустим, класс LINKED_LIST имеет только две процедуры вставки: put_right и put_left, вставляющие новый элемент справа или слева от текущей позиции курсора. Каждой процедуре вставки необходимо создать ровно один новый LINKABLE объект. Типичная реализация приведена ниже:

put_right (v: ELEMENT_TYPE) is

- Вставка элемента со значением v правее позиции курсора.

require

...

local

new: LINKABLE

do

create new.make (v)

active.put_linkable_right (new)

... Инструкции по изменению других связей...

end

Рис. 9.11.  Связный список

Инструкция создания create new.make (v) дает указание уровню реализации языка разместить в памяти новый объект.

Точно так же, как мы управляем тем, где создавать объекты, мы точно знаем, где они становятся недостижимыми, - в процедурах удаления. Пусть в нашем классе три такие процедуры: remove, remove_right, remove_left. Могут быть также и другие процедуры, такие как remove_all_occurrences (которая удаляет все экземпляры с определенным значением) и wipe_out (удаляет все элементы списка). Допустим, что если они присутствуют, то используют первые три процедуры удаления. Процедура remove, например, может иметь следующую форму:

remove is

- удаляет элемент текущей позиции курсора.

do

...

previous.put_linkable_right (next)

... Инструкции по изменению других связей...

active := next

end

Рис. 9.12.  Удаление объекта

Эти процедуры удаления представляют точный контекст обнаружения недостижимых объектов и, при желании, предоставят эти объекты для последующего использования. В отсутствие какой-либо автоматической схемы освобождения памяти разработчик компонентов может безопасно резервировать освобождающуюся память. Если предыдущее удаление создало недостижимые LINKABLE объекты и разместило их где-то для последующего использования, то можно их использовать, когда вставка требует создания новых элементов.

Предположим, экземпляры LINKABLE хранятся в структуре данных, называемой available. Она будет представлена ниже. Тогда можно заменить инструкции создания типа create new.make (v) в put_right и put_left на

new := fresh (v)

где fresh закрытая функция класса LINKED_LIST, возвращающая готовый к использованию экземпляр linkable. Функция fresh пытается получить память из available списка, и выполнит создание нового элемента только, когда этот список пуст.

Элементы будут попадать в available в процедурах удаления. Например, тело процедуры remove теперь должно быть:

do

recycle (active)

- остальное без изменений:

... Инструкции по обновлению связей: previous, next, first_element, active...

где recycle новая процедура LINKED_LIST играет роль, противоположную fresh, добавляя свой аргумент в available. Эта процедура будет закрытой, она нужна только для внутреннего использования.

Работа с утилизированными объектами

Для реализации fresh и recycle, можно среди других возможных вариантов представить available как стек: fresh будет удалять элемент из стека, а recycle будет помещать элемент в стек. Создадим класс STACK_OF_LINKABLES для этого случая и добавим следующие закрытые компоненты в класс LINKED_LIST (В упражнении У23.1. требуется определить, будет ли корректным появление у функции fresh побочных эффектов.):

available: STACK_OF_LINKABLES

fresh (v: ELEMENT_TYPE): LINKABLE is

- Новый элемент со значением v, для повторного

- использования во вставке

do

if available.empty then

- Создание нового элемента

create Result.make (v)

else

- Повторное использование linkable

Result := available.item; Result.put (v); available.remove

end

end

recycle (dead: LINKABLE) is

-Возвращает dead в список достижимых элементов.

require

dead /= Void

do

available.put (dead)

end

Мы можем объявить класс STACK_OF_LINKABLES следующим образом:

class

STACK_OF_LINKABLES

feature {LINKED_LIST}

item: LINKABLE

- Элемент в вершине стека

empty: BOOLEAN is

- нет элементов в стеке?

do

Result := (item = Void)

end

put (element: LINKABLE) is

- Добавить элемент в вершину стека.

require

element /= Void

do

element.put_right (item); item := element

end

remove is

- Удалить последний добавленный элемент.

require

not empty

do

item := item.right

end

end

Рис. 9.13.  STACK_OF_LINKABLES

Представление стека использует все преимущества поля right, присутствующего в каждом элементе LINKABLE, связывая все утилизированные элементы и предоставляя, тем самым, дополнительную память для размещения новых элементов списка LINKED_LIST. Класс LINKABLE должен экспортировать свои компоненты right и put_right в класс STACK_OF_LINKABLES.

Компонент available является атрибутом класса. Это означает, что каждый связный список будет иметь свой собственный стек. Конечно, память можно было бы использовать эффективнее в системе, содержащей несколько списков и единственный стек для всех удаленных элементов. Такая техника однократных функций (once functions), будет представлена позже; применение ее для available означает, что только один экземпляр класса STACK_OF_LINKABLES будет существовать до конца выполнения системы, что означает достижение поставленной цели. ( Упражнение У9.3. и У9.4. Об однократных функциях см. лекцию 18)

Дискуссия

Этот пример показывает, как подход на уровне компонентов может облегчить проблему восстановления памяти. Подразумевается, что реализации языка не предоставляет автоматического механизма сборки мусора, описанного в следующих разделах. Не обременяя приложение проблемами управления памятью, решение передается повторно используемым библиотечным классам, созданных производителями компонентов.

Недостатки и польза - понятны. Проблемы ручного управления памятью (угроза ненадежности, монотонность) не исчезают магически. Защищенная от неправильного использования схема управления памятью, например, для связного списка, - трудна. Но вместо того, чтобы бороться с проблемой каждому разработчику приложений, работа возлагается на производителя компонентов. Чрезмерные усилия, затрачиваемые производителями компонент, окупаются тем, что созданные компоненты многократно используются различными приложениями.

Автоматическое управление памятью

Ни один из рассмотренных подходов не является полностью удовлетворительным. Общее решение проблемы управления памятью предполагает серьезную работу на уровне реализации языка.

Необходимость автоматических методов

Хорошая ОО-среда должна предлагать механизм автоматического управления памятью, который обнаруживал бы и утилизировал недостижимые объекты, позволяя разработчикам приложений концентрироваться на своей работе - разработке приложений.

Предыдущее обсуждение достаточно ясно показало, как важно иметь возможность управлять памятью. По словам Михаила Швейцера (Michael Schweitzer) и Ламберта Стретра (Lambert Strether): "ОО-программа без автоматического управления памятью то же самое, что скороварка без клапана безопасности: рано или поздно она взорвется!" (Из [Schweitzer 1991])

Многие среды разработки, разрекламированные как ОО, не поддерживают такие механизмы. Они могут иметь свойства, делающие их привлекательными на первый взгляд. Они даже могут безупречно работать в малых системах. Но в серьезном проекте вы рискуете разочароваться в среде, когда приложение достигнет реального размера. В заключение конкретный совет:

При выборе ОО-среды - или просто компилятора ОО-языка - для разработки программного продукта ограничьте ваше внимание только теми решениями, которые предлагают автоматическое управление памятью.

Два главных подхода применимы при автоматическом управлении памятью: подсчет ссылок и сборка мусора. Они оба достойны внимания, хотя второй намного мощнее и обще применим.

Что в точности понимается под восстановлением?

Прежде чем рассмотреть подсчет ссылок и сборку мусора, займемся одной технической деталью. В любой форме автоматического управления памятью возникает вопрос, - каков механизм утилизации объекта, определенного как недостижимый? Возможны две интерпретации:

[x]. Механизм может добавить память, занимаемую объектом, к постоянно поддерживаемому "списку свободных ячеек", в духе техники, использованной при рассмотрении подхода на уровне компонентов. Последующая инструкция создания ( create x... ) вначале обратится к этому списку для выделения памяти новому объекту. Только если этот список пуст или нет подходящих ячеек, инструкция запросит память у операционной системы. Этот подход может быть назван внутренний список свободной памяти.

[x]. Альтернативой является возвращение занимаемой объектом памяти операционной системе. На практике это решение включает в себя некоторые аспекты первого: для избежания переизбытка системных вызовов, утилизированные объекты могут временно храниться в списке, возвращаемого операционной системе при достижении определенного предела. Этот подход может быть назван реальным восстановлением.

Хотя возможны оба решения, долго работающие системы требуют реального восстановления. Причина очевидна. Рассмотрим приложение, которое никогда не останавливается. Оно создает объекты, большинство из которых становятся недостижимыми. Существует верхняя граница количества одновременно достижимых объектов, в то время как общее количество созданных с начала работы объектов не ограниченно. Тогда при подходе внутренних списков свободной памяти возможна ситуация, когда приложение постоянно запрашивает большую, чем нужно, память. В упражнении У9.1 этой лекции требуется создать образец программы, демонстрирующий такое поведение.

Было бы большим разочарованием иметь автоматическое управление памятью и оказаться в ситуации лондонской службы скорой помощи, - посягая без причин байт за байтом на доступную память, пока выполнение не выйдет за рамки памяти и не закончится катастрофой.

Подсчет ссылок

Простая идея лежит в основе первого метода управления памятью - подсчета ссылок. Каждый объект хранит текущее число сделанных на него ссылок. Когда оно становится равным нулю, объект можно утилизировать.

Это решение не сложно для реализации на уровне языка. Нужно обновлять число ссылок любого объекта в ответ на операции, создающие новый объект, присоединения и отсоединения объекта.

Любая операция, создающая объект, инициализирует число ссылок, делая его равным единице. В частности, так должно происходить с инструкцией создания create a , создающей объект и присоединяющей его к а. (Ситуация с инструкцией clone вкратце будет обсуждена позже.)

Любая операция, присоединяющая новую ссылку к объекту О, должна увеличивать число ссылок О на единицу. Имеется два вида операций присоединения, в которых значение a представляет ссылку, присоединенную к О:

A1 L b := a (присваивание).

A2 L x.r(..., a, ...) , где r - некоторая подпрограмма (передача аргумента).

Любая операция, отсоединяющая ссылку от объекта О, должна уменьшать число ссылок О на единицу. Имеется два вида операций отсоединения:

[x]. (D1) Любое присваивание a := b. Заметим, что это также присоединяющая операция (А1) для объекта, присоединенного к b. (Поэтому если b также присоединен к О, необходимо как увеличить, так и уменьшить счетчик О, т.е. оставить его без изменения - приятный результат.)

[x]. (D2) Завершение вызова подпрограммы вида x.r(..., a, ...). (Если a встречается более одного раза в списке фактических аргументов, необходимо считать отсоединением каждое вхождение a.)

После таких операций, реализация должна также проверять, не является ли значение счетчика, равным нулю, если да, то можно утилизировать объект.

В заключение рассмотрим ситуацию с clone, требующую особого внимания. Операция a := clone (b) создает копию объекта ОВ, присоединенного к b, если ОВ существует. Вновь созданный объект ОA присоединяется к a. Счетчик ссылок ОA инициализируется единицей, естественно, не копируя счетчик ОВ. Если ОВ имеет непустые ссылочные поля, то при его копировании следует увеличить на единицу счетчик ссылок каждого объекта, присоединенного к каждому ссылочному полю, не исключено, что некоторые поля могут быть присоединены к одному и тому же объекту.

Очевидным недостатком подсчета ссылок являются издержки выполнения как временные, так и по объему памяти. Для всех операций со ссылками реализация языка должна выполнять арифметическую операцию, а в случае отсоединения, - условный оператор. К тому же, к каждому объекту добавляется поле счетчика ссылок.

Но есть более серьезная проблема, делающая подсчет ссылок, к сожалению, мало используемым. ("К сожалению", поскольку эта техника легко реализуема.) Проблема связана с циклическими структурами. Рассмотрим в очередной раз наш основной пример структуры с взаимосвязанными объектами:

Рис. 9.14.  Неудаляемая при подсчете ссылок циклическая структура

Объекты О1, О2 и О3 содержат циклические ссылки друг на друга. Допустим, что нет объектов вне структуры кроме О, содержащих ссылки на какой-либо из объектов структуры. Соответствующий счетчик ссылок показан под каждым объектом.

Теперь допустим, что ссылка от О к О1 отрезана, например потому что подпрограмма вызываемая с целью О выполняет инструкцию:

а:=void

Тогда объекты О1, О2, О3 станут недостижимыми, но механизм подсчета ссылок не определит эту ситуацию: вышеуказанная инструкция уменьшит счетчик ссылок О1 до трех и только. Счетчики всех трех объектов останутся положительными, что не позволит определить необходимость их утилизации.

Из-за этой проблемы, подсчет ссылок применим только к структурам, гарантированно не использующим циклы. Это делает его неподходящим в качестве универсального механизма на уровне реализации языка. Невозможно гарантировать, что произвольная система не создает циклических структур. Поэтому метод может быть применен только при создании библиотек компонентов. К сожалению, если методы уровня компонентов, рассмотренные в предыдущем разделе, не применимы, то это происходит потому, что используемые структуры слишком сложны и, чаще всего, по причине наличия циклов.

Сборка мусора

Наиболее общей и полностью удовлетворительной техникой является лишь автоматическая сборка мусора или просто сборка мусора.

Механизм сборки мусора

Сборщик мусора (garbage collector) - это функция исполнительной системы (runtime system) языка программирования. Сборщик мусора выполняет обнаружение и утилизацию недостижимых объектов, не нуждаясь в управлении приложением, хотя приложение может иметь в своем распоряжении различные средства контроля работы сборщика.

Детальное рассмотрение всех проблем сборки мусора требует отдельной книги. (В конце лекции приведена библиография по этой проблеме.) Рассмотрим общие принципы и возникающие проблемы, концентрируя внимание на свойствах, важных для разработчиков программ.

Требования к сборщику мусора

Сборщик мусора, несомненно, должен быть корректным, удовлетворяя двум требованиям:

Свойства сборщика мусора

Качественность: каждый собираемый объект должен быть недостижимым.

Полнота: каждый недостижимый объект должен быть собран.

Качественность - абсолютное требование: лучше не собирать мусор, чем выбрасывать нужный объект. Нужна полная уверенность в том, что управлению памятью можно слепо доверять. Фактически надо забыть о нем почти навсегда, будучи уверенным, что кто-то как-то убирает беспорядок в вашей программе, также как кто-то как-то убирает мусор в вашем офисе, когда вас нет, но не убирает при этом ваши книги, компьютер и семейные фотографии со стола.

Полнота желательна - без нее все равно можно столкнуться с проблемой, которую сборщик мусора должен решить: память тратится на бесполезные объекты. Но здесь можно не требовать безупречности: сборщик может быть полезным, если он собирает основную часть мусора, иногда пропуская один или два объекта.

Это замечание требует детализации. На практике любой сборщик промышленного масштаба должен обладать полнотой. Полнота на практике также необходима, как качественность, но менее жестка, если перефразировать ее определение: "каждый недостижимый объект должен быть, в конце концов, собран". Предположим, что мы можем сделать процесс сборки более эффективным, благодаря алгоритму, который собирает каждый недостижимый объект, но может запоздать с обращением к некоторым из них: такая схема будет приемлемой для большинства приложений. В этом идея обсуждаемого далее алгоритма "сборки мусора поколений", который в целях эффективности чаще сканирует области памяти, содержащие с большей вероятностью недостижимые объекты, и реже обращает внимание на другие участки памяти.

При таком компромиссном подходе для сборщика мусора необходимо будет ввести не только бинарные критерии полноты и качественности, но и критерий, называемый своевременность (timeliness). Его значением является интервал времени от момента, когда объект становится недостижимым, до момента его утилизации, причем важно как среднее значение времени, так и верхняя его граница.

Определение качественности высвечивает трудности, связанные со сборкой мусора для некоторых языков программирования, и соответствующие роли языка и его реализации. Почему, например, сборка мусора обычно неприменима для С++? Обычно приводимые причины связаны с культурой: в мире С каждый разработчик должен сам заботиться о своих "игрушках" (по словам Стефенсона); он просто не доверяет какому-либо автоматическому механизму управлять его делами. Но, если бы это было действительной причиной, а не апостериорным оправданием, среды С++ могли бы, как минимум, предложить сборку мусора как подключаемую возможность, но большинство реализаций этого не делают.

Действительная проблема лежит в структуре языка, а не в технологии компиляции или культурных традициях. Язык С++, следуя С, слабо типизирован; он предоставляет возможность преобразования типа, благодаря которой на объект одного типа можно ссылаться как на сущность другого типа. Конструкция:

(OTHER_TYPE) x

означает, что теперь x рассматривается как сущность типа OTHER_TYPE, связанного или несвязанного с истинным типом x. Хорошие книги по С++ предостерегают приложения от применения подобных конструкций. Но разработчикам компилятора деваться некуда, - они обязаны реализовать язык в соответствии с его определением. Теперь представьте следующий сценарий. Ссылка на объект какого-либо полезного типа, скажем NUCLEAR_SUBMARINE, временно приведена к типу integer. Сборщик мусора, работающий в этот момент, не видит ссылки, а видит только целое типа integer. Не находя других ссылок на объект, сборщик утилизирует подлодку. Когда, через некоторое время программа выполнит обратное преобразование целого в ссылку типа NUCLEAR_SUBMARINE, будет уже поздно, - подлодка уничтожена.

Для решения этой проблемы предлагались разные методы. Широкого применения они не получили из-за накладываемых ограничений. Язык Java может рассматриваться как язык семейства C++, в котором введены существенные ограничения на систему типов, вплоть до удаления множественного наследования и универсализации, чтобы сделать, наконец, возможной сборку мусора в мире программ, основанных на С.

При тщательно спроектированной системе типов, конечно, можно сочетать мощь множественного наследования и универсализации с безопасностью типов и поддержкой эффективной сборки мусора.

Основа сборки мусора

Рассмотрим работу сборщика мусора.

Основной алгоритм включает две фазы: пометка и чистка. Фаза пометки, начиная с оригиналов, рекурсивно следует ссылкам, проходит активную часть структуры и помечает как достижимые все встреченные объекты. Фаза чистки обходит всю структуру объектов, утилизируя все не помеченные объекты и удаляя все пометки. (Об оригиналах см. раздел "Достижимые объекты в ОО-модели этой лекции.")

Как и в случае с подсчетом ссылок, объекты включают дополнительное поле, используемое здесь для пометки. Но требуемая для этого поля память незначительна, - достаточно одного бита для каждого объекта. Как будет видно при изучении динамического связывания, реализация ОО-возможностей требует, чтобы объект имел дополнительную внутреннюю информацию (например, тип). Эта информация обычно занимает одно или два слова в каждом объекте. Бит пометки может быть частью служебного слова, и не будет занимать дополнительную память.

Сборка по принципу "все-или-ничего"

Когда нужно приводить в действие сборщик мусора?

Классические сборщики мусора активизируются по требованию и работают до завершения. Другими словами, сборщик мусора не работает, пока остается память для работы приложения. Как только ее не хватает, приложение запускает полный цикл сборки мусора - фаза пометки и следом фаза чистки.

Эта техника может быть названа "все-или-ничего". Преимущество ее в том, что она не вызывает перегрузки пока достаточно памяти. Когда программа выходит за пределы достижимых ресурсов, в наказание вызывается сборщик мусора.

Но сборка мусора по принципу "все-или-ничего" имеет серьезный недостаток: полный цикл пометки-чистки может занять много времени - особенно в среде виртуальной памяти, большое пространство виртуальных адресов которого сборщик мусора должен обойти полностью, прерывая на это время выполнение приложения.

Для пакетных приложений такая схема еще может быть приемлема. Но и здесь при высоком коэффициенте отношения виртуальной памяти к реальной перегрузка может стать причиной серьезной потери производительности, если система создает большое число объектов, лишь малая часть из которых является в каждый момент достижимыми.

Сборка мусора по принципу "все-или-ничего" не будет работать для интерактивных систем или систем реального времени. Представим систему обнаружения ракетного нападения, которая имеет 50-миллисекундный интервал для реагирования на запуск ракеты. Допустим, программа прекрасно работала, пока система не вышла за пределы памяти, но, к несчастью это событие произошло в момент запуска ракеты, когда вместо системы начал свою работу неспешный сборщик мусора.

Даже в менее жизненно важных приложениях, таких как интерактивные системы, неприятно использовать инструмент, например, редактор текста, который иногда непредсказуемо зависает на 10 минут, потому что у него начался цикл сборки мусора.

В таких случаях проблема заключается не в глобальном эффекте временных потерь, связанных со сборкой мусора: определенная потеря производительности может быть вполне допустимой для разработчиков и пользователей, как плата за надежность и удобство, предоставляемое автоматической сборкой мусора. Но временные потери должны быть равномерно распределены. Неприемлемы непредсказуемые всплески активности сборщика мусора. Лучше черепаха, чем заяц, время от времени без предупреждения засыпающий на полчаса. Подсчет ссылок, если бы не его фатальный порок, удовлетворял бы лозунгу: "лучше ехать медленно, но с постоянной скоростью, чем быстро, но с неожиданными и непредсказуемыми остановками".

Конечно, временные потери должны быть не только постоянными, но и небольшими. Если приложение без сборщика мусора - заяц, никто не согласится заменить его черепахой. Хороший сборщик мусора должен обеспечивать задержку, не превышающую 5-15%. Хотя некоторые скажут, что и это неприемлемо, я знаю совсем немного приложений, которым нужны меньшие издержки. Необходимо учитывать также, что в отсутствии сборщика мусора потребуется ручная утилизация, также не обходящаяся без издержек. Несмотря на все издержки, сборка мусора необходима.

В ходе обсуждения выявлены две дополнительные проблемы эффективности работы сборщика мусора: производительность глобальная (overall performance) и в стартстопном режиме (incrementality).

Продвинутый (Advanced) подход к сборке мусора

Хороший сборщик должен обеспечивать хорошую производительность, работая как постоянно, так и в стартстопном режиме, становясь приемлемым для интерактивных приложений и даже для систем реального времени.

Отсюда первое требование - необходимо дать возможность разработчикам управлять запуском и выключением циклов работы сборщика. В частности, библиотеки должны предоставлять процедуры:

collection_off

collection_on

collect_now

Вызов первой прекращает циклическую работу по сборке мусора до особого распоряжения; второй - включает сборщик, восстанавливая нормальное состояние работы; третьей - заставляет сборщик немедленно выполнить полный цикл работы. Пусть некоторая система содержит критический по времени выполнения раздел, в котором не должно быть никаких непредсказуемых временных задержек. В этом случае разработчик может вызвать collection_off в начале этого раздела и collection_on в его конце; в любой другой точке, где приложение работает вхолостую (например, во время ввода или вывода), можно запустить collect_now.

Более продвинутая техника, используемая в большинстве современных сборщиков мусора, известна как сборка мусора поколений (generation scavenging). Она исходит из следующего наблюдения: чем больше циклов сборки мусора объект пережил, тем больше вероятность, что он доживет до следующего цикла или всегда будет достижимым. Отсюда принцип работы сборщика мусора: "старые объекты оставляй нетронутыми". Сборщику полезна любая информация, позволяющая сканировать определенные категории объектов реже, чем остальные. Сборка мусора поколений обнаруживает объекты, существующие более чем определенное количество циклов. Такие объекты получают статус постоянной должности (tenuring) по аналогии с механизмом, защищающим экземпляры класса реальной жизни PROFESSOR, прошедших несколько циклов переизбрания и получивших, наконец, постоянную позицию. Объекты-долгожители будут рассматриваться отдельным сборщиком, работающим реже, чем сборщик "молодых" объектов.

Практическая реализация сборки мусора поколений имеет много вариаций. В частности, обычно делят объекты не только на молодые и старые, но на большее число поколений с разными стратегиями сборки мусора различных поколений.

Алгоритмы параллельной сборки мусора

Для получения полного решения проблемы работы в стартстопном режиме крайне привлекательно выделить сборщику мусора отдельный поток выполнения, конечно, при условии поддержки многозадачности операционной системой. Этот прием известен, как сборка мусора "на лету" (on-the fly) или параллельная.

Во время сборки мусора на лету выполнение ОО-системы использует два отдельных потока (часто соответствующих двум отдельным процессам операционной системы): приложение и сборщик. Только приложение выделяет память объектам с помощью инструкций создания; только сборщик освобождает память с помощью reclaim операций.

Сборщик будет работать непрерывно, повторяя фазу пометки и следом фазу чистки для обнаружения и удаления недостижимых объектов.

Отдельные потоки не обязательно должны быть отдельными процессами. Они могут быть, во избежание дополнительных расходов на переключение между процессами или даже потоками, плоскими сопрограммами. (Подробнее сопрограммы будут рассмотрены в лекции 12 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", рассматривающей "параллелизм")

Даже при этих условиях сборка мусора на лету на практике имеет неудовлетворительную полную производительность. Это печально, поскольку сам метод достаточно хорош, особенно при условии использования алгоритма Дейкстры (см. библиографическую ссылку).

По моему мнению (мой комментарий отражает надежду, а не научно установленный результат) параллельная сборка мусора - решение будущего, требующее кооперации с аппаратными средствами. Вместо того, чтобы воровать время у процессора, выполняющего приложение, сборка мусора должна управляться отдельным процессором, предназначенным только для решения этой задачи и сконструированным так, чтобы как можно меньше влиять на процессор(ы), работающие с приложением.

Эта идея требует изменения доминирующей аппаратной архитектуры и, вероятно, вряд ли найдет скорое применение. Я надеюсь, что ответом на иногда задаваемый вопрос -

"Какой тип аппаратного обеспечения наиболее пригоден для объектной технологии?" -

первым пунктом в списке пожеланий будет наличие отдельного процессора для сборки мусора.

Практические проблемы сборки мусора

Среда исполнения, обеспечивающая управление памятью, должна не только использовать хороший алгоритм сборки мусора, но и поддерживать несколько свойств, которые, хотя и не главные в теории управления памятью, являются существенными для практического использования среды.

Класс MEMORY

Наиболее удобный подход - представить эти свойства в виде класса, который назовем MEMORY. Класс приложения, нуждающийся в свойствах, будет наследником MEMORY.

Аналогичный подход будет использован для механизма обработки исключений (класс EXCEPTIONS, лекция 12) и для управления параллелизмом (класс CONCURRENCY, лекция 12 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования")

Среди компонентов класса MEMORY будут представлены рассмотренные ранее процедуры: collection_off, collection_on, collect_now.

Механизм освобождения

Другой важной процедурой класса MEMORY является dispose (не путайте с тезкой Pascal, которая освобождает память). Она связана с важной практической проблемой, иногда называемой финалом или окончательным завершением (finalization). Если сборщик мусора утилизирует объект, связанный с внешними ресурсами, вы можете пожелать включить в его спецификацию некоторое дополнительное действие, такое как освобождение ресурсов, выполняемое параллельно с утилизацией. Типичный пример - класс FILE, экземпляр которого представляет файлы операционной системы. Желательно иметь возможность в случае утилизации недостижимого экземпляра класса FILE вызвать некоторую процедуру, закрывающую соответствующий физический файл.

Обобщая сказанное, рассмотрим процедуру dispose, выполняющую во время утилизации необходимые объекту операции. Это могут быть не только операции по освобождению ресурсов, но и любые операции, определяемые спецификацией класса.

При ручном управлении памятью проблем не возникает: достаточно включить вызов dispose до вызова reclaim. Деструктор класса в С++ включает в себя две операции dispose и reclaim. Однако при наличии сборщика мусора приложение напрямую не контролирует момент утилизации объекта, поэтому невозможно вставить dispose в нужное место.

Решение проблемы использует мощь объектной технологии и, в частности, наследование и переопределение. (Эта техника изучается в последующих лекциях, но ее применение здесь достаточно просто и понятно без детального ознакомления.) Класс MEMORY включает процедуру dispose, в теле которой никакие действия не выполняются:

dispose is

- Действия, которые следует выполнить в случае утилизации;

- по умолчанию действия отсутствуют.

- Вызывается автоматически сборщиком мусора.

do

end

Тогда любой класс, требующий специальных действий всякий раз, когда сборщик утилизирует один из его экземпляров, должен переопределить процедуру dispose так, чтобы она выполняла эти действия. Например, представим, что класс FILE имеет логический атрибут opened и процедуру close. Он может переопределить dispose следующим образом:

dispose is

- Действия, которые следует выполнить в случае утилизации:

- закрыть связанный файл, если он открыт.

- Вызывается автоматически сборщиком мусора.

do

if opened then

close

end

end

Комментарии описывают используемое правило: при утилизации объекта вызывается dispose - либо изначально пустую процедуру (что далеко не самый общий случай), либо версию, переопределенную в классе, представляющего потомка MEMORY.

Сборка мусора и внешние вызовы

Хорошо спроектированная ОО-среда со сборкой мусора должна решать еще одну практическую проблему. Во многих случаях ОО-программы взаимодействуют с программами, написанными на не ОО-языках. В следующих лекциях будет рассмотрено, как лучше обеспечить такое взаимодействие. (См. "Взаимодействие с не ОО-программой", лекцию 13)

Если ПО включает вызовы подпрограмм, написанных на других языках (называемых далее внешними программами), возможно, этим подпрограммам необходимо будет передавать ссылки на объекты. Это потенциально опасно для управления памятью. Предположим, что внешняя подпрограмма имеет следующий вид (преобразованная в соответствии с синтаксисом языка внешней программы):

r (x: SOME_TYPE) is

do

...

a := x

...

end

где a сущность, сохраняющая значение между последовательными вызовами r. Например, а может быть глобальной или статической переменной в традиционных языках, или атрибутом класса в нашей ОО-нотации. Рассмотрим вызов r(y), где y связан с некоторым объектом О1. Возможно, что через некоторое время после вызова, О1 становится недостижимым в объектной части нашей программы, но ссылка на него (от сущности a) остается во внешней программе. Сборщик мусора может - и в конце концов должен - утилизировать О1, но в данном случае это неправильно.

Для таких ситуаций необходимы процедуры, вызываемые из внешней программы, которые защитят нужный объект от сборщика. Эти процедуры могут быть названы:

adopt (a) - усыновлять

wean (a) - отнимать от груди, отлучать

и должны быть частью интерфейса любой библиотеки, обеспечивающей взаимодействие ОО-программ и внешних программ. В следующем разделе описан подобный механизм для языка С. "Усыновление" объекта забирает его из области действия механизма утилизации; "отлучение" - возвращает возможность утилизации.

Передача объектов в не ОО-языки и удерживание ссылки на них внешней программой - дело рискованное. Но избежать этого возможно не всегда. Например, ОО-проект нуждается в специальном интерфейсе между ОО-языком и имеющейся системой управления БД. В этом случае, можно разрешить внешней программе сохранять информацию об объектах. Такие низкоуровневые манипуляции никогда не должны появляться в нормальном программном продукте. Они должны содержаться в обслуживающем классе, написанном с единственной целью - скрыть детали от остальной части программы и защитить ее от возможных неприятностей.

Среда с управлением памятью

В заключение рассмотрим, не вдаваясь в детали, как одна специфическая среда, представленная более широко в последней лекции этой книги, управляет памятью. Это даст пример практического, реально достижимого подхода к проблеме.

Основы

Управление памятью - автоматическое. Среда включает сборку мусора, существующую по умолчанию. Вполне естественен вопрос пользователя "как включить сборщик мусора?". Ответ - он уже включен! В обычном использовании, в том числе и в интерактивных приложениях, он незаметен. Его можно отключить с помощью collection_off.

В отличие от сборщиков в других средах, сборщик мусора не просто освобождает память для повторного использования объектами того же приложения, а возвращает память операционной системе для ее использования другими приложениями (по крайней мере, операционными системами, поддерживающими механизм освобождения памяти навсегда). Ранее показано, как важно это свойство, особенно для систем, работающих долгое время или постоянно.

Дополнительные инженерные цели, возложенные на сборщика мусора при его проектировании: эффективная сборка памяти, небольшие накладные расходы, стартстопный режим работы, позволяющий предотвратить блокировку приложения в критические моменты его работы.

Сложные проблемы

Сборщик мусора сталкивается со следующими проблемами, вызванными практическими ограничениями на размещение объектов в современной ОО-среде:

[x]. ОО-подпрограммы могут вызывать внешние программы, в частности, С-функции, которые могут, в свою очередь, размещать нечто в памяти. Поэтому нужно рассматривать два различных вида памяти: память для объектов и внешнюю память.

[x]. Объекты создаются по-разному. Массивы и строки имеют переменный размер; экземпляры других классов имеют фиксированный размер.

[x]. Наконец, как отмечалось, недостаточно освобождать память для повторного использования в самом ОО-приложении, - нужно возвращать ее навсегда операционной системе.

По этим причинам размещение объектов в памяти не может полагаться на стандартный системный вызов malloc, который, наряду с другими ограничениями, не возвращает память операционной системе. Вместо этого среда запрашивает у ядра операционной системы участки памяти и распределяет объекты в этих участках с помощью собственных механизмов.

Перемещение объектов

Необходимость возвращать память операционной системе порождает одну из самых утонченных частей механизма: сборщик мусора может при необходимости перемещать объекты.

Это свойство вызывает головную боль при реализации сборщика, но оно делает этот механизм устойчивым и практичным. Без него невозможно было бы использовать сборку мусора для долго работающих, критически важных систем.

Внутри ОО-мира нет необходимости задумываться о перемещении объектов, если гарантируется, что система не имеет тенденции постоянного расширения (подразумевается, что общий размер достижимых объектов ограничен). При использовании внешних программ и передачи им объектов эту проблему необходимо рассматривать. Внешняя программа может сохранять ссылки на объекты из ОО-мира в виде простых адресов (указателей в языке С). При попытке использовать эти объекты, находящиеся без защиты, например, в течение 10 минут, возникнут трудности: за это время объект может быть перемещен и по его адресу лежит нечто другое или вообще ничего. Простой библиотечный механизм решает эту проблему: С-функции должны получать сам объект и доступ к нему через специальный макрос, который находит объект, где бы он ни находился.

Механизм сборки мусора

Приведем схему алгоритма, используемого сборщиком мусора.

Решение представляет собой не единственный алгоритм, а основано на комбинации основных алгоритмов, часть из которых используется совместно, часть - независимо друг от друга. Каждая активизация сборщика выбирает алгоритм или сочетание алгоритмов, основанных на критерии запроса необходимой памяти. Основные алгоритмы включают: сборку мусора поколений, пометку-чистку и сжатие памяти, плюс несколько других, в меньшей степени относящихся к данному обсуждению.

Идея сборки мусора поколений описана в этой лекции ранее: следует сосредоточиться на молодых объектах, - именно они с большой вероятностью могут быть недостижимыми, и собраны мусорщиком. Основное преимущество этого алгоритма в том, что он просматривает не все объекты, а только те, которые могут быть достижимы из локальных сущностей и из старых объектов, содержащих ссылки на молодые объекты. Всякий раз по завершению обработки поколения все выжившие объекты становятся старше; когда они достигают определенного возраста, они переходят на постоянную должность в другое поколение. Алгоритм ищет компромисс, устанавливающий границу переходного возраста. Ее снижение приводит к росту старых объектов, увеличение - к частой сборке мусора.

Алгоритм время от времени нуждается в выполнении полной пометки-сборки для поиска любых недостижимых объектов, пропущенных сборщиком поколений. Пометка-сборка состоит из двух шагов: пометка - рекурсивный обход и пометка достижимых объектов; чистка - полный обход памяти и сборка непомеченных объектов.

Алгоритм сжатия памяти возвращает неиспользуемые участки памяти операционной системе, работая с наименьшими временными затратами. Он разбивает память на n блоков и за n-1 циклов сжимает их.

Повышенное чувство голода и потеря аппетита (Bulimia and anorexia)

Алгоритм сжатия предохраняет от частых, дорогих по времени вызовов операционной системы - выделить или возвратить память. Вместо возвращения всех освобожденных блоков он сохраняет некоторые из них для построения небольшого резерва памяти, доступной приложению без обращения к операционной системе.

Эта техника крайне полезна для часто встречающегося класса приложений с повышенным чувством голода и потерей аппетита, у которых период кутежа с массовым созданием объектов сменяется постом, в течение которого происходит избавление от ненужных объектов; затем все повторяется.

Операции сборщика мусора

Сборщик мусора включается одной из двух требующих память операций: инструкцией создания ( create x ) или клонирования. Сборщик запускается не только, когда программе не хватает памяти: механизм может активизироваться, когда он определяет некоторые условия, за которыми последует нехватка памяти.

Если первичная память заполнена, сборщик начнет сборку мусора поколений. В большинстве случаев освободится достаточно памяти для текущих нужд. Если этого не произошло, следующий шаг - полный цикл пометки-чистки с последующим сжатием памяти. Если и в этом случае памяти не достаточно, сборщик запросит память у операционной системы.

Основные алгоритмы являются стартстопными; их время выполнения обычно составляет несколько процентов от времени выполнения приложения. Внутренняя статистика ведет учет занятой памяти и помогает определить подходящий для вызова алгоритм.

Можно настроить работу сборщика, задавая различные параметры, в частности, включение параметра speed заставит алгоритм не собирать всю доступную память с помощью механизма сжатия, а сразу использовать возможности операционной системы. Устанавливая другие параметры, можно включать механизмы: collection_off, collect_now и dispose из класса MEMORY.

Механизм управления памятью, построенный на основе всех этих методов, сделал возможным разработку и выполнение больших приложений, создающих много объектов, создающих их быстро, не заботясь об используемой памяти, поручая кому-то другому заботу о последствиях.

Ключевые концепции

[x]. Существует три основных режима создания объектов: статический, основанный на стеке, динамический. Последний характерен для ОО-языков, но встречается везде, например, в Lisp, Pascal (указатели и new), C (malloc), Ada (типы доступа).

[x]. В программах, создающих много объектов, объекты могут становиться недостижимыми. Их память теряется, приводя, в худших случаях, к сбою из-за нехватки памяти, при том что часть памяти остается неиспользованной.

[x]. Эту проблему можно игнорировать в тех случаях, когда программа почти не создает недостижимых объектов или создает всего лишь несколько объектов, общий размер которых сравним с доступной памятью.

[x]. Во всех других случаях (динамические структуры данных, ограниченные ресурсы памяти) любое решение проблемы включает два компонента: обнаружение мертвых объектов и восстановление занятой ими памяти.

[x]. Каждая из задач может быть решена на одном из трех уровней: реализации языка, разработки компонентов, приложения.

[x]. Вменять в обязанность приложения обнаружение мертвых объектов и восстановление памяти - опасно и обременительно. Эта проблема должна решаться на уровне языка.

[x]. В некоторых специальных случаях можно управлять памятью на уровне компонентов. Обнаружение выполняется компонентами, восстановление памяти - компонентами, либо средствами, реализованными на уровне языка.

[x]. Подсчет ссылок не работает для циклических структур.

[x]. Общеприменимой техникой решения проблемы является сборка мусора. Ее накладные издержки приемлемо малы в нормальных ситуациях и, благодаря алгоритмам, работающим в стартстопном режиме, невидимы в нормальных интерактивных приложениях.

[x]. Сборка мусора поколений увеличивает эффективность алгоритма, используя тот факт, что недостижимыми становятся, в первую очередь, новые объекты.

[x]. Хороший механизм управления памятью должен возвращать неиспользуемую память не только текущему приложению, но и операционной системе.

[x]. Описанная схема реальной системы управления памятью предлагает комбинацию алгоритмов и способов, позволяющих разработчикам приложений производить настройку механизмов системы, в том числе позволяя включать и отключать сборку мусора в критических разделах приложения.

Библиографические заметки

Различные модели создания объектов, обсуждаемые в начале этой лекции, поддерживаются "контурной моделью" выполнения языка программирования, которая может быть найдена в [Johnston 1971].

Информация о фиаско Лондонской службы скорой помощи получена из множества сообщений, присланных на форум Risks.

Алгоритм параллельной сборки мусора представлен в [Dijkstra 1978]. Проблемы производительности подобных алгоритмов рассматривал [Cohen 1984]. Сборка мусора поколений представлена в [Ungar 1984].

Механизм сборки мусора ISE's среды, описанный в конце этой лекции, был создан Рафаэлем Манфреди (Raphael Manfredi) и усовершенствован Ксавьером Ле Вурч (Xavier Le Vourch) и Фабрис Францески (Fabrice Franceschi) (чей технический отчет служил основой данного здесь описания).

Упражнения

У9.1 Модели создания объектов

При обсуждении автоматического управления памятью рассмотрен подход, основанный на создании внутренних списков свободной памяти. В этом случае память, занимаемая утилизированными объектами, не возвращается операционной системе, а остается в создаваемом списке. Разработайте модель системы, демонстрирующую постоянный рост занимаемой памяти, хотя фактически требуемая приложению память ограничена.

Вы можете описать эту модель как последовательность о1, о2, о3,..., где оi либо 1, (что показывает выделение памяти одному объекту), либо (-n), показывающее восстановление n единиц памяти.

У9.2 Какой уровень утилизации?

Подход на уровне компонентов, если программировать на языке типа Pascal или C, где операционная система предоставляет dispose или free, может напрямую использовать эти операции вместо создания своего списка свободной памяти для каждого типа структур данных. Рассмотрите плюсы и минусы двух подходов.

У9.3 Совместное использование стека достижимых элементов

(Это упражнение подразумевает знакомство с результатами лекции 18) Перепишите компонент available, задающий стек достижимых элементов при подходе на уровне компонентов. Единственный стек должен совместно использоваться всеми связными списками одного и того же типа. (Указание: используйте функцию once.)

У9.4 Совместное использование

(Это упражнение подразумевает, что вы выполнили предыдущее и прочитали все лекции, включая лекцию 18) Можно ли сделать available стек разделяемым всеми связными списками произвольных типов?

Лекция 10. Универсализация

Слияние двух концепций - модуля и типа - позволило разработать мощное понятие класса, послужившее основой ОО-метода. Уже в таком виде оно позволяет делать многое. Однако для достижения наших целей - расширяемости, возможности повторного использования, надежности необходимо сделать конструкцию класса более гибкой. Развитие может идти в двух направлениях. Один, представленный вертикалью на следующем рисунке, показывает абстракцию и специализацию; он ведет к изучению наследования в последующих лекциях. В данной лекции изучается другая размерность (горизонталь на рисунке), параметризация (тип как параметр), известная также как универсализация.

Горизонтальное и вертикальное обобщение типа

Рис. 10.1.  Размерности обобщения

Уже изученные механизмы позволяют написать класс, помещенный в центр рисунка - LIST_OF_BOOKS, экземпляр которого представляет список книг. У класса следующие компоненты: put для вставки элемента, remove для удаления элемента, count для подсчета числа элементов и т.д. Очевидны два пути обобщения понятия LIST_OF_BOOKS.

[x]. Списки являются специальным видом структур, представляющих контейнеры. Из многих других примеров контейнеров отметим деревья, стеки и массивы. В сравнение со списком LIST_OF_BOOKS, более абстрактным вариантом контейнера является класс SET_OF_BOOKS (множество книг). Более специализированным вариантом является класс LINKED_LIST_OF_BOOKS, определяющий связный список книг - специализированный вариант списка. Три класса задают вертикальную размерность на рисунке - размерность наследования.

[x]. Списки книг являются, с другой стороны, специальным случаем списков объектов некоторого вида. Из многих других видов отметим списки журналов, списки людей, списки целых чисел. Это горизонтальная размерность на нашем рисунке - размерность универсализации, тема нашего изучения в последующей части этой лекции. Если задать параметр класса, представляющий произвольный тип, то можно не создавать почти идентичные классы, такие как LIST_OF_BOOKS и LIST_OF_PEOPLE, не жертвуя при этом безопасностью, вносимой статической типизацией.

Отношение между двумя этими механизмами - трудный вопрос для изучающих ОО-концепции. Как рассматривать наследование и параметризацию, как соперников или как соратников, когда целью является построение более гибкого ПО?10.1)

Данная лекция посвящена универсализации, кроме того, мы подробно рассмотрим один из наиболее общих примеров родовых структур: массивы. Заметьте, термины универсальный класс, родовой класс, параметризованный класс являются синонимами. Во всех случаях речь идет о классе с параметрами, задающими некоторый тип (класс).

Необходимость параметризованных классов

Универсализация уже рассматривалась в данной книге, но не применялась для классов. Мы столкнулись с ней при обзоре традиционных подходов к повторному использованию и при изучении математической модели класса - АТД, где была показана необходимость определения параметризированного АТД.

Родовые АТД

Наш работающий пример АТД, STACK, был объявлен с параметром, как STACK [G]. Любое его использование заставляет специфицировать "фактический родовой параметр", представляющий тип хранимого в стеке объекта. Имя G, используемое в спецификации АТД, - формальный родовой параметр класса. Оно указывает, что элементы стека могут иметь любой возможный тип. При таком подходе можно использовать одну спецификацию для всех возможных стеков. Альтернативой, вряд ли приемлемой, было бы введение множества классов: INTEGER_STACK, REAL_STACK и т.д.

Любые АТД, описывающие контейнеры: множества, списки, матрицы, массивы и многие другие, очевидно, также должны быть родовыми.

Это решение применимо к контейнерам классам, также как к контейнерам АТД.

Проблема

Рассмотрим пример стека, но уже не как АТД, а как класс. Мы знаем, как написать класс INTEGER_STACK, задающий стек объектов типа INTEGER. Компоненты будут включать count (число элементов), put (вталкивание элемента), item (элемент в вершине), remove (выталкивание элемента), empty (пустой ли стек?).

Тип INTEGER будет часто использоваться в объявлениях этого класса. Например, это тип аргумента для put и результата для item:

put (element: INTEGER) is

-- Втолкнуть элемент (в вершину стека).

do ... end

item: INTEGER is

-- Элемент в вершине стека

do ... end

Эти появления типа INTEGER следуют из правила явного объявления, используемого при разработке нотации: всякий раз при введении сущности, обозначающей возможные объекты времени выполнения, необходимо явное указание ее типа, такое как element: INTEGER. Здесь это означает, что необходимо указать тип для запроса item, для аргумента element процедуры put и для других сущностей, обозначающих возможные элементы стека.

Как следствие, придется писать различные классы для каждого сорта стека: INTEGER_STACK, REAL_STACK, POINT_STACK, BOOK_STACK... Все эти стековые классы будут одинаковыми за исключением объявления типов item, element и некоторых других сущностей. Основные операции над стеком не зависят от типа элементов стека и реализуются одинаково. Для всех, заинтересованных в повторном использовании, такое дублирование классов представляется мало привлекательным.

Проблема возникает из-за противоречия двух основных требований, предъявляемых к классам и сформулированных в начале этой книги.

[x]. Надежность: сохранение преимуществ безопасности типов с помощью явного объявления типа.

[x]. Повторное использование: возможность написать один программный элемент, покрывающий многие варианты одного понятия.

Роль типизации

Зачем настаивать на явном объявлении типов (первое из двух требований)? Это часть главного вопроса о типизации, которому в этой книге посвящена отдельная лекция (лекция 17). Но уже сейчас можно указать две основные причины, по которым ОО-программа должна быть статически типизирована.

[x]. Читаемость: явное объявление четко сообщает читателю о том, как предполагается использовать каждый элемент. Это важно как для автора, так и для того, кому нужно понять часть программы, чтобы отладить или расширить ее.

[x]. Надежность: благодаря явному объявлению типов компилятор сможет найти ошибочные операции еще на этапе компиляции, не допуская их проявления при выполнении. В фундаментальных операциях ОО-вычислений вызов компонента имеет форму x.f (a,..), где х - некоего типа TX. Причины возникновения ошибок могут быть разными: соответствующий класс TX может не иметь метода f; метод может существовать, но быть скрытым; количество аргументов при вызове может не совпадать с объявленным в описании класса; тип а или другого аргумента может не совпадать с ожидаемым. В языке Smalltalk, в котором отсутствует статическая типизация, любая такая ситуация приведет к краху на этапе выполнения с выдачей, например, сообщения: "Message not understood", в то время как компилятор языка с явной типизацией не пропустит ошибочной конструкции.

Ключ к надежности - следование принципу "предотвратить, а не лечить". Исследования показали, что стоимость исправления ошибки астрономически возрастает, когда затягивается ее обнаружение. Статическая типизация, позволяющая раннее обнаружение ошибок, - фундаментальный инструмент в борьбе за надежность.

Без учета требований надежности явное объявление типов было бы не нужно так же как универсализация. Остаток этой лекции обращается к языкам со статической типизацией, т.е. языкам, которые требуют объявления каждой сущности и задают правила, позволяющие компиляторам обнаруживать несоответствие типов до выполнения. В не статически типизированных языках, таких как Smalltalk, универсализация не имеет смысла. Язык упрощается, но не защищает от схем вида:

my_stack.put (my_circle)

my_account := my_stack.item

my_account.withdraw (5000)

где элемент, полученный из вершины стека, рассматривается как банковский счет, хотя в действительности это круг, что можно понять из первой инструкции. Выполнение программы закончится, при попытке получить пять тысяч долларов от "дырки от бублика".

Статическая типизация защищает от подобных неудач. Совмещение типизации с требованием повторного использования приведет нас к механизму универсализации.

Родовые классы

Согласование статической типизации с требованием повторного использования для классов, описывающих контейнерные структуры, означает, как показано на примере стека, что мы хотим одновременно иметь возможность:

[x]. Объявить тип каждой сущности, появляющейся в классе стека, включая сущности, представляющие элементы стека.

[x]. Написать класс так, чтобы он не содержал никаких намеков на тип элемента стека, и следовательно, мог использоваться для построения стеков с элементами произвольных типов.

На первый взгляд эти требования кажутся несовместимыми, но на самом деле это не так. Первое требование заставляет нас объявить тип. Но вовсе не требуется, чтобы тип в объявлении был конкретным! Назвав имя типа, мы умиротворим механизм проверки. ("Назови свой страх - и он уйдет"). В этом идея универсализации: получить класс с параметром, задающим тип, снабдить его именем, назвав его формальным родовым параметром.

Объявление родового класса

По соглашению родовой параметр обычно, использует имя G (от Generic). Это неформальное правило. Если нужны еще родовые параметры, они будут названы H, I и т.д.

Согласно синтаксису, формальные родовые параметры заключаются в квадратные скобки, следующие за именем класса, подобно синтаксису параметризованного АТД в предыдущей лекции. Например:

indexing

description: "Стек элементов произвольного класса G"

class STACK [G] feature

count: INTEGER

-- Количество элементов в стеке

empty: BOOLEAN is

-- Есть ли элементы?

do ... end

full: BOOLEAN is

-- Стек заполнен?

do ... end

item: G is

-- Вершина стека

do ... end

put (x: G) is

-- Втолкнуть x в стек.

do ... end

remove is

-- Вытолкнуть элемент из стека.

do ... end

end -- class STACK

Формальный родовой параметр G можно использовать в объявлениях класса не только для результата функций (как в item) и формальных аргументов подпрограмм (как в put), но и для атрибутов и локальных сущностей класса.

Использование родового класса

Клиент может использовать родовой класс для объявления собственных сущностей, задающих стек. В этом случае в момент объявления следует задать фактический тип элементов стека - фактический родовой параметр, например:

sp: STACK [POINT]

Если у класса несколько родовых параметров, то соответственно столько же необходимо задать и фактических параметров.

Предоставление фактических родовых параметров родовому классу для создания типа называется родовым порождением (generic derivation), а полученный в результате класс, такой как STACK [POINT], называют параметрически порожденным классом.

Родовому порождению требуется тип, родовое порождение создает новый тип:

[x]. Результат порождения STACK [POINT] является типом.

[x]. Для получения такого результата, необходим уже существующий тип, используемый в качестве фактического параметра (POINT в примере).

Фактический параметр может быть произвольным типом. Ничто не мешает выбрать тип, который сам по себе параметрически порожден. Предположим, что мы определили другой родовой класс LIST [G], тогда можно определить стек, элементы которого являются списками точек:

slp: STACK [LIST [POINT]]

или, используя STACK [POINT] как фактический родовой параметр, - стек стеков точек:

ssp: STACK [STACK [POINT]]

Нет предела глубины таких вложений, кроме естественной необходимости сохранять простоту программного текста.

Терминология

Обсуждая универсализацию, необходимо уточнить используемые термины.

[x]. Процесс порождения нового типа, такого как STACK [POINT], из типов POINT и STACK, можно было бы называть созданием экземпляра типа "generic instantiation". Но этот термин мог бы ввести в заблуждение, поскольку в названии неявно предполагается процесс периода выполнения ПО. Заметьте, родовое порождение - статический механизм, действующий на текст программы, а не на ее выполнение.

[x]. В этой книге термин "параметр" и "аргумент" используются по-разному. Первый для универсальных классов, второй - для подпрограмм. В традиционной программистской терминологии параметры и аргументы чаще всего синонимы.

Проверка типов

Используя универсализацию, можно гарантировать, что структура данных будет содержать элементы определенного типа. Допустим, класс содержит объявления:

sc: STACK [CIRCLE]; sa: STACK [ACCOUNT]; c: CIRCLE; a: ACCOUNT.

Тогда в программах этого класса допустимы следующие инструкции:

sc.put (c) -- Втолкнуть круг в стек кругов

sa.put (a) -- Втолкнуть счет в стек счетов

c := sc.item -- Сущности круг присвоить вершину стека кругов.

Но каждая из следующих инструкций недопустима и будет отвергнута:

sc.put (a); -- Попытка: Втолкнуть счет в стек кругов.

sa.put (c); -- Попытка: Втолкнуть круг в стек счетов.

c:= sa.item -- Попытка: Дать кругу значение счета.

Это исключает ошибочные операции, подобные попытке вычитания денег из круга.

Правило типизации

Правило типизации, делающее допустимым первый набор и недопустимым второй, интуитивно понятно, но его надо уточнить.

Вначале рассмотрим обычные, не родовые классы. Пусть C такой класс. Рассмотрим объявление его компонента, не использующее, естественно, никаких формальных родовых параметров:

f(a:T):U is ...

Тогда вызов вида x.f(d), появляющийся в произвольном классе B, где x типа C, будет корректен по типу, тогда и только тогда, когда:

[x]. f доступен классу B, - экспортирован всем классам или множеству классов, включающих B;

[x]. d принадлежит типу T. Если учитывать возможность наследования, то d может принадлежать потомкам T.

[x]. Результат вызова имеет тип U. В этом примере предполагается, что компонент f является функцией.

Теперь предположим, что C родовой класс с формальным родовым параметром G имеет компонент:

h (a: G): G is...

Вызов h имеет вид y.h(e), где y сущность, объявленная как

y: C [V]

Тип V - некоторый ранее определенный тип. Теперь правило типизации - двойник неродового правила - требует, чтобы e имело тип V или при наследовании было потомком V. Аналогичное требование к результату выполнения функции h.

Требования правила понятны: V - фактический параметр, заменяющий формальный родовой параметр G параметризованного класса C, поэтому он заменяет все вхождения G при вызове компонент класса. Все предыдущие примеры следовали этой модели: вызов s.put(z) требует параметра z типа POINT, если s типа STACK [POINT]; INTEGER если s типа STACK [INTEGER]; и s.item возвращает результат типа POINT в первом случае и типа INTEGER во втором.

Операции над сущностями родового типа

В родовом классе C [G, H, ...] рассмотрим сущность, чей тип - один из формальных родовых параметров, например x типа G. Когда класс используется клиентом для объявления сущностей, G, разумеется, может представлять любой тип. Поэтому любая операция, которую выполняют подпрограммы C над x, должна быть применима ко всем типам. Это ограничение позволяет выполнять только пять видов операций:

Использование сущностей формального родового типа

Корректно использовать сущность x, чей тип задан формальным родовым параметром G, можно следующим образом.

1 Слева от оператора присваивания x := y, где выражение y также имеет тип G.

2 Справа от оператора присваивания y := x, где сущность y также типа G.

3 В логических выражениях вида x = y или x /= y, где y также типа G.

4 Как фактический аргумент в вызове подпрограммы на месте формальных параметров типа G, или типа ANY.

5 Как цель вызова компонента класса ANY.

В частности, инструкция создания вида create x неприменима, так как нам ничего неизвестно о процедурах создания, если таковые есть, для класса, определенного возможным фактическим родовым параметром, соответствующим G.

Случаи (4) и (5) ссылаются на класс ANY. Упомянутый уже несколько раз, этот класс содержит компоненты, наследуемые всеми классами. Поэтому можно быть уверенным, что независимо от фактического типа G при родовом порождении компоненты будут доступны. Компонентами класса ANY являются все основные операции копирования и сравнения объектов: clone, copy, equal, deep_clone, deep_equal и др. Поэтому для x и y формального родового типа G корректно использовать следующие инструкции:

x.copy (y)

x := clone (y)

if equal (x, y) then ...

Случай (4) разрешает вызов a.f(x) в родовом классе C [G], если f имеет формальный аргумент типа G. В частности, возможна ситуация, когда a может быть типа D [G], где D другой родовой класс. В классе D [G] объявлен компонент f, требующий аргумент типа G, обозначающий в этом случае формальный родовой параметр класса D, а не класса С. (Если предыдущая фраза не совсем понятна, перечитайте ее еще раз, и, надеюсь, она покажется столь же прозрачной10.2), как горный ручей.)

Типы и классы

Мы уже научились смотреть на класс - центральное понятие объектной технологии, - как на продукт слияния двух концепций: модуля и типа. До введения универсализации можно было говорить, что класс - это модуль, но это и тип данных.

С появлением универсализации второе утверждение перестало быть буквально истинным, хотя нюанс невелик. Родовой класс, объявленный как C [G], является не типом, а шаблоном типа, задающим бесконечное множество возможных типов. Любой тип из этого множества можно получить, предоставив фактический родовой параметр, который, в свою очередь, является типом.

Это приводит к более общему и гибкому понятию. Но за выигрыш в мощности приходится немного пожертвовать простотой: только при небольшом насилии над языком можно продолжать говорить о "компонентах класса T" или о "клиентах T", если x объявлен, как имеющий тип T. Теперь T может быть параметрически порожденным типом C [U] из некоторого родового класса C и некоторого типа U. Конечно, основой типа остается родовой класс C, поэтому насилие над языком приемлемо.

Если требовать буквальной строгости, то терминология следующая. Любой тип T ассоциируется с базовым классом T, поэтому всегда можно говорить о компонентах и клиентах базового класса T. Если T неродовой класс, то он же является и базовым классом. Если T родовое порождение C [U, ...], то C является базовым классом T.

Базовые классы будут использоваться при введении еще одного вида типов, основанного также (как и все остальное в ОО-подходе) на классе, но косвенно: закрепленного типа (см. гл. 16.7).

Массивы

В заключение этой дискуссии полезно рассмотреть пример контейнерного класса ARRAY, представляющего одномерный массив.

Массивы как объекты

Понятие массив обычно является частью определения языка программирования. В объектной технологии нет необходимости нагружать нотацию специальными заранее определенными конструкциями: массив - контейнерный объект, экземпляр класса, который можно назвать ARRAY.

ARRAY хороший пример родового класса. Рассмотрим первый набросок этого класса:10.3)

indexing

description: "Последовательность значений одного типа или согласуемых типов,%

%доступных через целые индексы в заданном диапазоне"

class ARRAY [G] creation

make

feature

make (minindex, maxindex: INTEGER) is

-- Размещение массива с границами minindex и maxindex

-- (пустой, если minindex > maxindex)

do ... end

lower, upper, count: INTEGER

-- Минимальный и максимальный допустимый индекс; размер массива.

put (v: G; i: INTEGER) is

-- Присвоить v элементу массива с индексом i

do ... end

infix "@", item (i: INTEGER): G is

-- Элемент с индексом i

do ... end

end -- класса ARRAY

Для создания массива a с границами m и n, тип объявления которого ARRAY [T] с заданным типом T, нужно выполнить инструкцию создания

create a.make (m, n)

Для задания значений элементов массива используется процедура put: вызов a.put(x, i) присваивает значение x i-ому элементу. Для доступа к элементам можно использовать функцию item (синоним инфиксной операции @, поясняемой позже), например:

x := a.item (i)

Вот схема того, как этот класс может быть использован клиентом:

pa: ARRAY [POINT]; p1: POINT; i, j: INTEGER

...

create pa.make (-32, 101) -- Разместить массив с указанными границами.

pa.put (p1, i) -- Присвоить значение p1 элементу с индексом i.

...

p1 := pa.item (j) -- Присвоить сущности p1 значение элемента с индексом j.

В обычной нотации (скажем, в Pascal) нужно писать:

pa [i] := p1 вместо pa.put (p1, i)

p1 := pa [i] вместо p1 := pa.item (i)

Свойства массива

Некоторые замечания о классе.

[x]. Подобные классы существуют для массивов большей размерности: ARRAY2 и т. д.

[x]. Компонент Count может быть реализован и как атрибут и как функция, поскольку count = upper - lower+1. В реальном классе это выражается инвариантом, как объясняется в следующей лекции.

[x]. Техника утверждений позволяет связывать точные условия согласования с put и item, отражая тот факт, что вызовы допустимы, только если индекс i лежит между lower и upper.

[x]. Идея описания массивов как объектов (и ARRAY как класс) - хороший пример мощности унификации и упрощения объектной технологии, позволяющей сократить нотацию до минимума и уменьшить количество узкоспециализированных конструкций. Здесь массив рассматривается как обычный пример контейнерной структуры с собственными методами доступа, представленными компонентами put и item.

[x]. Так как ARRAY - обычный класс, он может участвовать во всем, что в предыдущих лекциях называлось ОО-играми; в частности, другие классы могут быть его наследниками. Класс ARRAYED_LIST, описывающий реализацию абстрактного понятия - списка массивов может быть наследником классов LIST и ARRAY. Подобные конструкции будут рассматриваться далее.

Как только мы изучим механизм утверждений, этот унифицированный подход даст возможность развития нашего класса. Предусловия позволят управлять проверкой корректного задания индексов, что обычно требует узко специализированных механизмов.

Размышления об эффективности

[x]. Может ли элегантность и простота нанести удар по эффективности выполнения? Одна из причин широкого использования массивов состоит в том, что основные операции - доступ и изменение элемента - проходят быстро. Надо ли платить за каждый вызов подпрограммы при использовании item или put? Нет. То, что ARRAY для ничего не подозревающего разработчика выглядит как нормальный класс, не запрещает компилятору опираться на скрытую информацию. Она позволяет компилятору находить вызовы item и put и переопределять их так, чтобы сгенерировать такой же код, как сделает компилятор Fortran, Pascal или C для эквивалентных инструкций (p1 := pa [i] и pa [i] := p1 в синтаксисе Pascal). Поэтому разработчик получит лучшее: универсальность, общность, упрощенность, простоту использования ОО-решения, сочетаемую с сохранением производительности традиционного решения.

[x]. Работа компилятора не тривиальна. Как выяснится при изучении наследования, для потомка класса ARRAY возможно переопределить любой компонент класса и эти переопределения могут быть косвенно вызваны через динамическое связывание. Поэтому компилятор должен выполнять тщательный анализ для проверки корректности изменений массива. Для научных приложений, интенсивно использующих массивы, современные компиляторы от ISE и других компаний сегодня могут генерировать код, столь же эффективный, как написанный вручную на C или Fortran.

Синонимичная инфиксная операция

Класс ARRAY предоставляет возможность, косвенно относящуюся к вопросам этой лекции, но полезную на практике. Объявление компонента item фактически определяет и его синоним - инфиксную операцию10.4) следующим образом:

infix "@", item (i: INTEGER): G is...

Здесь задаются два имени компонента: infix "@" и item как синонимы, обозначающие один и тот же компонент, заданный определением.

В общем, объявление компонентов в форме:

a, b, c... "Описание компонента"

рассматривается как краткая форма записи последовательности объявлений:

a "Описание компонента"

b "Описание компонента"

c "Описание компонента"

...

с одним и тем же "Описанием компонента".

Это применимо как для атрибутов (где "Описание компонента" имеет форму: некоторый_тип), так и для подпрограмм (is тело_программы).

Нотация, применяемая в этом примере для доступа к массиву, достаточно проста. Она совместима с механизмами доступа для других структур, хотя, заметим, инструкция a.item(i) более многословна, чем традиционное a[i], встречающееся с некоторыми вариациями в Pascal, C, Fortran и других языках. Определяя "@" как синоним item, можно превзойти традиционные языки в их собственной игре за краткость записи. Написав a @ i, реализуем мечту, - запись требует на одно нажатие клавиши меньше, чем даже С++!. Заметим снова, что это не специальный механизм языка, но прямое применение общей ОО-концепции, компонент-оператора, скомбинированного с нотацией синонима.

Стоимость универсализации

Как всегда нужно убедиться, что ОО-техника, введенная в интересах повторного использования, расширяемости и надежности, не влечет потерю производительности. Этот вопрос уже поднимался при рассмотрении массивов. Теперь необходимо с этих позиций проэкзаменовать механизм универсализации в целом. Какова цена универсализация?

В частности, этот вопрос возникает из-за опыта С++, где универсализация, известная как механизм шаблонов, представляла одно из поздних добавлений к языку. Выяснилось, что некоторые компиляторы воспринимают введение универсализации буквально, генерируя различные копии методов класса для каждого фактического родового аргумента! В результате в литературе по С++ предупреждают программистов об опасности широкого использования шаблонов:

Число создаваемых экземпляров шаблона - уже проблема для некоторых пользователей С++. Если пользователь создает List<int>, List<String>, List<Widget> и List<Blidget> (где Widget и Blidget классы, определенные пользователем) и вызывает head, tail и insert для всех четырех объектов, то каждая из этих функций будет создана в четырех экземплярах (из-за родового порождения). Вместо этого широко применимый класс List мог бы создать единственный экземпляр каждой функции применимый для различных типов.10.5)

Авторы этого предупреждения (С++ эксперты из AT&T, один из них соавтор официальной С++ документации [Ellis 1990]) продолжают предлагать различные способы, позволяющие избежать порождения шаблонов. Но универсализация не предполагает дублирование кода. При хорошо спроектированном языке и хорошем компиляторе можно генерировать единый код компонентов родового класса, так что последующие добавления потребуют минимальных затрат:

[x]. времени компиляции;

[x]. размера сгенерированного кода;

[x]. времени выполнения;

[x]. памяти, требуемой для выполнения.

Работая в такой среде, можно использовать всю мощь универсализации, не опасаясь потери производительности, как на этапе компиляции, так и выполнения.

Обсуждение: что все-таки не сделано

Основные идеи универсализации уже представлены, но как вы могли заметить, на два важных вопроса не даны ответы.

Первое: в наших усилиях гарантирования безопасности типов мы заняли чересчур консервативную позицию. Конечно, некорректно пытаться втолкнуть круг в стек банковских счетов. Трудно вообразить, какому приложению нужен стек, содержащий точки и банковские счета. Но рассмотрим графическое приложение, для которого вполне естественен стек, содержащий круги, прямоугольники, точки. Такая потребность кажется довольно разумной, но пока мы не можем удовлетворить ее. Система типов, определенная до сих пор, отвергнет вызов figure_stack.put(that_point) если тип figure_stack был объявлен как STACK [FIGURE], а that_point - тип, отличный от FIGURE. Дадим пока имя рассматриваемым структурам и назовем их полиморфными структурами данных (polymorphic data structure). Вызов, стоящий перед нами - как поддержать эти структуры без потери преимуществ безопасности типов.

Второе: родовые параметры представляют произвольные типы. Это хорошо для стеков и массивов, поскольку объекты любого типа по своей сути являются хранимыми в различных контейнерах. Но при работе, например, с векторами, хотелось бы иметь возможность складывать элементы векторов или сами векторы. При работе с классом, задающим хеш-таблицы, хотелось бы быть уверенным, что хеш-функция применима к любому элементу таблицы. Такая форма универсализации, где формальный родовой параметр уже не может быть произвольным типом, а является типом, гарантирующим предоставление ряда операций, называется ограниченной универсализацией (constrained genericity).

Для обеих этих проблем ОО-метод обеспечивает простые и элегантные решения, оба основанные на комбинировании универсализации и наследования.

Ключевые концепции

[x]. Классы могут иметь формальные родовые параметры, представляющие типы.

[x]. Родовые классы служат для описания общих контейнерных структур данных, реализуемых одинаково, независимо от элементов, которые они содержат.

[x]. Универсализация требуется только в типизированном языке, гарантирующем статически проверяемую безопасность типов.

[x]. Клиент родового класса должен предоставлять фактические типы для формальных параметров.

[x]. Единственные допустимые операции над сущностью, чей тип является формальным родовым параметром, - это операции, применимые к любому типу. Сущность может быть правой и левой частью оператора присваивания, фактическим аргументом подпрограммы или операндом теста на равенство или неравенство.

[x]. Понятие массива не требует специального языкового механизма и вполне укладывается в обычную схему родового библиотечного класса.

[x]. Более гибкое и продвинутое использование универсализации - полиморфные структуры данных и ограниченная универсализация - требует введения наследования.

Библиографические замечания

Один из первых языков, поддерживающий универсализацию - LPG [Bert 1983]. Язык Ada сделал эту концепцию широко известной введением механизма родовых пакетов.

Универсализация была также введена в языки формальной спецификации, такие как Z, CLEAR и OBJ-2, на которые были ссылки в лекции 6 по АТД. Родовой механизм, описанный здесь, был построен на основе механизма, представленного в ранней версии Z [Abrial 1980] [Abrial 1980a] и расширенного в [M 1985b].

Если не считать эту книгу, то одним из первых ОО-языков, поддерживающих универсализацию, был DEC's Trellis язык [Schaffert 1986].

Упражнения

У10.1 Ограниченная универсализация

Это упражнение немного специфично - оно ставит вопрос, детальный ответ на который будет дан позднее в этой книге. Его цель - дать возможность сравнить ваше решение с решением, предложенным в книге. Оно особенно полезно, если вы не знакомы с решениями, предлагаемыми в ОО-языках. Подход языка Ada может помочь в поиске решения, но и без него можно обойтись.

Продумайте механизм ограниченной универсализации, совместимый по духу с ОО-подходом. Он должен позволять автору родового класса указать, что правильные фактические родовые параметры должны обладать определенным набором операций.

У10.2 Двумерные массивы

Используя класс ARRAY как источник вдохновения и как основу реализации, напишите класс ARRAY2, описывающий двумерные массивы.

У10.3 Использование своего формального родового параметра фактически как чужого

Сконструируйте пример, в котором подпрограмма родового класса C [G] вызывает подпрограмму, объявленную в другом родовом классе D [G], имеющую формальный параметр типа G.

Лекция 11. Проектирование по контракту: построение надежного ПО

Вооруженные базисными концепциями класса, объекта, параметризации вы можете теперь создавать программные модули, реализующие возможно параметризованные типы структур данных. Мои поздравления! Сделан важный шаг в битве за лучшую программную архитектуру. Но рассмотренных методов явно недостаточно для реализации всеобъемлющего видения качества, введенного в начале книги. Факторы качества, на которых было сконцентрировано наше внимание, - повторное использование, расширяемость, совместимость - не должны достигаться ценой надежности (корректность и устойчивость). Хотя концепция надежности просматривалась по ходу обсуждения, мы добиваемся большего.

Базисные механизмы надежности

Необходимость уделить больше внимания семантическим свойствам классов становится особенно очевидной, если вспомнить что класс - это реализация АТД. Рассматриваемые до сих пор классы состояли из атрибутов и программ, реализующих функции спецификации АТД. Но АТД это не просто список операций: вспомните роль семантических свойств, выражаемых аксиомами и предусловиями. Они являются основой, проясняющей природу экземпляров данного типа. В классах мы - временно - потеряли этот семантический аспект концепции АТД. Необходимо вернуться назад, чтобы наше ПО было не только гибким и повторно используемым, но и корректным и устойчивым.

Утверждения и связанные с ними концепции, проясняемые в этой лекции, частично дают ответы. Не являясь полным доказательством, представленные ниже механизмы снабжают программиста основными средствами для формулирования и проверки аргументов корректности. Ключевой концепцией будет Проектирование по контракту (Design by Contract) - установление отношений между классом и его клиентами в виде формального соглашения, недвусмысленно устанавливающее права и обязанности сторон. Только через точное определение для каждого модуля требований и ответственности можно надеяться на достижение существенной степени доверия к большим программным системам.

При обзоре концепций мы впервые столкнемся с ключевой проблемой программной инженерии - как справиться с ошибками периода выполнения, возникающими при нарушении контракта. Этой теме - обработке исключительных ситуаций посвящена следующая лекция. Распределение ролей между двумя главами примерно отражает разницу между двумя компонентами надежности: корректностью и устойчивостью. Корректность - это возможность ПО выполнять свои задачи в соответствии со спецификациями, устойчивость - способность должным образом реагировать на ситуации, выходящие за пределы спецификации. Утверждения (эта лекция), как правило, покрывают корректность, а исключения (следующая лекция) - устойчивость.

Некоторые важные расширения основных идей проектирования по контракту должны ожидать введения наследования, полиморфизма и динамического связывания, что позволит нам перейти от контрактов к выдаче субподрядов.

Технические приемы, введенные в предыдущих лекциях, были направлены на создание надежного ПО. Дадим их краткий обзор - было бы бесполезно рассматривать более продвинутые концепции до приведения в порядок основных механизмов надежности. Первым и определяющим свойством объектной технологии является почти навязываемая структура программной системы - простая, модульная, расширяемая, - проще гарантирующая надежность, чем в случае "кривых" структур, возникающих при применении ранних методов разработки. В частности, усилия по ограничению межмодульного взаимодействия, сведения его к минимуму, были в центре дискуссии о модульности. Результатом стал запрет общих рисков, снижающих надежность, - отказ от глобальных переменных, механизм ограниченного взаимодействия модулей, отношения наследования и вложенности. Общее наблюдение: самый большой враг надежности (и качества ПО в целом) - это сложность. Создавая наши структуры настолько простыми, сколь это возможно, мы достигаем необходимого, но не достаточного условия, гарантирующего надежность. Прежнее обсуждение служит лишь верной отправной точкой в последующих систематических усилиях.

Заметьте, необходим, но также недостаточен, постоянный акцент на создание элегантного и читабельного ПО. Программные тексты не только пишутся, они еще читаются и переписываются по много раз. Ясность и простота нотации языковых конструкций - основа любого изощренного подхода к надежности.

Еще одно необходимое оружие - автоматическое управление памятью, в особенности сборка мусора. В лекции, посвященной этой теме, в деталях пояснено, почему для любой системы, оперирующей динамическими структурами данных, столь опасно опираться на управление этим процессом вручную. Сборка мусора не роскошь - это ключевой компонент ОО-среды, обеспечивающий надежность.

Тоже можно сказать об еще одном, сочетающемся с параметризацией механизме, - статической типизации. Без правил строгой статической типизации пришлось бы лишь надеяться на снисхождение многочисленных ошибок, возникающих в период выполнения.

Все эти механизмы дают необходимую основу для более полного взгляда на то, что следует предпринять для обеспечения устойчивости и корректности ПО.

О корректности ПО

Зададимся вопросом, что означает утверждение - программный элемент корректен? Наблюдения и рассуждения, отвечающие на это вопрос, могут показаться тривиальными. Но, как заметил один известный ученый, таковы все научные результаты, - они начинаются с обычных наблюдений и продолжаются путем простых рассуждений, но все это нужно делать упорно и настойчиво.

Предположим, некто пришел к вам с программой из 300 000 строк на С и спрашивает, корректна ли она? Если вы консультант, то взыщите высокую плату и ответьте - "нет". Вы, вероятно, окажетесь правы.

Для того чтобы можно было дать разумный ответ на подобный вопрос, одной программы недостаточно, необходима еще и ее спецификация, точно описывающая, что должна делать программа. Оператор

x:= y+1

сам по себе не является ни корректным, ни не корректным. Эти понятия приобретают смысл лишь по отношению к ожидаемому эффекту присваивания. Например, присваивание корректно по отношению к утверждению: "Переменные x и y имеют различные значения". Но не гарантируется его корректность по отношению к высказыванию: "переменная x отрицательна", поскольку результат присваивания зависит от значения y, которое может быть положительным.

Эти примеры иллюстрируют свойство, служащее отправной точкой в обсуждении проблемы корректности: программная система или ее элемент сами по себе ни корректны, ни не корректны. Корректность подразумевается лишь по отношению к некоторой спецификации. Строго говоря, мы и не будем обсуждать проблему корректности программных элементов, а лишь их согласованность (consistent) с заданной спецификацией. В наших обсуждениях мы будем продолжать использовать хорошо понимаемый термин "корректность", но всегда при этом помнить, что этот термин не применим к программному элементу, он имеет смысл лишь для пары - "программный элемент и его спецификация".

Свойство корректности ПО

Корректность - понятие относительное.

В этой лекции мы научимся выражать спецификации через утверждения (assertions), что поможет оценить корректность разработанного ПО. Но пойдем дальше и перевернем проблему, - разработка спецификации является первым, важнейшим шагом на пути, гарантирующем, что ПО действительно соответствует спецификации. Существенную выгоду можно получить, когда спецификации пишутся одновременно с написанием программы, а лучше, до ее написания. Среди следствий такого подхода можно отметить следующее.

[x]. Разработка ПО корректного с самого начала, проектируемого так, чтобы быть корректным. Один из создателей структурного программирования Харлан Д. Миллс в семидесятые годы написал статью со знаменательным названием "Как писать корректные программы и знать это". Слово "знать" в данном контексте означает снабжать программу в момент ее написания аргументами, характеризующими корректность.

[x]. Значительно лучшее понимание проблемы и достижение ее решения.

[x]. Упрощение задачи создания программной документации. Как будет позже показано, утверждения будут играть важную роль в ОО-подходе к документации.

[x]. Обеспечение основ для систематического тестирования и отладки.

Оставшаяся часть лекции посвящена исследованию этих вопросов. Одно предупреждение: языки программирования С, С++ и другие имеют оператор утверждения assert, динамически проверяющий истинность заданного утверждения в момент выполнения программы и останавливающий вычисление, если утверждение является ложным. Эта концепция, хотя и имеет отношение к предмету обсуждения, но является лишь малой частью использования утверждений в ОО-методе. Потому, если подобно многим разработчикам вы знакомы с этим оператором, не обобщайте ваше знание на всю картину, почти все концепции этой лекции, возможно, будут новыми.

Выражение спецификаций

От неформальных высказываний перейдем к простой математической нотации, принятой в теории формальной проверки правильности программ и имеющей ценность при доказательстве корректности программных элементов.

Формула корректности

Пусть А - это некоторая операция (оператор или тело программы). Формула корректности (correctness formula) - это выражение в форме:

{P} A {Q}

Формула выражает свойство, которое может быть или не быть истинным:

Смысл формулы корректности {P} A {Q}

Любое выполнение А, начинающееся в состоянии, где P истинно, завершится и в заключительном состоянии будет истинно Q.

Формула корректности, называемая также триадой Хоара, - математическое понятие, а не программистская конструкция. Она не является частью языка программирования и введена для того, чтобы выражать свойства программных элементов. В этой формуле А, как было сказано, обозначает операцию, P и Q - свойства вовлекаемых в рассмотрение сущностей, называемые утверждениями (точный смысл этого термина будет определен ниже). Утверждение P называется предусловием, а Q - постусловием.

С этого момента обсуждение корректности ПО будет связываться не с программным элементом А, а с триадой, содержащей этот элемент А, предусловие P и постусловие Q. Единственной целью становится установление того, что триада Хоара {P} A {Q} выполняется (истинна).

Вот пример выполняемой тривиальной формулы, в которой полагается, что x имеет тип integer:

{x>=9} x:= x+5 {x>=13}

Число 13 в постусловии не опечатка. Предполагая корректную реализацию целочисленной арифметики, данная формула действительно выполняется. Если предусловие x>=9 выполняется перед присваиванием, то x>=13 будет истинным по завершении оператора присваивания. Конечно, можно утверждать более интересную вещь: при заданном предусловии сильнейшим, насколько это возможно, будет постусловие x>=14. В свою очередь, при заданном постусловии x>=13 слабейшим предусловием будет x>=8. Из выполняемой формулы корректности всегда можно породить новые выполняемые формулы, ослабляя постусловие или усиливая предусловие. Займемся теперь выяснением того, что означают термины "сильнее" и "слабее" в пред- и постусловиях.

Сильные и слабые условия

Понятия "сильнее" и "слабее" пришли из логики. Говорят, что P1 сильнее, чем P2, а P2 слабее, чем P1, если P1 влечет P2 и они не эквивалентны. Каждое утверждение влечет True, и из False следует все что угодно. Можно говорить, что True является слабейшим, а False сильнейшим из всех возможных утверждений.

Давайте взглянем на формулу корректности с позиций человека, собирающегося наняться на работу по выполнению операции А. Каковы с его точки зрения наилучшие предусловие P и постусловие Q, если у него есть возможность выбора? Возможность усиления предусловия означает, что можно предъявлять более жесткие требования к работодателю, что можно уменьшить число ситуаций, в которых следует приступать к выполнению работы. Так что сильное предусловие это "хорошие новости" для работника. Наилучшей для него работой - синекурой является работа, чья спецификация выражается формулой:

Синекура 1

{False} A {...}

Постусловие здесь не специфицировано, поскольку не имеет значения каково оно. К выполнению работы можно вообще не приступать, поскольку нет ни одного начального состояния, в котором предусловие было бы истинным. Так что если вам предложат такую синекуру, немедленно соглашайтесь, не глядя на постусловие - требования, предъявляемые к выполненной работе.

Именно такую спецификацию работ имел в виду начальник полиции одного из американских городов. Когда его спросили в интервью, почему он выбрал именно эту работу, он ответил: "Это единственная работа, где заказчик всегда неправ!"

Для постусловия ситуация меняется на противоположную. Лучшими для работника являются более слабые условия - это "хорошие новости"; в этом случае хорошо нужно уметь делать очень немногое. Наилучшей работой - второй синекурой является работа, заданная спецификацией:

Синекура 2

{...} A {True}

Как бы не была выполнена работа, постусловие в этом случае будет истинным по определению. Кстати, почему эта работа является все-таки второй по предпочтительности? Причина, как можно видеть из определения триады Хоара, в завершаемости (terminate). Определение устанавливает, что выполнение должно завершиться в состоянии, удовлетворяющем Q, всякий раз, когда оно начинается в состоянии, удовлетворяющем P. Для синекуры 1, где нет состояний, удовлетворяющих P, не имеет значения, что делает А даже если программный текст приводит к выполнению бесконечного цикла, или ломает компьютер. Любое А будет корректным по отношению к данной спецификации. Для синекуры 2, однако, требуется завершение работы, должно существовать заключительное состояние, не важно, что делает А, но то, что делается, должно быть выполнено за конечное время.

Читатели, знакомые с теорией, могли заметить, что формула {P} A {Q} определяет тотальную (total correctness) или полную корректность, включающую завершаемость наряду с соответствием спецификации. Свойство, устанавливающее, что программа удовлетворяет спецификации при условии ее завершения, известно, как частичная корректность. См. [M 1990] для детального знакомства с этими концепциями.

Обсуждение того, будет ли усиление или ослабление утверждений "хорошей" или "плохой" новостью, шло с позиций работника, нанимающегося для выполнения работы. Обратим ситуацию, и рассмотрим ее с позиций работодателя. В этом случае слабое предусловие станет "хорошей" новостью, поскольку означает выполнение работы для большего множества входных случаев; более предпочтительным теперь является сильное постусловие, поскольку оно расширяет получение важных результатов. Эта двойственность критериев типична в рассмотрении корректности ПО. Она вновь появится в качестве центрального понятия этой лекции при обсуждении темы: контракты между модулями - клиентами и поставщиками, в установлении которых преимущества, приобретаемые одним участником, становятся обязательствами для другого. Производство эффективного и надежного ПО проходит через составление контрактов, представляющих возможные наилучшие компромиссы во всех межмодульных коммуникациях клиентов и поставщиков.

Введение утверждений в программные тексты

Как только корректность ПО определена как согласованность реализации с ее спецификацией, следует предпринять шаги по включению спецификации в сам программный продукт. Для большинства в программистском сообществе это все еще новая идея. Привычно писать программы, устанавливая тем самым, - как делать (the how); менее привычно рассматривать описание целей - что делать (the what) - как часть программного продукта.

Спецификации будут основываться на утверждениях - выражениях, включающих сущности нашего ПО. Выражение задает свойство, которому эти сущности могут удовлетворять на некоторых этапах выполнения программы. Типичное утверждение может выражать тот факт, что определенное целое имеет положительное значение, или что некоторая ссылка не определена.

Ближайшим к утверждению математическим понятием является предикат, хотя используемый язык утверждений обладает лишь частью выразительной силы полного исчисления предикатов.

Синтаксически утверждения в нашей нотации будут обычными булевыми выражениями с небольшими расширениями. Одним из расширений является введение в нотацию термина "old", другим - введение символа ";" для обозначения конъюнкции (логического И). Вот пример:

n>0; x /= Void

Как между объявлениями и операторами, стоящими на разных строках, символ ";" является возможным, но не обязательным, так и в последовательности утверждений, записанных на разных строках, он может быть опущен, подразумеваясь по умолчанию. Эти соглашения облегчают идентификацию индивидуальных компонентов утверждения, которым обычно даются имена:

Positive: n > 0

Not_void: x /= Void

Метки, такие как Positive и Not_Void, в период выполнения играют роль утверждений, что будет еще обсуждаться в этой лекции. В данный момент они введены, главным образом, для ясности и документирования. В нескольких последующих разделах будет дан обзор принципиальных возможностей применения утверждений: как концептуального средства, позволяющего создавать корректные системы, и как документирование того, почему они корректны.

Предусловия и постусловия

Первое использование утверждений - семантическая спецификация программ. Программа - это не просто часть кода, она задает реализацию функции, входящей в спецификацию АТД. Задачу, выполняемую функцией, необходимо выразить точно, как в интересах проектирования, так и как цель последующей реализации и понимания программного текста. Два утверждения связываются с программой - предусловие и постусловие. Предусловие устанавливает свойства, которые должны выполняться всякий раз, когда программа вызывается; постусловие определяет свойства, гарантируемые программой по ее завершению.

Класс стек

Этот пример даст возможность ознакомиться с практическим использованием утверждений. В предыдущей лекции была дана схема параметризованного класса "стек" в форме:

class STACK [G] feature

... Объявление компонент:

count, empty, full, put, remove, item

end

Реализация появится ниже. До рассмотрения проблем реализации важно отметить, что программы характеризуются строгими семантическими свойствами, не зависящими от специфики реализации. Например:

[x]. Программы remove и item применимы, только если число элементов стека не равно нулю.

[x]. put увеличивает, remove - уменьшает число элементов на единицу.

Такие свойства являются частью спецификации АТД, и даже люди далекие от использования любых формальных подходов неявно их понимают. Но в общих подходах к разработке ПО в программных текстах нельзя обнаружить следов спецификации. Предусловие и постусловие программы можно сделать явными элементами ПО. Так и поступим. Введем предусловие и постусловие как специальный вид объявлений с помощью ключевых слов require и ensure соответственно. Для класса "стек" это приведет к следующей записи, где временно оставлены пустые места для реализации:

indexing

description: "Стеки: Структуры с политикой доступа Last-In, First-Out %

%Последний пришел - Первый ушел"

class STACK1 [G] feature - Access (Доступ)

count: INTEGER

-- Число элементов стека

item: G is

-- Элемент вершины стека

require

not empty

do

...

end

feature - Status report (Отчет о статусе)

empty: BOOLEAN is

-- Пуст ли стек?

do ... end

full: BOOLEAN is

-- Заполнен ли стек?

do

...

end

feature - Element change (Изменение элементов)

put (x: G) is

-- Добавить элемент x на вершину.

require

not full

do

...

ensure

not empty

item = x

count = old count + 1

end

remove is

-- Удалить элемент вершины.

require

not empty

do

...

ensure

not full

count = old count - 1

end

end

Оба предложения require и ensure являются возможными; когда они присутствуют, то появляются в фиксированных местах, require - перед предложением local.

Обратите внимание на разделы feature, группирующие свойства по категориям, снабженных заголовками в виде комментариев. Категории Access, Status report, Element change - это несколько примеров из десятков стандартных категорий, используемых в библиотеках и применяемых повсеместно в примерах этой книги.

Предусловия

Предусловия выражают ограничения, выполнение которых необходимо для корректной работы функции. Здесь:

[x]. put не может быть вызвана, если стек заполнен;

[x]. remove и item не могут быть применены к пустому стеку.

Предусловия применяются ко всем вызовам программы, как внутри класса, так и у клиента. Корректная система никогда не вызовет программу в состоянии, в котором не выполняется ее предусловие.

Постусловия

Постусловие выражает свойство состояния, завершающего выполнение программы. Здесь:

[x]. После завершения put стек не может быть пуст; на его вершине находится только что втолкнутый элемент, число его элементов увеличилось на единицу.

[x]. После remove стек не может быть полон, число его элементов на единицу уменьшилось.

Постусловие в программе выражает гарантию, представленную создателем программы, что выполнение программы завершается и приводит к состоянию с заданными свойствами, в предположении, что программа была запущена в состоянии, удовлетворяющем предусловию.

В постусловиях доступна специальная нотация old. Она используется, например, в программах remove и item для выражения изменения значения count. Запись old e, где e - выражение (в большинстве случаев - атрибут) обозначает значение, которое данное выражение имело на входе программы. Любое вхождение e, которому не предшествует old, означает значение выражения на выходе программы.

Постусловие программы put включает предложение:

count = old count + 1

устанавливающее, что put, примененное к любому объекту, должно увеличить на единицу значения поля count этого объекта.

Педагогическое замечание

Понятно ваше нетерпение и желание незамедлительно узнать, каков же эффект от утверждений при выполнении программы; что произойдет при вызове put при заполненном стеке, или что будет, когда empty дает true по завершении вызова put? Полный ответ на этот вопрос дать еще слишком рано, но предварительный использует любимое словечко адвокатов - это зависит (it depends).

Это зависит от того, что вы хотите. Можно рассматривать утверждения просто как комментарии, и тогда их нарушение не обнаруживается в период выполнения. Но их можно использовать для проверки того, что все идет по плану. Тогда во время выполнения окружение автоматически следит за выполнением утверждений и включает исключение при возникновении нарушений, завершая обычно выполнение и выводя сообщение об ошибке. Можно включить в программу обработку исключения, пытающуюся восстановить ситуацию и продолжить выполнение. Эта тема будет детально обсуждаться в следующей лекции. Для указания желаемой политики используются параметры компиляции, которые можно установить независимо для каждого класса.

Все детали мониторинга утверждений периода выполнения появятся чуть позже в этой лекции. Но было бы ошибкой на данном этапе уделять им много внимания. Другие аспекты утверждений сейчас важнее. Мы еще только приступили к рассмотрению этой техники, предназначенной, прежде всего, для создания корректного ПО; нам еще нужно многое открыть в их методологической роли встроенных стражей надежности. Вопрос о том, что случится, если возникнет ошибка, тоже важен, но рассматривать его следует после того, как мы сделаем все, чтобы предотвратить ее появление.

Посему, хотя и следует думать о будущем, не следует забивать себе голову вопросами о возможной потере производительности из-за введения конструкции old. Должна ли система сохранять значения перед запуском программы, чтобы иметь возможность вычислять old выражения? Это зависит: в некоторых обстоятельствах (например, при тестировании и отладке) полезно вычислять утверждения; в других - (для полностью проверенных систем) их можно рассматривать как аннотации программного текста.

Все это учитывается в следующих разделах, являясь методологическим вкладом утверждений и метода Проектирование по Контракту - концептуального средства анализа, проектирования, реализации и документирования, помогающего нам построить ПО со встроенной надежностью (reliability is built-in), в терминологии Миллса строить корректную программу и знать это.

Контракты и надежность ПО

Предусловие и постусловие программы определяют контракт со всеми ее клиентами.

Права и обязательства

Связывая с программой r предложения require pre и ensure post, класс говорит своим клиентам:

"Если вы обещаете вызвать r в состоянии, удовлетворяющем pre, то я обещаю в заключительном состоянии выполнить post".

В отношениях между людьми и компаниями контракт - это письменный документ, фиксирующий отношения. Удивительно, что в программной индустрии, где точность так важна и двусмысленность так рискованна, эта идея так долго не появлялась. Любой хороший контракт устанавливает для обоих участников как обязательства, так и приобретаемую выгоду; обычно обязательства одного оборачиваются выгодой для другого участника, и это взаимно. Все это верно и для контрактов между классами.

[x]. Предусловие связывает клиента: определяются условия, при которых вызов программы клиентом легитимен. Обязательства клиента приносят пользу поставщику.

[x]. Постусловие связывает класс: программа обязана обеспечить условия по ее завершению. Здесь польза клиента оборачивается обязательствами поставщика класса.

Вот пример контракта для одной из программ нашего примера:

put

Обязательства

Преимущества

Клиент

(Выполнить предусловие:) Вызывать put(x) только для непустого стека.

(Из постусловия:) Получить обновленный стек: не пустой, x на вершине, (item дает x, count увеличилось на единицу).

Поставщик

(Выполнить постусловие:) Обновить представление стека: иметь x на вершине (item возвращает x), count увеличить на единицу, стек не пуст.

(Из предусловия:) Упрощающее обработку предположение о том, что стек не пуст.

Таблица 11.1.Контракт программы: программа put класса стек

Интуиция (Дзен) и искусство программной надежности: больше гарантий и меньше проверок

Возможно, вы не заметили, что контракт противоречит мудрости, бытующей в программной инженерии. Поначалу это шокирует, но контракт - один из главных вкладов в надежность ПО.

Правило контракта говорит, что предусловие дает преимущество поставщику, если клиентская часть контракта не выполняется, то класс перестает быть связан постусловием. В этом случае программа может делать все что угодно, например зациклиться, не нарушая при этом контракт. Это тот самый случай, когда "заказчик виноват".

Первое преимущество от такого соглашения в том, что стиль программирования существенно упрощается. Разработчик класса при написании тела программы смело может предполагать, что все ограничения, заданные предусловием, выполняются; ему нет нужды проверять их в теле программы. Так для функции, вычисляющей квадратный корень:

sqrt (x: REAL): REAL is

-- Квадратный корень из x

require

x >= 0

do ... end

можно смело применять алгоритм, не учитывающий случай отрицательного x, поскольку это предусмотрено предусловием, и ответственность за его выполнение несут клиенты программы. С первого взгляда это может показаться опасным, но читайте дальше. Фактически метод Проектирования по Контракту идет дальше. Предположим, что мы написали в предложении do предыдущей программы следующий текст:

if x < 0 then

"Обработать ошибку как-нибудь"

else

"Выполнить нормальное вычисление квадратного корня"

end

Заметьте, в этом не только нет никакой необходимости, но это и неприемлемо! Этот факт можно отразить в следующем методологическом правиле:

Принцип Нет-Избыточности

Ни при каких обстоятельствах в теле программы не должно проверяться ее предусловие

Это правило противоречит тому, чему учат во многих учебниках по программированию, где необходимость проверок часто выступает под знаменами "защитного программирования" (defensive programming). Его идея в том, что для получения надежного ПО каждая программа должна защищать себя настолько, насколько это возможно. Лучше больше проверок, чем недостаточно; нельзя доверять незнакомцам; еще одна проверка может и не поможет, но и не навредит делу.

Проектирование по контракту утверждает противное: избыточные проверки могут нанести вред. Конечно, это кажется странным, на первый взгляд. Это естественная реакция, полагать, что дополнительная проверка в худшем случае может быть бесполезной, но не может быть причиной неполадок. Возьмем, например, программу sqrt, включившую проверку x<0, хотя ее клиенты были проинструктированы о необходимости обеспечения x>=0. Что в этом плохого? С микроскопической точки зрения, ограничив наше видение узким мирком sqrt, кажется, что включение проверки делает программу более устойчивой. Но мир системы не ограничивается одной программой - он содержит множество программ в множестве классов. Для получения надежной системы необходимо перейти к макроскопическому видению проблемы, обобщающему всю архитектуру.

С этой глобальной точки зрения простота становится критическим фактором. Сложность - главный враг качества. Когда в этот концерн привносятся излишние проверки, то это уже не покажется столь безобидным делом. Экстраполируйте на тысячи программ в системе среднего размера (или на десятки и сотни тысяч в большой системе) проверку (if x<0 then ...), столь безобидную с первого взгляда, - все это начнет выглядеть подобно монстру бесполезной сложности. Добавляя избыточные проверки, добавляете больше кода. Больше кода - больше сложности, отсюда и больше источников условий, приводящих к тому, что все пойдет не так, это приведет к дальнейшему разрастанию кода и так до бесконечности. Если пойти по этой дороге, то определенно можно сказать одно - мы никогда не достигнем надежности. Чем больше пишем, тем больше придется писать.

Этот бег с препятствиями не для нас, нас ждет другая дорога. Проектирование по Контракту приглашает идентифицировать согласованные условия, необходимые для правильного функционирования каждого контракта в кооперации клиенты - поставщики. Метод вынуждает для каждого соглашения установить, кто несет ответственность - клиент или поставщик. Ответ может быть разный, частично он определяется стилем проектирования; позже будет дан ответ, как это делать лучшим образом. Но когда решение принято, нужно его придерживаться. Если требования корректности появляются в предусловии, определяя тем самым ответственность клиента, то в программе не должно быть соответствующих проверок. Требования, не указанные в предусловии, должны проверяться и выполняться в программе.

Следует отметить, что избыточные проверки широко применяются в процессе функционирования компьютеров и другой электронной аппаратуры. Физическая система, нормально функционирующая, со временем может терять целостность; причины разные - износ, разрыв, внешние воздействия. Поэтому нормальной практикой является, когда получатель и отправитель сигнала оба проверяют его целостность. Для программных систем феномена износа не наблюдается, нет и необходимости в избыточных проверках. Можно также заметить, что так называемая избыточная проверка аппаратуры, на самом деле таковой не является: это могут быть различные дополнительные тесты, например, проверка на четность, проверка разных устройств и т.д.

Еще одним недостатком защитного программирования является его стоимость. Потеря производительности - наказание за избыточные проверки. Иногда этого вполне достаточная причина для отказа от защитного программирования, что бы ни писалось в учебниках. Работа по удалению таких проверок может быть довольно утомительной. Приемы, рассматриваемые в этой лекции, оставляют место дополнительным проверкам, но они будут основываться на разработке такого окружения, которое возьмет на себя заботу о подобных проверках. После завершения отладки достаточно будет отключить соответствующий параметр компиляции, чтобы проверки исчезли; в самом программном продукте они не содержатся.

Не говоря уже о потере производительности, принципиальной причиной отказа от защитного программирования является наша цель - получение максимальной надежности. Для систем сколь либо существенных размеров недостаточно обеспечение качества отдельных элементов, - более важно гарантировать, что для каждого взаимодействия двух элементов задан явный список взаимных обязательств и преимуществ - контракт. В заключение сформулируем парадокс Дзен-стиля: меньше проверок - больше надежности.

Утверждения не являются механизмом проверки вводимых данных

Полезно сосредоточиться на некоторых неявно обсуждавшихся свойствах контрактов. Заметьте, контракты описывают только взаимодействие двух программ (программа - программа). Контракты не задают другие виды взаимодействий: человек - программа, внешний мир - программа. Предусловие не заботится о корректировке ввода пользователя, например программа read_positive_integer, ожидающая в интерактивном режиме ввода пользователем положительного целого. Включение в такую программу предусловия:

require

input > 0

хотя и желательно, но технически не реализуемо. Полагаться на пользователя в контрактах нельзя. В данной ситуации нет заменителя обычной конструкции проверки условия, включая почтенный if - then - else; полезен и механизм обработки исключений.

У утверждений своя роль в решении проблемы проверки ввода данных. При описании критерия Защищенности модуля отмечалось, что Метод поощряет проверку правильности любых объектов, получаемых из внешнего мира - от сенсоров, пользовательского ввода, из сети и т. д. Эта проверка должна быть максимально приближена к источникам объектов, используя при необходимости модули - "фильтры".

Рис. 11.1.  Использование модулей - фильтров

При получении информации извне нельзя опираться на предусловия. Задача модулей ввода - гарантировать, что никакая информация не будет передана обрабатывающим модулям, пока она не будет удовлетворять условиям, требуемым для корректной обработки. При таком подходе утверждения будут широко использоваться в коммуникациях программа - программа. Постусловия модулей ввода должны соответствовать или превосходить предусловия, продиктованные обрабатывающими модулями. Фильтры играют охраняющую роль, обеспечивая корректность входных данных.

Утверждения это не управляющие структуры

Еще одно типичное заблуждение - рассматривать утверждения как управляющую структуру, реализующую разбор случаев. К этому моменту должно быть ясно, что не в этом их роль. Если написать программу sqrt, в которой отрицательные значения будут обрабатываться одним способом, а положительные - другим, то писать предусловие - предложение require не следует. В этом случае используется обычный разбор случаев: оператор if - then - else, или оператор case языка Pascal, или оператор inspect, введенный в этой книге как раз для таких целей.

Утверждения выражают нечто иное. Они говорят о корректности условий. Если sqrt имеет предусловие, то вызов, в котором x<0, это "жучок" (bug).

Правило нарушения утверждения (1)

Нарушение утверждения в период выполнения является проявлением "жучка" в ПО.

Слово "жучок" не принадлежит к научному лексикону, но этот термин понятен всем программистам. Учитывая контракты, это правило можно уточнить:

Правило нарушения утверждения (2)

Нарушение предусловия является проявлением "жучка" у клиента.

Нарушение постусловия является проявлением "жучка" у поставщика.

Нарушение предусловия означает, что вызывающая программа нарушила контракт - "виноват заказчик". С позиций внешнего наблюдателя можно, конечно, критиковать сам контракт, но коль скоро контракт заключен, его следует выполнять. Если есть программа, осуществляющая мониторинг утверждений, то запускать на выполнение программу, чье предусловие не выполняется, не имеет смысла.

Нарушение постусловия означает, что программа, предположительно вызванная в корректных условиях, не выполнила свою часть работы, предусмотренную контрактом. Здесь тоже ясно, кто виноват, а кто нет: "жучок" в программе, клиент не виновен.

Ошибки, дефекты и другие насекомые

Появление слова "жучок" в предыдущем анализе нарушений утверждений - хороший повод прояснить терминологию. Э. Дейкстра полагал, что появление термина "жучок" связано с жалкой попыткой программистов обвинить кого-то в том, что ошибка "закралась" в программу со стороны, пока программисты занимались делом, - как будто не разработчики повинны в ошибках. И все же термин прижился, возможно, из-за эмоциональной окраски и понятности. И в этой книге он свободно используется, но следует дополнить его более специфическими (и более нудными) терминами для случаев, когда необходима более строгая классификация ошибок.

Термины, обозначающие бедствия ПО

Ошибка (Error) - неверное решение, принятое при разработке программной системы.

Дефект (Defect) - свойство программной системы, которое может стать причиной отклонения системы от намеченного поведения.

Неисправность (Fault) - событие в программной системе, приведшее к отклонению от нормального поведения в процессе одного из запусков системы.

Причинные связи понятны: неисправности порождаются дефектами, являющиеся, в свою очередь, результатом ошибок.

"Жучок" обычно имеет смысл дефекта ("а вы уверены, что в вашей программе не осталось жучков"?). Такова его интерпретация в этой книге. Но в неформальных обсуждениях он может появляться и как ошибка и как неисправность.

Работа с утверждениями

Давайте займемся дальнейшим исследованием предусловий и постусловий, рассматривая понятные элементарные примеры. Утверждения, некоторые простые, другие более детальные, будут проникать во все примеры в последующих лекциях.

Класс стек

Поставляемый с утверждениями класс STACK был оставлен пока в схематичной форме (STACK1). Теперь на суд предстанет полная версия, включающая реализацию.

Для написания эффективного класса необходимо задать реализацию. В качестве таковой выберем реализацию стека на базе массива, уже обсуждавшаяся при рассмотрении АТД в шестой лекции.

Рис. 11.2.  Реализация стека на базе массива

Массив, названный representation, имеет границы 1 и capacity: реализация использует также целочисленный атрибут count, отмечающий вершину стека. Заметьте, после того, как мы откроем для себя наследование, появится возможность писать классы с отложенной реализацией, что позволит покрывать несколько возможных реализаций, а не одну конкретную. Даже для класса c фиксированной реализацией, например, как здесь на базе массива, мы будем иметь возможность строить его как потомка родительского класса Array. В данный момент никакие методы наследования применяться не будут.

Вот он класс. Остается напомнить, что для массива a операция, присваивающая значение x его i-му элементу, записывается так: a.put(x,i). Получить i-й элемент можно так: a.item(i) или a @ i. Если, как здесь, границы заданы, то i во всех случаях лежит между этими границами: 1<= i <= capacity.

indexing

description: "Стеки: Структуры с политикой доступа Last-In, First-Out %

% Последний пришел - Первый ушел, и с фиксированной емкостью"

class STACK2 [G] creation

make

feature - Initialization (Инициализация)

make (n: INTEGER) is

-- Создать стек, содержащий максимум n элементов

require

positive_capacity: n >= 0

do

capacity := n

create representationlmake (1, capacity)

ensure

capacity_set: capacity = n

array_allocated: representation /= Void

stack_empty: empty

end

feature - Access (Доступ)

capacity: INTEGER

-- Максимальное число элементов стека

count: INTEGER

-- Число элементов стека

item: G is

-- Элемент на вершине стека

require

not_empty: not empty -- i.e. count > 0

do

Result := representation @ count

end

feature -- Status report (Отчет о статусе)

empty: BOOLEAN is

-- Пуст ли стек?

do

Result := (count = 0)

ensure

empty_definition: Result = (count = 0)

end

full: BOOLEAN is

-- Заполнен ли стек?

do

Result := (count = capacity)

ensure

full_definition: Result = (count = capacity)

end

feature -- Element change (Изменение элементов)

put (x: G) is

-- Добавить элемент x на вершину

require

not_full: not full -- т.е. count < capacity в этом представлении

do

count := count + 1

representation.put (count, x)

ensure

not_empty: not empty

added_to_top: item = x

one_more_item: count = old count + 1

in_top_array_entry: representation @ count = x

end

remove is

-- удалить элемент вершины стека

require

not_empty: not empty -- i.e. count > 0

do

count := count - 1

ensure

not_full: not full

one_fewer: count = old count - 1

end

feature {NONE} -- Implementation (Реализация)

representation: ARRAY [G]

-- Массив, используемый для хранения элементов стека

invariant

... Будет добавлен позднее ...

end

Текст класса иллюстрирует простоту работы с утверждениями. Это полный текст, за исключением предложений invariant, задающих инварианты класса, которые будут добавлены позднее в этой лекции. Давайте исследуем различные свойства класса.

Это первый законченный класс этой лекции, не слишком далеко отличающийся от того, что можно найти в профессиональных библиотеках повторно используемых ОО-компонентов, таких как Базовые библиотеки. Одно замечание о структуре класса. Поскольку класс имеет более двух-трех компонентов, возникает необходимость сгруппировать его компоненты подходящим образом. Нотация позволяет реализовать такую возможность введением множества предложений feature. Это свойство группировки компонентов, введенное в предыдущей лекции, использовалось там, как способ задания различного статуса экспорта компонентов. И здесь в последней части класса, помеченной Implementation, это свойство используется для указания защищенности компонента representation. Но преимущества группирования можно использовать и при неизменном статусе экспорта. Его цель - сделать класс простым при чтении и легче управляемым, группируя компоненты по категориям. После каждого ключевого слова feature появляется комментарий, называемый комментарий к предложению Feature (Feature Clause Comment). Он позволяет дать содержательное описание данной категории - роль компонентов, включенных в этот раздел. Категории, используемые в примере, те же, что и при описании класса STACK1 с добавлением раздела Initialization с процедурой создания (конструктором).

Стандартные категории feature и связанные с ними комментарии к предложениям Feature являются частью общих правил организации повторно используемых библиотек классов.

Императив и аппликатив (применимость)

Утверждения из STACK2 иллюстрируют фундаментальную концепцию - разницу между императивным и аппликативным видением.

Утверждения empty и full могут вызвать удивление. Приведу еще раз текст full:

full: BOOLEAN is

-- Заполнен ли стек?

do

Result := (count = capacity)

ensure

full_definition: Result = (count = capacity)

end

Постусловие говорит, что Result имеет значение выражения (count = capacity). Но оператор присваивания именно это значение присваивает переменой Result. В чем же смысл написания постусловия? Не является ли оно избыточным?

Фактически между двумя конструкциями большая разница. Присваивание это команда, отданная виртуальному компьютеру на изменение его состояния. Утверждение ничего не делает, оно специфицирует свойство ожидаемого заключительного состояния, полученное клиентом, вызвавшим программу.

Инструкция предписывает (prescriptive), утверждение описывает (descriptive). Инструкция описывает "как", утверждение описывает "что". Инструкция является частью реализации, утверждение - элементом спецификации.

Инструкция императивна, утверждение - аппликативно. Эти два термина выражают фундаментальную разницу между программированием и математикой.

[x]. Компьютерные операции могут изменять состояние аппаратно-программной машины. Инструкции в языках программирования являются командами (императивные конструкции), заставляющие машину выполнять такие операции.

[x]. Математические вычисления никогда ничего не меняют. Как отмечалось при рассмотрении АТД, взятие квадратного корня от числа 2 не меняет это число. Вместо этого математики описывают как, используя свойства одних объектов, вывести свойства других, таких как v2, полученных применением (applying - отсюда и термин "аппликативный") математических трансформаций.

То, что две нотации в нашем примере так близки, - присваивание и эквивалентность - не должно затемнять фундаментальное различие. Утверждение описывает ожидаемый результат, инструкция предписывает способ его достижения. Клиенты модуля обычно интересуются утверждениями, а не реализациями.

Причина близости нотаций в том, что присваивание зачастую кратчайший путь достижения эквивалентности. Но при переходе к более сложным примерам концептуальное различие между спецификацией и реализацией будет только возрастать. Даже в простейшем случае вычисления квадратного корня постусловие может быть задано в форме: abs(Result^2 -x) <= tolerance, где abs - обозначает абсолютное значение, а tolerance - допустимое отклонение от точного значения. Инструкции, вычисляющие квадратный корень, могут быть не тривиальными, реализуя определенный алгоритм вычисления квадратного корня.

Даже для put в классе STACK2 одной и той же спецификации могут соответствовать различные алгоритмы, например:

if count = capacity then Result := True else Result := False end

или упрощенный вариант, учитывающий правила инициализации:

if count = capacity then Result := True end

В ходе работы мы столкнулись со свойством утверждений, заслуживающим дальнейшей проработки: оно важно для авторов клиентских классов, не интересующихся реализацией, но нуждающихся в абстрактном описании роли программы. Эта идея приведет нас к понятию краткой формы (short form), обсуждаемой далее в этой лекции в качестве основного механизма документирования класса.

Предупреждение: по практическим соображениям допускается включение в утверждение функций - по внешнему виду императивных элементов. Эта проблема исследуется в конце этой лекции.

В заключение обсуждения полезно перечислить слова, используемые по контрасту в двух категориях программных элементов:

Реализация

Спецификация

Инструкция

Выражение

Как

Что

Императив

Аппликатив

Предписание

Описание

Таблица 11.2.Императивно - аппликативное противопоставление

Замечание о пустоте структур

Предусловие в процедуре создания (конструкторе) make класса STACK1 требует комментария. Оно устанавливает n>=0 и, следовательно, допускает пустые стеки. Если n=0, то make вызовет процедуру создания для массивов, также имеющую имя make, с аргументами 1 и 0 для нижней и верхней границ соответственно. Это не ошибка, это соответствует спецификации процедуры создания массивов, которая в случае, когда нижняя граница на единицу больше верхней, создает пустой массив.

Пустой стек не ошибка, это особый случай. Ошибка может возникнуть при попытке чтения из пустого стека, но этот случай охраняется предусловиями put и item.

При определении общих структур данных, подобных стеку или массиву, возникает вопрос о концептуальной целесообразности пустой структуры. В зависимости от ситуации ответ может быть разный, например, для деревьев полагается обычно, что дерево должно иметь хотя бы один узел - корень. Но в случае стеков или массивов, когда нет логической невозможности существования пустой структуры, ее следует допускать.

Проектирование предусловий: толерантное или требовательное?

Центральная идея Проектирования по контракту выражена в принципе Нет_Избыточности, суть которого в том, что за выполнение условия, необходимого для правильного функционирования программы, должен нести ответственность только один из партнеров контракта.

Какой же? В каждом случае есть две возможности.

[x]. Ответственность возлагается на клиента. В этом случае условие становится частью предусловия программы.

[x]. За все отвечает поставщик. Тогда условие появится в программе, являясь частью разбора возможных ситуаций.

Первую ситуацию назовем требовательной (demanding), вторую - толерантной (tolerant). Класс STACK2 иллюстрирует требовательный стиль, толерантная версия, не содержащая предусловий, может выглядеть так:

remove is

-- Удалить элемент вершины стека

do

if empty then

print ("Ошибка: попытка удаления элемента из пустого стека")

else

count := count - 1

end

end

Проводя аналогию с контрактами между людьми, требовательный стиль характерен для опытного поставщика, имеющего хорошо поставленное дело, и требующего от своих клиентов, чтобы они до обращения к нему выполнили всю необходимую предварительную работу. Толерантный стиль вызывает образ вновь образованной фирмы, старающейся завоевать своих клиентов, и выставляющей с этой целью рекламный плакат:

Рис. 11.3.  Реклама толерантного стиля

Какой же из стилей лучше? С первого взгляда может казаться, что толерантный стиль лучше, как с позиций повторного использования, так и для повышения надежности. В требовательном стиле на всех клиентов одного поставщика ложится ответственность за выполнение ряда условий; при повторном использовании число таких клиентов только возрастает. Так не эффективнее и надежнее было бы потребовать, чтобы эту ответственность брал на себя поставщик, освобождая клиентов от обязательств?

Исследуем эту проблему чуть глубже. Условие корректности описывает требования, необходимые для успешной работы программы. Толерантная версия программы remove является хорошим примером, демонстрирующим слабости этого стиля. Действительно, что может сделать бедная, занимающаяся выталкиванием программа, когда стек пуст? Она делает храбрую попытку выдать явно неинформативное сообщение об ошибке, но на большее она не способна - ей недоступен контекст клиента, она не способна определить, что нужно делать, когда стек пуст. Только клиент - модуль, использующий стек для своих целей, например, модуль разбора текста в компиляторе, - обладает достаточной информацией для принятия нужного решения. Является ли это нормальным, хотя и бесполезным запросом, который следует просто проигнорировать. Если это ошибка, как следует ее обработать: выбросить ли исключение, попытаться скорректировать ситуацию, или, в крайнем случае, выдать информативное для пользователя сообщение об ошибке.

Обсуждая пример с квадратным корнем, приводился такой вариант программы:

if x < 0 then

"Обработайте ошибку как-нибудь"

else

"Выполнить нормальное вычисление квадратного корня"

end

Ключевое слово здесь "как-нибудь". Предложение then скорее заклинание, чем программный код: нет разумной, общецелевой техники обработки случая x<0. Только автор клиента может знать, что значит этот случай - ошибка в ПО, возможность замены нулевым значением, причина для возбуждения исключения...

Ситуация, в которую попала толерантная версия remove, напоминает почтальона, который должен доставить письмо, не содержащее ни адреса получателя, ни адреса отправителя, - немногое может сделать такой почтальон.

Соответствуя духу Проектирования по контракту, требовательный подход к проектированию предусловий не пытается создавать программы, выполняющие все для своих клиентов. Более того, его суть в том, что каждая программа выполняет только хорошо определенную часть работы, но делает ее хорошо (корректно, эффективно, способную повторно использоваться многими клиентами). Такая программа четко классифицирует случаи, с которыми она не может справиться. Автор программы не должен пытаться быть умнее своих клиентов, если он не уверен, что должна делать программа в некоторой критической ситуации, он должен исключить этот случай из программы и явно включить его в предусловие. Эта позиция является следствием основной темы, проходящей через всю книгу, - создание программных систем как множества модулей, занятых своим делом.

Есть сходство в данном обсуждении и обсуждении использования частичных функций в математических моделях, рассматриваемое в лекции про АТД. Там говорилось, что целесообразнее использовать частичные функции, чем делать функцию всюду определенной, введением специального неопределенного значения - ωinteger. Эти две идеи близки, Проектирование по контракту является частью применения к программным конструкциям концепции частичных функций, замечательно гибкого и мощного аппарата формальных спецификаций.

Предупреждение: требовательный подход применим при условии, что предусловия являются разумными и обоснованными. В противном случае, работа была бы достаточно простой, достаточно для каждого модуля написать предусловие False, и любая программа была бы корректной. Дадим более точную характеристику "обоснованности" предусловия:

Принцип обоснованности предусловия

Каждое предусловие программы при требовательном стиле проектирования должно удовлетворять следующим требованиям:

1 Предусловие появляется в официальной документации, поставляемой авторам клиентских модулей.

2 Предусловие формулируется только в терминах спецификации, что делает возможным его вычисление.

Первое требование поддерживается понятием краткой формы, изучаемой позднее в этой лекции. Второе требование исключает появление ограничений, определяемых реализацией поставщика программы. Например, для программы, занимающейся выталкиванием элементов из стека, предусловие not empty является требованием, проверяемым в терминах спецификации, и вытекающим из очевидного факта - из пустого стека ничего нельзя вытолкнуть. При вычислении квадратного корня предусловие x>0 отражает известный математический факт, - отрицательные числа не имеют вещественных квадратных корней.

Некоторые ограничения могут навязываться реализацией. Например, в программе put из класса STACK2 присутствие в качестве предусловия require not full связано с реализацией стека на основе массива. Но это не является нарушением принципа, поскольку класс STACK2 в полном соответствии с его спецификацией определяет стеки ограниченной емкости, что отражено, например, в предложении indexing этого класса. АТД, служащий в роли спецификации этого класса, не задает наиболее общий вид стеков, но является понятием стека ограниченной емкости.

Обычно следует избегать структур ограниченной емкости; даже в случае массивов можно строить стек на динамических массивах, изменяющих размерность при необходимости. В Базовой библиотеке представлен общий класс, описывающий стеки11.1), отличающийся от класса STACK2 тем, что в нем не используется понятие емкости; стек по умолчанию перестраивается, когда текущей емкости недостаточно для хранения очередного поступающего элемента.

Предусловия и статус экспорта

Возможно, вы заметили необходимость дополнительного требования, не отраженного в принципе обоснованности предусловия. Для того чтобы клиент мог проверить предусловие, оно не должно использовать закрытые свойства класса, недоступность которых отражена в статусе экспорта.

Рассмотрим следующую ситуацию:

-- Предупреждение: это неправильный класс, только в целях иллюстрации.

class SNEAKY feature

tricky is

require

accredited

do

...

end

feature {NONE}

accredited: BOOLEAN is do ... end

end

Спецификация для tricky устанавливает, что любой вызов этой процедуры должен удовлетворять условию, выраженному булевой функцией accredited. Но при экспорте класса эта функция для клиентов является закрытой, поэтому у них нет способа проверить выполнимость условия перед вызовом tricky. Очевидно, подобная ситуация неприемлема.

Причина, по которой принцип Обоснованности предусловия не покрывает подобные ситуации, в том, что это методологический принцип, а мы нуждаемся в правиле языка, заставляющем компилятор контролировать решение проблемы, не полагаясь на разработчиков.

Это правило учитывает все возможные ситуации экспорта, а не только случаи доступности всем клиентам (tricky) или полной недоступности (accredited). Как отмечалось, при обсуждении проблемы скрытия информации, компонент класса можно сделать доступным для некоторых клиентов, явно перечислив их в feature предложении, например feature {A, B, ... }, определяющего доступность только для классов A, B, ... и их потомков. Сформулируем правило языка:

Правило Доступности предусловия

Каждый компонент, появляющийся в предусловии программы, должен быть доступен каждому клиенту, которому доступна сама программа.

В соответствии с этим правилом каждый клиент, способный вызвать программу, способен проверить ее предусловие. По этому правилу класс SNEAKY является коварным, некорректно построенным, поскольку экспортирует tricky с недоступным предусловием. Нетрудно превратить этот класс в правильно построенный, изменив статус экспорта у accredited. Если tricky появится с предложением feature в форме feature {A, B, C}, то accredited должна экспортироваться, по меньшей мере, клиентам A, B, C, появляясь в той же группе feature, что и tricky. Можно задать для accredited собственное feature-предложение в одной из форм: feature {A, B, C}, feature {A, B, C, D, ...} или просто feature. Любое нарушение этого правила приведет к ошибке в период компиляции. Класс SNEAKY, например, будет забракован компилятором.

Подобного правила нет для постусловий. Не является ошибкой в постусловии ссылаться на компоненты, закрытые или экспортируемые избранным клиентам. Просто это означает, что описание эффекта выполнения программы содержит некоторые свойства, непосредственно не используемые клиентом. Подобная ситуация имеет место в процедуре put класса STACK2:

put (x: G) is

-- Добавить элемент x на вершину

require

not full

do

...

ensure

... Другие предложения...

in_top_array_entry: representation @ count = x

end

Последнее предложение в постусловии устанавливает, что элемент массива с индексом count содержит последний втолкнутый в стек элемент. Это свойство реализации, хотя put обычно доступно (экспортируется всем клиентам), массив representation является закрытым. Но ничего ошибочного в постусловии нет. Оно просто включает наряду со свойствами, полезными для клиентов ("Другие предложения"), свойство, имеющее смысл только для тех, кто знаком с полным текстом класса. Такие закрытые предложения не будут появляться в краткой форме класса - документации, предназначенной для авторов клиентских модулей.

Толерантные модули

(При первом чтении этот раздел можно опустить или ограничиться его беглым просмотром.)

Простые, но не защищенные модули могут быть не достаточно устойчивыми для использования их у произвольных клиентов. В таких случаях возникает необходимость создания нескольких классов, играющих роль фильтров. В отличие от ранее рассмотренных фильтров, устанавливаемых между внешним миром и обрабатывающими модулями, новые фильтры будут устанавливаться между "беспечными" клиентами с одной стороны и незащищенными классами с другой стороны.

Хотя было показано, что обычно это не лучший подход к проектированию, полезно рассмотреть, как выглядят классы, если использовать толерантный стиль в некоторых особых случаях. Класс STACK3, представленный ниже, иллюстрирует эту идею.

Поскольку классу понадобятся целочисленные коды ошибок, удобно для этой цели использовать ранее не введенную нотацию "unique" для целочисленных констант. Если объявить множество атрибутов следующим образом:

a, b, c, ...: INTEGER is unique

то в результате этого объявления a, b, c получат последовательно идущие целочисленные значения. Эти значения будут даваться компилятором с гарантией того, что все объявленные таким образом константы получат различные значения (будут уникальными). По принятому соглашению, всем объявляемым таким образом константам даются имена, начинающиеся с буквы в верхнем регистре и с остальными символами в нижнем регистре, например Underflow.

Вот написанная в этом стиле толерантная версия нашего класса стек. Заметьте, что этот текст, возможно пропущенный при первом чтении, включен только для понимания толерантного стиля. Он не является примером рекомендуемого стиля проектирования по причинам, обсуждаемым ниже, но которые достаточно ясны при просмотре этого текста.

indexing

description: "Стеки: Структуры с политикой доступа Last-In, First-Out %

%Первый пришел - Последний ушел, с фиксированной емкостью; %

%толерантная версия, устанавливающая код ошибки в случае %

%недопустимых операций."

class STACK3 [G] creation

make

feature - Initialization (Инициализация)

make (n: INTEGER) is

-- Создать стек, содержащий максимум n элементов, если n > 0;

-- в противном случае установить код ошибки равным Negative_size.

-- Без всяких предусловий!

do

if capacity >= 0 then

capacity := n

create representation.make (capacity)

else

error := Negative_size

end

ensure

error_code_if_impossible: (n < 0) = (error = Negative_size)

no_error_if_possible: (n >= 0) = (error = 0)

capacity_set_if_no_error: (error = 0) implies (capacity = n)

allocated_if_no_error: (error = 0) implies (representation /= Void)

end

feature - Access (Доступ)

item: G is

-- Элемент вершины, если существует; в противном случае

-- значение типа по умолчанию.

-- с ошибкой категории Underflow.

-- Без всяких предусловий!

do

if not empty then

check representation /= Void end

Result := representation.item

error := 0

else

error := Underflow

-- В этом случае результатом является значение по умолчанию

end

ensure

error_code_if_impossible: (old empty) = (error = Underflow)

no_error_if_possible: (not (old empty)) = (error = 0)

end

feature -- Status report (Отчет о статусе)

empty: BOOLEAN is

-- Пуст ли стек?

do

Result := (capacity = 0) or else representation.empty

end

error: INTEGER

-- Индикатор ошибки, устанавливаемый различными компонентами

-- в ненулевое значение, если они не могут выполнить свою работу

full: BOOLEAN is

-- Заполнен ли стек?

do

Result := (capacity = 0) or else representation.full

end

Overflow, Underflow, Negative_size: INTEGER is unique

-- Возможные коды ошибок

feature -- Element change (Изменение элементов)

put (x: G) is

-- Добавить x на вершину, если возможно; иначе задать код ошибки.

-- Без всяких предусловий!

do

if full then

error := Overflow

else

check representation /= Void end

representation.put (x); error := 0

end

ensure

error_code_if_impossible: (old full) = (error = Overflow)

no_error_if_possible: (not old full) = (error = 0)

not_empty_if_no_error: (error = 0) implies not empty

added_to_top_if_no_error: (error = 0) implies item = x

one_more_item_if_no_error: (error = 0) implies count = old count + 1

end

remove is

-- Удалить вершину, если возможно; иначе задать код ошибки.

-- Без всяких предусловий!

do

if empty then

error := Underflow

else

check representation /= Void end

representation.remove

error := 0

end

ensure

error_code_if_impossible: (old empty) = (error = Underflow)

no_error_if_possible: (not old empty) = (error = 0)

not_full_if_no_error: (error = 0) implies not full

one_fewer_item_if_no_error: (error = 0) implies count = old count - 1

end

feature {NONE} - Implementation (Реализация)

representation: STACK2 [G]

-- Незащищенный стек используется для реализации

capacity: INTEGER

-- Максимальное число элементов стека

end - class STACK3

Операции этого класса не имеют предусловий (более точно, имеют True в качестве предусловия). Результат выполнения может характеризовать ненормальную ситуацию, постусловие переопределено так, чтобы позволить отличать корректную и ошибочную обработку. Например, при вызове s.remove, где s это экземпляр класса STACK3, в корректной ситуации значение s.error будет равно 0; в ошибочной - Underflow. В последнем случае никакая другая работа выполняться не будет. Клиент несет ответственность за проверку s.error после вызова. Как уже отмечалось, у общецелевого модуля, такого как STACK3 нет способа решить, что делать в ошибочной ситуации: выдать сообщение об ошибке, произвести корректировку ситуации...

Такие модули фильтры служат для отделения нормальных ситуаций от ситуаций, обрабатывающих ошибки. В этом отличие корректности от устойчивости, объясняемое в начале книги: написание модуля корректно выполняющего свою задачу в предусмотренных случаях - одна задача, сделать так, чтобы и в непредусмотренных ситуациях обработка выполнялась сносно - совсем другая задача. Обе они необходимы, но их нужно разделять и управлять ими по-разному. Одна из типичных ошибок, приводящая к безнадежной сложности программных систем, - в алгоритм, делающий действительно нечто полезное, добавляется куча проверок на безнадежные ситуации и из лучших побуждений делается попытка управлять ими. В таких системах путаница начинает расти как грибы после дождя.

Несколько технических замечаний к приведенному примеру класса.

[x]. Экземпляр STACK3 - содержит атрибут representation, представляющий ссылку на экземпляр STACK2, содержащий, в свою очередь, ссылку на массив. Эти обходные пути пагубно отражаются на эффективности, избежать этого можно введением наследования, изучаемого в последующих лекциях.

[x]. Булева операция or else подобна or, но если первый операнд равен True, игнорирует второй операнд, возможно неопределенный в такой ситуации.

[x]. Инструкция check, используемая в put и remove, служит для проверки выполнения некоторых утверждений. Она будет изучаться позднее в этой лекции.

В заключение: вы, наверное, отметили тяжеловесность STACK3 в сравнении с простотой STACK2, достигнутой благодаря предусловиям. Это хороший пример, показывающий, что толерантный стиль может приводить к бесполезно усложненному ПО. Требовательный стиль, по контрасту, вытекает из общего духа Проектирования по контракту. Попытка управлять всем, - и возможными и невозможными случаями - совсем не лучший способ помочь вашим клиентам. Если вместо этого вы построите классы, влекущие возможно более строгие условия на их использование, точно опишите эти условия, включив их в документацию класса, вы реально облегчите жизнь вашим клиентам. Требовательная любовь (tough love) может быть лучше всепрощающей; лучше эффективная поддержка функциональности с проверяемыми ограничениями, чем страстная попытка предугадать желания клиентов, принятие возможно неадекватных решений, жертвой чего становятся простота и эффективность.

Для модулей, чьими клиентами являются другие программные модули, требовательный подход обычно является правильным выбором. Возможным исключением становятся модули, предназначенные для клиентов, чьи авторы используют не ОО-языки и могут не понимать основных концепций Проектирования по контракту.

Толерантный подход остается полезным для модулей, принимающих данные от внешнего мира. Как отмечалось, в этом случае строятся фильтры, отделяющие внешний мир от обрабатывающих модулей. Класс STACK3 иллюстрирует идеи построения подобных фильтров.

Инварианты класса

Предусловия и постусловия описывают свойства отдельных программ. Но экземпляры класса обладают также глобальными свойствами. Их принято называть инвариантами класса (class invariants), и они определяют более глубокие семантические свойства и ограничения целостности, характеризующие класс.

Определение и пример

Рассмотрим снова реализацию стека классом STACK2:

class STACK2 [G] creation

make

feature

? make, empty, full, item, put, remove?

capacity: INTEGER

count: INTEGER

feature {NONE} -- Implementation

representation: ARRAY [G]

end

Атрибуты класса - массив representation и целые capacity, count - задают представление стека. Хотя предусловия и постусловия программ отражают семантику стека, их недостаточно для выражения важных свойств, связывающих атрибуты. Например, count всегда должно удовлетворять условию:

0 <= count; count <= capacity

из которого следует, что capacity >=0 и что capacity задает размер массива:

capacity = representation.capacity

Инвариант класса это утверждение, выражающее общие согласованные ограничения, применимые к каждому экземпляру класса как целому. Этим они отличаются от предусловий и постусловий, характеризующих отдельные программы.

Выше приведенные примеры инвариантов включали только атрибуты. Инварианты могут выражать отношения между функциями и между функциями и атрибутами. Например, инвариант STACK2 может включать следующее свойство, описывающее связь между функцией empty и count:

empty = (count = 0)

Этот пример не показателен, он повторяет утверждение, заданное постусловием empty. Более полезные утверждения те, которые включают только атрибуты или более чем одну функцию.

Вот еще один типичный пример. Предположим, что мы имеем дело с банковскими счетами, и есть класс Bank_Account с компонентами: deposits_list, withdrawals_list и balance. Тогда инвариантом такого класса может быть утверждение в форме:

consistent_balance: deposits_list.total - withdrawals_list.total = balance

где функция total дает суммарное значение списка всех операций (приходных или расходных). Инвариант определяет основное условие согласования всех банковских операций над счетом, связывая баланс, приходные и расходные операции.

Форма и свойства инвариантов класса

Синтаксически инвариант класса является утверждением, появляющимся в предложении invariant, стоящим после всех предложений feature, и перед предложением end. Вот пример:

class STACK4 [G] creation

...Как в STACK2...

feature

...Как в STACK2...

invariant

count_non_negative: 0 <= count

count_bounded: count <= capacity

consistent_with_array_size: capacity = representation.capacity

empty_if_no_elements: empty = (count = 0)

item_at_top: (count > 0) implies (representation.item (count) = item)

end

Инвариант класса C это множество утверждений, которым удовлетворяет каждый экземпляр класса во все "стабильные" времена. В эти времена экземпляр класса находится в наблюдаемом состоянии:

[x]. на момент создания экземпляра, сразу после выполнения create a или create a.make(...), где a класса C;

[x]. перед и после каждого удаленного вызова a.r(...) программы r класса С.

Следующий рисунок, показывающий жизнь объектов, поможет разобраться в инвариантах и стабильных временах:

Рис. 11.4.  Жизнь объектов

Жизнь объектов не столь уж захватывающая. Вначале - слева на рисунке - он просто не существует. При выполнении инструкции create a или create a.make(...) или clone объект создается и достигает первой станции S1 в своей жизни. Затем идет череда довольно скучных событий: клиенты, для которых доступен объект, один за другим вызывают его компоненты в форме a.f(..). Так все продолжается, пока не завершится вычисление.

Инвариант является характеристическим свойством состояний, представленных большими квадратиками на рисунке: S1, S2, S3 и т.д. Эти состояния соответствуют стабильным временам, упомянутым выше.

Здесь рассматриваются последовательные вычисления, но все идеи легко переносятся на параллельные вычисления, что и будет сделано в соответствующей лекции.

Инвариант в момент изменения

Несмотря на свое имя, инвариант не должен выполняться во все времена. Вполне законно, что некоторая процедура g, начиная выполнять свою работу, разрушает инвариант, а, завершая работу, восстанавливает его истинность. В промежуточном состоянии, показанном на рисунке маленьким квадратиком, инвариант не выполняется, но инвариант всегда должен выполняться в заключительном состоянии каждой процедуры. И в человеческом сообществе многие, стараясь сделать что-либо полезное, начинают с того, что разрушают существующий порядок вещей.

Кто должен обеспечить сохранность инвариантов

Квалифицированные вызовы в форме a.f(...), выполняемые на стороне клиента, всегда начинаются и заканчиваются в состоянии, удовлетворяющем инварианту. Подобного правила нет для неквалифицированных вызовов в форме f(...), недоступных для клиентов, но используемых в квалифицированных вызовах для служебных целей. Как следствие, обязанность управлять инвариантами возлагается только на модули, экспортируемые всем клиентам или выборочно. Закрытые методы, недоступные клиентам, не обязаны беспокоиться об инвариантах.

Закончим обсуждение правилом, точно определяющим, когда утверждение является корректным инвариантом класса:

Правило инварианта

Утверждение Inv является корректным инвариантом класса, если и только если оно удовлетворяет следующим двум условиям:

1 Каждая процедура создания, применимая к аргументам, удовлетворяющим ее предусловию в состоянии, в котором атрибуты имеют значения, установленные по умолчанию, вырабатывает заключительное состояние, гарантирующее выполнение Inv.

2 Каждая экспортируемая процедура класса, примененная к аргументам в состоянии, удовлетворяющем Inv и предусловию, вырабатывает заключительное состояние, гарантирующее выполнение Inv.

Заметьте, в этом правиле:

[x]. Предполагается, что каждый класс обладает процедурой создания, задаваемой конструктором по умолчанию, при отсутствии явного ее определения.

[x]. Состояние объекта определяется значениями всех его полей (значениями атрибутов класса для этого конкретного экземпляра).

[x]. Предусловие программы может включать начальное состояние и аргументы.

[x]. Постусловие может включать только заключительное состояние, начальное состояние, (используя нотацию old) и, в случае функций, возвращаемое значение, заданное предопределенной сущностью Result.

[x]. Инвариант может включать только состояние.

Утверждения могут использовать функции, но такие функции фактически являются ссылками на атрибуты - состояние.

Математическое выражение правила Инварианта появится позже в этой лекции.

Можно использовать правило Инварианта как основу для ответа на вопрос, что означает нарушение инварианта в период выполнения системы? Мы уже установили, что нарушение предусловия означает ошибку (жучок) клиента, нарушение постусловия - ошибка поставщика. Для инвариантов ответ такой же, как и для постусловий11.2).

Роль инвариантов класса в программной инженерии

Свойство (2) правила инвариантов показывает, что неявно их можно рассматривать как добавления к предусловиям и постусловиям каждой экспортируемой программы класса. Посему принципиально понятие инварианта класса избыточно - это часть предусловий и постусловий программ.

Такое преобразование, конечно, не желательно. Это усложнило бы тексты программ, и, что более важно, - был бы утерян глубокий смысл инварианта, выходящий за пределы отдельных программ, применяемый к классу, как целому. Следует помнить, что инвариант применим не только к уже написанным программам класса, но и к тем, которые еще будут написаны. Он контролирует эволюцию класса, что будет отражено в правилах наследования.

Изменения в ПО неизбежны. Задача в том, чтобы уметь управлять ими. Этот подход соответствует принципам разработки, введенным в начале этой книги. Можно ожидать, что некоторые аспекты программных систем и их компонентов - классов - меняются чаще, чем другие. Добавление, удаление, изменение функциональности явление частое и нормальное. В этом изменчивом процессе все-таки хотелось бы иметь устойчивые свойства, в значительной степени, не подверженные изменениям. Именно эту роль играют инварианты, поскольку в них отражаются фундаментальные соотношения, характерные для класса. Конечно, в программных системах все может изменяться, едва ли можно гарантировать неприкосновенность любого из аспектов системы. Но фундамент остается фундаментом.

Класс STACK2 иллюстрирует базисные идеи, но оценить полную мощь инвариантов можно, лишь ознакомившись со всеми дальнейшими их примерами в остальной части этой книги. Понятие инварианта является одной из наиболее значимых концепций ОО-метода. Только после того, как я написал инвариант, (для разработанного мной класса), только после знакомства и понимания инвариантов (для изучаемого мной класса), только тогда я почувствовал, - я знаю, что такое класс.

Инварианты и контракты

В метафоре контрактов интерпретация инвариантов ясна и понятна. В сообществе людей все контракты часто содержат ссылки на общие правила, регулирующие отношения между партнерами независимо от конкретной области применения контракта. Например правила, установленные для городских зон, справедливы для всех контрактов по строительству жилья. Инварианты класса играют роль общих правил: инвариант класса действует на все контракты между программами класса и клиентами.

Давайте пойдем дальше. Выше отмечалось, что инварианты можно рассматривать как добавки к предусловиям и постусловиям экспортируемых программ. Пусть body тело программы, pre - предусловие, post - постусловие, Inv - инвариант программы. Требование корректности программы может быть записано в виде:

{INV and pre} body {INV and post}

Это означает, что любое выполнение body, начинающееся в состоянии, удовлетворяющем Inv и pre, завершится в состоянии, в котором выполняются Inv и post. Для человека, создающего body, появление инварианта является "хорошей" или "плохой" новостью, облегчается или затрудняется его задача? Ответ, как следует из предыдущих обсуждений, и да и нет! Вспомним ленивого работника, который мечтает о сильном предусловии и слабом постусловии, чтобы можно было бы работать как можно меньше. Инвариант усиливает как предусловие, так и постусловие. Так что, если вы ответственны за реализацию body, то добавление инварианта:

[x]. Облегчает работу: накладывая на клиента более жесткие требования, уменьшая тем самым число ситуаций, при которых нужно приступать к работе.

[x]. Усложняет работу: помимо постусловия в заключительном состоянии необходимо гарантировать выполнение инварианта.

Эти наблюдения согласуются с ролью инварианта, задающего общие требования к классу. Приступая к работе над одной из программ класса, вы получаете преимущества, поскольку гарантируется выполнение общих для класса условий. Но на вас возлагается обязанность к концу работы сохранить выполнимость этих условий, чтобы ими могли воспользоваться и другие программы класса.

Класс BANK_ACCOUNT, упоминавшийся выше, с инвариантом класса:

deposits_list.total - withdrawals_list.total = balance

дает хороший пример. При добавлении в класс новой программы гарантируется, что свойства deposits_list, withdrawals_list, balance имеют согласованные значения, посему нет необходимости в проверках согласованности. Но это также означает, что при написании программы следует следить за сохранением согласованности. Так что процедура withdraw, которая занимается снятием некоторых сумм со счетов, должна в конце работы изменить соответственно и баланс - атрибут balance.

Заметьте, balance может быть не атрибутом, а функцией, возвращающей значение, вычисляемое, например, так: deposits_list.total - withdrawal_list.total. В этом случае процедуре withdraw вообще ничего не нужно делать для обеспечения выполнимости инварианта. Возможность переключаться между двумя представлениями (атрибута и функции) без влияния на клиента обеспечивается принципом Унифицированного доступа.

Когда класс корректен?

Хотя нам еще предстоит ознакомиться с рядом конструкций, связанных с утверждениями, пора сделать паузу и проэкзаменовать некоторые из следствий уже изученных понятий - предусловий, постусловий, инвариантов. В этом разделе не вводятся никакие новые конструкции, но описываются теоретические обоснования сделанного. Полагаю, и при первом чтении следует познакомиться с этими идеями, поскольку они являются основополагающими для правильного понимания метода, и будут иметь большую ценность при попытке постигнуть, как использовать наследование должным образом.

Корректность класса

Вооруженные понятиями инварианта, предусловий и постусловий, мы можем теперь точно определить понятие корректности уже не отдельной подпрограммы, а класса в целом.

Класс, подобно всем остальным программным элементам, не может быть корректным или некорректным сам по себе, - только по отношению к некоторой спецификации. Инварианты, предусловия и постусловия, это способ задания спецификации класса. На этой основе можно приступать к определению корректности: класс корректен, если и только если его реализация, заданная подпрограммами, согласована с предусловиями, постусловиями и инвариантами.

Нотация {P} A {Q} поможет выразить наше определение более строго.

Пусть C обозначает класс, Inv - инвариант, r - программа класса. Для каждой программы Bodyr - ее тело, prer(xr), postr(xr) - ее предусловие и постусловие с возможными аргументами xr. Если предусловие или постусловие для программы r опущены, то будем считать их заданными константой True.

Наконец, пусть DefaultC обозначает утверждение, выражающее тот факт, что атрибуты класса C имеют значения по умолчанию, определенные их типами. Например, DefaultSTACK2 для класса STACK2 является следующим утверждением:

representation = Void

capacity = 0

count = 0

Эта нотация позволяет дать общее определение корректности класса:

Определение: Корректность класса

Класс C корректен по отношению к своим утверждениям, если и только если:

1

Для любого правильного множества аргументов xp процедуры создания p:

{DefaultC and prep(xp)} Bodyp {postp(xp) and Inv}

2

Для каждой экспортируемой программы r и для любого множества правильных аргументов xr:

{prer(xr) and Inv} Bodyr {postr(xr) and Inv}

Это правило является математической формулировкой ранее рассмотренной неформальной диаграммы, показывающей жизненный цикл типичного объекта (рис. 11.4). Условие (1) означает, что любая процедура создания при ее вызове с выполняемым предусловием должна вырабатывать начальное состояние (S1 на рисунке), удовлетворяющее постусловию и инварианту. Условие (2) отражает тот факт, что любая экспортируемая процедура r (f и g на рисунке), вызываемая в состояниях (S1, S2, S3), удовлетворяющих предусловию и инварианту, должна завершаться в состояниях, удовлетворяющих постусловию и инварианту.

Два практических замечания:

[x]. Если у класса нет предложения creation, то можно полагать, что существует неявная процедура создания по умолчанию - nothing с пустым телом. Применение правила (1) к Bnothing в этом случае означает, что DefaultC влечет Inv; другими словами, значения полей по умолчанию должны удовлетворять инварианту в этом случае.

[x]. Из определения корректности класса следует, что любая экспортируемая программа может делать, все что угодно, если при ее вызове нарушается предусловие или инвариант.

Только что было описано, как определить корректность класса. На практике чаще хочется проверить, что данный класс действительно корректен. Эта проблема будет обсуждаться позднее в этой лекции.

Роль процедур создания

Инвариант класса задает множество свойств объектов (экземпляров класса), которые должны выполняться в стабильные времена жизни объектов. В частности, эти свойства должны выполняться сразу после создания экземпляра объекта.

Стандартный механизм распределения инициализирует поля значениями по умолчанию соответствующих типов, приписанных атрибутам. Эти значения могут удовлетворять или не удовлетворять инварианту. Если нет, то требуется специальная процедура создания, инициализирующая значения атрибутов таким образом, чтобы инвариант выполнялся. Поэтому процедуру создания можно рассматривать, как операцию, гарантирующую, что все экземпляры класса начинают жить, имея корректный статус, - в котором инвариант выполняется.

При первом представлении процедур создания они рассматривались, как способ ответа на земной (и очевидный) вопрос, как переопределить инициализацию по умолчанию, если она не подходит для моего класса. Другая рассматриваемая проблема, - как задать несколько различных механизмов инициализации. Но теперь, с введением инвариантов и теоретического обсуждения, отраженного в правиле (1), мы видим более весомую роль процедур создания. Теперь они создают уверенность, что любой экземпляр класса, только начиная жить, удовлетворяет фундаментальным правилам своей касты - инварианту класса.

Ревизия массивов

Набросок библиотечного класса ARRAY дан в предыдущей лекции. Теперь мы в состоянии дать ему подходящее определение. Фундаментальное понятие массива требует задания предусловий, постусловий и инварианта.

Приведем улучшенный, но все еще схематичный вариант, включающий утверждения. Предусловия выражают базисные требования к доступу и модификации элементов: индексы должны быть в допустимой области. Инвариант задает отношение, существующее между count, lower и upper. Компонент count разрешается реализовать функцией, а не задавать атрибутом.

indexing

description: "Последовательности значений одного типа или %

%согласованных типов, доступных по индексам - целым из заданного интервала %"

class ARRAY [G] creation

make

feature - Initialization (Инициализация)

make (minindex, maxindex: INTEGER) is

-- Создать массив с границами minindex и maxindex

-- (пустой если minindex > maxindex).

require

meaningful_bounds: maxindex >= minindex - 1

do

...

ensure

exact_bounds_if_non_empty: (maxindex >= minindex) implies

((lower = minindex) and (upper = maxindex))

conventions_if_empty: (maxindex < minindex) implies

((lower = 1) and (upper = 0))

end

feature -- Access (Доступ)

lower, upper, count: INTEGER

-- Минимальное и максимальное значение индекса; размер массива.

infix "@", item (i: INTEGER): G is

-- Элемент с индексом i

require

index_not_too_small: lower <= i

index_not_too_large: i <= upper

do ... end

feature -- Element change (Изменение элементов)

put (v: G; i: INTEGER) is

-- Присвоить v элементу с индексом i

require

index_not_too_small: lower <= i

index_not_too_large: i <= upper

do

...

ensure

element_replaced: item (i) = v

end

invariant

consistent_count: count = upper - lower + 1

non_negative_count: count >= 0

end

Единственное, что не конкретизировано в описании этого класса, это реализация программ item и put. Поскольку эффективная манипуляция с массивом требует доступа к системам низкого уровня, то эти программы будут реализованы с использованием внешних классов, что будет рассмотрено в последующих лекциях.

Связывание с АТД

Класс, как неоднократно говорилось, является реализацией АТД, заданного формальной спецификацией или неявно подразумеваемого. В начале лекции отмечалось, что утверждения можно рассматривать, как способ введения в класс семантических свойств, лежащих в основе АТД. Давайте уточним наше понимание концепции утверждений, прояснив их связь с компонентами спецификации АТД.

Не просто коллекция функций

Как отмечалось в лекции про АТД, они включают четыре элемента:

[x]. имя типа, возможно с родовым параметром (раздел TYPES);

[x]. список функций с их сигнатурами (раздел FUNCTIONS);

[x]. аксиомы, выражающие свойства результатов функций (раздел AXIOMS);

[x]. ограничения применимости функций (раздел PRECONDITIONS).

При поверхностном применении АТД часто опускают две последние части. Во многом, это лишает данный подход привлекательности, поскольку предусловия и аксиомы выражают семантические свойства функций. Если их опустить и просто рассматривать стек как инкапсуляцию операций put, remove и других, то преимущества от скрытия информации останутся, но это все. Понятие стека становится пустой оболочкой без семантики, кроме той, что остается в именах функций. (В этой книге имена функций менее информативны по причине согласованности и повторного использования, - мы сознательно выбрали общие имена - put, remove, item, а не те, которые применяются обычно для стеков - push, pop, top).

Этот риск потери семантики переносится на программирование: программы, реализующие операции соответствующего АТД, в принципе могут выполнять нечто отличное от задуманного. Утверждения предотвращают этот риск, возвращая семантику классу.

Компоненты класса и АТД функции

Для понимания отношений между утверждениями и АТД необходимо, прежде всего, установить отношение между компонентами класса и их двойниками - АТД функциями. В свете прежних обсуждений функции подразделяются на три категории: создатели, запросы и команды. Возвращаясь назад, напомню, категория функции f

f : A × B × ... X

зависит от того, где имя АТД, скажем T, встречается среди типов A, B, ... X, включенных в эту сигнатуру:

[x]. Если Т появляется только справа от стрелки, f является создателем; в классе это соответствует процедуре создания.

[x]. Если Т появляется только слева от стрелки, f является запросом, обеспечивающим доступ к свойству экземпляра класса. Для класса запрос соответствует атрибуту или функции; термин запрос сохраняется и для класса, когда нет необходимости различать, как он реализован.

[x]. Если Т появляется как слева, так и справа от стрелки, f является командой, вырабатывающей новый объект из одного или нескольких уже существующих. На этапе реализации f часто задается процедурой (также называемой командой), которая модифицирует существующий объект, не создавая новый, как это делают функции.

Выражение аксиом

Из соответствия между АТД функциями и компонентами класса можно вывести соответствие между утверждениями класса и семантическими свойствами АТД.

[x]. Предусловие для специфицированной в АТД функции появляется как предусловие программы, соответствующей данной функции.

[x]. Аксиома, включающая команду, и, возможно, одну или более функций запросов, появится как постусловие соответствующей процедуры.

[x]. Аксиомы, включающие только запросы, появятся как постусловия соответствующих функций или как инвариант. Последнее обычно имеет место, если более чем одна функция включена в аксиому, или, по меньшей мере, один из запросов реализован в виде атрибута.

[x]. Аксиомы, включающие функцию создатель, появятся в постусловии соответствующей процедуры создания.

В этот момент следует вернуться назад и сравнить аксиомы АТД STACK с утверждениями класса STACK4 (включая и те, которые даны для класса STACK2).

Функция абстракции

Этот раздел требует от читателя определенной математической подготовки.

Полезно рассмотреть предшествующее обсуждение в терминах следующего рисунка, навеянного работой [Hoare 1972a], в которой описывается понятие "С является корректной реализацией А".

Рис. 11.5.  Преобразования между абстрактными и конкретными объектами

Здесь А - АТД, С - класс, его реализующий. Абстрактной функции af из спецификации АТД соответствует в классе конкретная функция cf. Для простоты, полагаем, что абстрактная функция af из A возвращает результат того же типа А.

Стрелка, помеченная а, представляет функцию абстракции (abstraction function), которая для любого экземпляра класса - конкретного объекта - возвращает соответствующий абстрактный объект (экземпляр АТД). Как будет видно, функция обычно бывает частичной, а обратное отношение обычно не является функцией.

Реализация корректна, если (для всех функций af из АТД и их реализаций cf) диаграмма коммутативна, или, как говорят, имеет место:

Свойство согласованности Класс-АТД

(cf;a) = (a;af)

где символ ";" обозначает композицию функций. Другими словами, для любых двух функций f и g, их композиция: f;g задает функцию h, такую что h(x) = g(f(x)) для каждого применимого x.

(Композицию f;g также записывают в виде: g ° f, с обратным порядком применения операндов.)

Свойство устанавливает, что для каждого конкретного объекта CONC_1 не имеет значения, в каком порядке применяются преобразования (функция абстракции, а затем af или вначале cf, а потом функция абстракции); оба пути, помеченные на рисунке штрихованными линиями, ведут к одному и тому же значению - абстрактному объекту ABST_2. Результат будет одним и тем же, если:

[x]. Применить конкретную функцию класса cf, а потом функцию абстракции а, получив a(cf(CONC_1)).

[x]. Применить функцию абстракции а, а потом функцию АТД - af, получив af(a(CONC_1)).

Инварианты реализации

Некоторые утверждения появляются в реализации, хотя они не имеют прямых двойников в спецификации АТД. Эти утверждения используют атрибуты, включая некоторые закрытые атрибуты, которые, по определению, не имеют смысла в АТД. Простым примером являются свойства, появляющиеся в инварианте STACK4:

count_non_negative: 0 <= count

count_bounded: count <= capacity

Такие утверждения составляют часть инварианта класса, известную как инвариант реализации (implementation invariant). Они позволяют задать соответствие представления реализации, выбранное в классе, (здесь это атрибуты count, capacity, representation) - визави соответствующего АТД.

Рис. 11.5 помогает понять концепцию инварианта реализации. Он иллюстрирует характеристические свойства функции абстракции, представленной вертикальной стрелкой на рисунке. Об этом стоит поговорить подробнее.

Прежде всего, корректно ли рассматривать а, как функцию? Напомним, что функция (тотальная или частичная) отображает каждый элемент исходного множества ровно в один элемент целевого множества, в противоположность общему случаю отношения, не имеющего такого ограничения. Рассмотрим обратное преобразование (сверху - вниз) от абстрактного объекта к конкретному. Будем называть его отношением представления (representation relation); как правило, это отношение не является функцией, так как существует множество представлений одного и того же абстрактного объекта. В реализации стека массивом, где каждый стек задан парой <representation, count>, абстрактный стек имеет много различных представлений, иллюстрируемых следующим рис. 11.6. Все они имеют одно и то же значение count и одинаковые элементы массива representation для всех индексов в пределах от 1 до count, но размер массивов - capacity - может быть любым значением, большим или равным count; элементы массива с индексом, большим count могут содержать произвольные значения.

Так как интерфейс класса ограничен компонентами, непосредственно выводимыми из функций АТД, клиенты не имеют способа различать поведение конкретных объектов, представляющих один и тот же абстрактный стек (это и есть причина, по которой все они имеют одну функцию абстракции a). Заметьте, в частности, что процедура remove из STACK4 выполняет свою работу, просто изменяя count

count := count - 1

не пытаясь очистить выше расположенные элементы. Всякое изменение элементов, расположенных выше count, будет модифицировать конкретный стек CS, не оказывая никакого влияния на ассоциированный абстрактный стек a(CS).

Итак, отношение реализации это обычно не функция. Но инверсия этого отношения - функция абстракции - действительно является функцией, так как каждому конкретному объекту ставится в соответствие один абстрактный объект. В примере стека каждой правильной паре <representation, count> соответствует в точности один абстрактный стек. У него count элементов, растет снизу вверх, элементы representation имеют индексы в пределах от 1 до count.

Рис. 11.6.  Один абстрактный объект и два его представления

Оба конкретных стека, изображенные на рисунке, являются реализациями абстрактного стека, состоящего из трех элементов со значениями: 342, -133, 5. Отображение а должно быть функцией, иначе конкретный объект мог быть интерпретирован как реализация двух или более различных абстракций. В этом случае выбранная реализация двусмысленна и, следовательно, неадекватна. Поэтому стрелка, ассоциированная с а, правильно отображает существующую функциональную зависимость между абстрактными и конкретными типами. (Обсуждение наследования будет делаться при тех же предположениях).

Функция абстракции а обычно представима частичной функцией: не для каждого возможного конкретного объекта существует правильное представление абстрактного объекта. Например, не каждая пара <representation, count> является правильным представлением абстрактного стека. Если representation является массивом емкости 3 и count = 4, то они совместно не представляют абстрактный стек. Правильные представления (члены, входящие в область определения функции абстракции), - только те пары, для которых count находится между 0 и размерностью массива. Это свойство является инвариантом реализации.

В математических терминах, инвариант реализации является характеристической функцией области определения абстрактной функции. Другими словами, это булево свойство, определяющее применимость функции. (Характеристическая функция подмножества А задает булево свойство, истинное на А и ложное всюду вне его.)

Инвариант реализации является той частью утверждений класса, у которой нет двойника в спецификации АТД. Он не связан с АТД, и относится только к реализации. Он определяет, при каких условиях кандидат - конкретный объект - действительно является реализацией одного и только одного абстрактного объекта.

Инструкция утверждения

Утверждения, рассматриваемые до сих пор - предусловия, постусловия, инварианты, - это основные составляющие метода. Они устанавливают связь между конструкциями ОО-программных систем и теорией АТД, лежащей в основе метода. Инварианты класса, в частности, не могут быть поняты, и даже обсуждаться вне рамок ОО-подхода.

Можно рассматривать и другие возможности использования утверждений. Хотя они менее специфичны для нашего метода, но тоже играют важную роль, и должны быть частью нашей нотации. Наши расширения будут включать инструкцию проверки check, а также конструкции, задающие корректность цикла (инварианты и варианты цикла), рассматриваемые в следующем разделе.

Инструкция check выражает уверенность автора программы, что некоторое свойство всегда выполняется, когда вычисление достигает точки, в которой находится наша инструкция. Синтаксически, инструкция записывается в следующей форме:

check

assertion_clause1

assertion_clause2

...

assertion_clausen

end

Включив эту инструкцию в программный текст, мы говорим, что всякий раз, когда управление достигает этой инструкции, заданное утверждение (предложения утверждения между check и end) должно выполняться.

Это некоторый способ убеждать самого себя, что некоторые свойства выполняются. Более важно, что это позволяет будущим читателям вашего программного текста понять, на каких гипотезах вы основываетесь. Создание ПО требует многочисленных предположений о свойствах объектов системы. Тривиальный, но типичный пример - вызов sqrt(x) предполагает x>=0. Это предположение может быть очевидным из контекста, например, если вызов является частью условного оператора в форме:

if x >= 0 then y := sqrt (x) end

Но проверка может быть чуть менее очевидной, если, например:

x := a^2 + b^2

Инструкция check дает возможность выразить наше предположение о свойствах объектов:

x := a^2 + b^2

... Другие инструкции ...

check

x >= 0

-- Поскольку x был вычислен как сумма квадратов.

end

y := sqrt (x)

Здесь нет конструкции if... then..., защищающей вызов sqrt; но check показывает, что вызов корректен. Хорошей практикой является сопровождать инструкцию комментарием с обоснованием утверждения, как это сделано в примере. Отступы при записи инструкции это тоже часть рекомендованного стиля; они подчеркивают, что при нормальных обстоятельствах инструкция проверки никак не влияет на ход алгоритмического процесса вычислений.

Этот пример типичен для демонстрации того, что наиболее вероятное применение инструкции проверки состоит в добавлении ее, как раз перед вызовом программы, имеющей предусловие. В качестве еще одного примера рассмотрим вызов

s.remove

в точке, где вы точно знаете, что стек s не пуст, поскольку до этого в стек засылалось n элементов, а удалялось m, и вам известно, что n>m. В этом случае нет необходимости защищать вызов: if (not s.empty) then ...; но, если причина корректности вызова непосредственно следует из контекста, то есть смысл напомнить читателю, что "беззащитный" вызов является осознанным решением, а не недосмотром. Этого можно достичь, добавляя проверку:

check not s.empty end

Вариант такой ситуации встречается, когда пишется вызов в форме x.f в полной уверенности, что x/=Void, так что нет необходимости заключать этот вызов в оператор if (x/=Void) then ..., но, тем не менее, существование x не очевидно из контекста. Вернемся к рассмотрению процедур put и remove нашего "защищенного" класса STACK3. Вот текст тела процедуры put:

if full then

error := Overflow

else

check representation /= Void end

representation.put (x); error := 0

end

Здесь читатель может думать, что вызов в else ветви: representation.put(x) потенциально не безопасен, поскольку ему не предшествует тест: (representation /=Void). Но, исследуя текст класса, можно понять, что из условия (full = false) следует положительность capacity, откуда, в свою очередь, следует, что representation не может быть Void. Это важное и не совсем тривиальное свойство, которое должно быть частью инварианта реализации класса. Фактически, с полностью установленным инвариантом реализации следует переписать инструкцию проверки следующим образом:

check

representation_exists: representation /= Void

-- Поскольку предложение representation_exists истинно, когда

-- full ложно, что следует из инварианта реализации.

end

В обычных подходах к конструированию ПО, хотя вызовы и другие операции часто основываются на корректности различных предположений, последние, чаще всего, остаются неявными. Разработчик уверяет себя, что некоторое свойство всегда имеет место в некоторой точке, использует этот анализ при написании кода, но после всего этого, не фиксирует этого в тексте программы, в результате смысл работы потерян. Когда некто, возможно, сам автор, несколькими месяцами позже, захочет разобраться в программе, возможно, с целью ее модификации, ему придется начинать работу с нуля, поскольку все предположения остались в сознании автора. Инструкция check помогает избежать подобных проблем, требуя документирования нетривиальных предположений.

Механизмы утверждений, рассмотренные в этой лекции, помимо того, что они дают преимущества все вещи делать правильно с самого начала, они еще позволяют найти то, что сделано неверно. Используя параметры компиляции можно включить проверку, и сделать инструкцию check реально проверяемой в период выполнения. Если все предположения выполняются, то проверка не оказывает воздействия на процесс вычислений, но, если вы ошиблись, и предположения не выполняются, то в точке их нарушения будет выброшено исключение и процесс остановится. Тем самым появляется возможность быстрого обнаружения содержательных ошибок. Механизм checking - включения проверок будет вкратце рассмотрен в дальнейшем.

Инварианты и варианты цикла

Наши следующие и последние конструкции утверждений помогут строить корректные циклы. Эти конструкции являются прекрасным дополнением рассмотренных ранее механизмов. Поскольку они не являются специфической частью ОО-метода, то вы вправе пропустить этот раздел при первом чтении.

Трудности циклов

Возможность повторять некоторые вычисления произвольное число раз, не поддаваясь усталости, без случайных потерь чего-либо важного, - в этом принципиальное отличие компьютерных вычислений от возможностей человека. Вот почему циклы так важны. Трудно вообразить, что можно было бы делать в языках, в которых были бы только две управляющие структуры - последовательность и выбор, - но не было бы циклов и не было бы поддержки рекурсии, еще одного базисного механизма поддержки итеративных вычислений.

Но с мощностью приходят и риски. У циклов дурная слава, - их трудно заставить работать правильно. Типичными для циклов являются:

[x]. Ошибки "больше-меньше" (выполнение цикла слишком много или слишком мало раз).

[x]. Ошибки управления пограничными ситуациями, например пустыми структурами. Цикл может правильно работать на больших массивах, но давать ошибки, когда у массива один элемент или он вообще пуст.

[x]. Ошибки завершения ("зацикливание") в некоторых ситуациях.

Бинарный поиск - один из ключевых элементов базового курса "Введение в информатику" (Computer Science 101) - хорошая иллюстрация "коварства" циклов даже в относительно тривиальной ситуации. Рассмотрим целочисленный, упорядоченный по возрастанию массив t с индексами от 1 до n. Используем алгоритм бинарного поиска для ответа на вопрос: появляется ли целое x среди элементов массива. Если массив пуст, ответ должен быть "нет", если в массиве ровно один элемент, то ответ "да" тогда и только тогда, когда элемент массива совпадает с x. Суть бинарного поиска, использующего упорядоченность массива, проста: вначале x сравнивается со средним элементом массива, если есть совпадение, то задача решена, если x меньше среднего элемента, то поиск продолжается в верхней половине массива, в противном случае - в нижней половине. Каждое сравнение уменьшает размер массива вдвое. Ниже представлены четыре попытки реализации этой простой идеи. К несчастью, все они содержат ошибки. Вам предоставляется случай поупражняться в поиске ошибок и установить, в какой ситуации каждый из алгоритмов не работает нужным образом.

Напомню, t @ m означает элемент массива t с индексом m. Знак операции // означает деление нацело, так что 7 // 2 и 6 // 2 дают значение 3. Синтаксис цикла будет дан ниже, но он должен быть и так понятен. Предложение from вводит инициализацию цикла.

BS1 from i := 1; j := n until i = j loop m := (i + j) // 2 if t @ m <= x then i := m else j := m end end Result := (x = t @ i)

BS2 from i := 1; j := n; found := false until i = j and not found loop m := (i + j) // 2 if t @ m < x then i := m + 1 elseif t @ m = x then found := true else j := m - 1 end end Result := found

BS3 from i := 0; j := n until i = j loop m := (i + j + 1) // 2 if t @ m <= x then i := m + 1 else j := m end end if i >= 1 and i <= n then Result := (x = t @ i) else Result := false end

BS4 from i := 0; j := n + 1 until i = j loop m := (i + j) // 2 if t @ m <= x then i := m + 1 else j := m end end if i >= 1 and i <= n then Result := (x = t @ i) else Result := false end

Таблица 11.3.Четыре (ошибочных) попытки реализации бинарного поиска

Сделаем циклы корректными

Разумное использование утверждений может помочь справиться с такими проблемами. Цикл может иметь связанное с ним утверждение, так называемый инвариант цикла (loop invariant), который не следует путать с инвариантом класса. Он может также иметь вариант цикла (loop variant), являющийся не утверждением, а, обычно целочисленным выражением. Совместно, инвариант и вариант позволяют гарантировать корректность цикла.

Для понимания этих понятий необходимо осознать, что цикл - это способ вычислить некоторый результат последовательными приближениями (successive approximations).

Рассмотрим тривиальный пример вычисления максимума в целочисленном массиве, используя очевидный алгоритм:

maxarray (t: ARRAY [INTEGER]): INTEGER is

-- Максимальное значение массива t

require

t.capacity >= 1

local

i: INTEGER

do

from

i := t.lower

Result := t @ lower

until i = t.upper loop

i := i + 1

Result := Result.max (t @ i)

end

end

В разделе инициализации i получает значение нижней границы массива, а сущность Result - будущий результат вычислений - значение первого элемента. Предусловие гарантирует существование хотя бы одного элемента в массиве. Производя последовательные итерации в цикле, мы достигаем верхней границы массива, увеличивая на каждом шаге i на 1, и заменяя Result значением элемента t @ i, если этот элемент больше чем Result. Для нахождения максимума двух целых используется функция max, определенная для класса integer: a.max(b) возвращает максимальное значение из a и b.

Это пример вычисления последовательными приближениями. Мы продвигаемся вверх по массиву последовательными нарезками: [lower, lower], [lower, lower+1], [lower, lower+2] и так вплоть до полного приближения [lower, upper].

Свойство инварианта цикла состоит в том, что на каждом шаге прохождения цикла Result представляет максимум текущей нарезки массива. Инициализация гарантирует выполнимость этого свойства непосредственно перед началом работы цикла. Каждая итерация увеличивает нарезку, сохраняя истинность инварианта. Цикл завершает свою работу, когда очередная нарезка массива совпадает со всем массивом. В этом состоянии истинность инварианта означает, что Result является максимумом массива, что и является требуемым результатом работы.

Рис. 11.7.  Аппроксимация массива последовательными нарезками

Ингредиенты доказательства корректности цикла

Простой пример вычисления максимума массива иллюстрирует общую схему циклических вычислений, применимую ко многим ситуациям. Вы определяете, что решением некоторой проблемы является элемент, принадлежащий n-мерной поверхности POST. В некоторых случаях POST может содержать ровно один элемент - решение, но обычно может быть более чем одно приемлемое решение проблемы. Циклы полезны, когда нет прямого способа достичь решения "одним выстрелом". Но у вас есть непрямая стратегия, вы можете, например, прицелиться и попасть в m-мерную поверхность INV, включающую POST (для m>n). Инвариантом является то, что поверхность попадания все время содержит POST. Итерация за итерацией приближаемся к POST, сохраняя истинность INV. Следующий рисунок иллюстрирует этот процесс:

Рис. 11.8.  Вычисление цикла (из [М 1990])

Вычисление цикла имеет следующие ингредиенты:

[x]. Цель post, определяемую как свойство, выполняемое в любом допустимом заключительном состоянии. Пример: "Result является максимумом массива". На рисунке цель post представлена множеством состояний POST.

[x]. Инвариант цикла inv, являющийся обобщением цели, так что можно говорить, что цель - это частный случай инварианта. Пример: "Result является максимумом текущей нарезки массива". Инвариант цикла поиска цели, изображенный на рисунке: "Каждая точка лежит на поверхности, содержащей POST.

[x]. Точку инициализации init, о которой известно, что она должна быть в INV, другими словами должна обеспечить выполнение инварианта.

[x]. Преобразование body, начинающееся в INV, но не в POST, вырабатывающее точку более близкую к POST, но все еще остающуюся в INV. Тело цикла функции maxarray является примером подобного преобразования.

[x]. Верхняя граница числа применений body, необходимого для перевода точки из INV в POST. Как будет пояснено ниже, этот параметр необходим для определения варианта.

Последовательные приближения один из главных инструментов численного анализа. Но там эта идея понимается шире. Важная разница состоит в том, что в чистой математике допускаются бесконечные вычисления, последовательность может иметь предел, даже если он не достигается конечным числом приближений. Последовательность 1/n имеет предел 0, хотя среди членов последовательности нет числа 0. В компьютерных вычислениях мы хотим видеть результаты на нашем экране еще при нашей жизни, так что мы настаиваем, все аппроксимирующие последовательности достигают своей цели после конечного числа итераций.

Компьютерные реализации численных алгоритмов также требуют конечной сходимости. Даже когда математический алгоритм сходится на бесконечности, мы обрываем процесс сходимости, когда полагаем, что решение найдено с требуемой точностью.

Практический способ гарантии завершения циклического процесса состоит в связывании с итерационным процессом целочисленной величины - варианта цикла, обладающего следующими свойствами:

[x]. Вариант всегда не отрицателен.

[x]. Любое выполнение тела цикла уменьшает вариант.

Так как целочисленная неотрицательная величина не может уменьшаться бесконечно, то наличие варианта позволяет гарантировать завершение цикла. Вариант является верхней границей, максимальным числом применений body, приводящим точку в POST. В задаче нахождения максимума найти вариант просто: t.upper - i. Это выражение удовлетворяет обоим условиям:

[x]. Предусловие программы требует положительности t.capacity; другими словами, программа применима только к непустым массивам. Инвариант класса ARRAY задает: capacity = upper - lower + 1. Отсюда следует, что свойство i <= t.upper будет выполняться после инициализации i значением t.lower.

[x]. Любое выполнение тела цикла выполняет инструкцию i := i + 1, уменьшая вариант на единицу.

В этом примере цикл является простым итерированием на последовательности целых чисел в конечном интервале, известный в языках программирования, как "цикл For" или "цикл DO", завершение которого не трудно проверить. Для более изощренных циклов число требуемых итераций определить не так просто, выявление завершения становится сложной задачей, единственным универсальным способом является нахождение варианта.

Нам понадобится еще одно понятие, преобразующее только что набросанную схему в программный текст, описывающий цикл. Мы нуждаемся в простом способе определения того, что текущая итерация достигла цели (постусловия) post. Поскольку итерация конструируется так, чтобы обеспечить выполнение INV, а POST является частью INV, то обычно можно найти условие exit такое, что элемент из INV принадлежит POST тогда и только тогда, когда выполняется exit. Другими словами, постусловие post и инвариант inv связаны соотношением:

post = inv and exit

так что мы можем остановить цикл, - чьи промежуточные состояния по построению удовлетворяют inv, - как только выполнится exit. В этом состоянии, следовательно, будет выполнено и post.

Синтаксис цикла

Синтаксис цикла непосредственно следует из предшествующих соображений, определяющих ингредиенты цикла. Он будет включать элементы, отмеченные как необходимые.

[x]. Инвариант цикла inv - утверждение.

[x]. Условие выхода exit, чья конъюнкция с inv дает желаемую цель.

[x]. Вариант var - целочисленное выражение.

[x]. Множество инструкций инициализации, которые всегда приводят к состоянию, в котором inv выполняется, а var становится неотрицательным.

[x]. Множество инструкций body, которое (при условии, что оно начинается в состоянии, где var неотрицательно и выполняется inv), сохраняет инвариант и уменьшает var, в то же время следя за тем, чтобы оно не стало меньше нуля.

[x]. Синтаксис цикла честно комбинирует эти ингредиенты:

from

init

invariant

inv

variant

var

until

exit

loop

body

end

Предложения invariant и variant являются возможными. Предложение from по синтаксису требуется, но инструкция init может быть пустой.

Эффект выполнения цикла можно описать так: вначале выполняется init, затем 0 или более раз выполняется тело цикла, которое перестает выполняться, как только exit принимает значение false.

В языках Pasal, C и других такой цикл называется "циклом while", в отличие от цикла типа "repeat ... until", в котором тело цикла выполняется, по меньшей мере, один раз. Здесь же тест является условием выхода, а не условием продолжения, и синтаксис цикла явно содержит фазу инициализации. Потому эквивалент записи нашего цикла на языке Pascal выглядит следующим образом:

init;

while not exit do body

С вариантами и инвариантами цикл для maxarray выглядит так:

from

i := t.lower; Result := t @ lower

invariant

-- Result является максимумом нарезки массива t в интервале [t.lower,i].

variant

t.lower - i

until

i = t.upper

loop

i := i + 1

Result := Result.max (t @ i)

End

Заметьте, инвариант цикла выражен неформально, в виде комментария. Последующее обсуждение в этой лекции объяснит это ограничение языка утверждений.

Вот еще один пример, ранее показанный без вариантов и инвариантов. Целью следующей функции является вычисление наибольшего общего делителя - НОД (gcd - greatest common divisor) двух положительных целых a и b, следуя алгоритму Эвклида:

gcd (a, b: INTEGER): INTEGER is

-- НОД a и b

require

a > 0; b > 0

local

x, y: INTEGER

do

from

x := a; y := b

until

x = y

loop

if x > y then x := x - y else y := y - x end

end

Result := x

ensure

-- Result является НОД a и b

end

Как узнать, что функция gcd удовлетворяет своему постусловию и действительно вычисляет наибольший общий делитель a и b? Для проверки этого следует заметить, что следующее свойство истинно после инициализации цикла и сохраняется на каждой итерации:

x > 0; y > 0

-- Пара <x, y> имеет тот же НОД, что и пара <a, b>

Это и будет служить инвариантом цикла inv. Ясно, что inv выполняется после инициализации. Если выполняется inv и условие цикла x /= y, то после выполнения тела цикла:

if x > y then x := x - y else y := y - x end

инвариант inv остается истинным, замена большего из двух положительных неравных чисел их разностью не меняет их gcd и оставляет их положительными. Тогда по завершению цикла следует:

x = y and «Пара <x, y> имеет тот же НОД, что и пара <a, b>»

Отсюда, в свою очередь, следует, что x является наибольшим общим делителем. По определению НОД (x, x) = x.

Как узнать, что цикл всегда завершается? Необходим вариант. Если x больше чем y, то в теле цикла x заменяется разностью x-y. Если y больше x, то y заменяется разностью y-x. Нельзя в качестве варианта выбрать ни x, ни y, поскольку для каждого из них нет гарантии уменьшения. Но можно быть уверен, что максимальное из них обязательно будет уменьшено. Поэтому разумно выбрать в качестве варианта x.max(y). Заметьте, вариант всегда остается положительным. Теперь можно написать цикл со всеми предложениями:

from

x := a; y := b

invariant

x > 0; y > 0

-- Пара <x, y> имеет тот же НОД, что и пара <a, b>

variant

x.max (y)

until

x = y

loop

if x > y then x := x - y else y := y - x end

end

Как отмечалось, предложения invariant и variant являются возможными. Когда они присутствуют, то помогают прояснить цель цикла и проверить его корректность. Для любого нетривиального цикла характерны интересные варианты и инварианты; многие из примеров в последующих лекциях включают варианты и инварианты, обеспечивая глубокое понимание корректности лежащих в основе алгоритмов.

Использование утверждений

Теперь мы уже познакомились со всеми конструкциями, содержащими утверждения. Разумно, еще раз взглянуть на те преимущества, которые мы можем получить от этого. Выделим четыре основных применения.

[x]. Помощь в создании корректного ПО.

[x]. Поддержка документирования.

[x]. Поддержка тестирования, отладки и гарантия качества.

[x]. Поддержка приемлемого способа обработки неисправностей.

Только два последних пункта предполагают мониторинг утверждений в период выполнения.

Утверждения как средство для написания корректного ПО

Первое использование является чисто методологическим и, вероятно, самым важным. В деталях оно рассматривалось в предыдущих разделах: точные требования к каждой программе, глобальные свойства классов и циклов - все это помогает разработчикам производить программный продукт, корректный с самого начала в противоположность подходу, пытающемуся добиться корректности в процессе отладки. Преимущества точной спецификации и систематического подхода к конструированию программ не могут быть преувеличены. Во всей этой книге всякий раз при встрече с программным элементом его формальные свойства выражались точно, насколько это было возможным.

Ключевая идея этой лекции - Проектирование по контракту. Использование компонент некоторого модуля является контрактом с его службами. Хорошие контракты точно специфицируют и ограничивают права и обязанности каждого участника. В проектировании ПО, где корректность и устойчивость так важны, необходимо раскрытие терминов контракта, как предварительное условие их следованию. Утверждения дают способ точно установить, что ожидается и что гарантируется каждой стороне в этом соглашении.

Использование утверждений для документирования: краткая форма класса

Второе использование является основным в производстве повторно используемых программных элементов и, более обще, в организации интерфейсов модулей в большой программной системе. Постусловия, предусловия, инварианты классов обеспечивают потенциальных клиентов модуля необходимой информацией о предлагаемых модулем службах, выраженной в соответствующей и точной форме. Никакое количество описательной документации не может заменить множества аккуратно выраженных утверждений, являющихся частью самого ПО.

В самом последнем разделе этой лекции можно ознакомиться с проектом, где эти правила были проигнорированы, что обошлось в $500 миллионов и привело к провалу космического проекта.

Средство автоматической документации short использует утверждения, как важную компоненту при извлечении из класса информации, значимой для потенциальных клиентов. Краткая форма класса - его описание на более высоком уровне. Она включает только ту информацию, которая полезна авторам клиентских классов, ничего не показывая из скрытых компонент, и не раскрывая реализации открытых. Но краткая форма сохраняет утверждения, составляющие основу документации, устанавливая контракты, которые класс предлагает своим клиентам.

Вот пример краткой формы класса STACK4:

indexing

description: "Стеки: Структуры с политикой доступа Last-In, First-Out %

%Первый пришел - Последний ушел, с фиксированной емкостью"

class interface STACK4 [G] creation

make

feature -- Initialization (Инициализация)

make (n: INTEGER) is

-- Создать стек, содержащий максимум n элементов

require

non_negative_capacity: n >= 0

ensure

capacity_set: capacity = n

end

feature -- Access (Доступ)

capacity: INTEGER

-- Максимальное число элементов стека

count: INTEGER

-- Число элементов стека

item: G is

-- Элемент в вершине стека

require

not_empty: not empty -- i.e. count > 0

end

feature -- Status report (Отчет о статусе)

empty: BOOLEAN is

-- Пуст ли стек?

ensure

empty_definition: Result = (count = 0)

end

full: BOOLEAN is

-- Заполнен ли стек?

ensure

full_definition: Result = (count = capacity)

end

feature -- Element change (Изменение элементов)

put (x: G) is

-- Втолкнуть x в вершину стека

require

not_full: not full

ensure

not_empty: not empty

added_to_top: item = x

one_more_item: count = old count + 1

end

remove is

-- Удалить элемент вершины стека

require

not_empty: not empty -- i.e. count > 0

ensure

not_full: not full

one_fewer: count = old count - 1

end

invariant

count_non_negative: 0 <= count

count_bounded: count <= capacity

empty_if_no_elements: empty = (count = 0)

end

Эта краткая форма не является синтаксически правильным текстом класса, посему здесь используется термин class interface вместо обычного термина class. Хотя достаточно просто превратить эту форму в правильный отложенный класс, известное понятие, рассматриваемое в деталях при изучении наследования.

В среде ISE получить краткую форму можно одним щелчком соответствующей кнопки в Class Tool; можно генерировать либо плоский текст, либо текст в форматах HTML, RTF, MML (FrameMaker), TEX и других. Можно определить и свой собственный формат.

Если сравнить краткую форму утверждений с их оригиналами в классе, то можно заметить, что исчезли все предложения, включающие representation, так как этот атрибут не экспортируется.

Краткая форма документации особенно интересна по следующим причинам:

[x]. Документация является более высокой формой абстракции, чем объект, который она описывает. Это основное требование, предъявляемое к качественной документации. Фактическая реализация, описывающая "как", удаляется. Утверждения, объясняющие "что", а в некоторых случаях и "почему", остаются. Сохраняются заголовочные комментарии к программам и описания, включаемые в предложение indexing, дополняющие в менее формальной форме утверждения, поясняя цель и назначение программы.

[x]. Являясь прямым следствием принципа Самодокументирования, изучаемого в нашем обзоре концепций модульности, краткая форма рассматривает документацию как информацию, содержащуюся в самом программном продукте. Это означает, что есть только один сопровождаемый продукт, - важное требование, проходящее через всю книгу. Как результат, появляется больше шансов корректности документации. Сохраняя все в одном месте, вы уменьшаете риск несоответствия документации обновленному продукту.

[x]. Краткая форма может быть извлечена из класса автоматически. Так что документация не есть нечто, требующее специального написания. Вместо этого, когда она необходима, вы просто "просите компьютер" произвести это нечто, щелкнув кнопкой мыши.

Интересно сравнить этот подход с понятием интерфейса пакета в языке Ada, где модуль (пакет) состоит из двух частей - интерфейса и реализации. Java использует подобный механизм. Интерфейс пакета имеет некоторое сходство с краткой формой, но имеет и существенные различия:

[x]. Здесь нет утверждений, так что вся спецификация сводится к объявлению типов и комментариям.

[x]. Интерфейс не создается автоматически, а пишется независимо от реализации. Поэтому разработчик дважды должен задавать многие вещи: заголовки программ, их сигнатуры, комментарии к заголовкам, объявления открытых переменных. Эта навязанная избыточность утомительна (вдвойне при включении утверждений) и, как обычно, повышает риск несоответствия; всегда есть шанс, обновить одну часть и забыть про другую.

Краткая форма, дополненная ее вариантом - плоско-краткой формой (flat-short form), изучаемой при рассмотрении наследования, является принципиальным вкладом в ОО-метод. В повседневной практике ОО-разработки она появляется не только как средство документирования, но и как стандартный формат, в котором разработчики и менеджеры изучают существующие проекты, разрабатывают новые и обсуждают предложения по изменению проектов.

Краткая форма играет центральную роль в ОО-разработке, поскольку она удовлетворяет цели, определенной при анализе требований, обеспечивающих повторное использование. Суть требования: основой повторного использования являются абстрактные модули. Класс в его краткой или плоско-краткой форме является тем самым разыскиваемым абстрактным модулем.

Мониторинг утверждений в период выполнения

Пришло время, дать полный ответ на вопрос: "какой эффект производят утверждения в период выполнения?". Как отмечалось, ответ определяется разработчиком, имеющим возможность управлять параметрами компиляции. Выбор нужных параметров не требует изменения текста класса, вместо этого меняется содержимое Ace файла. Напомню, Ace файл написан на языке Lace, описывающем компиляцию и сборку системы.

Напомню также, что Lace один из возможных языков, позволяющих управлять сборкой системы; он не является неизменяемым компонентом метода. Но всегда необходимо подобное средство для перехода от отдельных компонент к полной компилируемой системе.

Вот пример применения Ace файла, устанавливающего некоторые параметры мониторинга утверждений:

system painting root

GRAPHICS

default

assertion (require)

cluster

base_library: "\library\base"

graphical_library: "\library\graphics"

option

assertion (all): BUTTON, color_BITMAP

end

painting_application: "\user\application"

option

assertion (no)

end

end -- system painting

Предложение default указывает, что для большинства классов системы проверяться будут только предусловия (require). Два кластера переопределяют установки умолчания. Кластер graphical_library будет наблюдать за всеми (all) утверждениями в классах BUTTON и color_BITMAP. Кластер painting_application вообще отменяет наблюдение за утверждениями во всех его классах. Этот пример иллюстрирует возможности мониторинга на разных уровнях - всей системы, отдельных кластеров, отдельных классов.

Следующие ключевые слова, управляющие проверкой утверждений, могут появиться в круглых скобках assertion(...):

[x]. no - не выполнять никакое из утверждений. В этом режиме оказывают на выполнение не больший эффект, чем комментарии;

[x]. require - только проверка выполнимости предусловий на входе программ;

[x]. ensure - проверка выполнимости постусловий на выходе из программы;

[x]. invariant - проверка выполнимости инвариантов класса на входе и выходе программы для квалифицированных вызовов (obj.f);

[x]. loop - проверка выполнимости инвариантов цикла перед и после каждой итерации; проверка уменьшения вариантов на каждой итерации с сохранением их не отрицательности;

[x]. check - выполнение предложений check, проверяющих выполнимость соответствующих утверждений. Ключевое слово all является синонимом check.

За исключением "no" каждый уровень автоматически влечет выполнение всех предыдущих уровней. В частности, не имеет смысла управлять постусловиями, если не проверить выполнимость предусловий. Этим объясняется эквивалентность check и all.

При включенном мониторинге пока утверждения выполняются никакого видимого эффекта на процесс вычислений они не оказывают, если не считать затрат процессорного времени. Но если одно из утверждений принимает значение false, то это довольно серьезное событие, приводящее обычно к завершению работы. Фактически, возбуждается исключение, и, если не принять специальных мер по захвату этого исключения, то выполнение остановится. При этом, однако, будет создана таблица истории исключения (exception history table) в ее общей форме:

Failure: object: O2 class: YOUR_CLASS routine: your_routine

Cause: precondition violation, clause: not_too_small

Called by: object: O2 class: YOUR_CLASS routine: his_routine

Called by: object: O1 class: HER_CLASS routine: her_routine

...

Это дает нам цепочку вызовов, начинающуюся программой, вызвавшей исключение, с указанием всех объектов и их классов - клиентов, в конечном счете, вызвавших эту программу. Показанная здесь форма является только наброском; обсуждение исключений в следующей лекции даст более полный пример таблицы истории исключения.

Возможные метки, допускаемые в утверждениях, такие как not_too_small в

your_routine (x: INTEGER) is

require

not_too_small: x >= Minimum_value

...

перечисляются при трассировке исключения, что помогает идентифицировать, что же именно пошло не так.

Каков оптимальный уровень мониторинга?

Какой уровень трассировки следует включать? Ответ вырабатывается в результате компромисса, с учетом следующих факторов: уровня доверия к корректности ПО, насколько критичны потери эффективности, насколько серьезны последствия не обнаруженных ошибок в период выполнения.

В экстремальных ситуациях все ясно:

[x]. При тестировании системы или очередной ее версии следует включать на самом высоком уровне мониторинг классов (для используемых библиотек это не обязательно). Эта возможность - один из принципиальных вкладов метода, представленного в этой книге. Мало кто из людей осознавал мощь этих идей, и как основательно они влияют на практику разработки ПО. Перелом наступил, когда фактически был получен опыт тестирования больших систем с утверждениями, включающих механизм мониторинга, описанный в этом разделе.

[x]. Для системы с полной степенью доверия в приложениях, критичных по времени выполнения, где каждая микросекунда на счету, - следует полностью удалять мониторинг.

Последний совет парадоксален, при отсутствии формальных доказательств корректности говорить о "полной степени доверия" вряд ли возможно. Стоит привести красноречивое высказывание C. A. Hoare:

Абсурдно выполнять проверку в период отладки, когда не требуется доверие к получаемым результатам, и отключать ее в рабочем состоянии, когда ошибочный результат может стоить дорого или вообще катастрофичен. Что бы вы подумали о любителе плавания, который надевает спас-жилет во время тренировок на берегу и снимает его, бросаясь в море [Hoare 1973].

Интересную возможность дает параметр, включающий проверку предусловий. В рабочем режиме, когда отладка завершена и даны гарантии качества, крайне важно избежать катастроф в результате необнаруженных вызовов программ вне области их применения. Эта проверка обходится намного дешевле, чем проверка постусловий и инвариантов. Инварианты, в частности, особенно дороги, поскольку они проверяются на входе и выходе каждого квалифицированного вызова, и, что более важно, они всегда сложны, поскольку включают условия согласованности компонент класса.

Проверка предусловий - это параметр, устанавливаемый по умолчанию в Ace файле. Его появление в примере не было необходимым.

Этот параметр особенно интересен для библиотек. Вспомните, о чем говорит основное правило нарушения утверждений. За ошибку выполнения предусловия отвечает клиент. Если вы используете повторно используемые библиотеки, предположительно высокого качества, то обычно мониторинг их постусловий и инвариантов нежелателен, хотя ошибки в библиотеках, конечно, возможны, но априорно ошибки в клиентском ПО более вероятны. Но даже для совершенных во всех отношениях библиотек следует включать проверку предусловий с единственной целью - найти ошибки клиентов.

Вероятно, наиболее очевидным примером является проверка границ массива. В классе ARRAY мы видели, что put, item и его синоним - инфиксный знак операции @, - все они имеют предусловие:

index_not_too_small: lower <= i

index_not_too_large: i <= upper

Включение предусловий для класса решает хорошо известную проблему любого продукта, использующего массивы: возможность выхода индекса за границы массива, что приводит к попаданию в область памяти, отведенную другим данным или коду, и может иметь разрушительные последствия. Большинство компиляторов предлагают специальный параметр компиляции, позволяющий управлять доступом к массиву в период выполнения. Но в объектной технологии массивы рассматриваются с общих позиций класса и объектов, а не как специальные конструкции. Мониторинг границ становится доступным благодаря общему механизму проверки условий. Просто скомпилируйте класс ARRAY, включив assertion(require).

Следует ли всегда включать проверку границ? Вот что говорит по этому поводу Тони Хоар:

В нашем компиляторе каждое вхождение каждого индекса в каждый массив проверялось во всех случаях в период выполнения. Через много лет мы спросили наших клиентов, не стоит ли ввести в интересах эффективности параметр компиляции, позволяющий отключать эту проверку. Единогласно они убеждали нас не делать этого, - они уже хорошо знали, как часто встречается эта ошибка и к каким ужасным последствиям она может приводить. Со страхом и ужасом я заметил, что даже сегодня проектировщики языков и пользователи не выучили этот урок. В любой уважающей себя ветви инженерии непринятие предосторожностей такого рода считались бы нарушением закона.

Этот комментарий применим не только к массивам, но и ко всем предусловиям в целом. Если действительно "ошибки задания индекса часто встречаются в работающих системах", то это должно быть истинно и для других нарушений предусловий.

Кто-то может занимать менее экстремальную позицию. Прежде всего, это компании, поставляющие ПО, в котором ошибки предусловий, "часто встречающиеся в работающей системе", связаны и с низким качеством самой системы, не решаемые мониторингом утверждений. Мониторинг фиксирует следствия - неисправности (fault), но не причины - ошибки и дефекты. Это правда, что мониторинг полезен конечным пользователям даже в системе низкого качества. Лучше часто получать сообщения об ошибках, чем получать неверные результаты. Есть один неприятный эффект, возникающий у разработчиков, поставляющих системы с некоторым уровнем мониторинга утверждений. У них может возникнуть, даже неосознанная, беззаботная позиция по отношению к корректности. Нестрашно, что есть ошибки в поставляемом ПО - пользователи их обнаружат в процессе мониторинга, и мы исправим их в очередной версии. Так не стоит ли остановить отладку прямо сейчас и начать поставку системы?

Трудно дать абсолютный ответ на вопрос "следует ли оставлять включенным некоторый уровень мониторинга?". Без знания потери производительности на мониторинг утверждений на него не ответить. Если добавление мониторинга увеличивает время работы системы в 10 раз, то немногие поддержат точку зрения Хоара, кроме тех, кто занимается критически важными приложениями, где за ошибки приходится дорого платить. Если потери производительности на мониторинг составляют два процента, то немногие решатся отключить мониторинг. На практике, конечно, потери находятся где-то посредине.

Но, между прочим, каковы они? Ясно, что многое зависит от того, что делает ПО, и как много в нем утверждений, но можно сообщить некоторые эмпирические наблюдения. По опыту ISE стоимость мониторинга предусловий (параметр по умолчанию, включающий, конечно, и проверку границ массивов) составляет 50%. Что самое удивительное, - 75% этой стоимости не связано с проверкой предусловий, а идет на поддержку трассировки вызовов, чтобы при нарушении предусловия можно было точно сказать, кто нарушил и где. Это может быть названо Парадоксом Проверки Предусловия: проверка предусловия сама по себе недорого стоит, но, чтобы получить ее, нужно заплатить за дополнительные услуги. Что касается постусловий и инвариантов, то штраф может достигать от 100% до 200%.

Кому-то может показаться, что привнесение производительности в это обсуждение, означает компромисс с корректностью, что нарушает основной принцип, высказанный еще в начале этой книги:

Как бы ни были необходимы компромиссы между факторами качества, один из факторов стоит в стороне от остальных - корректность. Нет никакого оправдания тому, что корректность подвергается опасности ради других факторов, таких как эффективность. Если программный продукт не выполняет свою функцию, все остальное не имеет смысла.

Рассмотрение производительности, когда мы решаем, оставить ли мониторинг или нет, не является нарушением этого принципа. Вопрос не в том, приносить ли корректность в жертву эффективности, - нужно решить, что делать с некорректной системой, при разработке которой мы, очевидно, не приложили достаточных усилий, чтобы сделать ее корректной.

В действительности, эффективность - часть корректности. Рассмотрим метеорологическую систему, требующей 12 часов работы для выработки прогноза на следующие сутки. Система тщательно оптимизирована, в частности исключены все проверки, в том числе выход индекса за границы и другие подобные неисправности. Она тщательно разрабатывалась и тестировалась. Теперь, предположим, что добавление проверок периода исполнения вдвое увеличит время ее работы. Будет ли включена проверка, - нет!

Давайте не остановимся на этом, а зададим действительно трудный вопрос. Предположим, что 12 часов уходит на работу системы с включенными проверками, Хотелось ли бы вам удалить их, чтобы получить прогноз за 6 часов, а не за 12, или тратить те же 12 часов, но перейти к более сложному алгоритму, дающему лучший прогноз? Я думаю, что если предлагается "возможность выключить проверки в интересах эффективности производственной системы", почти каждый ответит "да".

В конечном итоге, выбор уровня мониторинга в производственных системах не так прост, как предполагает Хоаровское правило. Следует соблюдать несколько точных и строгих правил.

[x]. Помните, программная система должна быть сделана надежной до того, как она начнет свою производственную жизнь. Ключом является применение методов, обеспечивающих надежность, описанных в литературе по программной инженерии, включая методы данной лекции и всей этой книги.

[x]. Если вы являетесь менеджером проекта, никогда не позволяйте своим разработчикам предполагать, что в производственной версии проверки будут включены. Заставьте каждого исходить из того, - все проверки могут быть выключены. Это особенно важно для больших систем, в природе которых устрашающие последствия ошибок.

[x]. Убедитесь, что в процессе разработки системы проверка утверждений всегда включена, по меньшей мере, на уровне предусловий.

[x]. Выполняйте интенсивное тестирование со всеми включенными проверками. Включайте также все проверки при каждом найденном жучке и устранении его последствий.

[x]. Для стандартной производственной версии решите, выберите ли версию без проверок или защищенную версию. Напомню о трех факторах, рассмотренных в самом начале этого раздела, которые следует учитывать при принятии решения.

[x]. Если вы решите выбрать версию без проверок в качестве стандарта, то включите в поставку и версию с проверками, по меньшей мере, предусловий. В случае, если система у пользователей начнет вести себя непредсказуемым способом, вопреки ожиданиям, вы сможете попросить пользователей перейти на защищенную версию, что поможет быстро отыскать неисправности системы.

Такой способ использования мониторинга утверждений обеспечивает замечательную помощь в быстрой прополке всех сорняков - ошибок, сумевших выстоять в процессе систематического конструирования программной системы.

Обсуждение

Механизм утверждений, представленный в этой лекции, привносит несколько тонких проблем, подлежащих исследованию.

Нужен ли мониторинг в период выполнения?

Действительно, нужно ли проверять утверждения в период выполнения? После того, как мы были в состоянии, используя утверждения, дать теоретическое определение корректности класса: каждая процедура создания должна гарантировать инвариант, и тело каждой процедуры, запущенной в состоянии, удовлетворяющем инварианту и предусловию, сохраняет в заключительном состоянии инвариант и гарантирует выполнение постусловия. Теперь мы должны выполнить математическую проверку m+n соответствующих условий (для m процедур создания и n экспортируемых процедур), и тогда долой мониторинг в период выполнения.

Мы должны, но мы не можем. Доказательство правильности программ уже многие годы является активной областью исследований, и достигло определенных успехов. Все же сегодня невозможно проверить корректность реального ПО, написанного на современных языках программирования.

Для этого необходим, в частности, и более мощный язык утверждений. Язык IFL, обсуждаемый ниже, может быть использован как часть стратегии многоярусного доказательства.

Даже, если со временем методы и инструментальные средства доказательства станут доступными, можно ожидать, что отказаться от мониторинга не удастся. В системе всегда останется место трудно предсказуемым событиям - ошибкам аппаратуры, ошибкам в самом доказательстве. Поэтому следует применять хорошо известную в инженерии технику - множественные, независимые способы проверки.

Выразительная сила утверждений

Как можно было заметить, применяемый язык утверждений является языком обычных булевых выражений, обогащенный несколькими понятиями, такими как old. Как результат, он ограничен и не позволяет включить в наши классы некоторые свойства, достаточно просто выражаемые в математической нотации, используемой при описании АТД.

Утверждения класса стек дают хороший пример того, что выразимо, и что не выразимо в нашем языке. Мы найдем, что многие аксиомы и предусловия из спецификации АТД, приведенной в лекции 6, прямым образом отображаются в утверждения класса. Например, аксиома

A4. not empty (put (s, x))

задает постусловие not empty процедуры put. Но в некоторых случаях в классе нет непосредственного двойника. Ни одно из постусловий для remove, приводимое до сих пор, не отражает аксиому

A2. remove (put (s, x)) = s

Мы, конечно, можем ввести эту аксиому неформально, добавив в постусловие комментарий, описывающий это свойство:

remove is

-- Удалить элемент вершины

require

not_empty: not empty -- i.e. count > 0

do

count := count - 1

ensure

not_full: not full

one_fewer: count = old count - 1

LIFO_policy: -- item является последним элементом, помещенным в стек

-- и еще не удален, если таковое имело место.

End

Подобные неформальные утверждения, синтаксически выраженные комментариями, появлялись в инвариантах цикла для maxarray и gcd.

В таких случаях два из принципиальных использований утверждений, обсуждаемых ранее, остаются применимыми, по крайней мере, частично: помощь в создании корректного продукта и его документации (утверждения, заданные комментариями, будут появляться в краткой форме класса). Другие использования, в частности отладка и тестирование, предполагают вычисление выражений, и становятся теперь неприменимыми.

Было бы предпочтительнее выражать все утверждения формально. Лучший способ достичь этой цели - расширить язык выражений, так чтобы он позволял задавать любые свойства. Это требует возможности описания сложных математических объектов - множеств, последовательностей, функций, отношений. Необходим и мощный по выразительности язык, например, язык логики предикатов первого порядка, допускающий выражения с кванторами всеобщности и существования. Существуют формальные языки спецификаций, обладающие, по крайней мере, частью такой выразительной силы. Наиболее известными являются языки Z, VDM, Larch, OBJ-2; как Z, так и VDM имеют ОО-расширения, например, Object-Z. Библиографические замечания к лекции 6 дают необходимые ссылки.

Включение полного языка спецификаций в язык этой книги полностью изменило бы ее природу. Смысл языка в том, чтобы он был простым, легким в обучении, применимым во всех программистских конструкциях. Он должен допускать быструю компиляцию и эффективную реализацию с производительностью, соизмеримой с C или Fortran.

Вместо этого, в механизме утверждений мы пошли на инженерный компромисс: он включает достаточно формальных элементов, оказывающих существенный эффект на качество ПО, но останавливается в точке убывания - границе, за которой выгоды от большей формализации, начинают оборачиваться потерями простоты и эффективности.

Определение границы во многом определяется личным выбором. Я был удивлен, для программистского сообщества в целом эта граница не изменилась со времен первого издания этой книги. Наша деятельность требует большего формализма, но профессиональное сообщество еще не осознало этого.

Так что пока и на ближайшее будущее утверждения остаются булевыми выражениями с некоторыми расширениями. Это не такое уж и строгое ограничение, поскольку булевы выражения допускают вызов функций.

Включение функций в утверждения

Булевы выражения не ограничиваются использованием атрибутов и локальных сущностей. Мы уже использовали возможность вызова функций в утверждениях: предусловие для put класса стек было not full, где full - функция

full: BOOLEAN is

-- Is stack full? (Заполнен ли стек?)

do

Result := (count = capacity)

ensure

full_definition: Result = (count = capacity)

end

В этом наш маленький секрет, - мы вышли из рамок исчисления высказываний, в котором булевы выражения могут строиться только из переменных, констант и знаков логических операций. Благодаря введению функций, мы получили мощный механизм, позволяющий вычислять булевы значения любым, подходящим для нас способом. Не следует беспокоиться о присутствии постусловия самой функции full, это не создает никакого пагубного зацикливания. Детали вскоре.

Использование функций ведет к получению более абстрактных утверждений. Например, кто-то предпочтет заменить предусловие в операциях над массивом, ранее выраженное как

index_not_too_small: lower <= i

index_not_too_large: i <= upper

одним предложением в форме

index_in_bounds: correct_index (i)

с определением функции

correct_index (i: INTEGER): BOOLEAN is

-- Является ли i внутри границ массива?

do

Result := (i >= lower) and (i <= upper)

ensure

definition: Result = ((i >= lower) and (i <= upper))

end

Еще одно преимущество использования функций в выражениях в том, что они дают способ обойти ограничения выразительной силы, возникающие из-за отсутствия механизмов логики предикатов первого порядка. Неформальный инвариант нашего цикла для maxarray

-- Result является максимумом нарезки массива t в интервале [t.lower,i]

формально может быть выражен так

Result = (t.slice (lower, i)).max

в предположении, что slice вырабатывает нарезку - массив с индексами от lower до i, - а функция max дает максимальный элемент этого массива.

Этот подход был исследован в [M 1995a] как способ расширения выразительной силы механизма утверждений, возможно ведущий к разработке полностью формального метода, - другими словами, к математическому доказательству корректности ПО. В этом исследовании есть две центральные идеи. Первая - использование библиотек в процессе доказательства, так что можно его проводить для реальных, широкомасштабных систем, строя многоярусную структуру, использующую условные доказательства. Вторая идея - определение ограниченного языка чисто аппликативной природы - IFL (Intermediate Functional Language), в котором выражаются функции, используемые в выражениях. Язык IFL является подмножеством нотации этой книги, включающий некоторые императивные конструкции, такие как любые присваивания.

Ясно, чем мы рискуем: появление функций в выражениях означает введение потенциально императивных элементов (программ) в чисто аппликативный, до сего времени, мир утверждений. Без функций мы имели ясное и четкое разделение ролей, обсуждаемое ранее: инструкции предписывают, утверждения описывают. Теперь мы открыли ворота аппликативного города императивным полчищам.

Все же трудно сопротивляться мощи использования функций, поскольку все альтернативы имеют свои недостатки.

[x]. Включение полного языка спецификаций, как отмечалось, приводит к потере эффективности и простоты изучения.

[x]. Вероятно, хуже то, что неясно, достаточны ли общепринятые языки утверждений. Возьмем, например, такого естественного кандидата, в которого многие верят, - язык логики предикатов первого порядка. Этот формализм не позволяет нам выразить некоторые свойства, представляющие непосредственный интерес для разработчиков и часто используемые в утверждениях, такие как, например, "граф не имеет циклов" (типичный инвариант цикла). Математически это может быть выражено как r+ , где r - это отношение на графе, а+ его транзитивное замыкание. Хотя можно представить себе язык спецификации, поддерживающий эти понятия, большинство языков этого не делают.

Все это создает больше трудностей для программиста, которому проще написать булеву функцию cyclic, исследующую граф и возвращающую true, если и только если в графе есть цикл. Такие примеры являются серьезными аргументами в пользу базисного языка утверждений с использованием функций для повышения его выразительной силы.

Но остается необходимость разделять императивные и аппликативные элементы. Любая программно реализованная функция, используемая в утверждениях для специфицирования свойств, должна быть "безупречной", без обвинений ее в императивности, - она не должна быть причиной никаких изменений абстрактного состояния.

Это неформальное требование достаточно ясно на практике; формализм подъязыка IFL исключает все императивные элементы, которые либо изменяют глобальное состояние системы, либо не имеют тривиальных аппликативных эквивалентов, в частности исключаются:

[x]. присваивания атрибутам;

[x]. присваивания в циклах;

[x]. вызовы программ, не входящих в IFL.

Если особо тщательно дирижировать функциями, достаточно простыми с очевидной корректностью, то использование в утверждениях программно реализованных функций дает мощный метод абстракции.

Некоторые технические вопросы могут потребовать внимания. Функция f, используемая в утверждении программы r, может сама иметь утверждения, что демонстрируют примеры функций full и correct_index. Возникает потенциальная проблема при мониторинге утверждений в период выполнения: если при вызове r мы вычисляем утверждение, вызывающее f, то не придется ли нам вычислять утверждение для f? Нетрудно сконструировать пример зацикливания, если пойти по этому пути. Но даже и без этого риска было бы неправильно вычислять утверждение для f. Это бы означало, что мы рассматриваем "на равных" программы, являющиеся предметом наших вычислений, такие как r, и их функции утверждения, такие как f. В противовес этому сформулируем правило, согласно которому утверждения должны иметь более высокий приоритет, чем программы, которые они защищают, их корректность должна быть кристально ясной. Правило простое:

Правило вычисления утверждения

В процессе вычисления утверждений, входящие в них вызовы программ должны выполняться без вычисления ассоциированных утверждений.

Если вызов f встречается как часть проверки утверждения программы r, то слишком поздно спрашивать, удовлетворяет ли f своим утверждениям. Подходящим является время, когда решается вопрос использования f в утверждении, применимом к r.

Рассматривайте f как охранника ядерного предприятия, в обязанности которого входит проверка посетителей. Охранников тоже нужно проверять, но не тогда, когда они сопровождают посетителей.

Инварианты класса и семантика ссылок

ОО-модель, разрабатываемая до сих пор, включала два частично не связанных аспекта, оба из которых полезны:

[x]. Понятие инварианта класса, введенное в этой лекции.

[x]. Гибкая модель периода выполнения, детально рассмотренная в начальных лекциях, существенно использующая ссылки.

К несчастью, эти индивидуально желательные свойства могут стать причиной трудностей при их совместном использовании.

Проблема вновь в динамически создаваемых псевдонимах, предохраняющих нас от проверки корректности класса на том основании, что класс делает это сам. Мы уже видели, что корректность класса означает проверку m+n свойств, выражающих следующее (если мы концентрируем внимание на инвариантах INV, игнорируя предусловия и постусловия, не играющие здесь роли):

1 Каждая из m процедур создания порождает объект, удовлетворяющий INV.

2 Каждая из n экспортируемых программ сохраняет INV.

Кажется, совместно эти два условия гарантируют, что INV действительно инвариант. Доказательство почти тривиально: так как INV удовлетворяется в момент создания и сохраняется при каждом вызове, то по индукции INV истинно во все стабильные времена.

Это неформальное доказательство, однако, не верно в присутствии семантики ссылок и динамических псевдонимов. Проблема в том, что атрибуты объекта могут модифицироваться операциями другого объекта. Даже если a.r сохраняет INV для объекта ОА, присоединенного к а, то некоторая операция b.s (для b, присоединенного к другому объекту,) может разрушить INV для ОА. Так что условия (1) и (2) могут выполняться, но INV может не быть инвариантом.

Вот простой пример. Предположим, что А и В классы, каждый из которых содержит атрибут другого класса:

class A ... feature forward: B ... end

class B ... feature backward: A ... end

Потребуем, чтобы ссылки были связаны содержательным условием. Если ссылка forward определена и задает экземпляр класса В, то ссылка backward этого экземпляра, в свою очередь, должна указывать на соответствующий экземпляр класса А. Это может быть выражено как инвариант класса А:

round_trip: (forward /= Void) implies (forward.backward = Current)

Вот пример ситуации, включающей экземпляры обоих классов и удовлетворяющей инварианту:

Рис. 11.9.  Согласованность ссылок forward и backward

Инвариант round_trip встречается в классах довольно часто. Например, в роли класса А может выступать класс PERSON, характеризующий персону. Ссылка forward может указывать в этом случае на владение персоны - объект класса HOUSE. Ссылка backward в этом классе указывает на владельца дома. Еще одним примером может быть реализация динамической структуры - дерева, узел которого содержит ссылки на старшего сына и на родителя. Для этого класса можно ввести инвариант в стиле round_trip:

Предположим, что инвариант класса В, если он есть, ничего не говорит об атрибуте backward. Следующая версия класса А по-прежнему имеет инвариант:

class A feature

forward: B

attach (b1: B) is

-- Ссылка b1 на текущий объект.

do

forward := b1

-- Обновить ссылку backward объекта b1 для согласованности:

if b1 /= Void then

b1.attach (Current)

end

end

invariant

round_trip: (forward /= Void) implies (forward.backward = Current)

end

Вызов b1.attach восстанавливает инвариант после обновления forward. Класс В должен обеспечить свою собственную процедуру attach:

class B feature

backward: B

attach (a1: A) is

-- Ссылка a1 на текущий объект.

do

backward := a1

end

end

Класс А сделал все для своей корректности: процедура создания по умолчанию гарантирует выполнение инварианта, так как устанавливает forward равным void, а его единственная процедура гарантирует истинность инварианта. Но рассмотрим выполнение у клиента следующей программы:

a1: A; b1: B

...

create a1; create b1

a1.attach (b1)

b1.attach (Void)

Вот ситуация после выполнения последней инструкции:

Рис. 11.10.  Нарушение инварианта

Инвариант для ОА нарушен. Этот объект теперь указывает на ОВ, но ОВ не указывает на ОА, - backward равно void. Вызов b1.attach мог связать ОВ с любым другим объектом класса А и это тоже было бы некорректно.

Что случилось? Динамические псевдонимы вновь себя проявили. Приведенное доказательство корректности класса А правильно, и единственная процедура этого класса attach спроектирована в полном соответствии с замыслом. Но этого недостаточно для сохранения согласованности ОА, так как свойства ОА могут включать экземпляры других классов, а доказательство ничего не говорит об эффекте, производимом свойствами других классов на инвариант из А.

Эта проблема достаточно важна, и заслуживает собственного имени: Непрямой Эффект Инварианта (Indirect Invariant Effect). Он может возникать сразу же при допущении динамических псевдонимов, благодаря которому операции могут модифицировать объекты даже без включения любой связанной сущности. Но мы уже видели, как много пользы приносят динамические псевдонимы; и схема forward - backward далеко не академический пример, это, как отмечалось, полезный образец для практических приложений и библиотек.

Что можно сделать? Промежуточный ответ включает соглашения для мониторинга утверждений в период выполнения. Вы, возможно, удивлялись, почему эффект включения мониторинга утверждений на уровне assertion (invariant) был описан так:

"Проверка выполнимости инвариантов класса на входе и выходе программы для квалифицированных вызовов".

Почему и на входе и на выходе? Без Непрямого Эффекта Инварианта достаточно было бы проверки на выходе, при условии проверки процедур создания. Но теперь мы должны быть более аккуратными, поскольку между завершением одного вызова и началом вызова другой операции над тем же объектом, могут быть вызовы, задевающие объект, даже если в роли цели выступал совсем другой объект.

Более удовлетворительное решение могло быть получено включением статистического правила, имеющего обязательную силу, гарантирующего, что всякий раз, когда инвариант класса А включает ссылки на экземпляры класса В, инвариант в классе В должен быть зеркальным отображением инварианта из А. В нашем примере можно избежать всех трудностей, включив в класс В инвариант:

trip_round: (backward /= Void) implies (backward.forward = Current)

Быть может, возможно, обобщить это правило в универсальное правило отображения. Вне зависимости от того, существует ли такое обещающее правило или нет, решение проблемы Непрямого Эффекта Инварианта и избавление необходимости двойной проверки при мониторинге инвариантов требует дальнейших исследований.

Что дальше

Еще не все сделано с Проектированием по контракту. Предстоит изучить два важных следствия рассмотренных принципов:

[x]. Как они приводят к механизму дисциплинированной обработки исключений; это тема следующей лекции.

[x]. Как они комбинируются с наследованием, позволяя нам указать, что любые семантические ограничения, применимые к классу, применимы также и к его потомкам; и что семантические ограничения, применимые к компоненту, применимы и при возможных его переопределениях. Эта тема будет изучаться при рассмотрении наследования.

Обобщая, утверждения и Проектирование по контракту будут сопровождать нас во всей оставшейся части этой книги, позволяя проверить, знаем ли мы, что делают создаваемые нами элементы.

Ключевые концепции

[x]. Утверждения - это булевы выражения, задающие семантические свойства класса и вводящие аксиомы и предусловия соответствующего абстрактного типа данных.

[x]. Утверждения используются в предусловиях (требования, при выполнении которых программы применимы), постусловиях (свойства, гарантируемые на выходе программ), и инвариантах класса (свойства, характеризующие экземпляры класса во время их жизни). Другими конструкциями, включающими утверждения, являются инварианты цикла и инструкции check.

[x]. Предусловие и постусловие программы описывают контракт между программой и ее клиентами. Контракт связывает программу, только при условии ее вызова, в состоянии, где предусловие выполняется; в этом случае программа гарантирует выполнимость постусловия на выходе. Понятие заключения контрактов между программами обеспечивает мощную метафору при построении надежного ПО.

[x]. Инвариант класса выражает семантические ограничения экземпляров класса. Инвариант неявно добавляется к предусловиям и постусловиям каждой экспортируемой программы класса.

[x]. Класс описывает одну возможную реализацию АТД; отображение класса в АТД выражается функцией абстракции, обычно частичной. Обратное отношение, обычно, не задается функцией.

[x]. Инвариант реализации, - часть инварианта класса - выражает корректность представления классом соответствующего АТД.

[x]. Цикл может иметь инвариант цикла, позволяющий вывести результат выполнения цикла, и вариант, позволяющий доказать завершаемость цикла.

[x]. Если класс поставляется с утверждениями, то можно формально определить, что означает корректность класса.

[x]. Утверждения служат четырем целям: помогают в конструировании корректных программ; помогают в создании документации, помогают в отладке, являются основой механизма исключений.

[x]. Язык утверждений в нашей нотации не включает логику предикатов первого порядка, но может выражать многие свойства высокого уровня благодаря вызову функций. Функции, включаемые в утверждения должны быть простыми и безупречно корректными.

[x]. Комбинация инвариантов и динамических псевдонимов приводит к Непрямому Эффекту Инварианта, который может стать причиной нарушения инварианта при корректности самого класса.

Библиографические замечания

Из работы Тони Хоара [Hoare 1981]:

Первым защитником использования утверждений в программировании был никто иной, как сам Алан Тьюринг. На конференции в Кембридже 24 июня 1950 г. он представил небольшой доклад "Проверка больших программ", в которой объяснял эту идею с большой ясностью. "Как можно проверить большую программу, утверждая, что она правильна? Чтобы для проверяющего задача не была слишком трудной, программист обязан написать некоторые утверждения, которые можно проверить индивидуально, и из которых корректность программы следует достаточно просто."

Понятие утверждения, представленное в этой лекции, восходит к работам по корректности программ, пионерами которых были Боб Флойд [Floyd 1967], Тони Хоар [Hoare 1969], Эдсгар Дейкстра [Dijkstra 1976], в дальнейшем описанные в [Gries 1981]. Книга "Введение в теорию языков программирования" (Introduction to the Theory of Programming Languages) [M 1990] представляет обзор этого направления.

Понятие инварианта класса пришло из Хоаровской работы [Hoare 1972a] по инвариантам типов данных. Смотри также приложения к проектированию программ в [Jones 1980], [Jones 1986]. Формальная теория морфизмов между АТД типами может быть найдена у [Goguen 1978].

Библиографические ссылки по формальным языкам спецификаций, включая Z, VDM, OBJ-2, Larch, можно найти в лекции 6. В работе [Lano 1994] , содержащей большое число ссылок, описаны ОО-формальные языки спецификаций, включая Object Z, Z++, MooZ, OOZE, SmallVDM, VDM++.

Стандарты по терминологии программных ошибок, дефектов, неисправностей опубликованы IEEE Computer Society [IEEE 1990], [IEEE1993]. Их Web-страница - http://www.computer.org

Удивительно, но немногие языки программирования поддерживают синтаксическую поддержку утверждений. Ранним примером (первым, который стал мне известен) был язык AlgolW, созданный Хоаром и Виртом [Hoare 1966], непосредственный предшественник языка Pascal. Другие включают Alphard [Shaw 1981] и Euclid [Lampson 1977], спроектированные специально для разработки корректных программ. Связь с ОО-разработкой и нотация, введенная в этой книге, навеяна утверждениями языка CLU [Liskov 1981], который никогда не был реализован. Другая, базирующаяся на CLU книга Лискова и Гуттага [Liskov 1986] является одной из немногих книг по методологии программирования, в которой глубоко обсуждаются вопросы разработки надежного ПО, предлагая подход на базе "защитного программирования", подвергнутый критике в данной лекции.

Понятие Программирования по контракту, представленное в этой лекции и разрабатываемое в оставшейся части книги, пришло из [M 1987a], продолженное в работах [M 1988], [M1989c], [M 1992a]. В работе [M 1994a] обсуждаются толерантный и требовательный подходы к проектированию предусловий, обращая особое внимание на применение этих подходов к проектированию повторно используемых библиотек, включая политику "требовательной любви". Дальнейший вклад в развитие этих идей был сделан Джеймсом Мак-Кимом [McKim 1995], [McKim 1996], [McKim 1996a], а также [Henderson-Sellers], который занимался исследованием позиции поставщика ПО.

Упражнения

У11.1 Комплексные числа

Напишите спецификацию АТД для класса COMPLEX, описывающую понятие комплексных чисел с арифметическими операциями. Исходите из точной арифметики.

У11.2 Класс и его АТД

Проверьте все предусловия и аксиомы АТД STACK, введенного в предыдущих лекциях, и покажите, отображаются ли они в классе STACK4, а если да, то как.

У11.3 Полные утверждения для стеков

Покажите, что введение закрытой функции body, возвращающей тело стека, сделает возможным утверждениям класса STACK полностью отражать спецификацию соответствующего АТД. Обсудите теоретическую и практическую значимость такого подхода.

У11.4 Экспортирование размера

Почему capacity экспортируется для реализации стеков ограниченных размеров, класс STACK2?

У11.5 Инвариант реализации

Напишите инвариант реализации для класса STACK3.

У11.6 Утверждения и экспорт

Обсудите использование функций в утверждениях, в частности, введение функции correct_index в предусловия программ put и item. Если добавить эту функцию в класс ARRAY, то какой статус экспорта следует ей дать?

У11.7 Поиск жучков (bugs)

Покажите, что каждая из четырех попыток бинарного поиска, объявленная как "ошибочная", действительно некорректна. (Подсказка: в отличие от доказательства корректности, для доказательства некорректности достаточно предъявить один пример, на котором алгоритм приводит к неверному результату: не завершается, выполняет запрещенную операцию, такую, как выход индекса за допустимые границы, любое другое нарушение предусловия).

У11.8 Нарушение инварианта

В этой лекции было показано, что нарушение предусловия указывает на ошибку клиента, а нарушение постусловия указывает на ошибку поставщика. Объясните, почему нарушение инварианта также указывает на ошибку поставщика.

У11.9 Генерация случайных чисел

Напишите класс, реализующий алгоритм получения псевдослучайных чисел, основанный на последовательности: ni = f(ni - 1), где функция f задана, а начальное значение n_0 определяется клиентом класса. Функция не должна иметь побочных эффектов. Определение функции f можно найти в учебниках, таких как [Knuth 1981] и в библиотеках по численным методам.

У11.10 Модуль "очередь"

Напишите класс, реализующий очередь (стратегию доступа "первый пришел - первый ушел", FIFO - "first in - first out"). Задайте подходящие утверждения в стиле класса STACK этой лекции.

У11.11 Модуль "множество"

Напишите класс, реализующий множество элементов произвольного типа со стандартными операциями: проверка принадлежности, добавление нового элемента, объединение, пересечение и другими. Не забудьте включить подходящие утверждения. Приемлема любая корректная реализация, основанная на массивах или связных списках.

Постскриптум: Катастрофа Ариан 5

Когда первое издание этой книги было опубликовано, Европейское Космическое Агентство опубликовало отчет международного исследования тестирования полета космической ракеты Ариан 5, потерпевшей катастрофу 4 июня 1996 года через 40 секунд после старта, по отчету стоившего 500 миллионов долларов (незастрахованного запуска).

Причина катастрофы: ошибки в бортовой компьютерной системе. Причина этой ошибки: преобразование числа с плавающей точкой, представленного 64 битами, в 16-и битовое знаковое целое привело к выбрасыванию исключения. Число задавало горизонтальный наклон (horizontal bias) ракеты. Некоторые исключения в системе обрабатывались, используя механизмы языка ADA, описанные в следующей лекции. Но это исключение не обрабатывалось, поскольку ранее проведенный анализ показал, что оно не может встречаться, поэтому решено было не загромождать код обработчиком соответствующего исключения.

Реальная причина: недостаточная спецификация. Проведенный анализ был вполне корректен, - но для траектории полета ракеты Ариан 4. Программный код был повторно использован при полете ракеты Ариан 5, и предположения, хотя и оставленные в маловразумительной документации, были просто забыты. Их просто не применяли к Ариан 5. При Проектировании по контракту было бы задано предусловие:

require

horizontal_bias <= Maximum_horizontal_bias

естественно подсказывающие команде, отвечающей за качество, проверить все ли программы выполняют это условие, и своевременно обнаружить возможность его нарушения. Хотя теперь мы уже никогда об этом не узнаем, но, представляется, что почти наверняка эта ошибка была бы обнаружена, вероятно, при статическом анализе, в худшем случае при тестировании с включенным механизмом мониторинга, описанным в этой лекции.

Урок ясен: повторное использование без контрактов безрассудно. Абстрактные модули, определенные нами, как единицы повторного использования, должны поставляться с ясными спецификациями условий их применения - предусловиями, постусловиями, инвариантами. Эти спецификации должны находиться не во внешних документах, а быть частью самих модулей. Эти принципы, которые мы изучили, особенно Проектирование по контракту и Самодокументирование являются необходимым условием любой успешной политики повторного использования. Даже если ошибки будут стоить менее полумиллиарда долларов, всегда помните об этих правилах:

[x]. Повторно используемый модуль должен быть специфицирован.

[x]. Язык программирования должен поддерживать механизм утверждений.

[x]. Спецификации являются частью самого ПО.

Лекция 12. Когда контракт нарушается: обработка исключений

Нравится это или нет, но не стоит притворяться, несмотря на все статические предосторожности, некоторые неожиданные и нежелательные события рано или поздно возникнут при одном из выполнений системы. Такие ситуации известны как исключения, и нужно должным образом уметь справляться с ними.

Базисные концепции обработки исключений

Литература по обработке исключений зачастую не очень точно определяет, что вызывает исключение. Как следствие, механизм исключений, представленный в таких языках программирования как PL/I и Ada, часто неправильно используется: вместо того, чтобы резервироваться только для истинно чрезвычайных ситуаций, они заканчивают службу как внутрипрограммные инструкции goto, нарушающие принцип Защищенности.

К счастью, теория Проектирования по Контракту, введенная в предыдущей лекции, обеспечивает хорошие рамки для точного определения включаемых концепций.

Отказы

Неформально исключение это аномальное событие, прерывающее выполнение программы. Для получения содержательного определения полезно вначале рассмотреть понятие отказа, непосредственно следующее из идеи контракта.

Программа это не произвольная последовательность инструкций, а реализация некоторой спецификации - контракта программы. Всякий вызов программы должен завершаться в состоянии, удовлетворяющем постусловию и инварианту класса. Неявное следствие контракта - при вызове программы не должны появляться прерывания операционной системы, связанные, например, с обращением к недоступным областям памяти или переполнением при выполнении арифметических операций.

Так должно быть, но в жизни не все происходит так, как должно быть. И мы должны ожидать, что рано или поздно при очередном вызове программы она не сможет выполнить свой контракт. Произойдет системное прерывание, или будет вызвана программа в состоянии, не удовлетворяющем ее предусловию, или в заключительном состоянии будет нарушено постусловие либо инвариант (в двух последних случаях предполагается мониторинг утверждений в период выполнения).

Такие ситуации будем называть отказом (failure).

Определения: успех, отказ

Вызов программы успешен, если он завершается в состоянии, удовлетворяющем контракту. Вызов завершается отказом, если он не успешен.

Будем использовать термины "отказ программы" или просто "отказ", как сокращения более точного термина "вызов программы, завершающийся отказом". Понятно, что сама программа не может быть ни успешной, ни давать отказ. Эти понятия применимы только по отношению к конкретному вызову.

Исключения

Вооружившись понятием отказа, можно теперь определить понятие "исключение". Программа приводит к отказу из-за возникновения некоторых специфических событий (арифметического переполнения, нарушения спецификаций), прерывающих ее выполнение. Такие события и являются исключениями.

Определение: исключение

Исключение - событие периода выполнения, которое может стать причиной отказа программы.

Зачастую исключение будет причиной отказа. Но можно предотвратить отказ, написав программу так, что она будет захватывать возникшее исключение, пытаться восстановить состояние, допускающее нормальное продолжение вычислений. Вот почему отказ и исключение - это разные понятия: каждый отказ это следствие исключения, но не каждое исключение приводит к отказу.

Изучение программных аномалий в предыдущей лекции привело к появлению терминов неисправность (fault) - для событий, приводящих к пагубным последствиям при выполнении программы, дефект (defect) - неадекватность программной системы, способная привести к отказам, ошибка (error) - неверные решения разработчика или проектировщика, приводящие к дефектам. Отказ - это неисправность; исключение, зачастую, тоже неисправность, но таковым не является, если его возможное появление предвиделось, и программа может справиться с возникшей ситуацией.

Источники исключений

Исключения можно классифицировать, разделив их на категории.

Определение: исключительные ситуации

Исключения могут возникать при выполнении программы r в результате следующих ситуаций.

1 Попытка квалифицированного вызова a.f и обнаружение, что a = Void.

2 Попытка присоединить значение Void к развернутой (expanded) цели.

3 Выполнение невозможной или запрещенной операции, обнаруживаемое аппаратно или операционной системой.

4 Вызов программы, приводящей к отказу.

5 Предусловие r не выполняется на входе.

6 Постусловие r не выполняется на выходе.

7 Инвариант класса не выполняется на входе или выходе.

8 Инвариант цикла не выполняется в результате инициализации в предложении from или после очередной итерации тела цикла.

9 Итерация тела цикла не уменьшает вариант цикла.

10 Не выполняется утверждение инструкции check.

11 Выполнение инструкции, явно включающей исключение.

Случай (1) отражает одно из основных требований к использованию ссылок: вызов a.f имеет смысл, когда к a присоединен объект, другими словами, когда a не void. Это обсуждалось в лекции 8 при рассмотрении динамической модели.

Случай (2) также имеет дело с void значениями. Напомним, что "присоединение" (attachment) покрывает присваивание и передачу аргументов, имеющих одинаковую семантику. В разделе "Гибридное присоединение" лекции 8 отмечалась возможность присваивания ссылки развернутой цели, в результате чего происходит копирование объекта. Но это предполагает существование объекта, но если источник void, то присоединение вызовет исключение.

Случай (3) следствие сигналов, посылаемых приложению операционной системой.

Случай (4) возникает при отказе программы, как результат возникновения в ней исключения, с которым она не смогла справиться. Более подробно это будет рассмотрено ниже, но пока обратите внимание на правило, вытекающее из (4):

Отказы и исключения

Отказ программы - причина появления исключения в вызывающей программе.

Случаи (5)-(10) могут встретиться только при мониторинге утверждений, включенных на соответствующем уровне: assertion (require) для (5), assertion (loop) для (8) и (9) и так далее.

Случай (11) предполагает вызов процедуры raise, выбрасывающей (зажигающей) исключения. Такая процедура будет рассмотрена чуть позднее.

Ситуации отказа

Рассматривая список возможных исключений, полезно определить, когда может встретиться отказ (причина исключения у вызывающей программы):

Определение: случаи отказа

Вызов программы приводит к отказу, если и только если встретилось исключение в процессе выполнения, и программа не смогла с ним справиться.

Определения отказа и исключения взаимно рекурсивны: отказ возникает из-за появления исключений, а одна из причин исключения - отказ при вызове программы (случай (4)).

Обработка исключений

Теперь у нас есть определение того, что может случиться, - исключения - и того, с чем мы бы не хотели столкнуться в результате появления исключения, - отказа. Давайте разыскивать способы справляться с исключениями так, чтобы не возникли отказы. Что может сделать программа, когда ее выполнение прервано из-за нежелательного поведения?

Помощь в нахождении разумного ответа могут дать примеры того, как не следует поступать в подобных ситуациях. Ими мы обязаны механизму сигналов языка C, пришедшему из Unix, и одному учебнику по языку Ada.

Как не следует делать это - C-Unix пример

Первым контрпримером механизма (наиболее полно представленным в Unix, но доступным и на других платформах, реализующих C) является процедура signal, вызываемая в следующей форме:

signal (signal_code, your_routine)

с эффектом вызова обработчика исключения - программы your_routine, когда выполнение текущей программы прерывается, выдавая соответствующий код сигнала (signal_code). Код сигнала - целочисленная константа, например, SIGILL (неверная инструкция - illegal instruction) или SIGFPE (переполнение с плавающей точкой - floating-point exception). В программу можно включить сколь угодно много вызовов процедуры signal, что позволяет обрабатывать различные, возможные ошибки.

Теперь предположим, что при выполнении некоторой инструкции произошло прерывание и выработан соответствующий код сигнала. Будет или нет вызвана процедура signal, но выполнение программы завершается в не нормальном состоянии. Предположим, что вызывается обработчик события - your_routine, пытающийся исправить ситуацию. Беда в том, что, завершив работу, он возвращает управление непосредственно в точку, где произошло прерывание (в не нормальное состояние). Это опасно, вероятнее всего, из этой точки невозможно нормально продолжить работу.

Что необходимо в большинстве подобных случаев - исправить ситуацию и продолжить выполнение, начиная с некоторой особой точки, но не точки прерывания. Мы увидим, что есть простой механизм, реализующий эту схему. Заметьте, он может быть реализован и на C, на большинстве платформ. Достаточно комбинировать процедуру signal с двумя другими библиотечными процедурами: setjmp, вставляющую маркер в точку, допускающую продолжение вычислений, и longjmp для возврата к маркеру. С механизмом setjmp-longjmp следует обращаться весьма аккуратно. Поэтому он не ориентирован на обычных программистов, но может использоваться разработчиками компиляторов для реализации высокоуровневого механизма ОО-исключений, который будет описан в этой лекции.

Как не следует делать это - Ada пример

Приведу пример программы, взятый из одного учебника12.1) по языку Ada.

sqrt (x: REAL) return REAL is

begin

if x < 0.0 then

raise Negative

else

normal_square_root_computation

end

exception

when Negative =>

put ("Negative argument")

return

when others => ...

end -- sqrt

Этот пример, вероятно, предназначался для синтаксической иллюстрации механизма Ada, и был написан быстро (он, например, отказывается возвращать значение в случае возникновения исключения). Поэтому было бы непорядочно критиковать его, как если бы это был настоящий пример хорошего программирования. Вместе с тем, он ясно показывает нежелательный способ обработки исключений. Поскольку Ada ориентирована на военные и космические приложения, то остается надеяться, что ни одна из реальных программ не следует буквально этой модели.

Целью программы является получение вещественного квадратного корня из вещественного числа. Но что если число отрицательно? В языке Ada нет утверждений, так что в программе проводится проверка, возбуждающая исключение для отрицательных чисел.

Инструкция raise Exc прерывает выполнение текущей программы и включает исключение с кодом Exc. Это исключение может быть захвачено и обработано при наличии предложений exception, имеющих вид:

exception

when code_a1, code_a2, ...=> Instructions_a;

when code_b1, ... => Instructions_b;

...

Если код исключения совпадает с одним из кодов, указанных в части when, то выполняются соответствующие инструкции. Если, как в примере, есть предложение when others, то его инструкции выполняются, когда код исключения не совпадает ни с одним из кодов предыдущих частей when. Если нет универсального обработчика when others, и код исключения не совпадает ни с одним кодом, то поиск обработчика будет вестись у вызывающей программы, если вызывающей программы нет, то достигнута программа main и программа завершается отказом.

В примере нет необходимости переходить к вызывающей программе, поскольку выброшенное исключение с кодом Negative захватывается обработчиком с таким же кодом.

Но что делают соответствующие инструкции? Посмотрите еще раз:

put ("Negative argument")

return

Напечатается сообщение - довольно глубокомысленное, а затем управление перейдет к вызывающей программе, которая, не будучи уведомлена о событии, продолжит свое выполнение, как если бы ничего не случилось. Вспоминая снова о типичных приложениях Ada, можно лишь надеяться, что этой схеме не следует артиллерийское приложение, в результате которой снаряды могут упасть на головы совсем не тех солдат, для которых вряд ли может служить утешением посланное сообщение об ошибке.

Эта техника, вероятно, хуже, чем C-Unix сигнальный механизм, позволяющий, по крайней мере, возобновить вычисление в точке, где оно остановилось. Обработчик исключения when, заканчивающийся инструкцией return, даже не продолжает текущую программу; он возвращает управление вызывающей программе, будто бы все прекрасно, в то время как все далеко не прекрасно.

Этот контрпример дает хороший урок Ada-программистам: почти ни при каких обстоятельствах обработчик when не должен заканчиваться return. Слово "почти" употреблено для полноты картины, поскольку есть особый допустимый случай ложной тревоги (false alarm), достаточно редкий, который мы обсудим чуть позже. Опасно и неприемлемо не уведомлять вызывающую программу о возникшей ошибке. Если невозможно исправить ситуацию и выполнить контракт, то программа должна выработать отказ. Язык Ada позволяет сделать это: предложение exception может заканчиваться инструкцией raise без параметров, повторно выбрасывая исходное исключение, передавая его вызывающей программе. Это и есть подходящий способ завершения выполнения, когда невозможно выполнить свой контракт.

Правило исключений языка Ada

Выполнение любого обработчика исключений должно заканчиваться либо выполнением инструкции raise, либо повторением объемлющего программного блока.

Принципы обработки исключений

Контрпримеры помогли указать дорогу к дисциплинированному использованию исключений. Следующие принципы послужат основой обсуждения.

Принципы дисциплинированной обработки исключений

Есть только два легитимных отклика на исключение, возникшее при выполнении программы:

1 Повторение (Retrying) - попытка изменить условия, приведшие к исключению, и выполнить программу повторно, начиная все сначала.

2 Отказ (Failure) - известный также как "организованная паника" (organized panic): чистка стека и других ресурсов, завершение вызова и отчет об отказе перед вызывающей программой.

В дополнение, некоторые сигналы операционной системы (случай (3) в классификации исключений) в редких случаях являются откликом на "ложную тревогу". Определив, что исключение безвредно, можно возобновить выполнение в точке прерывания.

Давайте начнем рассмотрение с третьего случая - ложной тревоги, обработка которого соответствует основному механизму C-Unix. Вот пример. Некоторые оконные системы будут вызывать исключения, если пользователь перестраивает размеры окна во время выполнения процесса в этом окне. Предположим, что процесс не выполняет никакого вывода в это окно, тогда исключение будет безвредным, и можно возобновить выполнение процесса в прерванной точке. Но даже в этом случае есть лучшие пути, такие как полная блокировка сигналов на время выполнения процесса, чтобы исключение вообще не встретилось. Именно так мы будем поступать с ложными тревогами в механизме, рассматриваемом в следующем разделе.

Ложные тревоги возможны лишь для одного вида сигналов операционной системы - благоприятных сигналов, но нельзя игнорировать арифметическое переполнение или невозможность выделения запрашиваемой памяти. Исключения всех других категорий также указывают на трудности, не допускающие игнорирования. Было бы абсурдно, например, запускать программу при ложном предусловии.

Повторение - более обнадеживающая стратегия: мы потерпели поражение в битве, но не проиграли войну. Хотя наш первоначальный план выполнения контракта потерпел неудачу, мы можем постараться удовлетворить клиента, применив другую тактику. Если она будет успешной, то исключение не оказывает никакого влияния на клиента. После одной или нескольких попыток, приведших к неудаче, в очередной попытке нам, возможно, удастся полностью выполнить контракт ("Миссия завершена, сэр. Обычные, небольшие проблемы, сэр. Теперь все хорошо, сэр").

Что значит "другая тактика", испытываемая при следующей попытке? Это может быть другой алгоритм; или тот же алгоритм, выполняемый после некоторых произведенных изменений в начальном состоянии (атрибуты, локальные переменные). В некоторых случаях это может быть просто повторный запуск той же программы в надежде, что изменились внешние условия - освободились временно занятые устройства, линии связи и так далее.

При отказе приходится признавать не только поражение в битве, но и невозможность выиграть войну. Мы сдаемся, но прежде следует выполнить два условия, объясняющие использование термина "организованная паника", как более точного синонима понятия "отказ":

[x]. Обеспечить появление исключения у вызывающей программы. В этом и состоит аспект "паники" - программа отказывается жить в соответствии с ее контрактом.

[x]. Восстановить согласованное состояние выполнения - "организованный" аспект.

Что является согласованным состоянием? Корректность класса позволяет дать ответ: состояние, удовлетворяющее инварианту. Мы уже говорили, что программа во время ее выполнения может нарушать инвариант, восстанавливая его в конце работы. Если возникло исключение, то инвариант может быть нарушен. Программа должна восстановить его до возвращения управления вызывающей программе.

Цепочка вызовов

Обсуждая механизм обработки исключений, полезно иметь ясную картину последовательности вызовов, приведших в итоге к исключению. Это понятие уже появлялось при рассмотрении механизма языка Ada.

Рис. 12.1.  Цепочка вызовов

Пусть r_0 будет корневой процедурой некоторой системы (в Ada это программа main). В каждый момент выполнения есть текущая программа, вызванная последней и ставшая причиной исключения. Пройдем по цепочке в обратном порядке, начиная с текущей программы, от вызываемой к вызывающей программе. Реверсная цепочка (r_0, последняя вызванная r_0 программа r_1, последняя вызванная r_1 программа r_2 и так далее до текущей программы) называется цепочкой вызовов.

Если возникает исключение, то для его обработки, возможно, придется подняться по цепочке, пока не будет достигнута программа, способная справиться с исправлением ситуации. Этот процесс заканчивается, когда достигнута программа r_0 и не найден нужный обработчик исключения.

Механизм исключений

Из предшествующего анализа следует механизм исключений, наилучшим образом соответствующий ОО-подходу и идеям Проектирования по Контракту.

Для обеспечения основных свойств введем в язык два новых ключевых слова. Для случаев, в которых необходим точно отрегулированный механизм, будет доступен библиотечный класс EXCEPTIONS.

Спаси и Повтори (Rescue и Retry)

Прежде всего, в тексте программы должна быть возможность указания действий, выполняемых при возникновении исключения. Для этой цели и вводится новое ключевое слово rescue, задающее предложение с описанием действий, предпринимаемых для восстановления ситуации. Поскольку предложение rescue описывает действия, предпринимаемые при нарушении контракта, то разумно поместить его в конце программы после всех других предложений:

routine is

require

precondition

local

... Объявление локальных сущностей ...

do

body

ensure

postcondition

rescue

rescue_clause

end

Предложение rescue_clause является последовательностью инструкций. При возникновении исключения в теле программы вычисление прерывается, и управление передается предложению rescue. Хотя есть только одно такое предложение на программу, но в нем можно проанализировать причину исключения и нужным образом реагировать на различные события.

Другой новой конструкцией является инструкция retry, записываемая просто как retry. Эта инструкция может появляться только в предложении rescue. Ее выполнение состоит в том, что она повторно запускает тело программы с самого начала. Инициализация, конечно, не повторяется.

Эти конструкции являются прямой реализацией принципа Дисциплинированной Обработки Исключений. Инструкция retry обеспечивает механизм повторения; предложение rescue, не заканчивающееся retry приводит к отказу.

Как отказаться сразу

Последнее высказывание достойно возведения в ранг принципа.

Принцип отказа

Завершение выполнения предложения rescue, не включающее инструкции retry, приводит к тому, что вызов программы завершается отказом.

Так что, если и были вопросы, как на практике возникает отказ (ситуация (4) в классификации исключений), то это делается именно так, - при завершении предложения rescue.

В качестве специального случая рассмотрим программу, не имеющую предложения rescue. На практике именно этот случай характерен для огромного большинства программ. В разрабатываемом подходе к обработке исключений лишь избранные из поставляемых программ должны иметь такое предложение. Игнорируя объявления и другие части программы, можно полагать, что программа без предложения rescue имеет вид:

routine is

do

body

end

Тогда, приняв, как временное соглашение, что отсутствие предложения rescue эквивалентно существованию пустого предложения rescue, наша программа эквивалента программе:

routine is

do

body

rescue

-- Здесь ничего (пустой список инструкций)

end

Из принципа Отказа вытекают следующие следствия: если исключение встретилось в программе, не имеющей предложения rescue, то эта программа вырабатывает отказ, включая исключение у вызывающей программы.

Рассмотрение отсутствующего предложения rescue, как присутствующего пустого предложения, является подходящей аппроксимацией на данном этапе рассмотрения. Но нам придется слегка подправить это правило, когда начнем рассматривать эффект исключений на инвариант класса.

Таблица истории исключений

Если в программе произошел отказ, то ли из-за отсутствия предложения rescue, то ли потому, что это предложение закончилось без retry, она прервет выполнение вызывающей программы, вызвав в ней исключение типа (4) - отказ в вызываемой программе. Вызывающая программа столкнется с теми же самыми двумя возможностями: либо в ней есть предложение rescue, способное исправить ситуацию, либо она выработает отказ и передаст управление вверх по цепочке вызовов. Если на всем пути не найдется программы, способной справиться с исключением, то выполнение всей системы закончится отказом. В этом случае окружение должно сформировать и вывести ясную картину произошедшего - таблицу истории исключения. Вот пример такой таблицы:

Объект

Класс

Программа

Природа исключения

Эффект

O4

Z_Function

split (from E_FUNCTION)

Feature interpolate: Вызывалаcь ссылкой void

Повторение

O3 O2 O2

INTERVAL EQUATION EQUATION

integrate solve (from GENERAL_EQUATION) filter

interval_big_enough: Нарушено предусловие Отказ программы Отказ программы

Отказ Отказ Повторение

O2 O1(root)

MATH INTERFACE

new_matrix (from BASIC_MATH) make

enough_memory: Check Нарушение Отказ программы

Отказ Отказ

Таблица 12.1.Пример таблицы истории исключений

Эта таблица содержит историю не только тех исключений, которые привели, в конечном счете, к отказу системы, но и исключений, эффект которых был преодолен в результате выполнения rescue - retry. Число исключений в таблице может быть ограничено, например, числом 100 по умолчанию. Порядок в таблице сверху вниз является обратным порядку, в котором вызываются программы. Корневая процедура создания записана в последней строке таблицы.

Столбец Программа идентифицирует для каждого исключения программу, чей вызов был прерван исключением. Столбец Объект идентифицирует цель этого вызова; используемые здесь имена O1 и так далее, но в реальной трассировке они будут внутренними идентификаторами, позволяющие определить, являются ли объекты совпадающими. Столбец Класс указывает класс, генерирующий объект.

Столбец Природа Исключения указывает, что случилось. Здесь, как показано во второй сверху строке таблицы, могут использоваться метки утверждений, например, interval_big_enough, что позволяет точно идентифицировать нарушаемое предложение в программе.

Последний столбец указывает, как обрабатывалось исключение, то ли используя Повторение, то ли Отказ. Таблица состоит из последовательности секций, отделяемых толстой линией. Каждая секция, за исключением последней, приводила к Повторению, что указывает на восстановление ситуации. Понятно, что между двумя вызовами, отделенными толстыми линиями, может быть произвольное число вызовов.

Игнорируя такие промежуточные вызовы, - успешные и потому неинтересные для цели нашего обсуждения - здесь приведена цепочка вызовов и возвратов, соответствующая выше приведенной истории исключений. Для реконструкции действий следует следовать по стрелкам, обходя их против часовой стрелки, начиная от программы make, изображенной слева вверху.

Рис. 12.2.  Выполнение, приведшее к отказу

Примеры обработки исключений

Теперь, когда у нас есть базисный механизм, давайте посмотрим, как он применяется в общих ситуациях.

Поломки при вводе

Предположим, что в интерактивной системе необходимо выдать подсказку пользователю, от которого требуется ввести целое. Пусть только одна процедура занимается вводом целых - read_one_integer, которая результат ввода присваивает атрибуту last_integer_read. Эта процедура работает неустойчиво, - если на ее входе будет нечто, отличное от целого, она может привести к отказу, выбрасывая исключение. Конечно, вы не хотите, чтобы это событие приводило к отказу всей системы. Но поскольку вы не управляете программой ввода, то следует ее использовать и организовать восстановление ситуации, при возникновении исключений. Вот возможная схема:

get_integer is

-- Получить целое от пользователя и сделать его доступным в

-- last_integer_read.

-- Если ввод некорректен, запросить повторения, столько раз,

-- сколько необходимо.

do

print ("Пожалуйста, введите целое: ")

read_one_integer

rescue

retry

end

Эта версия программы иллюстрирует стратегию повторения.

Очевидный недостаток - пользователь упорно вводит ошибочное значение, программа упорно запрашивает значение. Это не очень хорошее решение. Можно ввести верхнюю границу, скажем 5, числа попыток. Вот пересмотренная версия:

Maximum_attempts: INTEGER is 5

-- Число попыток, допустимых при вводе целого.

get_integer is

-- Попытка чтения целого, делая максимум Maximum_attempts попыток.

-- Установить значение integer_was_read в true или false

-- в зависимости от успеха чтения.

-- При успехе сделать целое доступным в last_integer_read.

local

attempts: INTEGER

do

if attempts < Maximum_attempts then

print ("Пожалуйста, введите целое: ")

read_one_integer

integer_was_read := True

else

integer_was_read := False

end

rescue

attempts := attempts + 1

retry

end

Предполагается, что включающий класс имеет булев атрибут integer_was_read.

Вызывающая программа должна использовать эту программу следующим образом, пытаясь введенное целое присвоить сущности n:

get_integer

if integer_was_read then

n := last_integer_read

else

"Иметь дело со случаем, в котором невозможно получить целое"

end

Восстановление при исключениях, сгенерированных операционной системой

Среди событий, включающих исключения, есть сигналы, посылаемые операционной системой, некоторые из которых являются следствием аппаратных прерываний. Примеры: арифметическое переполнение сверху и снизу, невозможные операции ввода-вывода, запрещенные команды, обращение к недоступной памяти, прерывания от пользователя (например, нажата клавиша break).

Теоретически можно рассматривать такие условия, как нарушение утверждений. Если a+b приводит к переполнению, то это означает, что вызов не удовлетворяет неявному предусловию функции + для целых или вещественных чисел, устанавливающее, что сумма двух чисел должна быть представима в компьютере. Подобное неявное предусловие задается при создании новых объектов (создание копии) - памяти должно быть достаточно. Отказы встречаются из-за того, что окружение - файлы, устройства, пользователи - не отвечают условиям применимости. Но в таких случаях непрактично или невозможно задавать утверждения, допуская их независимую проверку. Единственное решение - пытаться выполнить операцию, и, если аппаратура или операционная система выдает сигнал о ненормальном состоянии, рассматривать его как исключение.

Рассмотрим проблему написания функции quasi_inverse, возвращающей для каждого вещественного x обратную величину 1/x или 0, если x слишком мало.

Подобные задачи по существу нельзя реализовать, не используя механизм исключений. Единственный практичный способ узнать, можно ли для данного x получить обратную величину, это выполнить деление. Но деление может спровоцировать переполнение, и если нет механизма управления исключениями, то программа завершится отказом, и будет слишком поздно возвращать 0 в качестве результата.

На некоторых платформах можно написать функцию invertible, такую что invertible(x) равна true, если и только если обратная величина может быть вычислена. Тогда можно написать и quasi_inverse. Но это решение не будет переносимым, и может приводить к потере производительности при интенсивном использовании этой функции.

Механизм rescue-retry позволяет просто решить эту проблему, по крайней мере, на платформе, включающей сигнал при арифметическом переполнении:

quasi_inverse (x: REAL): REAL is

-- 1/x, если возможно, иначе 0

local

division_tried: BOOLEAN

do

if not division_tried then

Result := 1/x

end

rescue

division_tried := True

retry

end

Правила инициализации устанавливают значение false для division_tried в начале каждого вызова. В теле не нужно предложение else, поскольку инициализация установит Result равным 0.

Повторение программы, толерантной к неисправностям

Предположим, вы написали текстовый редактор, и к вашему стыду нет уверенности, что он полностью свободен от жучков. Но вам хочется передать эту версию некоторым пользователям для получения обратной связи. Нашлись смельчаки, готовые принять систему с оставшимися ошибками, понимая, что могут возникать ситуации, когда их запросы не будут выполнены. Но они не будут тестировать ваш редактор на серьезных текстах, (а именно это вам и требуется), если будут бояться, что отказы могут привести к катастрофе, например грубый выход с потерей текста, над которым шла работа последние полчаса. Используя механизм повторения, можно обеспечить защиту от такого поведения.

Предположим, что редактор, как это обычно бывает для подобных систем, содержит основной цикл, выполняющий команды редактора:

from ... until exit loop

execute_one_command

end

где тело программы execute_one_command имеет вид:

"Декодировать запрос пользователя"

"Выполнить команду, реализующую запрос"

Инструкция "Выполнить ..." выбирает нужную программу (например, удалить строку, заменить слово и так далее). Мы увидим в последующих лекциях, как техника наследования и динамическое связывание дает простые, элегантные структуры для подобных ветвящихся решений.

Будем исходить из того, что не все эти программы являются безопасными. Некоторые из них могут отказать в непредсказуемое время. Вы можете обеспечить примитивную, но эффективную защиту против таких событий, написав программу следующим образом:

execute_one_command is

-- Получить запрос от пользователя и, если возможно,

-- выполнить соответствующую команду.

do

"Декодировать запрос пользователя"

"Выполнить подходящую команду в ответ на запрос"

rescue

message ("Извините, эта команда отказала")

message ("Пожалуйста, попробуйте использовать другую команду")

message ("Пожалуйста, сообщите об отказе автору")

"Команды, латающие состояние редактора"

retry

end

Эта схема предполагает на практике, что поддерживаемые запросы пользователя включают: "сохранить текущее состояние работы", "завершить работу". Оба последних запроса должны работать корректно. Пользователь, получивший сообщение "Извините...", несомненно, захочет сохранить работу и выйти как можно скорее. Некоторые из программ, реализующих команды редактора, могут иметь собственные предложения rescue, хотя и приводящие к отказу, но предварительно выдающие более информативные сообщения.

N-версионное программирование

Другим примером повторения программы, толерантной к неисправностям, является реализация N-версионного программирования - подхода, улучшающего надежность ПО.

В основе N-версионного программирования лежит идея избыточности, доказавшая свою полезность в аппаратуре. В критически важных областях зачастую применяется дублирование аппаратуры, например, несколько компьютеров выполняют одни и те же вычисления, и есть компьютер-арбитр, сравнивающий результаты, и принимающий окончательное решение, если большинство компьютеров дало одинаковый результат. Этот подход хорошо защищает от случайных отказов в аппаратуре отдельного устройства. Он широко применяется в аэрокосмической области. (Известен случай, когда при запуске космического челнока сбой произошел в компьютере-арбитре). N-версионное программирование переносит этот подход на разработку ПО в критически важных областях. В этом случае создаются несколько программистских команд, каждая из которых независимо разрабатывает свою версию системы (программы). Предполагается, что ошибки, если они есть, будут у каждой команды свои.

Это спорная идея; возможно, лучше вложить средства в одну версию, добиваясь ее корректности, чем финансировать две или три несовершенных реализации. Проигнорируем, однако, эти возражения, пусть о полезности идеи судят другие. Нас будет интересовать возможность использования механизма retry в ситуации, где есть несколько реализаций, и используется первая из них, не заканчивающаяся отказом:

do_task is

-- Решить проблему, применяя одну из нескольких возможных реализаций.

require

...

local

attempts: INTEGER

do

if attempts = 0 then

implementation_1

elseif attempts = 1 then

implementation_2

end

ensure

...

rescue

attempts := attempts + 1

if attempts < 2 then

"Инструкции, восстанавливающие стабильное состояние"

retry

end

end

Обобщение на большее, чем две, число реализаций очевидно.

Этот пример демонстрирует типичное использование retry. Предложение rescue никогда не пытается достигнуть исходной цели, запуская, например, очередную реализацию. Достижение цели - привилегия нормального тела программы.

Заметьте, после двух попыток (в общем случае n попыток) предложение rescue достигает конца, не вызывая retry, следовательно, приводит к отказу.

Давайте рассмотрим более тщательно, что случается, когда включается исключение во время выполнения r. Нормальное выполнение (тела) останавливается; вместо этого начинает выполняться предложение rescue. После чего могут встретиться два случая:

[x]. Предложение rescue выполнит в конечном итоге retry. В этом случае начнется повторное выполнение тела программы. Эта новая попытка может быть успешной, тогда программа нормально завершится и управление вернется к клиенту. Вызов успешен, контракт выполнен. За исключением того, что вызов мог занять больше времени, никакого другого влияния появление исключения не оказывает. Если, однако, повторная попытка снова приводит к исключению, то вновь начнет работать предложение rescue.

[x]. Если предложение rescue не выполняет retry, оно завершится естественным образом, достигнув end. (В последнем примере это происходит, когда attempts >=2.) В этом случае программа завершается отказом; она возвращает управление клиенту, сигнализируя о неудаче выбрасыванием исключения. Поскольку клиент должен обработать возникшее исключение, то снова возникают два рассмотренных случая, теперь уже на уровне клиента.

Этот механизм строго соответствует принципу Дисциплинированной Обработки Исключения. Программа завершается либо успехом, либо отказом. В случае успеха ее тело выполняется до конца и гарантирует выполнение постусловия и инварианта. Когда выполнение прерывается исключением, то можно либо уведомить об отказе, либо попытаться повторно выполнить нормальное тело. Но нет никакой возможности выхода из предложения rescue, уведомив клиента, что все завершилось нормально.

Задача предложения rescue

Последний комментарий позволяет нам продвинуться в лучшем понимании механизма исключений, обосновав теоретическую роль предложения rescue. Формальные рассуждения помогут получить полную картину.

Корректность предложения rescue

Формальное определение корректности класса выдвигает два требования к компонентам класса. Первое (1) требует, чтобы процедуры создания гарантировали корректную инициализацию - выполнение инварианта класса. Второе (2) напрямую относится к нашему обсуждению, требуя от каждой программы, запущенной при условии выполнения предусловия и инварианта класса, выполнения в завершающем состоянии постусловия и инварианта класса. Диаграмма, описывающая жизненный цикл объекта, отражает эти требования:

Рис. 12.3.  Жизнь объекта

Формально правило (2) говорит:

3.

Для каждой экспортируемой программы r и любого множества правильных аргументов xr

{prer (xr) and INV} Bodyr {postr (xr) and INV}

Для простоты позвольте в дальнейшем рассмотрении игнорировать аргументы xr.

Пусть Rescuer обозначает ту часть предложения rescue, в которой игнорируются все ветви, ведущие к retry, другими словами в этой части сохраняются все ветви, доходящие до конца предложения rescue. Правило (2) задает спецификацию для программ тела - Bodyr. Можно ли получить такую же спецификацию для Rescuer? Она должна иметь вид:

{ ? } Rescuer { ? }

с заменой знаков вопроса соответствующими утверждениями. (Полезно, перед дальнейшим чтением постараться самостоятельно задать эти утверждения.)

Рассмотрим, прежде всего, предусловие для Rescuer. Любая попытка написать нечто не тривиальное будет ошибкой! Напомним, чем сильнее предусловие, тем проще работа программы. Любое предусловие для Rescuer ограничит число случаев, которыми должна управлять эта программа. Но она должна работать во всех ситуациях! Когда возникает исключение, ничего нельзя предполагать, - такова природа исключения. Нам не дано предугадать, когда компьютер даст сбой, или пользователю вздумается нажать клавишу "break".

Поэтому остается единственная возможность - предусловие для Rescuer равно True. Это самое слабое предусловие, удовлетворяющее всем состояниям и означающее, что Rescuer должна работать во всех ситуациях.

Для ленивого создателя Rescuer это "плохая новость", - тот случай, когда "заказчик всегда прав"!

Что можно сказать о постусловии Rescuer? Напомню, эта часть предложения rescue ведет к отказу, но, прежде чем передать управление клиенту, необходимо восстановить стабильное состояние. Это означает необходимость восстановления инварианта класса.

Отсюда следует правило, в котором уже больше нет знаков вопросов:

Правило корректности для включающего отказ предложения rescue

4.

{True} Rescuer {INV}

Похожие рассуждения дают правило для Retryr - части предложения rescue, включающей ветви, приводящие к инструкции retry:

Правило корректности для включающего повтор предложения rescue

5.

{True} Retryr {INV and prer }

Четкое разделение ролей

Интересно сравнить формальные роли тела и предложения Rescuer:

{prer and INV} Bodyr {postr (xr) INV}

{True} Rescuer {INV}

Входное утверждение сильнее для Bodyr - в то время, когда Rescuer не накладывает никаких требований, перед началом выполнение тела программы (предложения do) должно выполняться предусловие и инвариант. Это упрощает работу Bodyr.

Выходное утверждение также сильнее для Bodyr - в то время, когда Rescuer обязана восстановить только инвариант класса, Bodyr обязана сыграть свою роль и обеспечить истинность выполнения постусловия. Это делает ее работу более трудной.

Эти правила отражают разделение ролей между предложением do и предложением rescue. Задача тела обеспечить выполнение контракта программы, не управляя непосредственно исключениями. Задача rescue - управлять обработкой исключениями, возвращая управление либо телу программы, либо вызывающей программе. Но в обязанности rescue не входит обеспечение контракта.

Когда нет предложения rescue

Формализовав роль предложения rescue, вернемся к рассмотрению ситуации, когда это предложение отсутствует в программе. Правило для этого случая было введено ранее, но с обязательством его уточнения. Ранее полагалось, что отсутствующее предложение rescue эквивалентно присутствию пустого предложения (rescue end). В свете наших формальных правил это не всегда является приемлемым решением. Правило (3) требует:

{True} Rescuer {INV}

Если Rescuer является пустой инструкцией, а инвариант не тождественен True, то правило не выполняется.

Зададим точное правило. Класс Any является корневым классом - прародителем всех классов. В состав этого класса включена процедура default_rescue, наследуемая всеми классами - потомками Any:

default_rescue is

-- Обрабатывает исключение, если нет предложения rescue.

-- (По умолчанию: ничего не делает)

do

end

Программа, не имеющая предложения rescue, рассматривается теперь как эквивалентная программе с предложением rescue в следующей форме:

rescue

default_rescue

Каждый класс может переопределить default_rescue, для выполнения специфических действий, гарантирующих восстановление инварианта класса, вместо эффекта пустого действия, заданного по умолчанию в GENERAL. Механизм переопределения компонент класса будет изучаться в последующих лекциях, посвященных наследованию.

Вы, конечно, помните, что одна из ролей процедуры создания состоит в производстве состояния, удовлетворяющего инварианту класса INV. Отсюда понятно, что во многих случаях переопределение default_rescue может основываться на использовании процедур создания.

Продвинутая обработка исключений

Чрезвычайно простой механизм, разработанный до сих пор, удовлетворяет большинству потребностей обработки исключений. Но некоторые приложения могут требовать более тонкой настройки:

[x]. Возможно, требуется определить природу последнего исключения, чтобы разными исключениями управлять по-разному.

[x]. Возможно, требуется запретить включение исключений для некоторых сигналов.

[x]. Возможно, вы захотите включать собственные исключения.

Можно было бы соответствующим образом расширить механизм, встроенный в язык, но это не кажется правильным подходом. Вот, по меньшей мере, три причины. Первая - свойства нужны только от случая к случаю, так что они будут загромождать язык. Вторая - все, что касается сигналов, может зависеть от платформы, а язык должен быть переносимым. Наконец, третья, - когда выбирается множество подобных свойств, никогда нет полной уверенности, что позже вам не захочется добавить новое свойство, что требовало бы модификации языка - не очень приятная перспектива.

В таких ситуациях следует обращаться не к языку, но к поддерживающим библиотекам. Мы введем библиотечный класс EXCEPTIONS, обеспечивающий необходимые возможности тонкой настройки. Классы, нуждающиеся в таких свойствах, будут наследниками EXCEPTIONS. Некоторые разработчики могут предпочесть отношение встраивания вместо наследования.

Запросы при работе с классом EXCEPTIONS

Класс EXCEPTIONS обеспечивает несколько запросов для получения требуемой информации о последнем исключении. Прежде всего, можно получить целочисленный код этого исключения:

exception: INTEGER

-- Код последнего встретившегося исключения

original_exception: INTEGER

-- Код последнего исключения - первопричины текущего исключения

Разница между exception и original_exception важна в случае "организованной паники". Если программа получила исключение с кодом oc, указывающим на арифметическое переполнение, но не имеет предложения rescue, то вызывающая программа получит исключение, код которого, заданный значением exception, будет указывать на "отказ в вызванной программе". Но на этом этапе или выше по цепи вызовов может понадобиться выяснить оригинальное исключение - первопричину появления исключений - код oc, который и будет значением original_exception.

Коды исключений являются целыми. Значения для предопределенных исключений задаются целочисленными константами, обеспечиваемыми классом EXCEPTIONS (который наследует их от класса EXCEPTIONS_CONSTANTS). Вот несколько примеров:

Check_instruction: INTEGER is 7

-- Код исключения при нарушении утверждения check

Class_invariant: INTEGER is ...

-- Код исключения при нарушении инварианта класса

Incorrect_inspect_value: INTEGER is ...

-- Код исключения, когда проверяемое значение не является ни одной

-- ожидаемых констант, если отсутствует часть Else

Loop_invariant: INTEGER is ...

-- Код исключения при нарушении инварианта цикла

Loop_variant: INTEGER is ...

-- Код исключения при нарушении убывания варианта цикла

No_more_memory: INTEGER is ...

-- Код исключения при отказе в распределении памяти

Postcondition: INTEGER is ...

-- Код исключения при нарушении постусловия

Precondition: INTEGER is ...

-- Код исключения при нарушении предусловия

Routine_failure: INTEGER is ...

-- Код исключения при отказе вызванной программы

Void_assigned_to_expanded: INTEGER is ...

Так как значения констант не играют здесь роли, то показано только первое из них.

Приведу несколько других запросов, обеспечивающих при необходимости дополнительной информацией. Смысл запросов понятен из их описания:

meaning (except: INTEGER)

-- Сообщение, описывающее природу исключения с кодом except

is_assertion_violation: BOOLEAN

-- Является ли последнее исключение нарушением утверждения

-- или нарушением убывания варианта цикла

ensure

Result = (exception = Precondition) or (exception = Postcondition) or

(exception = Class_invariant) or

(exception = Loop_invariant) or (exception = Loop_variant)

is_system_exception: BOOLEAN

-- Является ли последнее исключение внешним событием

-- (ошибкой операционной системы)?

is_signal: BOOLEAN

-- Является ли последнее исключение сигналом операционной системы?

tag_name: STRING

-- Метка утверждения, нарушение которого привело к исключению

original_tag_name: STRING

-- Метка последнего нарушенного утверждения оригинальным исключением.

recipient_name: STRING

-- Имя программы, чье выполнение было прервано последним исключением

class_name: STRING

-- Имя класса, включающего получателя последнего исключения

original_recipient_name: STRING

-- Имя программы, чье выполнение было прервано

-- последним оригинальным исключением

original_class_name: STRING

-- Имя класса, включающего получателя последнего оригинального исключения

Имея эти свойства, предложение rescue может управлять каждым исключением особым способом. Например, в классе, наследуемом от EXCEPTIONS, предложение rescue можно написать так:

rescue

if is_assertion_violation then

"Случай, обрабатывающий нарушение утверждений"

else if is_signal then

"Случай, обрабатывающий сигналы операционной системы"

else

...

end

Используя класс EXCEPTIONS, можно модифицировать пример quasi_inverse, чтобы он выполнял retry только при переполнении. Другие исключения, например, нажатие пользователем клавиши "break" не должны приводить к retry. Инструкция в предложении rescue теперь может иметь вид:

if exception = Numerical_error then

division_tried := True; retry

end

Так как здесь нет else ветви, то исключения, отличные от Numerical_error, будут причиной отказа - корректное следствие, поскольку программа не имеет рецепта восстановления в подобных случаях. Иногда предложение rescue пишется специально для того, чтобы обработать определенный вид возможных исключений. Этот стиль позволяет избежать анализа других неожиданных видов исключений.

Какой должна быть степень контроля?

Могут возникнуть замечания по поводу уровня обработки специфических исключений, иллюстрируемых двумя последними примерами. В этой лекции проводилась та точка зрения, что исключение - нежелательное событие; когда оно возникает, то естественная реакция ПО и его разработчика - "я не хочу быть здесь! Выпустите меня отсюда, как можно скорее!". Это, кажется, несовместимым с проведением в предложении rescue глубокого анализа источника исключений.

По этой причине я пытался в моей собственной работе избегать детального разбора случаев причины исключений, стараясь показать, что обработка исключений лишь фиксирует ситуацию, если может, а затем либо fail, либо retry.

Этот стиль, вероятно, слишком строг, и некоторые разработчики предпочитают менее ограниченную схему, используя в полной мере механизм запросов класса EXCEPTIONS, позволяющий в тоже время оставаться дисциплинированным. Если вы хотите придерживаться такой схемы, то в классе EXCEPTIONS найдете все, что для этого нужно. Но всегда помните о следующем принципе:

Принцип Простоты Исключения

Вся обработка, выполняемая в предложении rescue, должна оставаться простой и фокусироваться на единственной цели - возвратить объект получателя в стабильное состояние, допуская повторение, если это возможно.

Исключения разработчика

Все исключения, изучаемые до сих пор, были результатом событий внешних по отношению к ПО (сигналы операционной системы) или принудительных следствий его работы (нарушение утверждений). В некоторых приложениях полезно, чтобы исключения возникали по воле разработчика в определенных ситуациях.

Такие исключения называются исключениями разработчика. Они характеризуются как целочисленным кодом, отличающимся от системных кодов, так и именем (строкой), которые могут быть использованы, например, в сообщениях об ошибке. Можно использовать следующие свойства для возбуждения исключения разработчика и для анализа его свойств в предложении rescue.

trigger (code: INTEGER; message: STRING)

-- Прерывает выполнение текущей программы, выбрасывая исключение с кодом

-- code и связанным текстовым сообщением.

developer_exception_code: INTEGER

-- Код последнего исключения разработчика

developer_exception_name: STRING

-- Имя, ассоциированное с последним исключением разработчика

is_developer_exception: BOOLEAN

-- Было ли последнее исключение исключением разработчика?

is_developer_exception_of_name (name: STRING): BOOLEAN

-- Имеет ли последнее исключение разработчика имя name?

ensure

Result := is_developer_exception and then

equal (name, developer_exception_name)

Иногда полезно связать с исключением разработчика контекст - произвольный объект, структура которого может быть полезной при обработке исключения разработчика:

set_developer_exception_context (c: ANY)

-- Определить c как контекст, связанный с последовательностью

-- исключений разработчика (причина вызова компонента trigger).

require

context_exists: c /= Void

developer_exception_context: ANY

-- Контекст, установленный последним вызовом

set_developer_exception_context

-- void, если нет такого вызова.

Эти свойства позволяют использовать стиль программирования, в котором обработка исключений представляет часть общего процесса работы с программными элементами. Авторы одного из трансляторов при разборе текстов предпочитали выбрасывать исключения при появлении особых случаев, после чего вызывать для их анализа специальные программы. Это не мой стиль работы, но по сути, ничего ошибочного в нем нет, так что механизм исключений разработчика для тех, кому нравится так работать.

Обсуждение

Мы закончили проектирование механизма исключений, совместимого с применяемым ОО-подходом, и следующего идеям Проектирования по Контракту. Благодаря инструкции retry, механизм получился более мощным, чем во многих языках программирования. В то же время он может казаться более строгим из-за акцента на сдержанность при определении точных причин исключения.

Давайте рассмотрим несколько альтернативных идей проектирования, которым можно было бы следовать, и обсудим, почему они были опущены.

Дисциплинированные исключения

Исключения, как они были введены, дают способ справиться с аномалиями, возникающими в процессе выполнения: нарушениями утверждений, сигналами аппаратуры, попытками получить доступ к void ссылкам.

Исследуемый нами подход основан на метафоре контракта, - ни при каких обстоятельствах программа не должна претендовать на успешность, когда фактически имеет место отказ в достижении цели. Программа может быть либо успешной (возможно, после исправления ситуации и нескольких попыток retry), либо приводить к отказу.

Исключения в языках Ada, CLU, PL/1 не следуют этой модели. В языке Ada ее инструкция

Raise exc

прервет выполнение программы и возвратит управление вызывающей программе, которая может обработать исключение в специальном обработчике, или вернет управление на уровень выше. Но здесь нет правила, ограничивающего действия обработчика. Следовательно, полностью возможно игнорировать исключение или вернуть альтернативный результат. Это объясняет, почему некоторые разработчики смотрят на механизм исключений просто как на средство обработки специальных случаев, не включенных в основной алгоритм. Такие приложения исключения рассматривают фактически raise как goto, что, очевидно, опасно, так как позволяет передавать управление за границы программы. По моему мнению, они злоупотребляют механизмом.

Традиционно есть две точки зрения на исключения. Первая признает исключения необходимым свойством. Она присуща большинству практикующих программистов, знающих как важно сохранить управление во время выполнения программы при возникновении ненормальных условий - аппаратных или программных ошибок. Вторая точка зрения присуща ученым, озабоченным корректностью и систематическим конструированием программ. Они с подозрением относятся к исключениям, рассматривая их как нечто нечистое, старающееся обойти стандартные правила управления программными структурами. Надеюсь, выше разработанный механизм способен примирить обе стороны.

Должны ли исключения быть объектами?

Фанатики объектной ориентации (многие ли из тех, кто открыл красоту этого подхода, не рискуют стать его фанатиками?) могут критиковать представленный механизм за то, что исключения не являются гражданами первого сорта в программном сообществе. Почему исключения не являются объектами?

В ОО-расширении Pascal в среде Delphi исключения действительно представлены объектами.

Не очень понятны преимущества такого решения. Некоторое обоснование можно будет найти в лекции 4 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", посвященной ответу на вопрос, каким должен быть класс. Объект является экземпляром абстрактно определенного типа данных, характеризуемого его компонентами. Исключение, конечно, как мы видели в классе EXCEPTIONS, имеет компоненты, заданные целочисленным кодом, текстовым сообщением. Но эти компоненты являются запросами, в то время, как истинные объекты имеют команды, изменяющие состояние объекта. Исключения не находятся под управлением программной системы; они результат событий, находящихся вне пределов ее достижимости.

Доступность их свойств через запросы и команды класса EXCEPTIONS достаточна для удовлетворения потребностей разработчиков, которые хотят обрабатывать исключения конкретного вида.

Методологическая перспектива

Финальное замечание и обзор. Обработка исключений, имеющая дело со специальными и нежелательными случаями, - не единственный ответ на общую проблему устойчивости. Мы уже приобрели некоторую методологическую интуицию, но более полный ответ появится в лекции, обсуждающей проектирование интерфейсов модулей, позволяя нам понять место обработки исключений в широком арсенале методов устойчивости и расширения.

Ключевые концепции

[x]. Обработка исключений - это механизм, позволяющий справиться с неожиданными условиями, возникшими в период выполнения.

[x]. Отказ - это невозможность во время выполнения программы выполнить свой контракт.

[x]. Программа получает исключение в результате: отказа вызванной ею программы, нарушения утверждений, сигналов аппаратуры или операционной системы об аномалиях, возникших в ходе их работы.

[x]. Программная система может включать также исключения, спроектированные разработчиком.

[x]. Программа имеет два способа справиться с исключениями - Повторение вычислений (Retry) и Организованная Паника. При Повторении тело программы выполняется заново. Организованная Паника означает отказ и формирование исключения у вызывающей программы.

[x]. Формальная роль обработчика исключений, не заканчивающегося retry, состоит в восстановлении инварианта, но не в обеспечении контракта программы. Последнее всегда является делом тела программы (предложения do). Формальная роль ветви, заканчивающейся retry, состоит в восстановлении инварианта и предусловия, так чтобы тело программы могло попытаться в новой попытке выполнить контракт.

[x]. Базисный механизм обработки исключений, включаемый в язык, должен оставаться простым, если только поощрять прямую цель обработки исключений - Организованную Панику или Повторение. Для приложений, нуждающихся в более тонком контроле над исключениями, доступен класс EXCEPTIONS, позволяющий добраться до свойств каждого вида исключений и провести их обработку. Этот класс позволяет создавать и обрабатывать исключения разработчика.

Библиографические замечания

[Liskov 1979] и [Cristian 1985] предлагали другие точки зрения на исключения. Многие из работ по ПО, толерантному к отказам, ведут начало от понятия "восстанавливающий блок" [Randell 1975]. Такой блок используется в задаче, когда основной алгоритм отказывается выдавать решение. Этим "восстанавливающий блок" отличается от предложения rescue, которое никогда не пытается достичь основной цели, хотя и может повторно запустить выполнение, предварительно "залатав" все повреждения.

[Hoare 1981] содержит критику механизма исключений Ada.

Подход к обработке исключений, разработанный в этой лекции, был впервые представлен в [M 1988e] и [M 1988].

Упражнения

У12.1 Наибольшее целое

Предположим, компьютер генерирует исключение, когда сложение целых дает переполнение. Используя обработку исключений, напишите приемлемую по эффективности функцию, возвращающую наибольшее положительное целое, представимое на этой машине.

У12.2 Объект Exception

Несмотря на скептицизм, высказанный в разделе "Обсуждение" этой лекции по поводу рассматривания исключений как объектов, займитесь развитием этой идеи и обсудите, как мог бы выглядеть класс EXCEPTION, полагая, что экземпляры этого класса обозначают исключения, появившиеся при выполнении. Не путайте его с классом EXCEPTIONS, который доступен благодаря наследованию и обеспечивает общие свойства исключений. Попытайтесь, в частности, наряду с запросами, включить команды в разрабатываемый вами класс.

Лекция 13. Поддерживающие механизмы

Выше рассмотрены все основные методы создания ОО-программного продукта, кроме одного важнейшего набора механизмов. Недостающий раздел - наследование и все, что к нему относится. Перед тем как перейти к этой последней составляющей подхода, опишем несколько механизмов, важных для создания систем: внешние программы и инкапсуляцию не ОО-программного продукта; передачу аргументов; структуры управления; выражения; действия со строками; ввод и вывод. Эти технические аспекты существенны для понимания дальнейших примеров. Они хорошо сочетаются с основными концепциями.

Взаимодействие с не объектным ПО

До сих пор, элементы ПО выражались полностью в ОО-нотации. Но программы появились задолго до распространения ОО-технологии. Часто возникает необходимость соединить объектное ПО с элементами, написанными, например, на языках С, Fortran или Pascal. Нотация должна поддерживать этот процесс.

Сначала следует рассмотреть языковой механизм, а затем поразмышлять над его более широким значением как части процесса разработки ОО-продукта.

Внешние программы

ОО-системы состоят из классов, образованных компонентами (features), в частности, подпрограммами, содержащими инструкции. Что же является правильным уровнем модульности (granularity) для интегрирования внешнего программного продукта?

Конструкция должна быть общей - это исключает классы, существующие только в ОО-языках. Инструкции - слишком низкий уровень. Последовательность, в которой две ОО-инструкции окаймляют инструкцию на языке С:

-- только в целях иллюстрации

create x l make (clone (a))

(struct A) *x = &y; /* A piece of C */

x.display

трудно было бы понять, проверить, сопровождать.

Остается уровень компонентов. Он разумен и допустим, поскольку инкапсуляция компонентов совместима с ОО-принципами. Класс является реализацией типа данных, защищенных скрытием информации. Компоненты - единицы взаимодействия класса с остальной частью ПО. Поскольку клиенты полагаются на официальную спецификацию компонентов (краткую форму) независящую от их реализации, внешнему миру не важно, как написан компонент - в ОО-нотации или нет.

Отсюда вытекает понятие внешней программы. Внешняя программа имеет большинство признаков нормальной программы: имя, список аргументов, тип результата, если это функция, предусловие и постусловие, если они уместны. Вместо предложения do она имеет предложение external, определяющее язык реализации. Следующий пример взят из класса, описывающего символьные файлы:

put (c: CHARACTER) is

-- Добавить c в конец файла.

require

write_open: open_for_write

external

"C" alias "_char_write";

ensure

one_more: count = old count + 1

end

Предложение alias факультативно и используется, только если оригинальное имя внешней программы отличается от имени, данного в классе. Это случается, когда внешнее имя недопустимо в ОО-нотации, например, имя, начинающееся с символа подчеркивания (используемое в языке С).

Улучшенные варианты

Описанный механизм включает большинство случаев и достаточен для целей описания нашей книги. На практике полезны некоторые уточнения:

[x]. Некоторые внешние программные элементы могут быть макросами. Они имеют вид подпрограмм в ОО-мире, но любой их вызов предполагает вставку тела макроса в точке вызова. Этого можно достичь вариацией имени языка (как, например, "C:[macro]...").

[x]. Необходимо также разрешить вызовы программ из "динамически присоединяемых библиотек" (DLL), доступных в Windows и других платформах. Программа DLL загружается динамически во время первого вызова. Имя программы и библиотеки разрешается также задавать динамически в период выполнения. Поддержка DLL должна включать как способ статической спецификации имени, так и полностью динамический подход с использованием библиотечных классов DYNAMIC_LIBRARY и DYNAMIC_ROUTINE. Эти классы можно инициализировать во время выполнения, создавая объекты, представляющие динамически определенные библиотеки и подпрограммы.

[x]. Необходима и связь в обратном направлении, позволяющая не объектному ПО создавать объекты и вызывать компоненты. Например, графической системе может понадобиться механизм обратного вызова (callback mechanism), вызывающий определенные компоненты класса.

Все эти возможности присутствуют в ОО-среде, описанной в последней лекции. Однако их подробное обсуждение - это отдельный разговор.

Использование внешних программ

Внешние программы являются частью ОО-метода, помогая сочетать старое ПО с новым. Любой метод проектирования ПО, допускающий возможность повторного использования, должен допускать программный код, написанный на других языках. Трудно было бы убедить потенциального пользователя, что надо отказаться от всего существующего ПО, поскольку с этой минуты начинается повторное использование.

Открытость остальному миру - требование большинства программных продуктов. Это можно назвать принципом скромности: авторы новых инструментов должны дать возможность пользователям иметь доступ к ранее имевшимся возможностям.

Внешние программы также необходимы для обеспечения доступа к аппаратуре и возможностям операционной системы. Типичный пример - класс файлов. Другой пример - класс ARRAY, чей интерфейс рассматривался в предыдущих лекциях, и чья реализация основана на внешних программах: процедура создания make использует программу распределения памяти, функция доступа item использует внешний механизм для быстрого доступа к элементам массива, и т.д.

Эта техника обеспечивает ясный интерфейс между ОО-миром и другими подходами. Для клиентов внешняя программа - это просто программа. В примере, программа на С _char_write обрела статус компонента (feature) класса, дополнена предусловием и постусловием и получила стандартное имя put. Возможности, внутренне опирающиеся на не ОО-механизмы, получают новую упаковку абстрактных данных, так что участники ОО-мира начинают рассматривать их как законных граждан сообщества, и их низкое происхождение никогда не упоминается в "изысканном обществе". ("Изысканное общество" не означает бесклассовое.)

ОО-изменение архитектуры (re-architecturing)

Понятие внешней программы хорошо соответствует остальной части подхода. Основной вклад метода - архитектурный: объектная технология говорит, как разработать структуру систем, чтобы обеспечить расширяемость, надежность и повторное использование. Она также говорит, как заполнить эту структуру. Но что по-настоящему определяет, является ли система объектной, - так это ее модульная организация. Для использования ОО-архитектуры часто разумно использовать прием, называемый обертыванием (wrap), одевая в одежды класса внутренние элементы.

Крайний, но не совсем абсурдный, способ использования нотации - построить систему полностью на внешних программах. Объектная технология тогда служит просто инструментом упаковки, использующим мощные механизмы инкапсуляции: классы, утверждения, скрытие информации, клиент, наследственность.

Но обычно нет причины заходить так далеко. ОО-нотация адекватна вычислениям любого рода и столь же эффективна, как и вычисления на языках Fortran или C. В каких случаях полезна ОО-инкапсуляция внешнего ПО? Один из них мы видели: обеспечение доступа к операциям, зависящим от платформы. Другой - проблема многих организаций - управление старым ПО, доставшимся в наследство и продолжающим широко использоваться. Объектная технология предлагает возможность обновления таких систем, изменяя их архитектуру, но не переписывая их полностью.

Эта техника, которую можно назвать ОО-перестройкой (object-oriented re-architecturing) дает интересное решение сохранения ценных свойств существующего ПО, готовя его к будущему расширению и эволюции.

Однако для этого необходимы определенные условия:

[x]. Необходимо суметь подобрать хорошие абстракции для старого ПО, которое, не будучи объектным, как правило, имеет дело с абстракциями функций, а не данных. Но в этом и состоит задача - обернуть старые функции в новые классы. Если с выделением абстракций не удастся справиться, то никакая ОО-перестройка не поможет.

[x]. Наследуемое ПО должно быть хорошего качества. Перестроенное старье остается старьем - возможно хуже первоначального, поскольку оно будет скрыто под слоями абстракции.

Эти два требования частично сходны, поскольку качество любого ПО в значительной степени определяется качеством его структуры.

Когда они выполнены, можно использовать внешний механизм для построения интересного ОО-программного продукта, основанного на прежних разработках. Приведем два примера, являющихся частью среды, описанной в последней лекции.

[x]. Библиотека Vision (библиотеки описываются в лекции 14 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования") дает переносимую графику и механизмы пользовательского интерфейса, позволяющие разработчикам создавать графические приложения для многих различных платформ с ощущением обычной перекомпиляции. Внутренне, она основана на "родных" механизмах, используемых во внешних программах. Точнее, ее нижний уровень инкапсулирует механизмы соответствующих платформ.

[x]. Другая библиотека, Math, обеспечивает широкий набор возможностей численных вычислений в таких областях как теория вероятностей, статистика, численное интегрирование, линейные и нелинейные уравнения, дифференциальные уравнения, оптимизация, быстрое преобразование Фурье, анализ временных рядов. Внутренне она основана на коммерческой библиотеке подпрограмм, библиотеке NAG от Nag Ltd., Oxford, но обеспечивает пользователям ОО-интерфейс. Библиотека скрывает используемые ею программы и предлагает абстрактные объекты, понятные математику, физику или экономисту, представленные классами: INTEGRATOR, BASIC_MATRIX, DISCRETE_FUNCTION, EXPONENTIAL_DISTRIBUTION. Прекрасные результаты достигаются благодаря качеству внешних программ - NAG аккумулирует сотни человеко-лет разработки и реализации численных алгоритмов. К нему добавлены ОО-преимущества: классы, скрытие информации, множественное наследование, утверждения, систематическая обработка ошибок через исключительные ситуации, согласованное именование.

Эти примеры типичны для сочетания лучших традиционных программных продуктов и объектной технологии.

Вопрос совместимости: гибридный программный продукт или гибридные языки?

Теоретически, мало кто не согласится с принципом скромности или будет отрицать необходимость механизма интеграции между ОО-разработками и старым ПО. Противоречия возникают, когда выбирается уровень интеграции.

Многие языки - самыми известными являются Objective-C, C++, Java, Object Pascal и Ada 95 - пошли по пути добавления ОО-конструкций в существовавший не ОО-язык. Они известны как гибридные языки (hybrid languages) - см. лекцию 17 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".

Техника интеграции, описанная выше, основывалась на внешних программах и ОО-перестройке. Это другой принцип: необходимость в совместимости ПО не означает перегрузку языка механизмами, могущими расходиться с принципами объектной технологии.

[x]. Гибрид добавляет новый языковой уровень к существующему языку, например С. В результате сложность может ограничить привлекательность объектной технологии - простоту идей.

[x]. Начинающие часто с трудом осваивают гибридный язык, поскольку для них неясно, что именно является ОО, а что досталось из прошлого.

[x]. Старые механизмы могут быть несовместимыми, по крайней мере, с некоторыми аспектами ОО-идей. Есть много примеров несоответствий между системой типов языков С или Pascal и ОО-подходом.

[x]. Не объектные механизмы часто конкурируют со своими аналогами. Например, C++ предлагает, наряду с динамическим связыванием, возможность динамического выбора, используя аппарат указателей функций. Это смущает неспециалиста, не понимающего, какой подход выбрать в данном случае. В результате, программный продукт, хотя и создан ОО-средой, по сути является реализацией на языке С, и не дает ожидаемого качества и производительности, дискредитируя объектную технологию.

Если целью является получение наилучших программных продуктов и процесса их разработки, то компромисс на уровне языка кажется неправильным подходом. Взаимодействие (Interfacing) ОО-инструментария и приемов с достижениями прошлого и смешивание (mixing) различных уровней технологии - не одно и то же.

Можно привести пример из электроники. Конечно, полезно сочетать различные уровни технологии в одной системе, например, звуковой усилитель включает несколько диодов наряду с транзисторами и интегральными схемами. Но мало проку от компонента, который является полудиодом, полутранзистором.

ОО-разработка должна обеспечивать совместимость с ПО, построенным на других подходах, но не за счет преимуществ и целостности метода. Этого и достигает внешний механизм: отдельные миры, каждый из которых состоятелен и имеет свои достоинства, и четкий интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между ними.

Передача аргументов

Один из аспектов нотации требует разъяснений: что происходит со значениями, переданными в качестве аргументов подпрограмме?

Рассмотрим вызов в форме

r (a1, a2, ..., an)

соответствующий программе

r (x1: T1, x2: T2, ..., xn: Tn) is ...

где r может быть как функцией, так и процедурой, и вызов может быть квалифицированным, как в b.r (...). Выражения a_1, a_2, ..., an называются фактическими аргументами, а xi - формальными. (Помните, что для родовых параметров типа остается термин "параметр".)

Встают важные вопросы: каково соответствие между фактическими и формальными аргументами? Какие операции допустимы над формальными аргументами? Каково их влияние на соответствующие фактические аргументы?

Ответ на первый вопрос: эффект связывания фактических - формальных аргументов таков же как соответствующего присваивания. Обе операции называются присоединением (attachment). В предыдущем вызове можно считать, что запуск программы начинается с выполнения команд, неформально эквивалентных присваиваниям:

x1 := a1; x2 := a2;... xn := an

Ответ на второй вопрос: внутри тела программы любой формальный аргумент x защищен. Программа не может применять к нему прямых модификаций, таких как:

[x]. Присваивание x значения в форме x := ...

[x]. Процедуры создания, где x является целью: create x.make (...)

Читатели, знакомые с механизмом передачи, известным как вызов по значению, поймут, что здесь ограничения более строгое: при вызове по значению формальные аргументы инициализируются значениями фактических, но затем могут быть целью любых операций.

Ответ на третий вопрос - что может программа делать с фактическими аргументами? - вытекает из того, что присоединение используется для задания семантики связывания формальных и фактических аргументов. Присоединение (см. лекцию 8) означает копирование либо ссылки, либо объекта. Это зависит от того, являются ли соответствующие типы развернутыми:

[x]. Для ссылок (обычный случай) при передаче аргументов копируется ссылка, - Void, либо присоединенная к объекту.

[x]. Для развернутых типов (включающих основные типы INTEGER, REAL и т.п.), при передаче аргументов копируется объект.

В первом случае, запрет операций прямой модификации означает, что нельзя модифицировать ссылку (reference) через повторное присоединение или создание. Но если ссылка не пустая, то разрешается модифицировать присоединенный объект.

Рис. 13.1.  Допустимые операции на аргументе ссылки

Если xi - один из формальных аргументов r, то тело программы может содержать вызов:

xi.p (...)

где p - процедура, применимая к xi, (объявлена в базовом классе типа Ti аргумента xi). Процедура может модифицировать поля объекта, присоединенного к xi во время выполнения, то есть объекта, присоединенного к соответствующему фактическому аргументу ai.

Вызов q (a) никогда не может изменить значение a, если a развернутого типа и является объектом. Если же a является ссылкой, то ссылка не меняется, но объект, присоединенный к ней, может измениться в результате вызова.

Существует много причин, по которым не следует позволять программам прямую модификацию их аргументов. Одна из самых убедительных - Конфликтующие присваивания. Предположим, что язык допускает присваивания аргументам, и процедура13.1)

dont_I_look_innocuous (a, b: INTEGER) is -- я выгляжу

-- безвредной, но не стоит мне доверять.

do

a := 0; b := 1

end

Теперь рассмотрим вызов dont_I_look_innocuous (x, x). Каково значение x после возвращения: 0 или 1? Ответ зависит от того, как компилятор реализует изменения формальных - фактических аргументов при выходе программы. Это ставит в тупик не только программистов, использующих язык Fortran.

Разрешение программе изменять аргументы приводит к ограничениям на фактические аргументы. В этом случае он должен быть элементом, способным изменять свое значение, что допустимо для переменных, но не постоянных атрибутов (см. лекцию 18). Недопустимым фактическим аргументом становится сущность Current, выражения, такие как a + b. Устранение модификации аргументов позволяет избежать подобных ограничений и использовать любые выражения в качестве фактических аргументов.

Следствием этих правил является признание того, что только три способа допускают модификацию значения ссылки x: процедура создания create x...; присваивание x := y; и попытка присваивания x ?= y, обсуждаемая ниже. Передача x как фактического аргумента никогда не модифицирует x.

Это также означает, что процедура не возвращает ни одного результата, функция - официальный результат, представленный сущностью Result. Для получения нескольких результатов необходимо одно из двух:

[x]. Использовать функцию, возвращающую объект с несколькими полями (обычно, возвращается ссылка на такой объект).

[x]. Использовать процедуру, изменяющую поля объектов соответствующих атрибутов. Затем клиент может выполнять запросы к этим полям.

Первый прием уместен, когда речь идет о составном результате. Например, функция не может возвращать два значения, соответствующих заглавию и году публикации книги, но может возвращать одно значение типа BOOK, с атрибутами title и publication_year. В более общих ситуациях применяются процедуры. Эта техника будет обсуждаться вместе с вопросом побочных эффектов в разделе принципов модульного проектирования13.2).

Инструкции

ОО-нотация, разработанная в этой книге, императивна: вычисления специфицируются через команды (commands), также называемые инструкциями (instructions). (Мы избегаем обычно применимого термина оператор (предложение) (statement), поскольку в слове есть оттенок выражения, описывающего факты, а хотелось подчеркнуть императивный характер команды.)

Для имеющих опыт работы с современными языками инструкции выглядят как хорошие знакомые. Исключение составляют некоторые специальные свойства циклов, облегчающие их верификацию. Вот список инструкций: Вызов процедуры, Присваивание, Условие, Множественный выбор, Цикл, Проверка, Отладка, Повторное выполнение, Попытка присваивания.

Вызов процедуры

При вызове указывается имя подпрограммы, возможно, с фактическими аргументами. В инструкции вызова подпрограмма должна быть процедурой. Вызов функции является выражением. Хотя сейчас нас интересуют инструкции, следующие правила применимы в обоих случаях.

Вызов может быть квалифицированным или неквалифицированным. Для неквалифицированного вызова подпрограммы из включающего класса в качестве цели используется текущий экземпляр класса. Этот вызов имеет вид:

r (без аргументов), или

r (x, y, ...) (с аргументами)

Квалифицированный вызов явно называет свою цель, заданную некоторым выражением. Если a - выражение некоторого типа, C - базовый класс этого типа, а - q одна из программ C, то квалифицированный вызов имеет форму a.q. Опять же, за q может следовать список фактических аргументов; a может быть неквалифицированным вызовом функции с аргументами, как в p (m).q (n), где p(m) - это цель. В качестве цели можно также использовать более сложное выражение при условии заключения его в скобки, как в (vector1 + vector2).count.

Также разрешаются квалифицированные вызовы с многоточием в форме: a.q_1q_2 ...qn, где a, так же, как и qi , может включать список фактических аргументов.

Экспорт управляет применением квалифицированных вызовов. Напомним, что компонент f, объявленный в классе B, доступен в классе A (экспортирован классу), если предложение feature, объявляющее f, начинается с feature (без дальнейшего уточнения) или feature {X, Y,... }, где один из элементов списка {X, Y,...} является A или предком A. Имеет место:

Правило Квалифицированного Вызова

Квалифицированный вызов вида b.q_1. q_2.... qn, появляющийся в классе C корректен, только если он удовлетворяет следующим условиям:

1 Компонент, стоящий после первой точки, q_1, должен быть доступен в классе C.

2 В вызове с многоточием, каждый компонент после второй точки, то есть каждое qi для i > 1, должен быть доступен в классе C.

Чтобы понять причину существования второго правила, отметим, что a.q.r.s - краткая запись для

b:= a.q; c:=b.r; c.s

которая верна только, если q, r и s доступны классу C, в котором появляется этот фрагмент. Не имеет значения, доступно ли r базовому классу типа q, и доступно ли s базовому классу типа r.

Вызовы могут иметь инфиксную или префиксную форму. Выражение a + b, записанное в инфиксной форме, может быть переписано в префиксной форме: a.plus (b). Для обеих форм действуют одинаковые правила применимости.

Присваивание (Assignment)

Инструкция присваивания записывается в виде:

x := e

где x - сущность, допускающая запись (writable), а e - выражение совместимого типа. Такая сущность может быть:

[x]. неконстантным атрибутом включающего класса;

[x]. локальной сущностью включающей подпрограммы. Для функции допустима сущность Result.

Сущности, не допускающие запись, включают константные атрибуты и формальные аргументы программы - которым, как мы видели, подпрограмма не может присваивать новое значение.

Создание (Creation)

Инструкция создания изучалась в предыдущих лекциях13.3) в двух ее формах: без процедуры создания, как в create x, и с процедурой создания, как в create x.p (...). В обоих случаях x должна быть сущностью, допускающей запись.

Условная Инструкция (Conditional)

Эта инструкция задает различные формы обработки в зависимости от выполнения определенных условий. Основная форма:

if boolean_expression then

instruction; instruction; ...

else

instruction; instruction; ...

end

где каждая ветвь может иметь произвольное число инструкций (а возможно и не иметь их).

Будут выполняться инструкции первой ветви, если boolean_expression верно, а иначе - второй ветви. Можно опустить часть else, если второй список инструкций пуст, что дает:

if boolean_expression then

instruction; instruction; ...

end

Когда есть более двух возможных случаев, можно избежать вложения (nesting) условных команд в частях else, используя одну или более ветвей elseif, как в:

if c1 then

instruction; instruction; ...

elseif c2 then

instruction; instruction; ...

elseif c3 then

instruction; instruction; ...

...

else

instruction; instruction; ...

end

где часть else остается факультативной. Это дает возможность избежать вложения

if c1 then

instruction; instruction; ...

else

if c2 then

instruction; instruction; ...

else

if c3 then

instruction; instruction; ...

...

else

instruction; instruction; ...

end

end

end

Когда необходим множественный разбор случаев, более удобна инструкция множественного выбора inspect, обсуждаемая ниже.

ОО-метод, благодаря полиморфизму и динамическому связыванию, уменьшает необходимость явных условных инструкций и множественного выбора, поддерживая неявную форму выбора. Когда объект применяет некоторый компонент, имеющий несколько вариантов, то во время выполнения нужный вариант выбирается автоматически в соответствии с типом объекта. Этот неявный стиль выбора обычно предпочтительнее, но, конечно, инструкции явного выбора остаются необходимыми.

Множественный выбор

Инструкция множественного выбора (также известная, как инструкция Case) производит разбор вариантов, имеющих форму: e = vi , где e - выражение, а vi - константы то же типа. Хотя условная инструкция (if e = v_1 then ...elseif e = v_2 then...) работает, есть две причины, оправдывающие применение специальной инструкции, что является исключением из обычного правила: "если нотация дает хороший способ сделать что-то, нет необходимости вводить другой способ". Вот эти причины:

[x]. Разбор случаев настолько распространен, что заслуживает особого синтаксиса, увеличивающего ясность, позволяя избежать бесполезного повторения "e =".

[x]. Компиляторы могут использовать особенно эффективную технику реализации, - таблицу переходов (jump table), - неприменимую к общим условным инструкциям и избегающую явных проверок.

Что касается типа анализируемых величин (тип e и vi), то инструкции множественного выбора достаточно поддерживать только целые и булевы значения. Согласно правилу, они фактически должны объявляться либо все как INTEGER, либо как CHARACTER. Общая форма инструкции такова:

inspect

e

when v1 then

instruction; instruction; ...

when v2 then

instruction; instruction; ...

...

else

instruction; instruction; ...

end

Все значения vi должны быть различными; часть else факультативна; каждая из ветвей может иметь произвольное число инструкций или не иметь их.

Инструкция действует так: если значение e равно значению vi (это может быть только для одного из них), выполняются инструкции соответствующей ветви; иначе, выполняются инструкции в ветви else, если они есть.

Если отсутствует else, и значение e не соответствует ни одному vi, то возникает исключительная ситуация ("Некорректно проверяемое значение"). Это решение может вызвать удивление, поскольку соответствующая условная инструкция в этом случае ничего не делает. Но оно характеризует специфику инструкции множественного выбора. Когда вы пишете inspect с набором значений vi, нужно включить ветвь else, даже пустую, если вы понимаете, что во время выполнения значения e могут не соответствовать никаким vi. Если вы не включаете else, то это эквивалентно явному утверждению: "значение e всегда является одним из vi". Проверяя это утверждение и создавая исключительную ситуацию при его нарушении, реализация оказывает нам услугу. Бездействие в данной ситуации - означает ошибку - в любом случае, ее необходимо устранить как можно раньше.

Одно из частых приложений инструкции множественного выбора - анализ символа, введенного пользователем13.4):

inspect

first_input_letter

when 'D' then

"Удалить строку"

when 'I' then

"Вставить строку"

...

else

message ("Неопознанная команда; введите H для получения справки")

end

Когда значения vi целые, то они могут быть определены как уникальные (unique values), концепция которых рассмотрена в следующей лекции. Это делает возможным в объявлении определить несколько абстрактных констант, например, Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si: INTEGER is unique, и затем анализировать их в инструкции: inspect note when Do then...when Re then...end.

Как и условные инструкции, инструкции множественного выбора не должны использоваться для замены неявного выбора, основанного на динамическом связывании.

Циклы

Синтаксис циклов описан при обсуждении Проектирования по Контракту (лекция 11):

from

initialization_instructions

invariant

invariant

variant

variant

until

exit_condition

loop

loop_instructions

end

Предложения invariant и variant факультативны. Предложение from требуется, хотя и может быть пустым. Оно задает инициализацию параметров цикла. Не рассматривая сейчас факультативные предложения, выполнение цикла можно описать следующим образом. Вначале происходит инициализация, и выполняются initialization_instructions. Затем следует "циклический процесс", определяемый так: если exit_condition верно, то циклический процесс - пустая инструкция (null instruction); если условие неверно, то циклический процесс - это выполнение loop_instructions, затем следует (рекурсивно) повторение циклического процесса.

Проверка

Инструкция проверки рассматривалась при обсуждении утверждений (лекция 11). Она говорит, что определенные утверждения должны удовлетворяться в определенных точках:

check

assertion -- Одно или больше предложений

end

Отладка

Инструкция отладки является средством условной компиляции. Она записывается так:

debug instruction; instruction; ... end

В файле управления (Ace-файле) для каждого класса можно включить или отключить параметр debug. При его включении все инструкции отладки данного класса выполняются, при отключении - они не влияют на выполнение.

Эту инструкцию можно использовать для включения специальных действий, выполняющихся только в режиме отладки, например, печати некоторых величин.

Повторение вычислений

Инструкция повторного выполнения рассматривалась при обсуждении исключительных ситуаций (лекция 12). Она появляется только в предложении rescue, повторно запуская тело подпрограммы, работа которой была прервана.

Выражения

Выражение задает вычисление, вырабатывающее значение, - объект или ссылку на объект. Выражениями являются:

[x]. неименованные (манифестные) константы;

[x]. сущности (атрибуты, локальные сущности, формальные аргументы, Result);

[x]. вызовы функций;

[x]. выражения с операторами (технически - это специальный случай вызова функций);

[x]. Current.

Манифестные константы

Неименованная или манифестная константа задается значением, синтаксис которого позволяет определить и тип этого значения, например, целое 0. Этим она отличается от символьной константы, чье имя не зависит от значения.

Булевых констант две, - True и False. Целые константы имеют обычную форму, например:

453 -678 +66623

В записи вещественных (real) констант присутствует десятичная точка. Целая, либо дробная часть может отсутствовать. Может присутствовать знак и экспонента, например:

52.5 -54.44 +45.01 .983 -897. 999.e12

Символьные константы состоят из одного символа в одинарных кавычках, например, 'A'. Для цепочек из нескольких символов используется библиотечный класс STRING, описанный ниже.

Вызовы функций

Вызовы функций имеют такой же синтаксис, как и вызовы процедур. Они могут быть квалифицированные и неквалифицированные: в первом случае используется нотация с многоточием. При соответствующих объявлениях класса и функций, они, например, таковы:

b.f

b.g(x, y, ...)

b.h(u, v).i.j(x, y, ...)

Правило квалифицированного вызова, приведенное для процедур, применимо также к вызовам функций.

Текущий объект

Зарезервированное слово Current означает текущий экземпляр класса и может использоваться в выражении. Само Current - тоже выражение, а не сущность, допускающая запись. Значит присваивание Current, например, Current := some_value будет синтаксически неверным.

При ссылке на компонент (атрибут или программу) текущего экземпляра нет необходимости писать Current.f, достаточно написать f. Поэтому Current используется реже, чем в ОО-языках, где каждая ссылка на компонент должна быть явно квалифицированной. (Например, в Smalltalk компонент всегда квалифицирован, даже когда он применим к текущему экземпляру.) Случаи, когда надо явно называть Current включают:

[x]. Передачу текущего экземпляра в качестве аргумента в программу, как в a.f (Current). Обычное применение - создание копии (duplicate) текущего экземпляра, как в x: = clone (Current).

[x]. Проверку,- присоединена ли ссылка к текущему экземпляру, как в проверке x = Current.

[x]. Использование Current в качестве опорного элемента в "закрепленном объявлении" в форме like Current (лекция 16).

Выражения с операторами

Выражения могут включать знаки операций или операторы.

Унарные операторы + и - применяются к целым и вещественным выражениям и не применяются к булевым выражениям.

Бинарные операторы, имеющие точно два операнда, включают операторы отношения:

= /= < > <= >=

где /= означает "не равно". Значение отношения имеет булев тип.

Выражения могут включать один или несколько операндов, соединенных операторами. Численные операнды могут соединяться следующими операторами:

+ - . / ^ // \\

где // целочисленное деление, \\ целый остаток, а ^ степень (возведение в степень).

Булевы операнды могут соединяться операторами: and, or, xor, and then, or else, implies. Последние три объясняются в следующем разделе; xor - исключающее или.

Предшествование операторов, основанное на соглашениях обычной математики, строится по "Принципу Наименьшей Неожиданности". Во избежание неопределенности и путаницы, в книге используются скобки, даже там, где они не очень нужны.

Нестрогие булевы операторы

Операторы and then и or else (названия заимствованы из языка Ada), а также implies не коммутативны и называются нестрогими (non-strict) булевыми операторами. Их семантика следующая:

Нестрогие булевы операторы

[x]. a and then b ложно, если a ложно, иначе имеет значение b.

[x]. a or else b истинно, если a истинно, иначе имеет значение b.

[x]. a implies b имеет то же значение, что и: (not a) or else b.

Первые два определения, как может показаться, дают ту же семантику, что и and и or. Но разница выявляется, когда b не определено. В этом случае выражения, использующие стандартные булевы операторы, математически не определены, но данные выше определения дают результат: если a ложно, то a and then b ложно независимо от b; а если a истинно, то a and then b истинно независимо от b. Аналогично, a implies b истинно, если a ложно, даже если b не определено.

Итак, нестрогие операторы могут давать результат, когда стандартные не дают его. Типичный пример:

(i /= 0) and then (j // i = k)

которое, согласно определению, ложно, если i равно 0. Если бы в выражении использовался and, а не and then, то из-за неопределенности второго операнда при i равном 0 статус выражения неясен. Эта неопределенность скажется во время выполнения:

1 Если компилятор создает код, вычисляющий оба операнда, то во время выполнения произойдет деление на ноль, и возникнет исключительная ситуация.

2 Если же генерируется код, вычисляющий второй операнд только тогда, когда первый истинен, то при i равном 0 возвратится значение ложь.

Для гарантии интерпретации (2), используйте and then. Аналогично,

(i = 0) or else (j // i /= k)

истинно, если i равно 0, а вариант or может дать ошибку во время выполнения.

Можно недоумевать, почему необходимы два новых оператора - не проще и не надежнее ли просто поддерживать стандарт операторов and и or и принимать, что они означают and then и or else? Это не изменило бы значение булева выражения, когда оба оператора определены, но расширило бы круг случаев, где выражения могут получить непротиворечивое значение. Именно так некоторые языки программирования, в частности, ALGOL, W и C, интерпретируют булевы операторы. Однако есть теоретические и практические причины сохранять два набора различных операторов.

[x]. С точки зрения теории, стандартные математические булевы операторы коммутативны: a and b всегда имеет значение такое же, как b and a, в то время как a and then b может быть определенным, когда b and then a не определено. Когда порядок операндов не имеет значения, предпочтительно использовать коммутативный оператор.

[x]. С точки зрения практики, некоторые оптимизации компилятора становятся невозможными, если требуется, чтобы компилятор вычислял операнды в заданном выражением порядке, как в случае с некоммутативными операторами. Поэтому лучше использовать стандартные операторы, если известно, что оба операнда определены.

Отметим, что можно смоделировать нестрогие операторы посредством условных команд на языке, не включающем такие операторы. Например, вместо

b := ((i /= 0) and then (j // i = k))

можно написать

if i = 0 then b := false else b := (j // i = k) end

Нестрогая форма, конечно, проще. Это особенно ясно, когда она используется как условие выхода из цикла:

from

i := a.lower

invariant

-- Для всех элементов из интервала [a.lower .. i - 1], (a @ i) /= x

variant

a.upper - i

until

i > a.upper or else (a @ i = x)

loop

i := i + 1

end;

Result := (i <= a.upper)

Цель - сделать Result верным, если и только если значение x находится в массиве a. Использование or здесь будет неверным. В этом случае всегда могут вычисляться два операнда, так что при истинности первого операнда (i > a.upper) произойдет попытка доступа к несуществующему элементу массива a @(aupper+1), что приведет к ошибке во время выполнения (нарушение предусловия при включенной проверке утверждений).

Решение без нестрогих операторов будет неэлегантным.

Другой пример - утверждение, например, инварианта класса, выражающее, что первое значение списка l целых неотрицательно, при условии, что список непустой:

l.empty or else l.first >= 0

При использовании or инвариант был бы некорректен. Здесь нет способа написать условие без нестрогих операторов (кроме написания специальной функции и вызова ее в утверждении). Базовые библиотеки алгоритмов и структур данных содержат много таких случаев.

Оператор implies, описывающий включения, также нестрогий. Форма implies менее привычна, но часто более ясна, например, последний пример выглядит лучше в записи:

(not l.empty) implies (l.first >= 0)

Строки

Класс STRING описывает символьные строки. Он имеет специальный статус, поскольку нотация допускает манифестные строковые константы, обозначающие экземпляры STRING.

Строковая константа записывается в двойных кавычках, например,

"ABcd Ef ~*_ 01"

Символ двойных кавычек должны предваряться знаком %, если он появляется как один из символов строки.

Неконстантные строки также являются экземплярами класса STRING, чья процедура создания make принимает в качестве аргумента ожидаемую начальную длину строки, так что

text1, text2: STRING; n: INTEGER;

...

create text1.make (n)

динамически размещает строку text1, резервируя пространство для n символов. Заметим, что n - только исходный размер, не максимальный. Любая строка может увеличиваться и сжиматься до произвольного размера.

На экземплярах STRING доступны многочисленные операции: сцепление, выделение символов и подстрок, сравнение и т.д. (Они могут изменять размер строки, автоматически запуская повторное размещение, если размер строки становится больше текущего.)

Присваивание строк означает разделение (sharing): после text2 := text1, любая модификация text1 модифицирует text2, и наоборот. Для получения копии строки, а не копии ссылки, используется клонирование text2 := clone (text1).

Константную строку можно объявить как атрибут:

message: STRING is "Your message here"

Ввод и вывод

Два класса библиотеки KERNEL обеспечивают основные средства ввода и вывода: FILE и STD_FILES.

Среди операций, определенных для объекта f типа FILE, есть следующие:

create f.make ("name") -- Связывает f с файлом по имени name.

f.open_write -- Открытие f для записи

f.open_read -- Открытие f для чтения

f.put_string ("A_STRING") -- Запись данной строки в файл f

Операции ввода-вывода стандартных файлов ввода, вывода и ошибок, можно наследовать из класса STD_FILES, определяющего компоненты input, output и error. В качестве альтернативы можно использовать предопределенное значение io, как в io.put_string ("ABC"), обходя наследование.

Лексические соглашения

Идентификатор - это последовательность из символа подчеркивания, буквенных и цифровых символов, начинающаяся с буквы. Нет ограничений на длину идентификатора, что позволяет сделать ясными имена компонентов и классов.

Регистр в идентификаторах не учитывается, так что Hi, hi, HI и hI - все означают один и тот же идентификатор. Было бы опасным позволять двум идентификаторам, различающимся только одним символом, скажем Structure и structure, обозначать различные элементы. Лучше попросить разработчиков включить воображение, чем рисковать возникновением ошибок.

Нотация включает набор точных стандартных соглашений по стилю (см. лекцию 26 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования"): имена классов (INTEGER, POINT ...) и формальные родовые параметры (G в LIST [G]) записываются в верхнем регистре; предопределенные сущности и выражения (Result, Current...) и константные атрибуты (Pi) начинаются с буквы верхнего регистра и продолжаются в нижнем регистре. Все другие идентификаторы (неконстантные атрибуты, формальные аргументы программ, локальные сущности) - в нижнем регистре. Хотя компиляторы не проверяют эти соглашения, не являющиеся частью спецификации, они важны для удобочитаемости текстов программных продуктов и последовательно применяются в библиотеках и текстах этой книги.

Ключевые концепции

[x]. Внешние программы доступны через хорошо определенный интерфейс.

[x]. Объектная технология может служить в качестве механизма упаковки наследуемого ПО.

[x]. Подпрограммы не могут модифицировать свои аргументы, хотя они могут изменять объекты, связанные с этими аргументами.

[x]. Нотация включает небольшой набор инструкций: присваивания, выбора, цикла, вызова, отладки и проверки.

[x]. Выражения следуют общепринятому стилю. Current - выражение, обозначающее текущий экземпляр. Не будучи сущностью, Current не может быть целью присваивания.

[x]. Нестрогие булевы операторы эквивалентны стандартным булевым оператором, когда определены оба операнда, но могут быть определенными в случаях, когда стандартные операторы не определены.

[x]. Строки, ввод и вывод определяются простыми библиотечными классами.

[x]. Регистр незначим в идентификаторах, хотя правила стиля включают рекомендуемые соглашения по записи имен.

Упражнения

У13.1 Внешние классы

При обсуждении интеграции внешнего не объектного ПО с объектной системой отмечалось, что компоненты являются тем уровнем, на котором нужно осуществлять интеграцию. Когда же речь идет об интеграции с ПО, созданным на другом объектном языке, уровнем интеграции могут быть классы. Рассмотрите понятие "внешнего класса" как дополнение к нотации книги.

У13.2 Избегая нестрогих операторов

Напишите цикл для поиска элемента x в массиве a, подобный алгоритму в этой лекции, но не использующий нестрогих операторов.

Лекция 14. Введение в наследование

Интересные системы редко рождаются на пустом месте. Почти всегда новые программы являются расширениями предыдущих разработок, лучший способ создания нового - это подражание старым образцам, их уточнение и комбинирование. Традиционные методы проектирования по большей части не уделяли внимания этому аспекту разработки. В ОО-технологии он является весьма существенным.

Многоугольники и прямоугольники

Ранее изученные приемы явно недостаточны. Классы, конечно, дают способ хорошей декомпозиции на модули и обладают многими качествами, ожидаемыми от повторно используемых компонентов: они являются однородными, согласованными модулями; в соответствии с принципом Скрытия информации можно легко отделять интерфейсы от реализаций; универсальность придает им определенную гибкость, а благодаря утверждениям, можно точно задавать их семантику. Но для достижения повторного использования и расширяемости нужно нечто большее.

Всякий комплексный подход, обеспечивающий повторное использование, должен столкнуться с проблемой повторяемости (repetition) и изменчивости (variation), проанализированной в одной из предыдущих лекций (см. лекцию 4). Для устранения многократного переписывания одного и того же кода, ведущего к потерям времени, появлению противоречий и ошибок, нужны методы, улавливающие поразительную общность, присущую многим группам однотипных структур - всем текстовым редакторам, всем таблицам, всем программам обработки файлов, - учитывая при этом многие различия в характеристиках конкретных случаев.

При обеспечении расширяемости (extendibility) преимущество описанной выше системы типов состоит в гарантированной совместности во время компиляции, но она запрещает многие вполне законные комбинации элементов. Например, нельзя объявить массив, содержащий геометрические объекты различных совместных типов, таких как POINT (ТОЧКА) и SEGMENT(ОТРЕЗОК).

Чтобы достичь прогресса в повторном использовании или в расширяемости требуется воспользоваться преимуществами концептуальных отношений между классами: один класс может быть расширением, специализацией или комбинацией других классов. Метод и язык должны поддерживать запись и использование этих отношений. Эта поддержку выполняет наследование.

Центральная и восхитительная составляющая объектной технологии - отношение наследования - потребует для полного освоения нескольких лекций. В данной лекции рассматриваются фундаментальные понятия. В трех следующих описываются более специальные аспекты: множественное наследование, переименование, субконтракты, влияние на систему типов. Лекция 6 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования" дополнит эти технические рассмотрения, рассмотрев методологическую перспективу: как использовать наследование и как избежать его неверного применения.

Для объяснения основных понятий рассмотрим простой пример. Здесь приведен скорее набросок этого примера, а не полный его вариант, но он хорошо показывает все существенные идеи.

Многоугольники

Предположим, что требуется построить графическую библиотеку. Ее классы будут описывать геометрические абстракции: точки, отрезки, векторы, круги, эллипсы, многоугольники, треугольники, прямоугольники, квадраты и т. п.

Рассмотрим вначале класс, описывающий многоугольники. Операции будут включать вычисление периметра, параллельный перенос и вращение. Этот класс может выглядеть так:

indexing

description: "Многоугольники с произвольным числом вершин"

class POLYGON creation

...

feature -- Доступ

count: INTEGER

-- Число вершин

perimeter: REAL is

-- Длина периметра

do ... end

feature -- Преобразование

display is

-- Вывод многоугольника на экран.

do ... end

rotate (center: POINT; angle: REAL) is

-- Поворот на угол angle вокруг точки center.

do

... См. далее ...

end

translate (a, b: REAL) is

-- Сдвиг на a по горизонтали, на b по вертикали.

do ... end

... Объявления других компонентов ...

feature {NONE} -- Реализация

vertices: LINKED_LIST [POINT]

-- Список вершин многоугольника

invariant

same_count_as_implementation: count = vertices.count

at_least_three: count >= 3

-- У многоугольника не менее трех вершин (см. упражнение У14.2)

end

Атрибут vertices задает список вершин, выбор линейного списка - это лишь одно из возможных представлений (массив мог бы оказаться лучше).

Приведем реализацию типичной процедуры rotate. Эта процедура осуществляет поворот на заданный угол вокруг заданного центра поворота. Для поворота многоугольника достаточно повернуть по очереди каждую его вершину.

rotate (center: POINT; angle: REAL) is

-- Поворот вокруг точки center на угол angle.

do

from

vertices.start

until

vertices.after

loop

vertices.item.rotate (center, angle)

vertices.forth

end

end

Чтобы понять эту процедуру заметим, что компонент item из LINKED_LIST возвращает значение текущего элемента списка. Поскольку vertices имеют тип LINKED_LIST [POINT], то vertices.item обозначает точку, к которой можно применить процедуру поворота rotate, определенную для класса POINT в предыдущей лекции. Это вполне корректно и достаточно общепринято - давать одно и то же имя (в данном случае rotate), компонентам разных классов, поскольку результирующее множество каждого из них имеет свой явно определенный тип. (Это ОО-форма перегрузки.)

Более важна для наших целей процедура вычисления периметра многоугольника. Единственный способ вычислить периметр многоугольника - это в цикле пройти по всем его вершинам и просуммировать длины всех ребер. Вот возможная реализация процедуры perimeter:

perimeter: REAL is

-- Сумма длин ребер

local

this, previous: POINT

do

from

vertices.start; this := vertices.item

check not vertices.after end -- Следствие условия at_least_three

until

vertices.is_last

loop

previous := this

vertices.forth

this := vertices.item

Result := Result + this.distance (previous)

end

Result := Result + this.distance (vertices.first)

end

В этом цикле просто последовательно складываются расстояния между соседними вершинами. Функция distance была определена в классе POINT. Значение Result, возвращаемое этой функцией, при инициализации получает значение 0. Из класса LINKED_LIST используются следующие компоненты: first дает первый элемент списка, start сдвигает курсор, на этот первый элемент, forth передвигает его на следующий, item выдает значение элемента под курсором, is_last определяет, является ли текущий элемент последним, after узнает, что курсор оказался за последним элементом. Как указано в команде check инвариант at_least_three обеспечивает правильное начало и завершение цикла. Он стартует в состоянии not after, в котором элемент vertices.item определен. Допустимо применение forth один или более раз, что, в конце концов, приведет в состояние, удовлетворяющее условию выхода из цикла is_last.

Прямоугольники

Предположим теперь, что нам требуется новый класс, представляющий прямоугольники. Можно было бы начать его проектировать заново. Но прямоугольники это специальный вид многоугольников и у них много общих компонент: их также можно сдвигать, поворачивать и выводить на экран. С другой стороны, у них есть ряд специфических компонентов (например, диагонали), специальные свойства (число вершин равно четырем, а углы являются прямыми) и возможны специальные варианты некоторых операций (вычисление периметра можно устроить проще, чем в приведенном выше алгоритме).

Преимущества такой смеси общих и специфических компонентов можно использовать, определив класс RECTANGLE как наследника (heir) класса POLYGON. При этом все компоненты класса POLYGON, называемого родителем (parent) класса RECTANGLE, по умолчанию будут применимы и к классу-наследнику. Для этого достаточно включить в RECTANGLE предложение наследования (inheritance clause):

class RECTANGLE inherit

POLYGON

feature

... Компоненты, специфичные для прямоугольников ...

end

В предложении feature класса-наследника компоненты родителя не повторяются: они автоматически доступны благодаря предложению о наследовании. В нем будут указаны лишь компоненты, специфичные для наследника. Это могут быть новые компоненты, такие как diagonal, а также переопределяемые наследуемые компоненты.

Вторая возможность полезна для такого компонента, который уже имелся у родителя, но у наследника должен быть описан в другом виде. Рассмотрим периметр perimeter. Для прямоугольников его можно вычислить более эффективно: не нужно вычислять четыре длины сторон, достаточно удвоить сумму длин двух сторон. Наследник, переопределяющий некоторый компонент родителя, должен объявить об этом в предложении наследования, включив предложение redefine:

class RECTANGLE inherit

POLYGON

redefine perimeter end

feature

...

end

Это позволяет включить в предложение feature класса RECTANGLE новую версию компонента perimeter, которая заменит его версию из класса POLYGON. Если не включить объявление redefine, то новое объявление компонента perimeter среди других компонентов класса RECTANGLE приведет к ошибке, поскольку у RECTANGLE уже есть компонент perimeter, унаследованный от POLYGON, т.е. у некоторого компонента окажется два определения.

Класс RECTANGLE выглядит следующим образом:

indexing

description: "Прямоугольники, - специальный случай многоугольников"

class RECTANGLE inherit

POLYGON

redefine perimeter end

creation

make

feature -- Инициализация

make (center: POINT; s1, s2, angle: REAL) is

-- Установить центр прямоугольника в center, длины сторон

-- s1 и s2 и ориентацию angle.

do ... end

feature -- Access

side1, side2: REAL

-- Длины двух сторон

diagonal: REAL

-- Длина диагонали

perimeter: REAL is

-- Сумма длин сторон

-- (Переопределение версии из POLYGON)

do

Result := 2 S (side1 + side2)

end

invariant

four_sides: count = 4

first_side: (vertices.i_th (1)).distance (vertices.i_th (2)) = side1

second_side: (vertices.i_th (2)).distance (vertices.i_th (3)) = side2

third_side: (vertices.i_th (3)).distance (vertices.i_th (4)) = side1

fourth_side: (vertices.i_th (4)).distance (vertices.i_th (1)) = side2

end

Для списка i_th(i) дает элемент в позиции i ( i-й элемент, следовательно это имя запроса).

Так как RECTANGLE является наследником класса POLYGON, то все компоненты родительского класса применимы и к новому классу: vertices, rotate, translate, perimeter (в переопределенном виде) и все остальные. Их не нужно повторять в определении нового класса.

Этот процесс транзитивен: всякий класс, будучи наследником RECTANGLE, например, SQUARE, также обладает всеми компонентами класса POLYGON.

Основные соглашения и терминология

Кроме терминов "наследник" и "родитель" будут полезны следующие термины:

Терминология наследования

Потомок класса C - это любой класс, который наследует C явно или неявно, включая и сам класс C. (Формально, это либо C, либо, по рекурсии, потомок некоторого наследника C).

Собственный потомок класса C - это потомок, отличный от самого C.

Предок C - это такой класс A, для которого C является потомком. Собственный предок C - это такой класс A, для которого C является собственным потомком.

В литературе также встречаются термины "подкласс" и "суперкласс", но мы не будем их использовать из-за неоднозначности.

Имеется также терминология для компонентов класса: компонент либо является наследуемым (перешедшим от некоторого собственного предка), либо непосредственным (введенным в данном классе).

При графическом представлении структур ОО-ПО, в котором классы изображаются эллипсами, связи по отношению наследования показываются в виде одинарных стрелок. Тем самым они отличаются от связей по отношению "быть клиентом", которые представляются двойными стрелками.

Рис. 14.1.  Связь по наследованию

Переопределяемый компонент отмечается ++ (это соглашение принято в Business Object Notation (B.O.N.)).

Стрелка указывает вверх от наследника к родителю. Это соглашение легко запомнить - оно представляет отношение "наследовать от". В литературе встречается и обратное направление таких стрелок. Хотя обычно выбор графического представления является делом вкуса, в данном случае, одно из них явно лучше другого, поскольку одно наводит на мысль о правильном отношении, а другое может привести к путанице. Стрелка - это не просто произвольная пиктограмма, она указывает на одностороннюю связь между своими двумя концами. В данном случае:

[x]. Всякий экземпляр наследника можно рассматривать как экземпляр родителя, а обратное неверно.

[x]. В тексте наследника всегда упоминается его родитель, но не наоборот. Это, на самом деле, является важным свойством ОО-метода, вытекающим из принципа Открыт-Закрыт, согласно которому класс не "знает" списка своих наследников и других собственных потомков.

Хотя у нас нет жесткого правила, определяющего для достаточно сложных систем размещение классов на диаграммах наследования, мы будем, по возможности, помещать класс выше его наследника.

Наследование инварианта

Хотелось бы указать инвариант класса RECTANGLE, который говорил бы, что число сторон прямоугольника равно четырем и что длины сторон последовательно равны side1, side2, side1 и side2.

У класса POLYGON также имеется инвариант, который применим и к его наследнику:

Правило наследования инварианта

Инвариант класса является конъюнкцией утверждений из его раздела invariant и свойств инвариантов его родителей (если таковые имеются).

Поскольку у родителей класса могут быть свои родители, то это правило рекурсивно: в результате полный инвариант класса получается как конъюнкция собственного инварианта и инвариантов классов всех его предков.

Это правило отражает одну из важных характеристик наследования: сказать, что B наследует A - это утверждать, что каждый экземпляр B является также экземпляром A. Вследствие этого всякое выраженное инвариантом ограничение целостности, применимое к экземплярам A, будет также применимо и к экземплярам B.

В нашем примере второе предложение (at_least_three) инварианта POLYGON утверждает, что число сторон должно быть не менее трех, оно является следствием предложения four_sides из инварианта класса RECTANGLE, которое требует, чтобы сторон было ровно четыре.

Наследование и конструкторы

Ранее не показанная процедура создания (конструктор) для класса POLYGON может иметь вид

make_polygon (vl: LINKED_LIST [POINT]) is

-- Создание по вершинам из vl.

require

vl.count >= 3

do

...Инициализация представления многоугольника по элементам из vl ...

ensure

-- vertices и vl состоят из одинаковых элементов (это можно выразить

формально)

end

Эта процедура берет список точек, содержащий по крайней мере три элемента, и использует его для создания многоугольника.

Ей дано собственное имя make_polygon, чтобы избежать конфликта имен при ее наследовании классом RECTANGLE, у которого имеется собственная процедура создания make. Мы не рекомендуем так делать в общем случае, в следующей лекции будет показано, как давать процедуре создания класса POLYGON стандартное имя make, а затем использовать переименование в предложении о наследовании класса RECTANGLE, чтобы предотвратить коллизию имен.

Приведенная выше процедура создания класса RECTANGLE имеет четыре аргумента: точку, служащую центром, длины двух сторон и ориентацию. Отметим, что компонент vertices применим к прямоугольникам, поэтому процедура создания для RECTANGLE создает список вершин vertices (четыре угла вычисляются по центру, длинам сторон и ориентации).

Общая процедура создания для многоугольников не удобна прямоугольникам, так как приемлемы только списки из четырех элементов, удовлетворяющих инварианту класса RECTANGLE. Процедура создания для прямоугольников, в свою очередь, не годится для произвольных многоугольников. Это обычное дело: процедура создания родителя не подходит для наследника. Нельзя гарантировать, что она будет удовлетворять его новому инварианту.

Например, если у наследника имеются новые атрибуты, то процедуре создания нужно будет их инициализировать, для чего потребуются дополнительные аргументы. Отсюда общее правило:

Правило наследования конструктора

При наследовании свойство процедуры быть конструктором не сохраняется.

Наследуемая процедура создания все еще доступна в наследнике, как и любой другой компонент родителя, но она не сохраняет статус конструктора. Этим статусом обладают только процедуры, перечисленные в предложении creation наследника.

В некоторых случаях родительский конструктор подходит и для наследника. Тогда его просто нужно указать в предложении creation:

class B inherit

A

creation

make

feature

...

где процедура make наследуется без изменений от класса A, у которого она также указана в предложении creation.

Пример иерархии

В конце обсуждения полезно рассмотреть пример POLYGON-RECTANGLE в контексте более общей иерархии типов геометрических фигур.

Рис. 14.2.  Иерархия типов фигур

Фигуры разбиты на замкнутые и незамкнутые. Примером замкнутой фигуры кроме многоугольника является также эллипс, а частным случаем эллипса является круг.

Рядом с классами указаны их разные компоненты. Символ "++" означает "переопределено", а символы "+" и "*" будут объяснены далее.

Ранее для простоты RECTANGLE был наследником класса POLYGON. Поскольку указанная классификация основана на числе вершин, то представляется разумным ввести промежуточный класс QUADRANGLE для четырехугольников на том же уровне, что и классы TRIANGLE, PENTAGON и т. п. Тогда компонент diagonal (диагональ) можно переместить на уровень класса QUADRANGLE.

Отметим, что класс SQUARE, наследник класса RECTANGLE, характеризуется инвариантом side1 = side2. Аналогично, у эллипса имеются два фокуса, а у круга они сливаются в один, что определяет инвариант класса CIRCLE: equal (focus1 = focus2).

Полиморфизм

Иерархии наследования позволяют достаточно гибко работать с объектами, сохраняя надежность статической типизации. Поддерживающие их методы: полиморфизм и динамическое связывание - одни из самых фундаментальных аспектов архитектуры ПО, обсуждаемой в этой книге. Начнем с полиморфизма.

Полиморфное присоединение

"Полиморфизм" означает способность обладать несколькими формами. В ОО-разработке несколькими формами обладают сущности (элементы структур данных), способные во время выполнения присоединяться к объектам разных типов, что контролируется статическими объявлениями.

Предположим, что для структуры наследования на рисунке вверху объявлены следующие сущности:

p: POLYGON; r: RECTANGLE; t: TRIANGLE

Тогда допустимы следующие присваивания:

p := r

p := t

Эти команды присваивают в качестве значения сущности, обозначающей многоугольник, сущность, обозначающую прямоугольник в первом случае, и сущность, обозначающую треугольник - во втором.

Такие присваивания, в которых тип источника (правой части) отличен от типа цели (левой части), называются полиморфными присваиваниями. Сущность, входящая в полиморфное присваивание слева (в примере это p), является полиморфной сущностью.

До введения наследования все присваивания были мономорфными (не полиморфными): можно было присваивать точку точке, книгу книге, счет счету. С появлением полиморфизма возможных действий становится больше.

Приведенные в примере полиморфные присваивания легитимны, поскольку структура наследования позволяет рассматривать экземпляр класса RECTANGLE или TRIANGLE как экземпляр класса POLYGON. Мы говорим, что в таком случае тип источника согласован с типом цели. В обратном направлении присваивание недопустимо, т.е. некорректно писать r := p. Вскоре это важное правило будет рассмотрено более подробно.

Кроме присваивания, полиморфизм имеет место и при передаче аргументов, например в вызовах вида f (r) или f (t) при условии объявлении компонента f в виде:

f (p: POLYGON) is do ... end

Напомним, что присваивание и передача аргументов имеют одинаковую семантику, и оба называются присоединением (attachment). Когда источник и цель имеют разные типы, можно говорить о полиморфном (polymorphic) присоединении.

Что на самом деле происходит при полиморфном присоединении?

Все сущности, встречающиеся в предыдущих примерах полиморфных присваиваний, имеют тип ссылок: возможными значениями p, r и t являются не объекты, а ссылки на объекты. Поэтому результатом присваивания p := r является просто новое присоединение ссылки.

Рис. 14.3.  Полиморфное присоединение ссылки

Несмотря на название, не следует представлять полиморфизм как некоторую трансмутацию объектов во время выполнения программы. Будучи один раз создан, объект никогда не изменяет свой тип. Так могут поступать только ссылки, которые могут указывать на объекты разных типов. Отсюда также следует, что за полиморфизм не нужно платить потерей эффективности, перенаправление ссылки - очень быстрая операция, ее стоимость не зависит от включенных в эту операцию объектов.

Полиморфные присоединения допускаются только для целей типа ссылки, но, ни в коем случае, для расширенных типов. Поскольку у класса-потомка могут быть новые атрибуты, то соответствующие ему экземпляры могут иметь больше полей. На рис. 14.3 видно, что объект класса RECTANGLE больше, чем объект класса POLYGON. Такая разница в размерах объектов не приводит к проблемам, если все, что заново присоединяется, имеет тип ссылки. Но если p - не ссылка, а имеет развернутый тип (например, объявлена как expanded POLYGON), то значением p является непосредственно некоторый объект, и всякое присваивание p будет менять содержимое этого объекта. В этом случае никакой полиморфизм невозможен.

Полиморфные структуры данных

Рассмотрим массив многоугольников:

poly_arr: ARRAY [POLYGON]

Когда некоторое значение x присваивается элементу этого массива, как в вызове

poly_arr.put (x, some_index)

(для некоторого допустимого значения индекса some_index), то спецификация класса ARRAY указывает, что тип присваиваемого значения должен быть согласован с типом фактического родового параметра:

class ARRAY [G] creation

...

feature - Изменение элемента

put (v: G; i: INTEGER) is

-- Присвоить v элементу с индексом i

...

end

Так как тип формального аргумента v, соответствующего x, в классе определен как G, а фактический родовой параметр, соответствующий G в вызове poly_arr, - это POLYGON, то тип x должен быть согласован с ним. Как мы видели, для этого x не обязан иметь тип POLYGON, подойдет любой потомок типа POLYGON.

Поэтому, если границы массива равны 1 и 4, то можно объявить некоторые сущности:

p: POLYGON; r: RECTANGLE; s: SQUARE; t: TRIANGLE

и, создав соответствующие объекты, можно выполнить операции

poly_arr.put (p, 1)

poly_arr.put (r, 2)

poly_arr.put (s, 3)

poly_arr.put (t, 4)

которые присвоят элементам массива ссылки на объекты различных типов.

Рис. 14.4.  Полиморфный массив

На этом рисунке графические объекты представлены соответствующими геометрическими фигурами, а не обычными диаграммами объектов с набором их полей.

Такие структуры данных, содержащие объекты разных типов, имеющих общего предка, называются полиморфными структурами данных. Далее будут рассмотрены многочисленные примеры таких структур. Массивы - это только одна из возможностей, полиморфными могут быть любые структуры контейнеров: списки, стеки и т.п.

Полиморфные структуры данных реализуют цель, сформулированную в начале лекции: объединение порождения и наследования для достижения максимальной гибкости и надежности. Имеет смысл напомнить рис. 10.1, иллюстрирующий эту мысль:

Рис. 14.5.  Измерения обобщения

Типы, которые на рис. 10.1 неформально назывались SET_OF_BOOKS и т. п., заменены типами, выведенными из родового универсального типа, - SET [BOOK].

Такая комбинация универсальности и наследования является весьма сильным средством. Оно позволяет описывать структуру объектов с нужной степенью общности. Например,

LIST [RECTANGLE]: может содержать квадраты, но не треугольники.

LIST [POLYGON]: может содержать квадраты, прямоугольники, треугольники, но не круги.

LIST [FIGURE]: может содержать экземпляры любого типа из иерархии FIGURE, но не книги или банковские счета.

LIST [ANY]: может содержать объекты любого типа.

В последнем случае использован класс ANY, который условимся считать предком любого класса (он будет подробнее рассмотрен далее).

Варьируя место класса, выбираемого в качестве фактического родового параметра, в иерархии, можно точно установить границы типов объектов, допустимых в определяемом контейнере.

Типизация при наследовании

Замечательная гибкость, обеспечиваемая наследованием, не связана с потерей надежности, поскольку используется статическая проверка типов, гарантирующая во время компиляции отсутствие некорректных комбинаций типов во время выполнения.

Согласованность типов

Наследование согласовано с системой типов. Основные правила легко объяснить на приведенном выше примере. Предположим, что имеются следующие объявления:

p: POLYGON

r: RECTANGLE

Выделим в приведенной выше иерархии нужный фрагмент (рис. 14.6).

Тогда законны следующие выражения:

[x]. p.perimeter: никаких проблем, поскольку perimeter определен для многоугольников;

[x]. p.vertices, p.translate (...), p.rotate (...) с корректными аргументами;

[x]. r.diagonal, r.side1, r.side2: эти три компонента объявлены на уровне RECTANGLE или QUADRANGLE;

[x]. r.vertices, r.translate (...), r.rotate (...): эти компоненты объявлены на уровне POLYGON или еще выше и поэтому применимы к прямоугольникам, наследующим все компоненты многоугольников;

[x]. r.perimeter: то же, что и в предыдущем случае. Но у вызываемой здесь функции имеется новое определение в классе RECTANGLE, так что она отличается от функции с тем же именем из класса POLYGON.

Рис. 14.6.  Фрагмент иерархии геометрических фигур

А следующие вызовы компонентов незаконны, так как эти компоненты недоступны на уровне многоугольника:

p.side1

p.side2

p.diagonal

Это рассмотрение основано на первом фундаментальном правиле типизации:

Правило Вызова Компонентов

Если тип сущности x основан на классе С, то в вызове компонента x.f сам компонент f должен быть определен в одном из предков С.

Напомним, что класс С является собственным предком. Фраза "тип сущности x основан на классе С" напоминает, что для классов, порожденных из родовых, тип может включать не только имя класса: LINKED_LIST [INTEGER]. Но базовый класс для типа - это LINKED_LIST, так что родовой параметр никак не участвует в нашем правиле.

Как и все другие правила корректности, рассматриваемые в этой книге, правило Вызова Компонентов является статическим, - его можно проверять на основе текста системы, а не по ходу ее выполнения. Компилятор (который, как правило, выполняет такую проверку) будет отвергать классы, содержащие некорректные вызовы компонентов. Если успешно реализовать проверку правил типизации, то не возникнет риск того, что скомпилированная система когда-либо во время выполнения применит некоторый компонент к объекту неподходящего типа.

Статическая типизация - это один из главных ресурсов ОО-технологии для достижения объявленной в 1-ой лекции цели - надежности ПО.

Уже отмечалось, что не все подходы к построению ОО-ПО имеют статическую типизацию. Наиболее известным представителем языков с динамической типизацией является Smalltalk, в котором не действует статическое правило вызова, но допускается, чтобы вычисление аварийно завершалось в случае возникновения ошибки: "сообщение не понятно". В лекции, посвященной типизации, будет приведено сравнение разных подходов.

Пределы полиморфизма

Неограниченный полиморфизм был бы несовместим со статическим понятием типа. Допустимость полиморфных операций определяется наследственностью.

Все примеры полиморфных присваиваний, такие, как p := r и p := t, в качестве типа источника используют потомков класса-цели. Скажем, что в таком случае тип источника согласован с классом цели. Например, SQUARE согласован с RECTANGLE и с POLYGON, но не с TRIANGLE. Чтобы уточнить это понятие, дадим формальное определение:

Определение: согласованность

Тип U согласован с типом T, только если базовый класс для U является потомком базового класса для T; при этом для универсально порожденных типов каждый фактический параметр U должен (по рекурсии) быть согласован с соответствующим формальным параметром T.

Почему недостаточно понятия потомка в этом определении? Причина снова в том, что допускается порождение из родовых классов, поэтому приходится различать типы и классы. Для каждого типа имеется базовый класс, который при отсутствии порождения совпадает с самим типом (например, POLYGON является базовым для себя). При этом для универсально порожденного класса базовым является универсальный класс с опущенными родовыми параметрами. Например, для класса LIST [POLYGON] базовым будет класс LIST. Вторая часть определения говорит о том, что B [Y] будет согласован с A [X], если B является потомком A, а Y - потомком X.

Заметим, что поскольку каждый класс является собственным потомком, то каждый тип согласован сам с собой.

При таком обобщении понятия потомка получаем второе важное правило типизации:

Правило согласования типов

Присоединение к источнику y цели x (т. е. присваивание x:=y или использование y в качестве фактического параметра в вызове процедуры с соответствующим формальным параметром x) допустимо только тогда, когда тип y согласован с типом x.

Правило согласования типов выражает тот факт, что специальное можно присваивать общему, но не наоборот. Поэтому присваивание p := r допустимо, а r := p нет.

Это правило можно проиллюстрировать следующим образом. Предположим, что я настолько ненормален, что послал в компанию Любимцы-По-Почте заказ на "Animal" ("Животное"). В этом случае, что бы я ни получил: собаку, божью коровку или дельфина-касатку, у меня не будет права пожаловаться. (Предполагается, что DOG и все прочие являются потомками класса ANIMAL). Но если я заказал собаку, а почтальон принес мне утром коробку с надписью ANIMAL, или, например, MAMMAL (млекопитающее), то я имею право вернуть ее отправителю, даже если из нее доносится недвусмысленный лай и тявканье. Поскольку мой заказ не был исполнен в соответствии со спецификацией, я ничего не должен фирме Любимцы-По-Почте.

Экземпляры

С введением полиморфизма нам требуется уточнить терминологию, связанную с экземплярами. Содержательно, экземпляры класса - это объекты времени выполнения, построенные в соответствии с определением класса. Но сейчас в этом качестве нужно также рассматривать объекты, построенные для собственных потомков класса. Вот более точное определение:

Определение: прямой экземпляр, экземпляр

Прямой экземпляр класса C - это объект, созданный в соответствии с точным определением C с помощью команды создания create x ..., в которой цель x имеет тип C (или, рекурсивно, путем клонирования прямого экземпляра C).

Экземпляр C - это прямой экземпляр потомка C.

Из последней части этого определения следует, что прямой экземпляр класса C является также экземпляром C, так как класс входит во множество своих потомков.

Таким образом, выполнение фрагмента:

p1, p2: POLYGON; r: RECTANGLE

...

create p1 ...; create r ...; p2 := r

создаст два экземпляра класса POLYGON, но лишь один прямой экземпляр (тот, который присоединен к p1). Другой объект, на который указывают p2 и r, является прямым экземпляром класса RECTANGLE, а следовательно, экземпляром обоих классов POLYGON и RECTANGLE.

Хотя понятия прямого экземпляра и экземпляра определены выше для классов, они естественно распространяются на любые типы (с базовым классом и возможными родовыми параметрами).

Полиморфизм означает, что элемент некоторого типа может присоединяться не только к прямым экземплярам этого типа, но и к другим его экземплярам. Можно считать, что роль правила согласования типов состоит в обеспечении следующего свойства:

Статико-динамическая согласованность типов

Сущность типа T может во время исполнения прикрепляться только к экземплярам класса T.

Статический тип, динамический тип

Название последнего свойства предполагает различение "статического типа" и "динамического типа". Тип, который используется при объявлении некоторого элемента, является статическим типом соответствующей ссылки. Если во время выполнения эта ссылка присоединяется к объекту некоторого типа, то этот тип становится динамическим типом этой ссылки.

Таким образом, при объявлении p: POLYGON статический тип ссылки, обозначенной p, есть POLYGON, после выполнения create p динамическим типом этой ссылки также является POLYGON, а после присваивания p := r, где r имеет тип RECTANGLE и не пусто, динамическим типом становится RECTANGLE.

Правило согласования типов утверждает, что динамический тип всегда должен соответствовать статическому типу.

Чтобы избежать путаницы напомним, что мы имеем дело с тремя уровнями: сущность - это некоторый идентификатор в тексте класса, во время выполнения ее значение является ссылкой (за исключением развернутого случая), ссылка может быть присоединена к объекту.

У объекта имеется только динамический тип, который он получил в момент создания. Этот тип во время жизни объекта не изменяется.

В каждый момент во время выполнения у ссылки имеется динамический тип, тип того объекта, к которому она сейчас присоединена (или специальный тип NONE, если эта ссылка пуста). Динамический тип может изменяться в результате операций переприсоединения.

Только у сущности имеются и статический, и динамический типы. Ее статический тип - это тип, с которым она была объявлена: если объявление имеет вид x: T, то этим типом будет T. Ее динамический тип в каждый момент выполнения - это тип значения этой ссылки, т.е. того объекта, к которому она присоединена.

В развернутом случае нет ссылки, значением x является объект типа T, и T является и статическим типом и единственно возможным динамическим типом для x.

Обоснованы ли ограничения?

Приведенные выше правила типизации могут иногда показаться слишком строгими. Например, второй оператор в обоих случаях статически отвергается:

1

p:= r; r := p

2

p := r; x := p.diagonal

В (1) запрещается присваивать многоугольник сущности-прямоугольнику, хотя во время выполнения так получилось, что этот многоугольник является прямоугольником (аналогично тому, как можно отказаться принять собаку из-за того, что на клетке написано "животное"). В (2) компонент diagonal оказался не применим к p несмотря на то, что во время выполнения он, фактически, присутствует.

Но более аккуратный анализ показывает, что наши правила вполне обоснованы. Если ссылка присоединяется к объекту, то лучше избежать будущих проблем, убедившись в том, что их типы согласованы. А если хочется применить некоторую операцию прямоугольника, то почему бы сразу не объявить цель прямоугольником?

На практике, случаи вида (1) и (2) маловероятны. Присваивания типа p:= r обычно встречаются внутри некоторых управляющих структур, которые зависят от условий, определяемых во время выполнения, например, от ввода данных пользователем. Более реалистичная полиморфная схема может выглядеть так:

create r.make (...); ...

screen.display_icons -- Вывод значков для разных многоугольников

screen.wait_for_mouse_click -- Ожидание щелчка кнопкой мыши

x := screen.mouse_position -- Определение места нажатия кнопки

chosen_icon := screen.icon_where_is (x) -- Определение значка,

-- на котором находится указатель мыши

if chosen_icon = rectangle_icon then

p := r

elseif ...

p := "Многоугольник другого типа" ...

end

... Использование p, например, p.display, p.rotate, ...

В последней строке p может обозначать любой многоугольник, поэтому можно к нему применять только общие компоненты из класса POLYGON. Понятно, что операции, подходящие для прямоугольников, такие как diagonal, должны применяться только к r (например, в первом предложении if). Если придется использовать p в операторах, следующих за оператором if, то к нему могут применяться лишь операции, применимые ко всем видам многоугольников.

В другом типичном случае p просто является формальным параметром процедуры:

some_routine (p: POLYGON) is ...

и можно выполнять вызов some_routine (r), корректный в соответствии с правилом согласования типов. Но при написании процедуры об этом вызове еще ничего не известно. На самом деле, вызов some_routine (t) для t типа TRIANGLE или любого другого потомка класса POLYGON будет также корректен, таким образом, можно считать, что p представляет некоторый вид многоугольников - любой из их видов. Тогда вполне разумно, что к p применимы только компоненты класса POLYGON.

Таким образом, в случае, когда невозможно предсказать точный тип присоединяемого объекта, полиморфные сущности (такие как p) весьма полезны.

Может ли быть польза от неведения?

Поскольку введенные только что понятия играют важную роль в последующем, стоит еще раз повторить несколько последних положений. (На самом деле, в этом коротком пункте не будет ничего нового, но он поможет лучше понять основные концепции и подготовит к введению новых понятий).

Если вы все еще испытываете неудобство от невозможности написать p.diagonal после присваивания p :=r (в случае (2)), то вы не одиноки. Это шокирует многих людей, когда они впервые сталкиваются с этими понятиями. Мы знаем, что p - это прямоугольник, почему же у нас нет доступа к его диагонали? По той причине, что это было бы бесполезно. После полиморфного присваивания, как показано на следующем фрагменте из предыдущего рисунка, один и тот же объект типа RECTANGLE имеет два имени: имя многоугольника p и прямоугольника r.

Рис. 14.7.  После полиморфного присваивания

В таком случае, поскольку известно, что объект O2 является прямоугольником и доступен через имя прямоугольника r, зачем пытаться использовать доступ к его диагонали посредством операции p.diagonal? Это не имеет смысла, так как можно просто написать r.diagonal, использовав официальное имя прямоугольника и сняв все сомнения в правомерности применения его операций. Использование имени многоугольника p, которое может с тем же успехом обозначать треугольник, ничего не дает и приводит к неопределенности.

Действительно, полиморфизм теряет информацию: когда в результате присваивания p :=r появляется возможность ссылаться на прямоугольник O2 через имя многоугольника p, то теряется нечто важное - возможность использовать специфические компоненты прямоугольника. В чем тогда польза? В данном случае - ни в чем. Как уже отмечалось, интерес возникает, когда заранее неизвестно, каков будет вид многоугольника p после выполнения команды if some_condition then p:= r else p := something_else ... или когда p является формальным аргументом процедуры и неизвестно, каков будет тип фактического аргумента. Но в этих случаях было бы некорректно и опасно применять к p что-либо кроме компонентов класса POLYGON.

Продолжая тему животных, представим, что некто спрашивает: "У вас есть домашний любимец?" и вы отвечаете: "Да, кот!". Это похоже на полиморфное присваивание - один объект известен под двумя именами разных типов: "мой_домашний_любимец" и "мой_кот" обозначают сейчас одно животное. Но они не служат одной цели, первое имя является менее информативным, чем второе. Можно одинаково успешно использовать оба имени при звонке в отдел отсутствующих хозяев компании Любимцы-По-Почте ("Я собираюсь в отпуск, сколько будет стоить наблюдение за моим_домашним_любимцем (или: моим_котом) в течение двух недель?") Но при звонке в другой отдел с вопросом: "Могу ли я привезти во вторник моего домашнего любимца, чтобы отстричь когти?", вы не запишетесь на прием, пока не уточните, что имели в виду своего кота.

Когда хочется задать тип принудительно

В некоторых случаях нужно выполнить присваивание, не соответствующее структуре наследования, и допустить, что при этом в качестве результата не обязательно будет получен объект. Такого, обычно, не бывает, когда ОО-метод применяется к объектам, внутренним для некоторой программы. Но можно, например, поучить по сети объект с его объявленным типом, и поскольку нет возможности контролировать источник происхождения этого объекта, то объявления статических типов ничего не гарантируют и прежде, чем использовать объект, необходимо проверить его тип.

При получении коробки с надписью "Животное" вместо ожидаемой надписи "Собака", можно соблазниться и все же ее открыть, зная, что, если внутри будет не собака, то потеряется право на возврат посылки и, в зависимости от того, что из нее появится, можно лишиться даже возможности рассказать эту историю.

В таких случаях требуется новый механизм - попытка присваивания, который позволит писать команду вида r ?= p (где ?= обозначает символ попытки присваивания, в отличие от := для обычного присваивания), означающую "выполнить присваивание, если тип объекта соответствует r, а иначе сделать r пустым". Но мы пока не готовы понять, как такая команда сочетается с ОО-методом, поэтому вернемся к этому вопросу в следующих лекциях. (А до того, считайте, что вы ничего об этом не читали).

Полиморфное создание

Введение наследования и полиморфизма приводит к небольшому расширению механизма создания объектов, который позволит непосредственно создавать объекты типов-потомков.

Напомним, что команды создания (процедуры-конструкторы) имеют один из следующих видов:

create x

create x.make (...)

где вторая форма подразумевает и требует, чтобы базовый класс для типа T, приписанного x, содержал предложение creation, в котором make указана как одна из процедур-конструкторов. (Разумеется, процедура создания может иметь любое имя, - make рекомендуется по умолчанию). Результатом выполнения первой команды является создание нового объекта типа T, его инициализация значениями, заданными по умолчанию, и его присоединение к x. А при выполнении второй инструкции для создания и инициализации объекта будет вызываться make с заданными аргументами.

Предположим, что у T имеется собственный потомок U. Мы можем захотеть использовать x полиморфно и присоединить сразу к прямому экземпляру U, а не к экземпляру T. Возможное решение использует локальную сущность типа U.

some_routine (...) is

local

u_temp: U

do

...; create u_temp.make (...); x := u_temp; ...

end

Это работает, но чересчур громоздко, особенно в контексте многозначного выбора, когда захочется присоединить x к экземпляру одного из нескольких возможных типов наследников. Локальные сущности (u_temp в нашем примере) играют только временную роль, их объявления и присваивания загромождают текст программы. Поэтому нужны специальные варианты конструкторов:

create {U} x

create {U} x.make (...)

Результат должен быть тот же, что и у конструкторов create, приведенных выше, но создаваемый объект должен являться прямым экземпляром U, а не T. Этот вариант должен удовлетворять очевидному ограничению: тип U должен быть согласован с типом T, а во второй форме make должна быть определена как процедура создания в классе, базовом для U, и если этот класс имеет одну или несколько процедур создания, то применима лишь вторая форма. Заметим, что здесь не важно, имеет ли сам класс T процедуры создания, - все зависит только от U.

Типичное применение связано с созданием экземпляра одного из нескольких возможных типов:

f: FIGURE

...

"Вывести значки фигур"

if chosen_icon = rectangle_icon then

create {RECTANGLE} f

elseif chosen_icon = circle_icon then

create {CIRCLE} f

else

...

end

Этот новый вид конструкторов объектов приводит к введению понятия тип при создании, обозначающего тип создаваемого объекта в момент его создания конструктором:

Для формы с неявным типом create x ... тип при создании есть тип x.

Для формы с явным типом create {U} x ... тип при создании есть U.

Динамическое связывание

Динамическое связывание дополнит переопределение, полиморфизм и статическую типизацию, создавая базисную тетралогию наследования.

Использование правильного варианта

Операции, определенные для всех вариантов многоугольников, могут реализовываться по-разному. Например, perimeter (периметр) имеет разные версии для общих многоугольников и для прямоугольников, назовем эти версии perimeterPOL и perimeterRECT. У класса SQUARE также будет свой вариант (умноженная на 4 длина стороны). При этом естественно возникает важный вопрос: что случится, если программа, имеющая разные версии, будет применена к полиморфной сущности?

Во фрагменте

create p.make (...); x := p.perimeter

ясно, что будет использована версия perimeterPOL. Точно так же во фрагменте

create r.make (...); x := r.perimeter

будет использована версия perimeterRECT. Но что, если полиморфная сущность p статически объявлена как многоугольник, а динамически ссылается на прямоугольник? Предположим, что нужно выполнить фрагмент:

create r.make (...)

p := r

x := p.perimeter

Правило динамического связывания утверждает, что версию применяемой операции определяет динамическая форма объекта. В данном случае это будет perimeterRECT.

Конечно, более интересный случай возникает, когда из текста программы нельзя заключить, какой динамический тип будет иметь p во время выполнения. Например, что будет во фрагменте

-- Вычислить периметр фигуры выбранной пользователем

p: POLYGON

...

if chosen_icon = rectangle_icon then

create {RECTANGLE} p.make (...)

elseif chosen_icon = triangle_icon then

create {TRIANGLE} p.make (...)

elseif

...

end

...

x := p.perimeter

или после условного полиморфного присваивания if ... then p := r elseif ... then p := t ..., ; или если p является элементом полиморфного массива многоугольников, или если p является формальным аргументом с объявленным типом POLYGON некоторой процедуры, которой вызвавшая ее процедура передала фактический аргумент согласованного типа?

Тогда в зависимости от хода вычисления динамическим типом p будет RECTANGLE, или TRIANGLE, или т.п. У нас нет никакого способа узнать, какой из этих случаев будет иметь место. Но, благодаря динамическому связыванию, этого и не нужно знать: что бы ни случилось с p, при вызове будет выполнен правильный вариант компонента perimeter.

Эта способность операций автоматически приспосабливаться к тем объектам, к которым они применяются, является одной из главных особенностей ОО-систем, непосредственно относящейся к обсуждаемым в начале книги вопросам качества ПО. Ее последствия будут подробней рассмотрены далее в этой лекции.

Динамическое связывание позволяет завершить начатое выше обсуждение аспектов, связанных с потерей информации при полиморфизме. Сейчас стало понятно, почему не страшно потерять информацию об объекте: после присваивания p := q или вызова some_routine (q), в котором p являлся формальным аргументом, теряется специфическая информация о типе q, но если применяется операция p.polygon_feature, для которой polygon_feature имеет специальную версию, применимую к q, то будет выполняться именно эта версия.

Вполне допустимо посылать ваших любимцев в отдел отсутствующих хозяев, который обслуживает все виды, если наверняка известно, что, когда придет время еды, ваш кот получит кошачью еду, а пес - собачью.

Переопределение и утверждения

Если клиент класса POLYGON вызывает p.perimeter, то он ожидает получить значение периметра p, определенное спецификацией функции perimeter в определении этого класса. Но теперь, благодаря динамическому связыванию, клиент может вызвать другую программу, переопределенную в некотором классе-потомке. В классе RECTANGLE переопределение улучшает эффективность и не изменяет результат, но что помешало бы переопределить периметр так, чтобы новая версия вычисляла бы, скажем, площадь?

Это противоречит духу переопределения. Переопределение должно изменять реализацию процедуры, а не ее семантику. К счастью, утверждения позволяют ограничить семантику процедур. Неформально, основное правило контроля за переопределением и динамическим связыванием можно сформулировать просто: предусловие и постусловие программы должны быть применимы к любому ее переопределению, и, как мы уже видели, инвариант класса автоматически должен распространяться на всех его потомков.

Точные правила будут приведены ниже. Но уже сейчас можно заметить, что переопределение не является произвольным: допускаются только переопределения, сохраняющие семантику. Это дело автора программы - выразить ее семантику достаточно точно, но оставить при этом свободу для будущих реализаторов.

О реализации динамического связывания

Может возникнуть опасение, что динамическое связывание - это дорогой механизм, требующий во время выполнения поиска по графу наследования и поэтому накладных расходов, растущих с увеличением глубины этого графа.

К счастью, это не так в случае хорошо спроектированного (и статически типизированного) ОО-языка. Более детально это будет обсуждаться в конце лекции, но мы можем уже сейчас успокоить себя тем, что последствия динамического связывания не будут существенными для эффективности при работе в подходящем окружении.

Отложенные компоненты и классы

Полиморфизм и динамическое связывание означают, что в процессе проектирования ПО можно рассчитывать на абстракции и быть уверенными в том, что при выполнении будет выбрана подходящая реализация. Но перед выполнением все должно быть полностью реализовано.

Однако полная реализация не всегда нужна. Частично реализованные или не реализованные абстрактные элементы ПО помогают при решении многих задач: анализе проблемы и проектировании архитектуры системы (в этом случае можно их сохранить в заключительном продукте, чтобы запомнить ход анализа и проектирования), при фиксации соглашений между реализаторами, при описании промежуточных точек в классификации.

Отложенные компоненты и классы обеспечивают необходимый механизм абстракции.

Движения произвольных фигур

Чтобы понять необходимость в отложенных процедурах и классах, снова рассмотрим иерархию фигур FIGURE.

Рис. 14.8.  Снова иерархия FIGURE

Наиболее общим понятием здесь является FIGURE. Основываясь на механизмах полиморфизма и динамического связывания, можно попытаться применить описанную ранее общую схему:

transform (f: FIGURE) is

-- Применить специфическое преобразование к f.

do

f.rotate (...)

f.translate (...)

end

с соответствующими значениями опущенных аргументов. Тогда все следующие вызовы корректны:

transform (r) -- для r: RECTANGLE

transform (c) -- для c: CIRCLE

transform (figarray.item (i)) -- для массива фигур: ARRAY [POLYGON]

Иными словами, требуется применить преобразования rotate и translate к фигуре f и предоставить механизму динамического связывания выбор подходящей версии (различной для классов RECTANGLE и CIRCLE), зависящей от текущего вида фигуры f, который выяснится во время выполнения.

Это действительно работает и является типичным примером элегантного стиля, ставшего возможным благодаря полиморфизму и динамическому связыванию, стиля, основанного на принципе Единственного выбора. Требуется только переопределить rotate и translate для различных вовлеченных в вычисление классов.

Но переопределять-то нечего! Класс FIGURE - это очень общее понятие, покрывающее все виды двумерных фигур. Ясно, что невозможно написать версию процедур rotate и translate, подходящую для всех фигур "вообще", не уточнив информацию об их виде.

Таким образом, мы имеем ситуацию, в которой процедура transform будет выполняться корректно, благодаря динамическому связыванию, но статически она незаконна, поскольку rotate и translate не являются компонентами класса FIGURE. Проверка типов выявит в вызовах f.rotate и f.translate ошибки.

Можно, конечно, ввести на уровне класса FIGURE процедуру rotate, которая ничего не будет делать. Но это опасный путь, компоненты rotate (center, angle) имеют интуитивно хорошо понятную семантику и "ничего не делать" не является их разумной реализацией.

Отложенный компонент

Таким образом, нужен способ спецификации компонентов rotate и translate на уровне класса FIGURE, который возлагал бы обязанность по их фактической реализации на потомков этого класса. Это достигается объявлением этих компонентов как "отложенных". При этом вся часть тела процедуры с командами заменяется ключевым словом deferred. В классе FIGURE будет объявление:

rotate (center: POINT; angle: REAL) is

-- Повернуть на угол angle вокруг точки center.

deferred

end

и аналогично будет объявлен компонент translate. Это означает, что этот компонент известен в том классе, где появилось такое объявление, но его реализации находятся в классах - собственных потомках. В таком случае вызов вида f.rotate в процедуре transform становится законным.

Объявленный таким образом компонент называется отложенным компонентом. Компонент, не являющийся отложенным, - имеющий реализацию (например, любой из ранее встретившихся нам компонентов), называется эффективным.

Эффективизация компонента

В некоторых собственных потомках класса FIGURE потребуется заменить отложенную версию эффективной. Например,

class POLYGON inherit

CLOSED_FIGURE

feature

rotate (center: POINT; angle: REAL) is

-- Повернуть на угол angle вокруг точки center.

do

... Команды для поворота всех вершин ...

end

...

end

Заметим, что POLYGON наследует компоненты класса FIGURE не непосредственно, а через класс CLOSED_FIGURE, в котором процедура rotate остается отложенной.

Этот процесс обеспечения реализацией отложенного компонента называется эффективизацией (effecting). (Эффективный компонент - это компонент, снабженный реализацией.)

Не нужно в предложении redefine некоторого класса описывать отложенные компоненты, получающие реализацию, поскольку у них не было настоящего определения в месте объявления. В этом классе просто помещаются определения таких компонентов, совместимые по типам с их первоначальными объявлениями как, например, в случае компонента rotate.

Задание реализации компонента, конечно, близко к его переопределению и, за исключением включения в предложении redefine, подчиняется тем же правилам. Поэтому нужен общий термин.

Определение: повторное объявление

Повторное объявление компонента - означает определение или переопределение его реализации.

Разница между этими двумя формами повторного объявления хорошо иллюстрируется примерами, приведенными при их определении:

[x]. При переходе от POLYGON к RECTANGLE компонент perimeter уже реализован у родителя, и мы хотим предложить новую его реализацию в классе RECTANGLE. Это переопределение. Заметим, что этот компонент еще раз переопределяется в классе SQUARE.

[x]. При переходе от FIGURE к POLYGON у родителя нет реализации компонента rotate, и мы хотим реализовать его в классе POLYGON. Это эффективизация. Собственные потомки POLYGON могут, конечно, переопределить эту эффективную версию.

Может появиться нужда в некотором изменении параметров наследуемого отложенного компонента, после которого оно все так же останется отложенным. Эти изменения могут затрагивать сигнатуру компонента - типы ее аргументов и результата - и его утверждения (точные ограничения будут указаны в следующей лекции). В отличие от перехода от отложенного компонента к эффективному, такой переход от отложенного к отложенному рассматривается как переопределение и требует предложения redefine. Приведем резюме четырех возможных случаев нового объявления:

Повторное объявление компонента к

Повторное объявление компонента от

Отложенный

Эффективный

Отложенный

Переопределение

Отмена определения

Эффективный

Эффективизация

Переопределение

Таблица 14.1.Эффекты повторного объявления

В этой таблице имеется один еще не рассмотренный случай: отмена определения - переход от эффективного компонента к отложенному. При этом отменяется исходная реализация и начинается новая жизнь.

Отложенные классы

Как мы видели, компонент может быть отложенным или эффективным. То же относится и к классам.

Определение: отложенный класс, эффективный класс

Класс является отложенным, если у него имеется отложенный компонент.

В противном случае, класс является эффективным.

Таким образом, чтобы класс был эффективным, должны быть эффективными все его компоненты. Один или несколько отложенных компонентов делают класс отложенным. В этом случае класс должен содержать специальную метку:

Правило объявления отложенного класса

Объявление отложенного класса должно включать подряд идущие ключевые слова deferred class (в отличие от одного слова class для эффективных классов).

Поэтому класс FIGURE будет объявлен следующим образом:

deferred class FIGURE feature

rotate (...) is

... Объявления отложенных компонентов ...

... Объявления других компонентов ...

end

Обратно, если класс отмечен как отложенный, то у него должен быть хотя бы один отложенный компонент. При этом класс может быть отложенным, даже если в нем самом не объявлен ни один отложенный компонент, так как у него может быть отложенный родитель, от которого он унаследовал отложенный компонент, не ставший у него эффективным. В нашем примере в классе OPEN_FIGURE, скорее всего, останутся отложенными компоненты display, rotate и многие другие, унаследованные от класса FIGURE, поскольку понятие незамкнутой фигуры не настолько конкретизировано, чтобы поддерживать стандартные реализации этих операций. Поэтому этот класс является отложенным и будет объявлен как

deferred class OPEN_FIGURE inherit

FIGURE

...

даже если в нем самом не вводится ни один отложенный компонент.

Потомок отложенного класса является эффективным классом, если все отложенные компоненты его родителей имеют в нем эффективные определения и в нем не вводятся никакие собственные отложенные компоненты. Эффективные классы, такие как POLYGON и ELLIPSE, должны обеспечить реализацию отложенных компонентов display, rotate.

Для удобства мы будем называть тип отложенным, если его базовый класс является отложенным. Таким образом, класс FIGURE, рассматриваемый как тип, является отложенным. Если родовой класс LIST является отложенным (как это и должно быть, если он представляет понятие списка, не зависящее от реализации), то тип LIST [INTEGER] является отложенным. Учитывается только базовый класс: C [X] будет эффективным, если класс C эффективный, и отложенным, если C является отложенным, независимо от статуса X.

Соглашения о графических обозначениях

Сейчас можно полностью объяснить графические символы, использованные на рис. 14.8. Звездочкой отмечаются отложенные компоненты или классы:

FIGURE*

display*

perimeter* -- На уровне класса OPEN_FIGURE на рис. 14.8

Знак плюс означает "эффективный" и им отмечается эффективизация компонента:

perimeter+ -- На уровне POLYGON на рис. 14.8

Чтобы указать, что класс эффективный, можно отметить его знаком +. По умолчанию, неотмеченный класс считается эффективным, так же как в текстовом виде объявление class C без ключевого слова deferred означает, что класс эффективный.

Можно присоединять одиночный плюс к компоненту для указания того, что он стал эффективным. Например, компонент perimeter появляется как отложенный и, следовательно, имеет вид perimeter* в классе CLOSED_FIGURE. Затем на уровне POLYGON для этого компонента дается реализация и он отмечается в этом классе как perimeter+.

Наконец, два знака плюс отмечают переопределение:

perimeter++ -- На уровне RECTANGLE и SQUARE на рис.14.8

Что делать с отложенными классами?

Присутствие отложенных элементов в системе вызывает вопрос: "что случится, если компонент rotate применить к объекту типа FIGURE?" или в общем виде - "можно ли применить отложенный компонент к прямому экземпляру отложенного класса?" Ответ может обескуражить: такой вещи как объект типа FIGURE не существует - прямых экземпляров отложенных классов не бывает.

Правило отсутствия экземпляров отложенных классов

Тип создания в процедуре создания не может быть отложенным.

Напомним, что тип создания - это тип x, для формы create x, и U для формы create {U} x. Тип считается отложенным, если таков его базовый класс.

Поэтому вызов конструктора create f некорректен и будет отвергнут компилятором, если типом f будет один из отложенных классов: FIGURE, OPEN_FIGURE, CLOSED_FIGURE. Это правило устраняет опасность ошибочных вызовов компонентов.

Отметим однако, что даже, если тип сущности f отложенный, то допустима явная форма процедуры создания - create{RECTANGLE} f, поскольку здесь типом создания является эффективный потомок FIGURE - класс RECTANGLE. Мы уже видели, как этот прием используется в многовариантной процедуре создания для объектов класса FIGURE, которые, в зависимости от контекста, будут экземплярами эффективных классов RECTANGLE, CIRCLE и др.

Может показаться, что это правило ограничивает полезность отложенных классов, делая их просто синтаксической уловкой для обмана системы статических типов. Это было бы верно, если бы не полиморфизм и динамическое связывание. Нельзя создать объект типа FIGURE, но можно объявить полиморфную сущность этого типа, а затем использовать ее, не зная точно, к объекту какого типа она присоединена в конкретном вычислении:

f: FIGURE

...

f := "Некоторое выражение эффективного типа, такого как CIRCLE или POLYGON"

...

f.rotate (some_point, some_angle)

f.display

...

Такие примеры являются комбинацией и кульминацией уникальных средств абстракции ОО-метода таких, как классы, скрытие информации, единственный выбор, наследование, полиморфизм, динамическое связывание, отложенные классы (и, как будет видно дальше, утверждения). Вы манипулируете объектами, не зная точно их типов, задавая только минимум информации, необходимой для требуемых операций. Имея надежный штамп контролера типов, удостоверяющий согласованность вызовов этих операций с их объявлениями, можно рассчитывать на большую силу - динамическое связывание, которая позволяет применять корректную версию каждой операции, не зная точно, что это за версия.

Задание семантики отложенных компонентов и классов

Хотя у отложенного компонента нет реализации, а у отложенного класса либо нет реализации, либо он реализован частично, часто требуется задать их абстрактные семантические свойства. Для этой цели можно использовать утверждения.

Как и другие классы, отложенный класс может иметь инвариант, а у отложенного компонента может быть предусловие, постусловие или оба эти утверждения.

Рассмотрим пример линейных списков, описанных независимо от конкретной реализации. Как и для многих других структур такого рода, удобно связать с каждым списком курсор, указывающий на текущий активный элемент.

Рис. 14.9.  Список с курсором

Этот класс является отложенным:

indexing

description: "Линейные списки"

deferred class

LIST [G]

feature -- Access

count: INTEGER is

-- Число элементов

deferred

end

index: INTEGER is

-- Положение курсора

deferred

end

item: G is

-- Элемент в позиции курсора

deferred

end

feature - Отчет о статусе

after: BOOLEAN is

-- Курсор за последним элементом?

deferred

end

before: BOOLEAN is

-- Курсор перед первым элементом?

deferred

end

feature - Сдвиг курсора

forth is

-- Передвинуть курсор на одну позицию вперед.

require

not after

deferred

ensure

index = old index + 1

end

... Другие компоненты ...

invariant

non_negative_count: count >= 0

offleft_by_at_most_one: index >= 0

offright_by_at_most_one: index <= count + 1

after_definition: after = (index = count + 1)

before_definition: before = (index = 0)

end

Здесь инвариант выражает соотношения между разными запросами. Первые два предложения утверждают, что курсор может выйти за границы множества элементов не более чем на одну позицию слева или справа.

Рис. 14.10.  Позиции курсора

Два последних предложения инварианта можно также представить в виде постусловий: ensure Result = (index = count + 1) для after и ensure Result = (index = 0) для before. Такой выбор всегда возникает при выражении свойств, включающих только запросы без аргументов. Я предпочитаю использовать предложения инварианта, рассматривая такие свойства как глобальные свойства класса, а не прикреплять их к конкретному компоненту.

Утверждения о forth точно выражают то, что должна делать эта процедура: передвигать курсор на одну позицию. Поскольку курсор должен оставаться в пределах списка элементов плюс две позиции "меток" слева и справа, то применение forth требует выполнения условия not after, а результатом будет, как сказано в постусловии, увеличение index на один.

Вот другой пример - наш старый друг стек. Нашей библиотеке потребуется общий класс STACK [G], который будет отложенным, так как он должен покрывать всевозможные реализации. Его собственные потомки, такие как FIXED_STACK и LINKED_STACK, будут описывать конкретные реализации. Одной из отложенных процедур класса STACK является put:

put (x: G) is

-- Поместить x на вершину.

require

not full

deferred

ensure

not_empty: not empty

pushed_is_top: item = x

one_more: count = old count + 1

end

Булевские функции empty и full (также отложенные на уровне STACK) выражают свойство стека быть пустым и заполненным.

Только с помощью утверждений отложенные классы достигают своей полной силы. Как уже отмечалось (хотя детали появятся через две лекции), предусловия и постусловия применимы ко всем переопределениям процедуры. Это особенно важно в отложенном случае: в нем такие утверждения будут ограничивать все допустимые реализации. Таким образом, приведенная спецификация ограничивает все варианты put в потомках класса STACK.

Благодаря использованию утверждений, можно сделать отложенные классы достаточно информативными и семантически богатыми, несмотря на отсутствие у них реализаций.

В конце этой лекции мы вновь обратимся к отложенным классам и исследуем глубже их роль в процессе ОО-анализа, проектирования и реализации.

Способы изменения объявлений

Возможность изменить объявление компонента - переопределить или дать его реализацию - обеспечивает гибкость и последовательное проведение разработки. Имеется еще два метода, усиливающих эти качества:

[x]. Возможность изменить объявление функции на атрибут.

[x]. Простой способ сослаться на первоначальную версию в теле нового определения.

Повторное объявление функции как атрибута

Повторные объявления позволяют активно применять один из центральных принципов модульности - принцип Унифицированного Доступа (Uniform Access).

Напомним (см. лекцию 3), что этот принцип утверждает (первоначально в менее технических терминах, но сейчас мы можем позволить себе быть более точными), что с точки зрения клиента не должно быть никакой существенной разницы между атрибутом и функцией без аргументов. В обоих случаях компонент является запросом и все, что их отличает, - это их внутреннее представление.

Первым примером этого был класс, описывающий банковские счета, в котором компонент balance мог быть реализован как функция, которая добавляет вклады и вычитает снимаемые суммы, или как атрибут, изменяемый по мере необходимости так, чтобы отражать текущий баланс. Для клиента это было все равно (за исключением, возможно, эффективности).

С появлением наследования можно пойти дальше и позволить, чтобы в классе наследуемая функция была переопределена как атрибут.

Наш прежний пример хорошо подходит для иллюстрации. Пусть имеется класс ACCOUNT1:

class ACCOUNT1 feature

balance: INTEGER is

-- Текущий баланс

do

Result := list_of_deposits.total - list_of_withdrawals.total

end

...

End

Тогда в потомке может быть выбрана вторая реализация из нашего первоначального примера, переопределяющая balance как атрибут:

class ACCOUNT2 inherit

ACCOUNT1

redefine balance end

feature

balance: INTEGER

-- Текущий баланс

...

end

По-видимому, в классе ACCOUNT2 нужно будет переопределить некоторые процедуры, такие как withdraw и deposit, чтобы, кроме других своих обязанностей они еще модифицировали нужным образом balance, сохраняя в качестве инварианта свойство: balance = list_of_deposits.total - list_of_withdrawals.total.

В этом примере новое объявление является переопределением. Его результатом может также оказаться превращение отложенного компонента в атрибут. Например, пусть в отложенном классе LIST имеется компонент

count: INTEGER is

-- Число вставленных элементов

deferred

end

Тогда в реализации списка этот компонент может быть реализован как атрибут:

count: INTEGER

Если нас попросят применить эту классификацию, чтобы разбить компоненты на атрибуты и подпрограммы, то мы условимся рассматривать отложенный компонент как подпрограмму, несмотря на то, что для отложенного компонента с результатом и без аргументов само понятие отложенности означает, что мы еще не сделали выбор, как его реализовать - функцией или атрибутом. Фраза "отложенный компонент" передает эту неопределенность и предпочтительней фразы "отложенная подпрограмма".

Переобъявление функции как атрибута, объединенное с полиморфизмом и динамическим связыванием, приводят к полной реализации принципа Унифицированного Доступа. Сейчас можно не только реализовать запрос клиента вида a.service либо через память, либо посредством вычисления, но один и тот же запрос в процессе одного вычисления может в одних случаях запустить доступ к некоторому полю, а в других - вызвать некоторую функцию. Это может, в частности, случиться при выполнении одного и того же вызова a.balance, если по ходу вычисления a будет полиморфно присоединяться к объектам разных классов.

Обратного пути нет

Можно было бы ожидать, что допустимо и обратное переопределение атрибута в функцию без аргументов. Но нет. Присваивание - операция применимая к атрибутам, - становится бессмысленной для функций. Предположим, что a - это атрибут класса C, и некоторая подпрограмма содержит команду

a := some_expression

Если потомок C переопределит a как функцию, то эта функция будет не применима, поскольку нельзя использовать функцию в левой части присваивания.

Отсутствие симметрии (допустимо изменять объявление функции на объявление атрибута, но не наоборот) неприятно, но неизбежно и не является на практике серьезным препятствием. Оно означает, что объявление некоторого компонента атрибутом является окончательным и необратимым выбором, в то время как объявление его функцией все еще оставляет место для последующих реализаций через память, а не через вычисление.

Использование исходной версии при переопределении

Рассмотрим некоторый класс, который переопределяет подпрограмму, унаследованную от родителя. Обычная схема переопределения состоит в том, чтобы выполнить все, что делает исходная версия, предпослав ей или поместив за ней некоторые специальные действия.

Например, класс BUTTON, наследник класса WINDOW, может переопределить компонент display, рисующий кнопку, так чтобы вначале рисовалось окно, а затем появлялась рамка:

class BUTTON inherit

WINDOW

redefine display end

feature -- Вывод

display is

-- Изобразить как кнопку.

do

"Изобразить как нормальное окно"; -- См. ниже

draw_border

end

... Другие компоненты ...

end

где draw_border - это процедура нового класса. Для того чтобы "Изобразить как нормальное окно", нужно вызвать исходную версию display, технически известную как precursor (предшественник) процедуры draw_border.

Это достаточно общий случай, и желательно ввести для него специальное обозначение. Конструкцию

Precursor

можно использовать в качестве имени компонента, но только в теле переопределяемой подпрограммы. Вызов этого компонента, если нужно с аргументами, является вызовом родительской версии этой процедуры (предшественника).

Поэтому в последнем примере часть "Изобразить как нормальное окно" можно записать просто как

Precursor

Это будет означать вызов исходной версии этой процедуры из класса WINDOW, допустимый при переопределении процедуры классом-наследником WINDOW. Precursor - это зарезервированное имя сущности такое же, как Result или Current, и оно так же пишется курсивом с заглавной первой буквой.

В данном примере переопределяемый компонент является процедурой и поэтому вызов конструкции Precursor - это команда. Этот же вызов может участвовать при переопределении функции в выражении:

some_query (n: INTEGER): INTEGER is

-- Значение, возвращаемое версией родителя, если оно

-- положительно, иначе ноль

do

Result := (Precursor (n)).max (0)

end

В случае множественного наследования, рассматриваемого в следующей лекции, у процедуры может быть несколько предшественников, что позволяет объединить несколько наследуемых процедур в одну. Тогда для устранения неоднозначности нужно будет указывать родителя, например, Precursor {WINDOW}. Заметим, что использование конструкции Precursor не делает компонент-предшественник компонентом данного класса, компонентом является только его переопределенная версия. (В частности, предшествующая версия может не удовлетворять новому инварианту.) Целью конструкции является облегчение переопределения в случае, когда новая версия включает старую.

В более сложном случае, когда, в частности, требуется использовать и предшествующую и новую версии в качестве компонентов класса, можно воспользоваться дублируемым наследованием, при котором родительский компонент, фактически, дублируется, и у наследника создаются два законченных компонента. Это будет подробно обсуждаться при рассмотрении дублируемого наследования.

Смысл наследования

Мы уже рассмотрели основные способы наследования. Многое еще предстоит изучить, в частности, множественное наследование и детали того, что происходит с утверждениями в контексте наследования (понятие субконтрактов).

Но вначале следует поразмышлять над этими фундаментальными понятиями и выяснить их значение для вопроса о качестве ПО и для процесса разработки ПО.

Двойственная перспектива

По-видимому, нигде двойственная роль классов как модулей, с одной стороны, и типов - с другой, не проявляется так отчетливо, как при изучении наследования. При взгляде на класс, как на модуль, наследник описывает расширение модуля-родителя, а при взгляде на него, как на тип, он описывает подтип типа родителя.

Хотя некоторые аспекты наследования больше относятся к взгляду на класс, как на тип, большая часть полезна для обоих подходов, о чем свидетельствует приведенная примерная классификация (на которой отражены также несколько еще не изученных аспектов: переименование, скрытие потомков, множественное и повторное наследование). Ни один из рассматриваемых аспектов не относится исключительно к взгляду на класс, как на модуль.

Рис. 14.11.  Механизмы наследования и их роль

Эти два взгляда дополняют друг друга, придавая наследованию силу и гибкость. Эта сила может даже показаться пугающей, что побуждает предложить разделить механизм на два: на возможность расширять модули и на механизм выделения подтипов. Но когда мы вникнем в проблему глубже (в лекции о методологии наследования), то обнаружим, что у такого разделения имеется множество недостатков, и нет явных преимуществ. Наследование - это объединяющий принцип, как и многие другие объединяющие идеи в науке, он соединяет вместе явления, рассматриваемые ранее как различные.

Взгляд на класс как на модуль

С этой точки зрения наследование особенно эффективно в качестве метода повторного использования.

Модуль это множество служб, предлагаемых внешнему миру. Без наследования каждому новому модулю пришлось бы самому определять все предоставляемые им службы. Конечно, реализации этих служб могут основываться на службах, предоставляемых другими модулями: это и есть цель отношения "быть клиентом". Но единственным способом определить новый модуль является добавление новых служб к ранее определенным модулям.

Наследование предоставляет эту возможность. Если B является наследником A, то все службы (компоненты) A автоматически доступны в B, и их не нужно в нем явно определять. В соответствии со своими целями B может добавить новые компоненты. Дополнительная гибкость обеспечивается переопределением, позволяющим B по-разному использовать реализации, предлагаемые A: некоторые из них не меняются, а другие переделываются в более подходящие для данного класса версии.

Это приводит к такому стилю разработки ПО, при котором вместо попытки решать каждую новую задачу с нуля поощряется ее решение, основанное на предыдущих достижениях и на расширении их результатов. Его смысл состоит в экономии - зачем повторять то, что уже однажды было сделано? - и в скромности, в духе известного замечания Ньютона, что он смог достичь таких высот только потому, что стоял на плечах гигантов.

Полное преимущество этого подхода лучше всего понимается в терминах принципа Открыт-Закрыт, введенного в одной из предыдущих лекций. (Стоило бы перечитать этот раздел в свете только что введенных понятий.) Этот принцип утверждает, что хорошая структура модуля должна быть и закрытой, и открытой.

[x]. Закрытой, поскольку клиентам для выполнения их собственной разработки нужны службы модуля и, будучи один раз зафиксированы в некоторой его версии, они не должны изменяться при введении новых служб, в которых клиент не нуждается.

[x]. Открытой, так как нет никакой гарантии, что с самого начала в модуль были включены все службы, потенциально необходимые некоторому клиенту.

Эти два требования представляют дилемму, и классическая структура модулей не дает ключа к ее разгадке. Но наследование эту проблему решает. Класс закрыт, так как он может компилироваться, заноситься в библиотеку и использоваться классами-клиентами. Но он также открыт, поскольку любой новый класс может его использовать в качестве родителя, добавляя новые компоненты и меняя объявления некоторых унаследованных компонентов, при этом совершенно не нужно изменять исходный класс и беспокоить его клиентов. Это фундаментальное свойство при применении наследования к построению повторно используемого расширяемого ПО.

Если бы довести эту идею до предела, то каждый класс просто добавлял бы один компонент к его родителям! Конечно, это не рекомендуется. Решение завершить класс не следует принимать легковесно, оно должно основываться на осознанном заключении о том, что класс в его нынешнем состоянии уже обеспечивает логически последовательный набор служб - стройную абстракцию данных - для потенциальных клиентов. Следует помнить, что принцип Открыт-Закрыт не отменяет последующей переделки неадекватных служб. Если плохой результат явился следствием неверной спецификации компонента, то мы не сможем модифицировать класс так, чтобы это не отразилось на его клиентах. Однако, благодаря переопределению, принцип Открыт-Закрыт все еще применим, если вводимое изменение согласовано с объявленной спецификацией.

Одним из самых трудных вопросов, связанных с проектированием повторно используемых структур модулей, была необходимость использовать преимущества большой общности, которая может существовать у разных однотипных групп абстракций данных - у всех хеш-таблиц, всех последовательных таблиц и т. п. Используя структуры классов, связанных наследованием, можно получить выигрыш, зная логические соотношения между разными реализациями. Внизу на диаграмме представлен грубый и частичный набросок возможной структуры библиотеки для работы с таблицами. В этой схеме естественно используется множественное наследование, которое будет детально обсуждаться в следующей лекции.

Рис. 14.12.  Набросок структуры библиотеки таблиц

Эта диаграмма наследования представляет только набросок, хотя на ней показаны типичные для этих структур связи по наследованию. Систематическую классификацию таблиц и других контейнеров, основанную на наследовании, см. в [M 1994a].

При таком взгляде требование повторного использования можно выразить весьма точно: идея состоит в том, чтобы передвинуть определение каждого компонента как можно выше в иерархии наследования так, чтобы он мог наследоваться максимально возможным числом классов-потомков. Можно представлять этот процесс как игру переиспользования, в которую играют на доске, представляющей иерархии наследования (такие, как на рис. 14.12), фигурами, представляющими компоненты. Выигрывает тот, кто сможет в результате открытия абстракций более высокого уровня передвинуть как можно больше компонентов как можно выше, и по пути, благодаря обнаружению общих свойств, сможет слить наибольшее число фигур.

Взгляд на класс как на тип

С точки зрения типов наследование адресуется и к повторному использованию, и к расширяемости, в частности, к тому, что в предыдущем обсуждении называлось непрерывностью. Здесь ключом является динамическое связывание.

Тип - это множество объектов, характеризуемых (как мы знаем из теории АТД) определенными операциями. INTEGER описывают множество целых чисел с арифметическими операциями, POLYGON - это множество объектов с операциями vertices, perimeter и другими.

Для типов наследование представляет отношение "является", например, во фразах "каждая собака является млекопитающим", "каждое млекопитающее является животным". Аналогично, прямоугольник является многоугольником.

Что означает это отношение?

[x]. Если рассматривать значения каждого типа, то это отношение является просто отношением включения множеств: собаки образуют подмножество множества животных, экземпляры класса RECTANGLE образуют подмножество экземпляров класса POLYGON. (Это следует из определения "экземпляра" в начале этой лекции, заметим, что прямой экземпляр класса RECTANGLE не является прямым экземпляром класса POLYGON).

[x]. Если рассматривать операции, применимые к каждому типу, то сказать, что B есть A, означает, что каждая операция, применимая к A применима также и к экземплярам B. (Однако при переопределении B может создать свою собственную реализацию, которая для экземпляров B заменит реализацию, предоставленную A.)

Используя это отношение можно описывать схемы отношения "является", представляющие многие варианты типов, например, все варианты класса FIGURE. Каждая новая версия таких подпрограмм как rotate и display определяется в классе, задающем соответствующий вариант типа. В случае таблиц, например, каждый класс на графе обеспечивает свою собственную реализацию операций search, insert, delete, разумеется, за исключением тех случаев, когда для него подходит реализация родителя.

Предостережение об использовании отношения "является" ("is a"). Начинающие - но я полагаю, ни один из читателей, добравшийся до этого места даже с минимумом внимания, - иногда путают наследование с отношением "экземпляр - образец", считая класс SAN_FRANCISCO наследником класса CITY. Это, как правило, ошибка: CITY - это класс, у которого может быть экземпляр, представляющий Сан Франциско. Чтобы избежать таких ошибок, достаточно помнить, что термин "является" означает не "x является одним из A" (например, "Сан Франциско является городом (CITY)), т.е. отношением между экземпляром и категорией, а выражает "всякий B является A" (например, "всякий ГОРОД является ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ_ЕДИНИЦЕЙ"), т.е. отношение между двумя категориями, в программировании - двумя классами. Некоторые авторы предпочитают называть это отношение "является разновидностью" или "может действовать как" [Gore 1996]. Отчасти это дело вкуса (и частично этот предмет будет обсуждаться в лекции о методологии наследования), но поскольку мы уже знаем, как избежать тривиальной ошибки, то будем и далее использовать наиболее распространенное название "является", не забывая при этом, что оно относится к отношению между категориями.

Наследование и децентрализация

Имея динамическое связывание, можно создавать децентрализованные архитектуры ПО, необходимые для достижения целей повторного использования и расширяемости. Сравним ОО-подход, при котором самодостаточные классы предоставляют свои множества вариантов операций, с классическими подходами. В Паскале или Аде можно использовать тип записи с вариантами

type FIGURE =

record

"Общие поля"

case figtype: (polygon, rectangle, triangle, circle,...) of

polygon: (vertices: LIST_OF_POINTS; count: INTEGER);

rectangle: (side1, side2: REAL;...);

...

end

чтобы определить различные виды фигур. Но это означает, что всякая программа, которая должна работать с фигурами (поворачивать и т.п.) должна проводить разбор возможных случаев:

case f.figure_type of

polygon: ...

circle: ...

...

end

В случае таблиц процедура search должна была бы использовать ту же структуру. Неприятность состоит в том, что эти процедуры должны обладать чересчур большими знаниями о будущем всей системы: они должны точно знать, какие типы фигур в ней допускаются. Любое добавление нового типа или изменение существующего будет затрагивать каждую процедуру.

Ne sutor ultra crepidam, (для сапожника ничего сверх сандалий) - это принцип разработки ПО: процедуре поворота не требуется знать полный список типов фигур. Ей должно хватать информации необходимой для выполнения своей работы: поворота некоторых видов фигур.

Распределение информации среди чересчур большого количества процедур является главным источником негибкости классических подходов к разработке ПО. Основные трудности модификации ПО можно проследить, анализируя эту проблему. Она также частично объясняет, почему так трудно управлять программными проектами, когда совсем небольшие изменения имеют далеко идущие последствия, заставляя разработчиков переделывать модули, которые, казалось бы, были успешно завершены.

ОО-методы также сталкиваются с этой проблемой. Изменение реализации операции затрагивает только тот класс, в котором применяется эта реализация. Добавление нового варианта некоторого типа в большинстве случаев не затронет другие классы. Причиной является децентрализация: классы заведуют своими собственными реализациями и не вмешиваются в дела друг друга. В применении к людям это звучало бы как Вольтеровское Cultivez votre jardin, - ухаживайте за своим собственным садом. В применении к модулям существенным является требование получения децентрализованных структур, которые изящно поддаются расширению, модификации, комбинированию и повторному использованию.

Независимость от представления

Динамическое связывание связано с одним из принципиальных аспектов повторного использования: независимостью от представления, т.е. возможностью запрашивать исполнение некоторой операции, имеющей несколько вариантов, не уточняя, какой из них будет применен. В предыдущей лекции при обсуждении этого понятия использовался пример вызова

present := has (x, t)

который должен применить подходящий алгоритм поиска, зависящий от вида t во время выполнения. Если t объявлена как таблица, но может присоединяться к экземпляру бинарного дерева поиска, хеш-таблице и т. п. (в предположении, что все необходимые классы доступны), то при динамическом связывании вызов

present := t.has (x)

найдет во время выполнения подходящую версию процедуры has. С помощью динамического связывания достигается то, что было невозможно получить с помощью перегрузки и универсальности: клиент может запросить некоторую операцию, а поддерживающая язык система автоматически найдет ее соответствующую реализацию.

Таким образом, объединение классов, наследования, переопределения, полиморфизма и динамического связывания дает прекрасные ответы на вопросы, поставленные в начале этой книги: требования повторного использования, критерии, принципы и правила модульности.

Парадокс расширения-специализации

Наследование иногда рассматривается как расширение, а иногда как специализация. Хотя эти два толкования как будто противоречат друг другу, оба они истинны - но с разных точек зрения.

Все снова зависит от того, смотрим ли мы на класс как на тип или как на модуль. В первом случае наследование, представляющее отношение "является", - это специализация: "собака" более специальное понятие, чем "животное", а "прямоугольник" - чем "многоугольник". Как уже отмечалось, это соответствует отношению включения подмножества во множество: если B наследник A, то множество объектов, представляющих во время выполнения B является подмножеством соответствующего множества для A.

Но с точки зрения модуля, при которой класс рассматривается как поставщик служб, B реализует службы A и свои собственные. Малому числу объектов часто позволяют иметь больше компонентов, так как это приводит к увеличению информации. Переходя от произвольных животных к собакам, мы можем добавить специфическое для них свойство "лаять", а при переходе от многоугольников к прямоугольникам можно добавить компонент "диагональ". Поэтому по отношению к реализованным компонентам отношение включения направлено в другую сторону: компоненты, применимые к экземплярам A, являются подмножеством компонент, применимых к экземплярам B.

>Здесь мы говорим о реализуемых компонентах, а не о предлагаемых (клиентам) службах, потому что при соединении скрытия информации с наследованием, как мы увидим, B может скрыть от клиентов некоторые из компонентов, в то время как A их экспортировал своим клиентам.

Таким образом, наследование является специализацией с точки зрения типов и расширением с точки зрения модулей. Это и есть парадокс расширения-специализации: чем больше применяемых компонентов, тем меньше объектов, к которым они применяются.

Парадокс расширения-специализации - это одна из причин для устранения термина "подкласс", предполагающего понятие "подмножество". Другой, уже отмеченной, является встречающееся в литературе сбивающее с толку использование термина "подкласс" для обозначения как прямого, так и непрямого наследования. Эти проблемы не возникают при использовании точно определенных терминов: наследник, потомок и собственный потомок и двойственных к ним терминов: родитель, предок и собственный предок.

Роль отложенных классов

Отложенные классы являются одним из важнейших связанных с наследованием механизмов, предназначенных для решения описанных в начале книги проблем конструирования ПО.

Назад к абстрактным типам данных

Насыщенные утверждениями отложенные классы хорошо подходят для представления АТД. Прекрасный пример - отложенный класс для стеков. Мы уже описывали процедуру put, сейчас приведем возможную версию полного описания этого класса.

indexing

description:

"Стеки (распределительные структуры с дисциплиной Last-in, First-Out), %

%не зависящие от выбора представления"

deferred class

STACK [G]

feature -- Доступ

count: INTEGER is

-- Число элементов.

deferred

end

item: G is

-- Последний вставленный элемент.

require

not_empty: not empty

deferred

end

feature - Отчет о статусе

empty: BOOLEAN is

-- Стек пустой?

do

Result := (count = 0)

end

full: BOOLEAN is

-- Стек заполнен?

deferred

end

feature - Изменение элемента

put (x: G) is

-- Втолкнуть x на вершину.

require

not full

deferred

ensure

not_empty: not empty

pushed_is_top: item = x

one_more: count = old count + 1

end

remove is

-- Вытолкнуть верхний элемент.

require

not empty

deferred

ensure

not_full: not full

one_less: count = old count - 1

end

change_top (x: T) is

-- Заменить верхний элемент на x

require

not_empty: not empty

do

remove; put (x)

ensure

not_empty: not empty

new_top: item = x

same_number_of_items: count = old count

end

wipe_out is

-- Удалить все элементы.

deferred

ensure

no_more_elements: empty

end

invariant

non_negative_count: count >= 0

empty_count: empty = (count = 0)

end

Этот класс показывает, как можно реализовать эффективную процедуру, используя отложенные: например, процедура change_top реализована в виде последовательных вызовов процедур remove и put. (Такая реализация для некоторых представлений, например, для массивов, может оказаться не самой лучшей, но эффективные потомки класса STACK могут ее переопределить.)

Если сравнить класс STACK со спецификацией соответствующего АТД, приведенной в лекции 6, то обнаружится удивительное сходство. Подчеркнем, в частности, соответствие между функциями АТД и компонентами класса, и между пунктом PRECONDITIONS и предусловиями процедур. Аксиомы представлены в постусловиях процедур и в инварианте класса.

Добавление операций change_top, count и wipe_out в данном случае несущественно, так как они легко могут быть включены в спецификацию АТД (см. упражнение У6.8). Отсутствие явного эквивалента функции new из АТД также несущественно, так как созданием объектов будут заниматься процедуры-конструкторы в эффективных потомках этого класса. Остаются три существенных отличия.

Первое из них - это введение функции full, рассчитанной на реализации с ограниченным числом элементов стека, например, на реализацию массивами. Это типичный пример ограничения, которое несущественно на уровне спецификации, но необходимо для разработки практических систем. Отметим однако, что это отличие между АТД и отложенным классом можно легко устранить, включив в спецификацию АТД средства для охвата ограниченных стеков. При этом общность не будет потеряна, так как некоторые реализации (например, с помощью списков) могут реализовывать full тривиальными процедурами, всегда возвращающими ложь.

Второе отличие, отмеченное при обсуждении разработки по контракту, состоит в том, что спецификация АТД полностью аппликативна (функциональна), она включает функции без побочных эффектов. А отложенный класс, несмотря на его абстрактность, является императивным (процедурным), например put определена как процедура, изменяющая стек, а не как функция, которая берет в качестве аргумента один стек и возвращает другой.

Наконец, как тоже уже отмечалось, механизм утверждений недостаточно выразителен для некоторых аксиом АТД. Из четырех аксиом стеков

Для всех x: G, s: STACK [G],

1

item (put (s, x)) = x

2

remove (put (s, x)) = s

3

empty (new)

4

not empty (put (s, x))

все, кроме (2), имеют прямые эквиваленты среди утверждений. (Мы предполагаем, что для (3) процедуры-конструкторы у потомков обеспечат выполнение условия empty). Причины таких ограничений уже были объяснены и были намечены возможные пути их преодоления - языки формальных спецификаций IFL.

Отложенные классы как частичные интерпретации: классы поведения

Не все отложенные классы так близки к АТД как STACK. В промежутке между полностью абстрактным классом, таким как STACK, в котором все существенные компоненты отложены, и эффективным классом, таким как FIXED_STACK, описывающим единственную реализацию АТД, имеется место для реализаций АТД с различной степенью завершенности.

Типичным примером является иерархия реализаций таблиц, которая помогла нам понять роль частичной общности при изучении повторного использования. Первоначальный рисунок, показывающий отношения между вариантами, можно сейчас перерисовать в виде диаграммы наследования.

Рис. 14.13.  Варианты понятия "таблица"

Наиболее общий класс TABLE является полностью или почти полностью отложенным, так как на этом уровне мы можем объявить несколько компонентов, но не можем предложить никакой существенной их реализации. Среди вариантов имеется класс SEQUENTIAL_TABLE, представляющий таблицы, в которые элементы вставляются последовательно. Примерами таких таблиц являются массивы, связанные списки и последовательные файлы. Соответствующие им классы в нижней части рисунка являются эффективными.

Особый интерес представляют такие классы как SEQUENTIAL_TABLE. Этот класс все еще отложенный, но его статус находится посредине между полностью отложенным статусом как у класса TABLE и полностью эффективным как у ARRAY_TABLE. У него достаточно информации, чтобы позволить себе реализацию некоторых специфических алгоритмов, например, в нем можно полностью реализовать последовательный поиск:

has (x: G): BOOLEAN is

-- x имеется в таблице?

do

from start until after or else equal (item, x) loop

forth

end

Result := not after

end

Эта функция эффективна, хотя ее алгоритм использует отложенные компоненты. Компоненты start (поместить курсор в первую позицию), forth (сдвинуть курсор на одну позицию), item (значение элемента в позиции курсора), after (находится ли курсор за последним элементом?) являются отложенными в классе SEQUENTIAL_TABLE и в каждом из показанных на рисунке потомков этого класса они реализуются по-разному.

Эти реализации были приведены при обсуждении повторного использования. Например класс ARRAY_TABLE может представлять курсор числом i, так что процедура start реализуется как i := 1, а item как t @ i и т.д.

Отметим важность включения предусловия и постусловия компонента forth, а также инварианта объемлющего класса для гарантирования того, что все будущие реализации будут удовлетворять одной и той же базовой спецификации. Эти утверждения приводились ранее в этой лекции (в несколько ином контексте для класса LIST, но непосредственно применимы и здесь).

Это обсуждение в полной степени показывает соответствие между классами и АТД:

[x]. Полностью отложенный класс, такой как TABLE, соответствует АТД.

[x]. Полностью эффективный класс, такой как ARRAY_TABLE, соответствует реализации АТД.

[x]. Частично отложенный класс, такой как SEQUENTIAL_TABLE, соответствует семейству реализаций (или, что эквивалентно, частичной реализации) АТД.

Такой класс как SEQUENTIAL_TABLE, аккумулирующий черты, свойственные нескольким вариантам АТД, можно назвать классом поведения (behavior class). Классы поведения предоставляют важные образцы для конструирования ОО-ПО.

Не вызывайте нас, мы вызовем вас

Класс SEQUENTIAL_TABLE дает представление о том, как ОО-технология, используя понятие класса поведения, отвечает на последний оставшийся открытым в лекции 4 вопрос о "Факторизации общих поведений".

Особенно интересна возможность определения такой эффективной процедуры в классе поведения, которая использует в своей реализации отложенные процедуры. Эта возможность проиллюстрирована выше процедурой has. Она показывает, как можно использовать частично отложенные классы для того, чтобы зафиксировать общее поведение нескольких вариантов. В отложенном классе описывается только то общее, что у всех них имеется, а описание вариаций остается потомкам.

Ряд примеров в последующих лекциях будет базироваться на этом методе, который играет важную роль в применении ОО-методов к построению повторно используемого ПО. Он особенно полезен при создании библиотек для конкретных предметных областей и реально применяется во многих контекстах. Типичным примером, описанным в [M 1994a], является разработка библиотек Lex и Parse, предназначенных для анализа языков. В частности, Parse определяет общую схему разбора, по которой будет обрабатываться любой текст (формат данных для языка программирования и т.п.), структура которого соответствует некоторой грамматике. Классы поведения высокого уровня содержат небольшое число отложенных компонентов, таких как post_action, описывающих семантические действия, которые должны выполняться после разбора некоторой конструкции. Для определения собственной семантической обработки пользователю достаточно реализовать эти компоненты.

Такая схема широко распространена. В частности, бизнес-приложения часто следуют стандартным образцам - обработать полученные за день счета, выполнить соответствующую проверку требований на платежи, ввести новых заказчиков и так далее, - индивидуальные компоненты которых могут варьироваться.

В таких случаях можно предоставить набор классов поведения со смесью эффективных компонент, описывающих известную часть, и отложенных компонент, задающих изменяемые элементы. Как правило, эффективные компоненты будут вызывать в своих телах отложенные. При таком подходе потомки могут создавать реализации, удовлетворяющие их потребностям.

Не все изменяемые элементы следует откладывать. Если доступна реализация по умолчанию, то ее следует включить в качестве эффективного компонента, который при необходимости можно переопределить на уровне потомка. Это упростит разработку потомков, так как в них нужно будет реализовывать новые версии лишь тех компонент, которые отличаются от реализаций по умолчанию. Разумеется, такой метод следует применять лишь при наличии подходящей реализации по умолчанию, в противном случае соответствующий компонент следует объявить отложенным (как, например, display в классе FIGURE).

Этот метод является частью более общего подхода, который можно окрестить "Не вызывайте нас, мы вызовем вас": не прикладная система вызывает повторно используемые примитивы, а универсальная схема позволяет разработчикам приложений размещать их собственные варианты в стратегических местах.

Эта идея не является абсолютно новой. Древняя и весьма почтенная СУБД IMS фирмы IBM уже использовала нечто в этом роде. Структура управления графических систем (таких как система X для Unix) включает "цикл по событиям", в котором на каждой итерации вызываются специфические функции, поставляемые разработчиками приложений. Этот подход известен как схема обратного вызова (callback scheme).

То, что предлагает ОО-метод, благодаря классам поведения, представляет систематическую, обеспечивающую безопасность поддержку этой техники разработки. Эта поддержка включает классы, наследование, проверку типов, отложенные классы и компоненты, а также утверждения, позволяющие разработчику сразу зафиксировать, каким условиям должны всегда удовлетворять изменяемые элементы.

Программы с дырами

Только что обсужденные методы являются центральным вкладом ОО-подхода в повторное использование: они предлагают не замороженные навсегда компоненты (которые можно обнаружить в библиотеках подпрограмм), а гибкие решения, которые предоставляют базисные схемы и могут быть адаптированы к нуждам многих разнообразных приложений.

Одной из центральных тем при обсуждении повторного использования была необходимость соединить эту цель с адаптивностью во избежание дилеммы: переиспользовать или переделывать. Этому в точности соответствует только что описанная схема, для которой можно предложить название "программы с дырами". В отличие от библиотек подпрограмм, в которых все, кроме значений фактических параметров, жестко фиксировано, у программ с дырами, использующих классы, образцом для которых служит модель SEQUENTIAL_TABLE, имеется место для частей, создаваемых пользователем.

Эти наблюдения помогают понять образ "блока Лего", часто используемый при обсуждении повторно использования. В наборе Лего компоненты фиксированы, детская фантазия направлена на составление из них интересной структуры. Тот же подход свойственен и программированию, - истоки его в традиционных библиотеках подпрограмм. Часто при разработке ПО требуется в точности обратное: сохранять структуру, но заменять компоненты. На самом деле, этих компонентов может еще и не быть, на их места помещаются "заглушки" (отложенные компоненты), вместо которых затем нужно вставить эффективные варианты.

По аналогии с детскими игрушками можно вернуться в детство и представить себе игровую доску с отверстиями разной формы, в которые ребенок должен вставлять соответствующие фигуры. Он должен понять, что квадратный блок подходит для квадратного отверстия, а круглый блок - для круглого отверстия.

Можно также представлять частично отложенный класс поведения (или набор таких классов, называемый "библиотекой"), как устройство с несколькими электрическими розетками - отложенными классами - в которые разработчик приложения будет вставлять совместимые с ними устройства. Эту метафору можно продолжить: для устройства важны меры предосторожности - утверждения, выражающие требования к допустимым съемным устройствам, например, спецификация розетки определяет допустимое напряжение, силу тока и другие электрические параметры.

Роль отложенных классов при анализе и глобальном проектировании

Отложенные классы играют также ключевую роль при использовании ОО-метода не только на уровне реализации, но и на самых ранних и верхних уровнях построения системы - анализе и глобальном проектировании. Целью является создание спецификации системы и ее архитектуры, для проекта требуется также абстрактное описание каждого модуля без деталей его реализации.

Обычно даваемая в этом случае рекомендация состоит в использовании отдельных обозначений: некоторого "метода" анализа (за этим термином во многих случаях стоит просто некоторая графическая нотация) и некоторого ЯПП (PDL) (языка проектирования программ, зачастую тоже графического). Но у этого подхода много недостатков:

[x]. Разрыв между последовательными шагами процесса разработки представляет серьезную угрозу для качества ПО. Необходимость трансляции из одного формализма в другой может привести к ошибкам и подвергает опасности целостность системы. ОО-технология, напротив, предлагает перспективу непрерывного процесса разработки ПО.

[x]. Многоярусный подход является особенно губительным для этапов сопровождения и эволюции системы. Крайне сложно гарантировать согласованность проекта и реализации на этих этапах.

[x]. Наконец, большинство существующих подходов к анализу и проектированию не предлагают никакой поддержки формальной спецификации функциональных свойств модулей, не зависящей от их реализации, например в форме утверждений.

Последний комментарий приводит к парадоксу уровней: точная нотация, подобная языку, используемому в этой книге, иногда отклоняется как "низкоуровневая" или "ориентированная на реализацию", поскольку внешне выглядит как язык программирования. На самом же деле, благодаря утверждениям и такому механизму абстракции как отложенные классы, их уровень существенно выше уровня большинства имеющихся подходов к анализу и проектированию. Многим требуется время, чтобы осознать это, поскольку раньше их учили тому, что высокий уровень абстракции означает неопределенность и что абстракция всегда должна быть неточной.

Использование отложенных классов для анализа и проектирования позволяет нам одновременно быть абстрактными и точными, и применять один и тот же язык на протяжении всего процесса разработки. При этом устраняются разрывы в концепциях, переход от описания модуля на высоком уровне к реализациям может происходить плавно внутри одного формализма. Даже нереализованные операции проектируемых модулей, представленные отложенными процедурами, можно достаточно точно охарактеризовать с помощью предусловий, постусловий и инвариантов.

Система обозначений, которая к этому моменту развернута почти до конца, покрывает этапы анализа и проектирования, а также и реализации. Одни и те же понятия и конструкции применяются на всех стадиях, различаются только уровни абстракции и детализации.

Обсуждение

В этой лекции введены основные понятия, связанные с наследованием. Оценим сейчас достоинства некоторых введенных соглашений. Дальнейшие комментарии о механизме наследования (в частности, о множественном наследовании) появятся в следующей лекции.

Явное переопределение

Роль предложения redefine состоит в улучшении читаемости и надежности. Компиляторам, на самом деле, оно не нужно, так как в классе может быть лишь один компонент с данным именем, то объявленный в данном классе компонент, имеющий то же имя, что и компонент некоторого предка, может быть только переопределением этого компонента (или ошибкой).

Не следует пренебрегать возможностью ошибки, так как программист может наследовать некоторый класс, не зная всех компонентов, объявленных в его предках. Для избежания этой опасности требуется явно указать каждое переопределение. В этом и состоит основная роль предложения redefine, которое также полезно при чтении класса.

Доступ к предшественнику процедуры

Напомним правило использования конструкции Precursor (...): она может появляться только в переопределяемой версии процедуры.

Этим обеспечивается цель введения этой конструкции: позволить новому определению использовать первоначальную реализацию. При этом возможность явного указания родителя устраняет всякую неопределенность (в частности, при множественном наследовании). Если бы допускался доступ любой процедуры к любому компоненту предков, то текст класса было бы трудно понять, читателю все время приходилось бы обращаться к текстам многих других классов.

Динамическое связывание и эффективность

Можно подумать, что сила механизма динамического связывания приведет во время выполнения к недопустимым накладным расходам. Такая опасность существует, но аккуратное проектирование языка и хорошие методы его реализации могут ее предотвратить.

Дело в том, что динамическое связывание требует несколько большего объема действий во время выполнения. Сравним вызов обычной процедуры в традиционном языке программирования (Pascal, Ada, C, ...)

1

f (x, a, b, c...)

с ОО-формой

3.

x.f (a, b, c...)

Разница между этими двумя формами уже была разъяснена при введении понятия класса, для идентификации типа модуля. Но сейчас мы понимаем, что это связано не только со стилем, имеется также различие и в семантике. В форме (1), какой именно компонент обозначает имя f известно статически во время компиляции или, в худшем случае, во время компоновки, если для объединения раздельно откомпилированных модулей используется компоновщик. Однако при динамическом связывании такая информация недоступна статически: для f в форме (2) выбор компонента зависит от объекта, к которому присоединен x во время конкретного выполнения. Каким будет этот тип нельзя (в общем случае) определить по тексту программы, это служит источником гибкости этого ранее разрекламированного механизма.

Предположим вначале, что динамическое связывание реализовано наивно. Во время выполнения хранится копия иерархии классов. Каждый объект содержит информацию о своем типе - вершине в этой иерархии. Чтобы интерпретировать во время выполнения x.f, окружение ищет соответствующую вершину и проверяет, содержит ли этот класс компонент f. Если да, то прекрасно, мы нашли то, что требовалось. Если нет, то переходим к вершине-родителю и повторяем всю операцию. Может потребоваться проделать путь до самого верхнего класса (или нескольких таких классов в случае множественного наследования).

В типизированном языке нахождение подходящего компонента гарантировано, но в нетипизированном языке, таком как Smalltalk, поиск может быть неудачным, и придется завершить выполнение диагнозом "сообщение не понято".

Такая схема все еще применяется с различными оптимизациями во многих реализациях не статически типизированных языков. Она приводит к существенным затратам, снижающим эффективность. Хуже того, эти затраты не прогнозируемы и растут с увеличением глубины структуры наследования, так как алгоритм может постоянно проходить путь до корня иерархии наследования. Это приводит к конфликту между повторным использованием и эффективностью, поскольку упорная работа над повторным использованием м приводит к введению дополнительных уровней наследования. Представьте состояние бедного разработчика, который перед добавлением нового уровня наследования должен оценить, как это ударит по эффективности. Нельзя ставить разработчиков ПО перед таким выбором.

Такой подход является одним из главных источников неэффективности реализаций языка Smalltalk. Это также объясняет, почему он (по крайней мере, в коммерческих реализациях) не поддерживает множественного наследования. Причина - в том, что из-за необходимости обходить весь граф, а не одну ветвь, накладные расходы оказываются чрезмерными.

К счастью, использование статической типизации устраняет эти неприятности. При правильно построенной системе типов и алгоритмах компиляции нет никакой нужды перемещаться по структуре наследования во время выполнения. Для ОО-языка со статической типизацией возможные типы x не произвольны, а ограничены потомками исходного типа x, поэтому компилятор может упростить работу системы выполнения, построив массив структурных данных, содержащих всю необходимую информацию. При наличии этих структур данных накладные расходы на динамическое связывание сильно уменьшаются: они сводятся к вычислению индекса и доступу к массиву. Важно не только то, что такие затраты невелики, но и то, что они ограничены константой, и поэтому можно не беспокоиться о рассмотренной выше проблеме соотношения между переиспользуемостью и эффективностью. Будет ли структура наследования в вашей системе иметь глубину 2 или 20, будет ли в ней 100 классов или 10000, максимальные накладные расходы всегда одни и те же. Они не зависят и от того, является ли наследование единичным или множественным.

Открытие в 1985г. этого свойства, т.е. того, что даже при множественном наследовании можно реализовать вызов динамически связываемого компонента за константное время, было главным побудительным толчком к разработке проекта (среди прочего приведшего к появлению первого и настоящего изданий этой книги), направленного на построение современного окружения для разработки ПО, отталкивающегося от идей великолепно введенных языком Simula 67, распространенных затем на множественное наследование (длительный опыт применения Симулы показал, что непозволительно ограничиваться единичным наследованием), приведенных в соответствие с принципами современной программной инженерии и объединяющих эти идеи с самыми полезными результатами формальных подходов к спецификации, построению и верификации ПО. Создание эффективного механизма динамического связывания за константное время, которое на первый взгляд может показаться второстепенным среди указанного набора целей, на самом деле было настоятельно необходимым. Эти наблюдения могут показаться странными тому, кто познакомился с ОО-технологией через линзу представлений об ОО-анализе и проектировании, в которых реализация и эффективность рассматриваются как приземленные предметы, которыми следует заниматься после того, как решено все остальное. Эффективность является одним из ключевых факторов, который должен рассматриваться на всех шагах, когда речь идет о реальной разработке промышленного ПО, о реальной увязке инженерных решений. Как отмечалось в одной из предыдущих лекций, если вы откажетесь от эффективности, то эффективность откажется от вас. Конечно, ОО-технология это нечто большее, чем динамическое связывание за константное время, но без этого не могло бы быть никакой успешной ОО-технологии.

Оценка накладных расходов

Оказывается, можно грубо оценить потери на накладные расходы для описанных выше методов динамического связывания. Следующие цифры взяты из опытов ISE по использованию динамического связывания (данные получены при отключении объясняемой ниже оптимизации статического связывания).

Для процедуры, которая ничего не делает, т. е. описана как p1 is do end, превышение времени динамического связывания над временем статического связывания (например, над эквивалентной процедурой на C) составляет около 30%.

Это, конечно, оценка сверху, поскольку реальные процедуры что-нибудь да делают. Цена динамического связывания одинакова для всех процедур независимо от времени их выполнения, поэтому, чем больший объем вычислений выполняет процедура, тем меньше относительная доля накладных расходов. Если вместо p1 использовать процедуру, которая выполняет некоторые типичные операции, такую как

p2 (a, b, c: INTEGER) is

local

x, y

do

x := a; y := b + c + 1; x := x * y; p2

if x > y then x := x + 1 else x := x - 1 end

end

то накладные расходы падают до 15%. Для программы, выполняющей нечто более существенное (например, некоторый цикл) их доля совсем мала.

Статическое связывание как оптимизация

В некоторых случаях главным требованием является эффективность, и даже указанные выше небольшие накладные расходы нежелательны. В этом случае можно заметить, что они не всегда обоснованы. Вызов x.f (a, b, c...) не нуждается в динамическом связывании в следующих случаях:

1 f нигде в системе не переопределяется (имеет только одно объявление);

2 x не является полиморфной, иначе говоря, не является целью никакого присоединения, источник которого имеет другой тип.

В любом из таких случаев, выявляемых хорошим компилятором, сгенерированный для x.f (a, b, c...) код может быть таким же, как и код, генерируемый компиляторами C, Pascal, Ada или Fortran для вызова f (x, a, b, c...). Никакие накладные расходы не потребуются.

Компилятор ISE, являющийся частью окружения, описанного в последней лекции, сейчас выполняет оптимизацию (1), планируется добавить и (2) (анализ (2) является, фактически, следствием механизмов анализа типов, описанных в лекции о типизации).

Хотя (1) интересно и само по себе, непосредственная его польза ограничивается сравнительно низкой стоимостью динамического связывания (см. приведенную выше статистику). Настоящий выигрыш от него непрямой, поскольку (1) дает возможность третьей оптимизации:

4. При любой возможности применять автоматическую подстановку кода процедуры.

Такая подстановка означает расширение тела программы текстом вызываемой процедуры в месте ее вызова. Например, для процедуры

set_a (x: SOME_TYPE) is

-- Сделать x новым значением атрибута a.

do

a := x

end

компилятор может сгенерировать для вызова s.set_a (some_value) такой же код, какой компилятор Pascal сгенерирует для присваивания s.a := some_value (недопустимое для нас обозначение, поскольку оно нарушает скрытие информации). В этом случае вообще нет накладных расходов, поскольку сгенерированный код не содержит вызова процедуры.

Подстановка кода традиционно рассматривается как оптимизация, которую должны задавать программисты. Ada включает прагму (указание транслятору) inline, C и С++ предлагают аналогичные механизмы. Но этому подходу присущи внутренние ограничения. Хотя для небольшой, статичной программы компетентный программист может сам определить, какие процедуры можно подставлять, для больших развивающихся проектов это сделать невозможно. В этом случае компилятор с приличным алгоритмом определения подстановок будет намного превосходить догадки программистов.

Для каждого вызова, к которому применимо автоматическое статическое связывание (1), ОО-компилятор может определить, основываясь на анализе соотношения между временем и памятью, стоит ли применять автоматическую подстановку кода процедуры (3). Это одна из самых поразительных оптимизаций - одна из причин, по которой можно достичь эффективности произведенного вручную кода Си или Фортрана, а иногда, на больших системах и превзойти ее.

К улучшению эффективности, растущему с увеличением размера и сложности программ, автоматическая подстановка кода добавляет преимущество большей надежности и гибкости. Как уже отмечалось, подстановка кода семантически корректна только для процедуры, которую можно статически ограничить, например, как в случаях (1) и (2). Это не только допустимо, но также вполне согласуется с ОО-методом, в частности, с принципом Открыт-Закрыт, если разработчик на полпути разработки большой системы добавит переопределение некоторого компонента, имевшего к этому моменту только одну реализацию. Если же код процедуры вставляется вручную, то в результате может получиться программа с ошибочной семантикой (поскольку в данном случае требуется динамическое связывание, а вставка кода, конечно, означает статическое связывание). Разработчики должны сосредотачиваться на построении корректных программ, не занимаясь утомительными оптимизациями, которые при выполнении вручную приводят к ошибкам, а на деле могут быть автоматизированы.

Имеются и некоторые другие требования для того, чтобы подстановка кода была корректной, в частности, она применима только к нерекурсивным вызовам. Даже корректную подстановку следует применять при разумном соотношении между временем и памятью: подставляемая процедура должна быть небольшой и должна вызываться небольшое число раз.

Последнее замечание об эффективности. Опубликованная статистика для ОО-языков показывает, что где-то от 30% до 60% вызовов на самом деле используют динамическое связывание. Это зависит от того, насколько интенсивно разработчики используют специфические свойства методов. В системе ISE это соотношение близко к 60%. С использованием только что описанных оптимизаций платить придется только за динамическое связывание только тех вызовов, которые действительно в нем нуждаются. Для оставшихся динамических вызовов накладные расходы не только малы (ограничены константой), но и логически необходимы, - в большинстве случаев для достижения результата, эквивалентного динамическому связыванию, придется использовать условные операторы (if ... then ... или case ... of ...), которые могут оказаться дороже приведенного выше простого механизма, основанного на доступе к массивам. Поэтому неудивительно, что ОО-программы, откомпилированные хорошим компилятором, могут соревноваться с написанным вручную кодом на C.

Кнопка под другим именем: когда статическое связывание ошибочно

К этому моменту должен стать понятным главный вывод из изложенных в этой лекции принципов наследования:

Принцип динамического связывания

Если результат статического связывания не совпадает с результатом динамического связывания, то такое статическое связывание семантически некорректно.

Рассмотрим вызов x.r. Если x объявлена типа A, но в процессе вычисления была присоединена к объекту типа B, а в классе B компонент r переопределен, то использование в этом вызове исходной версии r из класса A - это не вопрос выбора, это просто ошибка!

Безусловно, имелись причины для переопределения r. Одной из них могла быть оптимизация, как в случае с компонентом perimeter в классе RECTANGLE, но могло также оказаться, что исходная версия r просто некорректно работает для объектов из B. Рассмотрим, например, эскизно описанный класс BUTTON (КНОПКА), являющийся наследником класса WINDOW (ОКНО) в некоторой оконной системе (кнопки являются специальным видом окон). В этом классе переопределена процедура display, так как изображение кнопки немного отличается от изображения обычного окна (например, нужно показать ее рамку). В этом случае, если w имеет объявленный тип WINDOW, но динамически связана, благодаря полиморфизму, с объектом типа BUTTON, то вызов w.display должен исполняться для "кнопочной" версии! Использование display из класса WINDOW приведет к искажению изображения на экране.

Мы не должны позволить, чтобы нас обманула гибкость системы типов, основанная на наследовании, особенно ее правило совместимости типов, позволяющее объявлять сущность на уровне абстракции более высоком, чем уровень типа присоединенного объекта во время конкретного выполнения. Во время выполнения программы единственное, что имеет значение, - это те объекты, к которым применяются компоненты, а сущности - имена в тексте программы - уже давно забыты. Кнопка под любым именем остается кнопкой, независимо от того, названа ли она в программе кнопкой или присоединена к сущности типа окно.

Это рассуждение можно подкрепить некоторым математическим анализом. Напомним условие корректности процедуры из лекции 11 об утверждениях:

{prer (xr) and INV} Bodyr {postr (xr) and INV}.

Для целей нашего обсуждения его можно немного упростить, оставив только часть, относящуюся к инвариантам классов, опустив аргументы и используя в качестве индекса имя класса A:

[A-CORRECT]

{INVA} rA {INVA}

Содержательно это означает, что всякое выполнение процедуры r из класса A сохраняет инвариант этого класса. Предположим теперь, что мы переопределили r в некотором собственном потомке B. Соответствующее свойство будет выполняться, если новый класс корректен:

[B-CORRECT]

{INVB} rB {INVB}

Напомним, что инварианты накапливаются при движении вниз по структуре наследования, так что INVB влечет INVA, но, как правило, не наоборот.

Рис. 14.14.  Версия родителя может не удовлетворять новому инварианту

Напомним, например, как RECTANGLE добавляет собственные условия к инварианту класса POLYGON. Другой пример, рассмотренный при изучении инвариантов в лекции 11, это класс ACCOUNT1 с компонентами withdrawals_list и deposits_list; его собственный потомок ACCOUNT2 добавляет к нему, возможно, по соображениям эффективности, новый атрибут balance для постоянного запоминания текущего баланса счета. К инварианту добавляется новое предложение:

consistent_balance: deposits_listltotal - withdrawals_listltotal = current_balance

Из-за этого, возможно, придется переопределить некоторые из процедур класса ACCOUNT1; например, процедура deposit, которая использовалась просто для добавления элемента в список deposits_list, сейчас должна будет модифицировать также balance. Иначе класс просто станет ошибочным. Это аналогично тому, что версия процедуры display из класса WINDOW не является корректной для экземпляра класса BUTTON.

Предположим теперь, что к объекту типа B, достижимому через сущность типа A, применяется статическое связывание. При этом из-за того, что соответствующая версия процедуры rA , как правило, не будет поддерживать необходимый инвариант (как, например, depositACCOUNT1 для объектов типа ACCOUNT2 или displayWINDOW для объектов типа BUTTON), будет получаться неверный объект (например, объект класса ACCOUNT2 с неправильным полем balance или объект класса BUTTON, неправильно показанный на экране).

Такой результат - объект, не удовлетворяющий инварианту своего класса, т.е. основным, универсальным ограничениям на все объекты такого вида - является одним из самых страшных событий, которые могут случиться во время выполнения программы. Если такая ситуация может возникнуть, то нечего надеяться на верный результат вычисления.

Суммируем: статическое связывание является либо оптимизацией, либо ошибкой. Если его семантика совпадает с семантикой динамического связывания (как в случаях (1) и (2)), то оно является оптимизацией, которую может выполнить компилятор. Если у него другая семантика, то это ошибка.

Подход языка С++ к связыванию

Учитывая широкое распространение и влияние языка С++ на другие языки, нужно разъяснить, как в нем решаются некоторые из обсуждаемых здесь вопросов.

Соглашения, принятые в С++, кажутся странными. По умолчанию связывание является статическим. Чтобы процедура (в терминах С++ - функция или метод) связывалась динамически, она должна быть специально объявлена как виртуальная (virtual).

Это означает, что приняты два решения:

1 Сделать программиста ответственным за выбор статического или динамического связывания.

2 Использовать статическое связывание в качестве предопределенного.

Оба нарушают ОО-разработку ПО, но в различной степени: (1) можно попробовать объяснить, а (2) защищать трудно.

По сравнению с подходом этой книги (1) ведет к другому пониманию того, какие задачи должны выполняться людьми (разработчиками ПО), а какие - компьютерами (более точно, компиляторами). Это та же проблема, с которой мы столкнулись при обсуждении автоматического распределения памяти. Подход С++ продолжает традиции C и дает программисту полный контроль над тем, что случится во время выполнения, будь то размещение объекта или вызов процедуры. В отличие от этого, в духе ОО-технологии стремление переложить на плечи компилятора все утомительные задачи, выполнение которых вручную приводит к ошибкам, и для которых имеются подходящие алгоритмы. В крупном масштабе и на большом промежутке времени компиляторы всегда справятся с работой лучше.

Конечно, разработчики отвечают за эффективность их программ, но они должны сосредотачивать свои усилия на том, что может действительно существенно повлиять на результат: на выборе подходящих структур данных и алгоритмов. За все остальное несут ответственность разработчики языков и компиляторов.

Отсюда и несогласие с решением (1): С++ считает, что статическое связывание, как и подстановка кода, должно определяться разработчиками, а развиваемый в этой книге ОО-подход полагает, что за это отвечает компилятор, который будет сам оптимизировать вызовы. Статическое связывание - это оптимизация, а не выбор семантики.

Для ОО-метода имеется еще одно негативное последствие (1). Всегда при определении процедуры требуется указать политику связывания: является она виртуальной или нет, т.е. будет связываться динамически или статически. Такая политика противоречит принципу Открыт-Закрыт, так как заставляет разработчика с самого начала угадать, что будет переопределяться, а что - нет. Это не соответствует тому, как работает наследование: на практике может потребоваться переопределить некоторый компонент в далеком потомке класса, при проектировании которого нельзя было это предвидеть. При подходе С++, если разработчик исходного класса такого не предусмотрел, то придется снова вернуться к этому классу, чтобы изменить объявление компонента на virtual. При этом предполагается, что исходный текст доступен для модификации. А если его нет, или у разработчика нет права его менять, то вас ожидает горькая участь.

По этим причинам решение (1), требующее, чтобы программисты сами задавали политику связывания, мешает эффективному применению ОО-метода.

Решение (2) - использовать статическое связывание в качестве предопределенного - еще хуже. Очень трудно подобрать доводы в его пользу с точки зрения проектирования языка. Как мы видели, выбор статического связывания всегда приводит к ошибкам, если его семантика отличается от динамического. Поэтому не может быть никаких причин для его выбора в качестве предопределенного.

Одно дело - сделать программистов, а не компиляторы ответственными за оптимизацию в безопасных случаях (т.е. попросить их явно указывать статическое связывание, если они считают, что это корректно), но заставлять их писать нечто специальное, чтобы получить корректную семантику - это совсем другое. Если верно или неверно понятые соображения эффективности начинают брать верх над основополагающим требованием корректности ПО, то что-то не в порядке.

Даже в языке, заставляющем программиста отвечать за выбор политики связывания (такое решение принято в C), предопределенное значение должно быть противоположным. Вместо того, чтобы требовать объявлять динамически связываемые функции виртуальными (virtual), язык должен был бы использовать динамическое связывание по умолчанию и разрешить программистам выделять словом static (или каким-нибудь другим) компоненты, для которых они хотели бы запросить оптимизацию, доверив им самим (в традиции C и С++) удостоверяться в том, что она допустима.

Это различие особенно важно для начинающих, которые, естественно, имеют тенденцию доверять значениям по умолчанию. Даже для языка, менее страшного, чем С++, нельзя предполагать, что кто-либо сразу справится со всеми деталями наследования. Ответственный подход к этому должен гарантировать корректную семантику для новичков (и вообще, для разработчиков, начинающих новый проект, которые "хотят чтобы прежде всего он был правильным, а уж затем быстрым"), а затем предоставить возможности оптимизации для тех, кому это требуется и кто хорошо разбирается в предмете.

Имея в виду широко распространенный интерес к "совместимости снизу - вверх", создание комитета для изменения политики связывания в С++, особенно пункта (2), будет тяжелым делом, но стоит попытаться пролить свет на опасность нынешних соглашений. Прискорбно, но подход С++ влияет и на другие языки, например, политика динамического связывания в языке Borland Delphi, продолжающем прежние расширения Паскаля, по сути, та же, что и в С++. Отметим все же, что вышедший из недр С++ язык Java в качестве базового использует динамическое связывание.

Эти наблюдения позволяют дать некоторый практический совет. Что разработчик может сделать при использовании С++ или иного языка с той же политикой связывания? Самым лучшим для разработчиков, не имеющих возможности переключиться на другие средства или ждать улучшений в этом языке, было бы объявлять все функции как виртуальные и тем самым разрешить их любые переопределения в духе ОО-разработки ПО. (К сожалению, некоторые компиляторы С++ ограничивают число виртуальных функций в системе, но можно надеяться, что эти ограничения будут сняты).

Парадокс этого совета в том, что он возвращает нас назад к ситуации, в которой все вызовы реализуются через динамическое связывание и требуют несколько большего времени выполнения. Иными словами, соглашения (1) и (2) языка С++, предназначенные для улучшения эффективности, в конце концов, если следовать правилу: "корректность прежде всего", срабатывают против этого!

Неудивительно, что эксперты по С++ не советуют использовать "чересчур много" объектной ориентированности. Уолтер Брайт (Walter Bright), автор одного из самых популярных компиляторов С++, пишет в [Bright 1995]:

Хорошо известно, что чем больше С++ [механизмов] вы используете в некотором классе, тем медленнее его код. К счастью, есть несколько вещей, позволяющих склонить чашу весов в вашу пользу. Во-первых, не используйте без большой необходимости виртуальные функции [т. е. динамическое связывание], виртуальные базовые классы [отложенные классы], деструкторы и т.п. Другой источник разбухания - это множественное наследование [...]. Если у вас сложная иерархия классов с одной или двумя виртуальными функциями, то попробуйте устранить виртуальный аспект и, быть может, сделать то же самое, используя проверки и ветвления.

Иными словами: не прибегайте к использованию ОО-методов. ( В том же тексте отстаивается и "группировка всех кодов инициализации" для локализации ссылки - приглашение нарушить элементарные принципы модульного проектирования, которые, как мы видели, предполагают, что каждый класс должен сам отвечать за все, связанное с его инициализацией.)

В этой лекции предложен другой подход: в первую очередь разработчик ОО-ПО должен быть уверен в том, что семантика вызова всегда будет правильной, а это гарантируется динамическим связыванием. Затем можно использовать достаточно изощренные методы компиляции, чтобы порождать статическое связывание или подстановку кода для тех вызовов, которые, как установлено на основе строгого алгоритмического анализа, не требуют динамического связывания.

Ключевые концепции

[x]. С помощью наследования можно определять новые классы как расширение, специализацию и комбинацию ранее определенных классов.

[x]. Класс, наследующий другому классу, называется его наследником, а исходный класс - его родителем. Распространенные на произвольное число уровней (включая ноль) эти понятия становятся понятиями потомка и предка.

[x]. Наследование является ключевым методом как для повторного использования, так и для расширяемости.

[x]. Плодотворное применение наследования требует переопределения (предоставления классу возможности переписать реализацию некоторых компонентов его собственного предка), полиморфизма (возможности связывать ссылку во время выполнения с экземплярами разных классов), динамического связывания (динамического выбора подходящего варианта переопределенного компонента), совместности типов (требования, чтобы всякая сущность могла присоединяться только к экземплярам типов-наследников).

[x]. С точки зрения модулей наследник расширяет набор служб, предоставляемых его родителями. В частности, это полезно для повторно использования.

[x]. С точки зрения типов отношение между наследником и его родителем - это отношение "является". Оно полезно как для повторного использования, так и для расширяемости.

[x]. Функцию без аргументов можно переопределить как атрибут, но не наоборот.

[x]. Методы наследования, в особенности, динамическое связывание, позволяют разрабатывать децентрализованную архитектуру, в которой каждый вариант операции определяется в том же модуле, где описан соответствующий вариант структуры данных.

[x]. Для типизированных языков динамическое связывание можно реализовать с малыми накладными расходами. Связанные с ним оптимизации, в частности, применяемое компилятором статическое связывание и подстановка кода, помогают ОО-программам достичь или превзойти эффективность выполнения традиционных программ.

[x]. Отложенные классы содержат один или более отложенный (не реализованный) компонент. Они описывают частичные реализации абстрактных типов данных.

[x]. Способность эффективных подпрограмм вызывать отложенные позволяет примирить с помощью "классов поведения" повторное использование с расширяемостью.

[x]. Отложенные классы являются основным средством, используемым ОО-методами на стадиях анализа и проектирования.

[x]. Утверждения, применяемые к отложенным компонентам, позволяют точно специфицировать отложенные классы.

[x]. Если семантики динамического и статического связывания различны, то всегда нужно выбирать динамическое связывание. Если же они действуют одинаково, то статическое связывание следует рассматривать как оптимизацию, которую лучше возложить на компилятор. Компилятор может проверить и безопасно применить как эту оптимизацию, так и оптимизацию, связанную с подстановкой кода подпрограммы в точках вызова.

Библиографические замечания

Понятия (единичного) наследования и динамического связывания были введены в языке Симула 67, на который можно найти ссылки в лекции 17 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования". Отложенные процедуры - это тоже изобретение Симулы (под другим именем (виртуальные процедуры) и при других соглашениях).

Отношение "является" изучалось, в основном, с точки зрения приложений искусственного интеллекта в [Brachman 1983].

Формальное изучение наследования и его семантики проведено в [Cardelli 1984].

Соглашение об использовании для переопределения двойного плюса пришло из системы обозначений Business Object Notation, предложенной Nerson'ом и Walden'ом (ссылки в лекции 9 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования").

Конструкция Precursor (аналогичная конструкции super в языке Smalltalk, но с важным отличием, разрешающим ее использовать только для переопределения процедур) является результатом неопубликованной совместной работы с Roger Browne, James McKim, Kim Walden и Steve Tynor.

Упражнения

У14.1 Многоугольники и прямоугольники

Дополните версии классов POLYGON и RECTANGLE, наброски которых приведены в начале лекции. Включите в них подходящие процедуры создания.

У14.2 Многоугольник с малым числом вершин

Инвариант класса POLYGON требует, чтобы у каждого многоугольника было, по крайней мере, три вершины; отметим, что функция perimeter не будет работать для пустого многоугольника. Измените определение этого класса так, чтобы он покрывал и случаи вырожденных многоугольников с числом вершин меньше трех.

У14.3 Геометрические объекты с двумя координатами

Опишите класс TWO_COORD, задающий объекты с двумя вещественными координатами, среди наследников которого были бы классы POINT (ТОЧКА), COMPLEX (КОМПЛЕКСНОЕ_ЧИСЛО) и VECTOR (ВЕКТОР). Будьте внимательны при помещении каждого компонента на подходящий для него уровень иерархии.

У14.4 Наследование без классов

В этой лекции были представлены два взгляда на наследование: будучи модулем, класс-наследник предлагает службы своего родителя плюс еще некоторые, будучи типом, он реализует отношение "является" (каждый экземпляр наследника является также экземпляром каждого из родителей). "Пакетами" модульных, но не ОО-языков (таких как Ада (Ada) или Модула-2 (Modula-2)) являются модули, но не типы. При первой интерпретации к ним можно было бы применить наследование. Обсудите, в каком виде наследование может быть введено в модульные языки. Не забудьте рассмотреть при этом принцип Открыт-Закрыт.

У14.5 Классы без объектов

Не разрешается создавать объекты отложенных классов. В одной из предыдущих лекций был указан другой способ создания класса без объектов: включить в него пустую процедуру создания. Эквивалентны ли эти два механизма? Можно ли выделить случаи, когда использование одного из них предпочтительнее, чем другого? (Указание: в отложенном классе должен быть хоть один отложенный компонент.)

У14.6 Отложенные классы и прототип

Отложенные классы нельзя инициализировать. С другой стороны, были приведены аргументы в пользу того, чтобы в первой версии класса в проекте все компоненты оставались отложенными. Может появиться желание "выполнить" такой проект: при проектировании ПО иногда хочется вступить в игру как можно раньше, исполнить неполные реализации, чтобы получить практический опыт и проверить некоторые аспекты системы даже при неполностью реализованных других аспектах. Обсудите доводы за и против того, чтобы иметь в компиляторе специальную параметр "прототип", позволяющий инициализировать отложенный класс и выполнить отложенный компонент (как пустую операцию). Обсудите детали.

У14.7 Библиотека поиска в таблицах (семестровый проект)

Основываясь на обсуждении таблиц в этой лекции и в лекции о повторном использовании, спроектируйте библиотеку классов таблиц, включающую различные категории представлений таблиц: хеш-таблицы, последовательные (линейные) таблицы, древообразные таблицы и др.

У14.8 Виды отложенных компонентов

Может ли атрибут быть отложенным?

У14.9 Комплексные числа

(Это упражнение предполагает знакомство со всеми лекциями вплоть до 5-й курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".) В примере, рассмотренном при обсуждении интерфейса модулей, использовались комплексные числа с двумя разными представлениями, при этом соответствующие изменения в представлениях остались "за кадром". Определите можно ли получить эквивалентный результат с помощью наследования, а именно, создать класс COMPLEX (КОМПЛЕКСНЫЕ) и его наследников CARTESIAN_COMPLEX (КОМПЛЕКСНЫЕ_В_ДЕКАРТОВЫХ_КООРДИНАТАХ) и POLAR_COMPLEX (КОМПЛЕКСНЫЕ_В_ПОЛЯРНЫХ_КООРДИНАТАХ).

Лекция 15. Множественное наследование

Полноценное применение наследования требует важного расширения этого механизма. Изучая его основы, мы столкнулись с необходимостью порождать новые классы от нескольких классов-родителей. Эта возможность, известная как множественное (multiple) наследование (именуемое так в противовес единичному (single) наследованию), действительно нужна для построения надежных ОО-решений.

Примеры множественного наследования

Множественное наследование это, по сути, прямое приложение уже рассмотренных принципов наследования, - класс вправе иметь произвольное число родителей. Однако, изучая этот вопрос более внимательно, можно обнаружить две интересные проблемы:

[x]. потребность в смене имен компонентов, которая может оказаться полезной и при единичном наследовании;

[x]. дублируемое (repeated) наследование, при котором два класса связаны отношением предок-потомок более чем одним способом.

Выясним, прежде всего, в каких ситуациях множественное наследование и в самом деле уместно. Для этого рассмотрим ряд типичных примеров, заимствованных из разных предметных областей.

Такой краткий экскурс тем более необходим, что несмотря на элегантность, простоту множественного наследования и реальную потребность в нем, демонстрация этого механизма подчас создает впечатление чего-то сложного и таинственного. И хотя эту точку зрения не подтверждает ни практика, ни теория, она распространилась достаточно широко, и теперь мы просто обязаны потратить немного времени на изучение случаев, в которых множественное наследование действительно совершенно необходимо.

Пример, неподходящий для введения

Сначала покончим с одним бытующим заблуждением. Для этого рассмотрим пример, приводимый (в том или ином виде) во многих статьях, книгах и лекциях, но зачастую порождающий недоверие к множественному наследованию. И дело не в том, что этот пример неверен; просто при первом знакомстве с проблемой он не может служить иллюстрацией, поскольку являет собой образец нетипичного применения этого механизма.

В стандартной формулировке примера речь заходит о классах TEACHER и STUDENT, и вам тут же предлагают отметить тот факт, что отдельные студенты тоже преподают, и советуют ввести класс TEACHING_ASSISTANT, порожденный от TEACHER и STUDENT.

Рис. 15.1.  Пример множественного наследования

Выходит, в этой схеме что-то не так? Не обязательно. Но как начальный пример он весьма неудачен. Все дело в том, что STUDENT и TEACHER - не отдельные абстрактные понятия, а вариации на одну тему UNIVERSITY_PERSON. Поэтому, увидев картину в целом, мы обнаружим пример не просто множественного, но дублируемого (repeated) наследования - схемы, изучаемой позже в этой лекции, в которой класс является правильным наследником другого класса двумя или более различными путями:

Рис. 15.2.  А это пример дублируемого наследования

Дублируемое наследование - это особый случай. Его применение требует большого опыта в использовании более простых форм порождения классов. Этот пример нельзя обсуждать с начинающими просто потому, что он создает впечатление конфликтов между отдельными компонентами, наследуемых от обоих родителей, в то время как речь идет о свойстве, приходящем от общего предка. При правильном подходе исправить эту проблему не составит труда. Но было бы серьезной ошибкой начинать разговор с таких исключительных и непростых случаев, делая вид, будто они характерны для всего множественного наследования.

По-настоящему распространенные случаи множественного наследования не вызывают таких проблем. В их основе - не варианты одной, а сочетание различных абстракций. Именно это чаще всего и требуется при построении структур наследования, именно это и следует обсуждать при первом знакомстве с предметом. Дальнейшие примеры - из этой серии.

Может ли самолет быть имуществом?

Наш первый подходящий пример относится скорее к моделированию систем, чем к проектированию программных продуктов. Однако он наглядно иллюстрирует ситуацию, в которой множественное наследование необходимо.

Пусть класс AIRPLANE описывает самолет. Среди запросов к нему могут быть число пассажиров (passenger_count), высота (altitude), положение (position), скорость (speed); среди команд - взлететь (take_off), приземлиться (land), набрать скорость (set_speed).

Независимо от него может иметься класс ASSET, описывающий понятие имущества. К его компонентам можно отнести такие атрибуты и методы, как цена покупки (purchase_price), цена продажи (resale_value), уменьшить в цене (depreciate), перепродать (resell), внести очередной платеж (pay_installment).

Наверное, вы догадались, к чему мы клоним: компания ведь может владеть самолетом! И для пилота самолет компании это просто машина, способная взлетать, садиться, набирать скорость. Для финансиста это имущество, имеющее (очень высокую) цену покупки, (слишком низкую) цену продажи, и вынуждающее компанию ежемесячно платить по кредиту.

Для моделирования понятия "самолет компании" прибегнем к множественному наследованию:

Рис. 15.3.  Самолет компании

class COMPANY_PLANE inherit

PLANE

ASSET

feature

... Любой компонент, характерный для самолетов компании,

(отличающийся от наследуемых компонентов родителей) ...

end

Родителей класса достаточно перечислить в предложении inherit. (Как обычно, можно разделять их имена точкой с запятой, хотя это не обязательно.) Порядок перечисления классов не играет никакой роли.

В моделировании систем найдется еще немало примеров, подобных COMPANY_PLANE.

[x]. Наручные часы-калькулятор моделируются с применением множественного наследования. Один родитель позволяет устанавливать время и отвечать на такие запросы, как текущее время и текущая дата. Другой - электронный калькулятор - поддерживает арифметические операции.

[x]. Наследником классов судно и грузовик является амфибия (AMPHIBIOUS_VEHICLE). Наследник классов: судно, самолет - гидросамолет (HYDROPLANE). (Как и с TEACHING_ASSISTANT, здесь также возможно дублируемое наследование, поскольку каждый из классов-родителей является потомком средства передвижения VEHICLE.)

[x]. Ужин в ресторане; поездка в вагоне поезда - вагон-ресторан (EATING_CAR). Вариант: спальный вагон (SLEEPING_CAR).

[x]. Диван-кровать (SOFA_BED), на котором можно не только читать, но и спать.

[x]. "Дом на колесах" (MOBILE_HOME) - вид транспорта (VEHICLE) и жилище (HOUSE) одновременно; и так далее.

С точки зрения программиста эти примеры представляют академический интерес - нам платят за построение систем, а не за построение модели мира. Впрочем, во многих практических приложениях с аналогичными комбинациями абстрактных понятий вы обязательно столкнетесь. Более подробный пример из графической среды разработки ISE мы изложим чуть ниже.

Числовые и сравнимые значения

Следующий пример напрямую относится к повседневной практике ОО-разработки и неразрывно связан с построением библиотеки Kernel.

Ряд классов Kernel, потенциально необходимых всем приложениям, требуют поддержки таких операций арифметики, как infix "+", infix "-", infix "*", prefix "-", а также специальных значений zero (единичный элемент группы с операцией "+") и one (единичный элемент группы с операцией "*"). Эти компоненты используют отдельные классы библиотеки Kernel: INTEGER, REAL и DOUBLE. Впрочем, они нужны и другим, заранее не определенным классам, например, классу MATRIX, который описывает матрицы определенного вида. Приведенные абстракции уместно объединить в отложенном классе NUMERIC, являющемся частью библиотеки Kernel:

deferred class NUMERIC feature

... infix "+", infix "-", infix "*", prefix "-", zero, one...

end

NUMERIC имеет строгое математическое определение. Его экземпляры служат для представления элементов кольца (множества с двумя операциями, каждая из которых индуцирует на нем группу, причем одна из операций коммутативна, а вторая дистрибутивна относительно первой).

Многим классам необходимо отношение порядка с операциями сравнения элементов. Такая возможность полезна для классов Kernel, таких как STRING, и для многих других классов. Поэтому в состав библиотеки входит отложенный класс COMPARABLE:

deferred class COMPARABLE feature

... infix "<", infix "<=", infix ">", infix ">="...

end

Математически его экземпляры - это полностью упорядоченные множества с заданным отношением порядком.

Не все потомки COMPARABLE должны быть потомками NUMERIC. В классе STRING арифметика не нужна, однако нужен порядок. Обратно, не все потомки NUMERIC должны быть потомками COMPARABLE. Так, на множестве матриц с действительными коэффициентами есть сложение, умножение, единица, нуль, что придает ей свойства кольца, но нет отношения порядка. Поэтому COMPARABLE и NUMERIC должны оставаться различными классами, и ни один из них не должен быть потомком другого.

Объекты некоторых типов, однако, имеют числовую природу и одновременно допускают сравнение. (Такие классы моделируют вполне упорядоченные кольца.) Примеры таких классов - REAL и INTEGER. Целые и действительные числа сравнивают, складывают и умножают. Их описание можно построить на множественном наследовании:

expanded class REAL inherit

NUMERIC

COMPARABLE

feature

...

end

Рис. 15.4.  Структура множественного и единичного наследования

Окна - это деревья и прямоугольники

Рассмотрим оконную систему с произвольной глубиной вложения окон:

Рис. 15.5.  Окна и подокна

В соответствующем классе WINDOW мы найдем компоненты двух основных видов:

[x]. те, что рассматривают окно как иерархическую структуру (список подокон, родительское окно, число подокон, добавить, удалить подокно);

[x]. те, что рассматривают окно как графический объект (высота, ширина, отобразить, спрятать, переместить окно).

Этот класс можно написать как единое целое, смешав все компоненты. Однако такой проект будет не самым удачным. Класс WINDOW следует рассматривать как сочетание двух абстракций:

[x]. иерархической структуры, представленной классом TREE;

[x]. прямоугольного экранного объекта, представленного классом RECTANGLE.

На практике класс будет описан так:

class WINDOW inherit

TREE [WINDOW]

RECTANGLE

feature

... Характерные компоненты окна ...

end

Обратите внимание, класс TREE является родовым (generic) классом, а потому требует указания фактического родового параметра, здесь - самого класса WINDOW. Рекурсивная природа определения отражает рекурсию, присущую моделируемой ситуации, - окно является одновременно деревом окон.

Далее, можно подметить, что отдельные окна не содержат ничего, кроме текста. Эту особенность окон можно реализовать вложением, представив класс TEXT_WINDOW как клиента класса STRING, введя атрибут

text: STRING

Предпочтем, однако, вариант, в котором текстовое окно является одновременно строкой. В этом случае используем множественное наследование с родителями WINDOW и STRING. (Если же все наши окна содержат лишь текст, их можно сделать прямыми потомками TREE, RECTANGLE и STRING, однако и здесь решение "в два хода" возможно будет более предпочтительным.)

Деревья - это списки и их элементы

Класс дерева TREE - еще один яркий пример множественного наследования.

Деревом называется иерархическая структура, составленная из узлов с данными. Обычно ее определяют так: "Дерево либо пусто, либо содержит объект, именуемый его корнем, с присоединенным списком деревьев (рекурсивно определяемых) - потомков корневого узла". К этому добавляют определение узла: "Пустое дерево не содержит узлов; узлами непустого дерева являются его корень и по рекурсии узлы потомков". Эти определения, хотя и отражают рекурсивную сущность дерева, не способны показать его внутренней простоты.

Мы же заметим, что между понятиями дерева и узла нет серьезных различий. Узел можно определить как поддерево, корнем которого он является. В итоге приходим к классу TREE [G], который описывает как узлы, так и деревья. Формальный родовой параметр G отражает тип данных в каждом узле. Следующее дерево, является, например, экземпляром TREE [INTEGER]:

Рис. 15.6.  Дерево целых чисел

Вспомним также о понятии списка, чей класс LIST рассмотрен в предыдущих лекциях. В общем случае его реализация требует введения класса CELL для представления его элементов структуры.

Рис. 15.7.  Представление списка

Эти понятия позволяют прийти к простому определению дерева: дерево (или его узел) есть список, - список его потомков, но является также потенциальным элементом списка, поскольку может представлять поддерево другого дерева.

Определение: дерево

Дерево - это список и элемент списка одновременно.

Это определение еще потребует доработки, однако, уже сейчас позволяет описать класс:

deferred class TREE [G] inherit

LIST [G]

CELL [G]

feature

...

end

От класса LIST наследуются такие компоненты как количество узлов (count), добавление, удаление узлов и т. д.

От класса CELL наследуются компоненты, позволяющие работать с узлами, задающими родителя или братьев: следующий брат, добавить брата, присоединить к другому родителю.

Этот пример характерен тем, что иллюстрирует преимущества повторного использования при множественном наследовании. Создание специальных компонентов вставки или удаления поддеревьев означало бы повторение того, что уже сделано для списка элементов. Нам же остаются лишь косметические доработки.

Кроме того, следует позаботиться о добавлении в предложение feature специфических компонентов, присущих только деревьям, и компонентов, являющихся результатом взаимных компромиссов, неизбежных при любой свадьбе, и обеспечивающих взаимную гармонию родительских классов. Их текст невелик и займет в классе TREE чуть больше страницы, поскольку наш класс вполне законный плод союза списков и элементов списка.

Этот процесс подобен процессу, применяемому математиками при комбинировании теорий: топологическое векторное пространство является одновременно топологическим пространством и векторным пространством. Здесь тоже необходимы некоторые связующие аксиомы.

Составные фигуры

Следующий пример больше чем пример, - он послужит нам образцом проектирования классов в самых различных ситуациях.

Рассмотрим структуру, введенную в предыдущей лекции для изучения наследования и содержащую классы графических фигур: FIGURE, OPEN_FIGURE, POLYGON, RECTANGLE, ELLIPSE и т.д. До сих пор в этой структуре использовалось лишь единичное наследование.

Рис. 15.8.  Элементарные фигуры

Пусть в этой иерархии представлены все нужные нам базовые фигуры. Однако в библиотеку классов хотелось бы включить и не базовые фигуры, имеющие широкое распространение. Конечно, любое изображение каждый раз можно строить из примитивов, но это неудобно. Поэтому мы создадим библиотеку фигур, часть которых будут базовыми, а часть - построена на их основе. Так, из экземпляров базисных классов: отрезка и окружности можно собрать колесо:

Рис. 15.9.  Составная фигура

Колесо, в свою очередь, может пригодиться при рисовании велосипеда, и т. д.

Итак, нам необходим универсальный механизм создания новых фигур, построенных на основе существующих, но, будучи построенными, используемыми наравне с базовыми.

Назовем новые фигуры составными (COMPOSITE_FIGURE). Каждую такую фигуру, безусловно, надо порождать от FIGURE, что позволит ей быть "на равных" с базовыми примитивами. Составная фигура - это еще и список фигур, ее образующих, каждая из которых может быть базовой или составной. Воспользуемся множественным наследованием (рис. 15.10).

Для получения эффективного класса COMPOSITE_FIGURE выберем одну из возможных реализаций списка, например связный список - LINKED_LIST. Объявление класса будет выглядеть так:

class COMPOSITE_FIGURE inherit

FIGURE

LINKED_LIST [FIGURE]

feature

...

end

Рис. 15.10.  Составная фигура - это фигура и список фигур одновременно

Предложение feature записывать приятно вдвойне. Работа с составными фигурами во многом сводится к работе со всеми их составляющими. Например, процедура display может быть реализована так:

display is

-- Отображает фигуру, последовательно отображая все ее компоненты.

do

from

start

until

after

loop

item.display

forth

end

end

Как и в предыдущих рассмотрениях, мы предполагаем, что класс список предлагает механизм обхода элементов, основанный на понятии курсора. Команда start устанавливает курсор на первый элемент, если он есть (иначе after сразу же равно True), after указывает, обошел ли курсор все элементы, item дает значение элемента, на который указывает курсор, forth передвигает курсор к следующему элементу.

Я нахожу эту схему прекрасной и, надеюсь, вы тоже пленитесь ее красотой. В ней вы найдете почти весь арсенал средств: классы, множественное наследование, полиморфные структуры данных (LINKED_LIST [FIGURE]), динамическое связывание (вызов item.display применяет метод display того класса, которому принадлежит текущий элемент списка), рекурсию (каждый элемент item сам может быть составной фигурой без ограничения глубины вложенности). Подумать только: есть люди, которые могут прожить всю жизнь и не увидеть этого великолепия!

Но можно пойти еще дальше. Обратимся к другим компонентам COMPOSITE_FIGURE - методам вращения (rotate) и переноса (translate). Они также должны выполнять надлежащие операции над каждым элементом фигуры, и каждый из них может во многом напоминать display. Для ОО-проектировщика это может стать причиной тревоги: хотелось бы избежать повторения; потому выполним преобразование - от инкапсуляции к повторному использованию. (Это могло бы стать девизом.) Техника, рассматриваемая здесь, состоит в использовании отложенного класса "итератор", чьи экземпляры способны выполнять цикл по COMPOSITE_FIGURE. Его эффективным потомком может стать DISPLAY_ ITERATOR, а также ряд других классов. Реализацию этой схемы мы оставляем читателю (см. упражнение 15.4).

Описание составных структур с применением множественного наследования и списка или иного контейнерного класса, как одного из родителей, - это универсальный образец проектирования. Примерами его воплощения являются подменю (см. упражнение 15.8), а также составные команды в ряде интерактивных систем.

Брак по расчету

В приведенных примерах оба родителя играли симметричные роли, но это не всегда так. Иногда вклад каждого из них различен по своей природе.

Важным приложением множественного наследования является обеспечение реализации абстракции, описанной отложенным классом, используя свойства, обеспечиваемые эффективным классом. Один класс абстрактен, второй - эффективен.

Рис. 15.11.  Брак по расчету

Рассмотрим реализацию стека, заданную массивом. У нас уже есть классы для поддержки стеков и массивов в отдельности (абстрактный STACK и эффективный ARRAY, см. предыдущие лекции). Лучший способ реализации класса ARRAYED_STACK (стек, заданный массивом) - описать его как наследника классов STACK и ARRAY. Это концептуально верно: стек-массив одновременно является стеком (с точки зрения клиента) и массивом (с позиций поставщика). Вот описание класса:

indexing

description: "Стек, реализованный массивом"

class ARRAYED_STACK [G] inherit

STACK [G]

ARRAY [G]

... Здесь будут добавлены предложения переименования ...

feature

...Реализация отложенных подпрограмм класса STACK

в терминах операций класса ARRAY (см. ниже)...

end

ARRAYED_STACK предлагает ту же функциональность, что и STACK, делая эффективными отложенные компоненты: full, put, count ..., реализуя их как операции над массивом.

Вот схема некоторых типичных компонентов: full, count и put. Так, условие, при котором стек полон, имеет вид:

full: BOOLEAN is

-- Является ли стек (его представление) заполненным?

do

Result := (count = capacity)

end

Компонент capacity унаследован от класса ARRAY и задает емкость стека, равную числу элементов массива. Для count потребуется ввести атрибут:

count: INTEGER

Это пример эффективной реализации отложенного компонента как атрибута. Наконец,

put (x: G) is

-- Втолкнуть x на вершину.

require

not full

do

count := count + 1

array_put (x, count)

end

Процедура array_put унаследована от класса ARRAY. Ее цель - записать новое значение в указанный элемент массива.

Компоненты capacity и array_put имели в классе ARRAY имена count и put. Смену прежних имен мы поясним позднее.

Класс ARRAYED_STACK типичен как вариант наследования, образно именуемый "брак по расчету". Оба класса, - абстрактный и эффективный, - дополняя друг друга, создают достойную пару.

Помимо эффективной реализации методов, отложенных (deferred) в классе STACK, класс ARRAYED_STACK способен переопределять реализованные. Компонент change_top, реализованный в STACK в виде последовательности вызовов remove и put, можно переписать более эффективно:

array_put (x, count)

Указание на переопределение компонента следует ввести в предложение наследования:

class ARRAYED_STACK [G] inherit

STACK [G]

redefine change_top end

... Остальное, как прежде ...

Инвариант этого класса может иметь вид

invariant

non_negative_count: count >= 0

bounded: count <= capacity

Первое утверждение выражает свойство АТД. Фактически оно присутствует в родительском классе STACK и потому является избыточным. Здесь оно приводится в педагогических целях. Из окончательной версии класса его нужно изъять. Второе утверждение включает емкость массива - capacity. Это - инвариант реализации.

Сравнив ARRAYED_STACK с представленным ранее классом STACK2, вы увидите, как сильно он упростился благодаря наследованию. Это сравнение мы продолжим при обсуждении методологии наследования, в ходе которого ответим на критику, звучащую иногда в адрес наследования "по расчету" и так называемого наследования реализаций.

Структурное наследование

Множественное наследование просто необходимо, когда необходимо задать для класса ряд дополнительных свойств, помимо свойств, заданных базовой абстракцией.

Рассмотрим механизм создания объектов с постоянной структурой (способных сохраняться на долговременных носителях). Поскольку объект является "сохраняемым", то у него должны быть свойства, позволяющие его чтение и запись. В библиотеке Kernel за эти свойства отвечает класс STORABLE, который может быть родителем любого класса. Очевидно, такой класс, помимо STORABLE, должен иметь и других родителей, а значит, схема не сможет работать, не будь множественного наследования. Примером может служить изученное выше наследование с родителями COMPARABLE и NUMERIC. Форма наследования, при которой родитель задает общее структурное свойство, и, чаще всего, имеет имя, заканчивающееся на - ABLE, называется схемой наследования структурного вида.

Без множественного наследования нет способа указать, что некоторая абстракция обладает двумя структурными свойствами - числовыми и сохранения, сравнения и хеширования. Выбор только одного из родителей подобен выбору между отцом и матерью.

Наследование функциональных возможностей

Вот еще одна типичная ситуация. Многие программные инструменты должны сохранять "историю", что позволяет пользователям:

[x]. просмотреть список последних команд;

[x]. вторично выполнить последнюю команду;

[x]. выполнить новую команду, отредактировав для этого предыдущую;

[x]. аннулировать действие последней команды, которая не сумела закончить свою работу.

Такой механизм привлекателен для любой интерактивной среды, однако его создание требует больших усилий. Поэтому историю поддерживают лишь немногие инструменты (к примеру, ряд "командных оболочек" Unix и Windows), да и те нередко частично. Универсальные же решения не зависят от конкретного инструмента. Их можно инкапсулировать в класс, а от него - породить другой класс для управления рабочей сессией любого инструмента. (Решение с применением классов-клиентов допустимо, но не так привлекательно.) И снова без множественного наследования не обойтись, так как недостаточно иметь родителя, знающего только историю.

Набор полезных возможностей предоставляет класс TEST, инкапсулирующий ряд механизмов тестирования класса: прием и хранение данных от пользователя, вывод и хранение результата, сравнение, регрессное тестирование и т.д. Хотя решение с использованием вложения может быть предпочтительным, неплохо иметь возможность при тестировании класса X определять класс X_TEST, порожденный от X и TEST.

Далее мы будем встречать и другие примеры наследования функциональных возможностей, при котором один класс F инкапсулирует набор, например констант или методов математической библиотеки, а другой, объявляя себя потомком F, может ими воспользоваться.

Лунка и кнопка

Вот пример, в котором, как и раньше, без множественного наследования не обойтись. Идейно он близок к примеру с корпоративным самолетом, спальным вагоном и другими типами, полученными в результате объединения абстракций. Впрочем, теперь мы будем работать с понятиями из практики программирования.

Среда разработки ISE, описанная в лекции 19 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", подобно другим графическим приложениям, содержит "кнопки" для выполнения определенных действий. В среду встроен механизм "выбрать и перетащить" (pick and throw), аналог традиционного механизма буксировки drag-and-drop. С его помощью можно выбрать объект на экране; при этом курсор мыши превращается в "камешек", форма которого указывает тип выбранного объекта. Камешек можно перетащить и опустить в лунку, форма которой соответствует камешку, инициируя тем самым определенное действие. Например, инструментарий Class Tool, позволяющий исследовать свойства класса, имеет "классную лунку", опустив в которую камешек нового класса, вы перенастроите инструмент на показ его свойств.

Рис. 15.12.  Pick and throw (Выбрать и перетащить)

Обратите внимание на нижнюю строку с кнопками форматирования. Нажатие каждой из них позволяет получить разнообразную информацию о классе ARRAY, например краткую форму класса. Как показано на рисунке, пользователь, работая в окне Feature Tool, выбрал щелчком правой кнопки класс INTEGER. Он передвигает его в направлении "лунки" класса в окне Class Tool, настроенного сейчас на ARRAY. Перетаскивание завершается щелчком правой кнопки на "лунке" класса, форма которой соответствует форме камешка. Тем самым Class Tool будет перенастроен на работу с выбранным классом INTEGER.

Иногда удобнее, чтобы "лунка" была одновременно и кнопкой, что позволяет не только "загонять" в нее объект, но независимо от этого щелкать по ней левой кнопкой. Таковой является наша "лунка" класса, точка внутри которой указывает на присутствие в ней объекта (сначала ARRAY, а затем INTEGER). Щелчок по ней левой кнопкой перенастроит инструмент на работу с текущим объектом, что полезно, когда дисплей отражает другую информацию. Такая лунка с кнопкой реализуется специальным классом BUTTONHOLE.

Нетрудно догадаться, что класс BUTTONHOLE возникает в результате наследования от классов BUTTON и HOLE. Новый класс сочетает в себе компоненты и свойства обоих родителей, реагирует как кнопка, и допускает операции как над лункой.

Оценка

Приведенные примеры наглядно проиллюстрировали мощь и силу механизма множественного наследования. Необходимость его применения подтверждена опытом построения универсальных библиотек [M 1994a].

Как объединить две абстракции, если множественное наследование недоступно? Видимо, вы должны выбрать одну из них как "официальный" родительский класс, а все компоненты второй просто скопировать, превратив новый класс в ее "нелегального" потомка. В результате на нелегальной части класса теряется полиморфизм, все преимущества повторного использования и многое другое, что неприемлемо.

Переименование компонентов

Иногда при множественном наследовании возникает проблема конфликта имен (name clash). Ее решение - переименование компонентов (feature renaming) - не только снимает саму проблему, но и способствует лучшему пониманию природы классов.

Конфликт имен

Каждый класс обладает доступом ко всем компонентам своих родителей. Он может использовать их, не указывая тот класс, в котором они были описаны. После обработки inherit в классе class C inherit A ... метод f класса C становится известен как f. То же справедливо и для клиентов: при объявлении сущности x типа C вызов компонента записывается как x.f без каких-либо ссылок на A. Все метафоры "хромают", иначе можно было бы говорить, что наследование - форма усыновления: C усыновляет все компоненты A.

Усыновление не меняет присвоенных имен, и набор имен компонентов данного класса содержит наборы имен компонентов каждого его родителя.

А если родители класса разные компоненты назвали одним именем? Возникает противоречие, поскольку согласно установленному ранее правилу запрещена перегрузка имен: в классе имя компонента обозначает только один компонент. Это правило не должно нарушаться при наличии родителей класса. Рассмотрим пример:

class SANTA_BARBARA inherit

LONDON

NEW_YORK

feature

...

end-- class SANTA_BARBARA

Что предпринять, если LONDON и NEW_YORK имеют в своем составе компонент с именем, например, foo (нечто)?

Ни при каких обстоятельствах нельзя нарушить запрет перегрузки имен компонентов. Как следствие, класс SANTA_ BARBARA окажется некорректным, что обнаружится при трансляции.

Вспомним класс TREE, порожденный от классов CELL и LIST, каждый из которых имеет компонент с именем item. Кроме того, оба класса имеют метод, названный put. Выбор каждого имени не случаен, и мы не хотим менять их в исходных классах лишь потому, что кому-то пришла идея объединить эти классы в дерево.

Что делать? Исходный код классов LONDON и NEW_YORK может быть недоступен; или на его исправления может быть наложен запрет; а при отсутствии такого запрета, возможно, вам не захочется ничего менять, поскольку LONDON написан не вами, и выход новой версии класса заставит все начинать с нуля. Наконец, самое главное, принцип Открыт-Закрыт не разрешает исправлять модули при их повторном использовании.

Всегда ошибочно обвинять в грехах своих родителей. Проблема конфликта имен возникла в самом классе. В нем должно найтись и решение.

Класс, наследующий от разных родителей разные компоненты с идентичным именем, не будет корректен, пока мы не включим в его декларацию наследования одно или несколько предложений переименования rename. Каждое из них назначает новое локальное имя одному или нескольким унаследованным компонентам. Например:

class SANTA_BARBARA inherit

LONDON

rename foo as fog end

NEW_YORK

feature

...

end

Как внутри SANTA_BARBARA, так и во всех клиентах этого класса компонент LONDON с именем foo будет именоваться fog, а одноименный компонент NEW_YORK - просто foo. Клиенты LONDON, как и прежде, будут знать этот компонент под именем foo.

Этого достаточно для устранения конфликта (если других совпадений нет, а класс LONDON и класс NEW_YORK не содержат компонента с именем fog). В противном случае можно переименовать компонент класса NEW_YORK:

class SANTA_BARBARA inherit

LONDON

rename foo as fog end

NEW_YORK

rename foo as zoo end

feature

...

end

Предложение rename следует за указанием имени родителя и предшествует любым выражениям redefine, если таковые имеются. Можно переименовать и несколько компонентов, как в случае:

class TREE [G] inherit

CELL [G]

rename item as node_item, put as put_right end

где устраняется конфликт между одноименными компонентами CELL и LIST. Компоненту CELL с именем item дается идентификатор node_item, аналогично и put переименовывается в put_right.

Результат переименования

Убедимся, что нам понятен результат этого действия. Пусть класс SANTA_BARBARA имеет вид (оба унаследованных компонента foo в нем переименованы):

Рис. 15.13.  Устранение конфликта имен

(Обратите внимание на графическое обозначение операции смены имен.) Пусть также имеются сущности трех видов:

l: LONDON; n: NEW_YORK; s: SANTA_BARBARA

Вызовы l.foo и s.fog будут являться корректными. После полиморфного присваивания l := s все останется корректным, поскольку имена обозначают один и тот же компонент. Аналогично, корректны вызовы n.foo, s.zoo, которые после n := s также будут давать одинаковый результат.

В то же время, следующие вызовы некорректны:

[x]. l.zoo, l.fog, n.zoo, n.fog, так как ни LONDON, ни NEW_YORK не содержат компонентов с именем fog или zoo;

[x]. s.foo, поскольку после смены имен класс SANTA_BARBARA уже не имеет компонента с именем foo.

При всей искусственности имен пример хорошо иллюстрирует природу конфликта имен. Хотите верьте, хотите нет, но приходилось слышать, что конфликт порождает "глубокую семантическую проблему". Это неправда. Конфликт имен - простая синтаксическая проблема. Если бы автор первого класса сменил имя компонента на fog, или автор второго - на zoo, конфликта бы не было, и в каждом случае - это всего лишь замена буквы. Конфликт имен - это обычная неудача, он не вскрывает никаких глубоких проблем, связанных с классами, и не свидетельствует об их неспособности работать совместно. Возвращаясь к метафоре брака, можно сказать, что конфликт имен - это не драма (обнаруженная несовместимость групп крови), а забавный факт (матери обоих супругов носят имя Татьяна, и это вызовет трудности для будущих внуков, которые можно преодолеть, договорившись, как называть обеих бабушек).

Смена имен и переопределение

В предыдущей лекции мы обсудили переопределение компонентов, полученных по наследству. (Помните, что переопределение эффективного компонента задает его новое определение, а для отложенного компонента задает его реализацию.) Сравнение переименования и переопределения компонентов поможет многое прояснить.

[x]. Переопределение меняет компонент, но сохраняет его имя.

[x]. Переименование меняет имя, но сохраняет компонент.

При помощи переопределения можно добиться того, чтобы одно и то же имя компонента ссылалось на фактически различные компоненты в зависимости от типа объекта, к которому оно применяется (в этом случае говорят о динамическом типе соответствующей сущности). Это - семантический механизм.

Смена имен - это синтаксический механизм, позволяющий ссылаться на один и тот же компонент, фигурирующий в разных классах под разными именами.

Иногда то и другое можно совмещать:

class SANTA_BARBARA inherit

LONDON

rename

foo as fog

redefine

fog

end

...

Если, как и раньше, l: LONDON; s: SANTA_BARBARA, и выполнено присваивание l := s, то оба вызова l.foo, s.fog включают переопределенную версию компонента fog, объявление которого должно появиться в предложении feature класса.

Заметьте: redefine содержит уже новое имя компонента. Это нормально, поскольку под этим именем компонент известен классу. Именно поэтому rename должно находиться выше всех остальных предложений наследования (таких, как redefine и пока неизвестные читателю export, undefine, select). После выполнения rename компонент теряет свой прежний идентификатор и становится известным под новым именем классу, его потомкам и его клиентам.

Подбор локальных имен

Возможность переименования наследуемого компонента небезынтересна и при отсутствии конфликта имен. Она позволяет разработчику класса подбирать подходящие имена для всех компонентов, как описанных в самом классе, так и унаследованных от предков.

Имя, под которым класс наследует компонент предка, может ничего не говорить клиентам класса. Его выбор определялся интересами клиентов предка, в то время как новый класс вписан в новый контекст и представляет иную абстракцию с собственной системой понятий. Смена имен позволяет решить возникающие проблемы, разделяя компоненты и их имена.

Хорошим примером является класс WINDOW, порожденный от класса TREE. Последний описывает иерархическую структуру, единую для всех деревьев, в том числе и для окон, но имена, понятные в исходном контексте, могут не подходить для интерфейса между WINDOW и его клиентами. Смена имен дает возможность привести их в соответствие с местными обычаями:

class WINDOW inherit

TREE [WINDOW]

rename

child as subwindow, is_leaf as is_terminal, root as screen,

arity as child_count, ...

end

RECTANGLE

feature

... Характерные компоненты window ...

end

Аналогично, класс TREE, который сам порожден от CELL, может сменить имя right на right_sibling и т.д. Путем смены имен класс может создать удобный набор наименований своих "служб" вне зависимости от истории их создания.

Играем в имена

Смена имен подчеркивает важность именования - как компонентов, так и классов - в практике ОО-разработки ПО. Формально, класс - это отображение имен компонентов в сами компоненты. Компоненты известны остальному миру благодаря именам.

В последней лекции будет дан ряд правил выбора имен компонентов. Заметим, что предпочтение следует отдавать общеизвестным именам: count, put, item, remove, ... - выбор которых подчеркивает общность абстракций, существующую, несмотря на объективные различия классов. Придерживаясь этого стиля, вы увеличите вероятность конфликта имен при множественном наследовании, но отчасти избавитесь от переименований, имевших место в случае с классом WINDOW. Но каким бы правилам не отдавалось предпочтение, должна быть обеспечена гибкость в подборе имен, отвечающих потребностям каждого класса.

Использование родительской процедуры создания

Еще один пример иллюстрирует типичный случай переименования процедуры создания класса. Вспомните класс ARRAYED_STACK, полученный порождением от STACK и ARRAY. Процедура создания ARRAY размещает в памяти массив с заданными границами:

make (minb, maxb: INTEGER) is

-- создать массив с границами minb и maxb

-- (пустой если minb > maxb)

do ... end

Для создания стека необходимо создать массив, позволяющий вместить заданное число элементов. Реализация основана на процедуре создания ARRAY:

class ARRAYED_STACK [G] inherit

STACK [G]

redefine change_top end

ARRAY [G]

rename

count as capacity, put as array_put, make as array_make

end

creation

make

feature -- Initialization

make (n: INTEGER) is

-- Создать стек, допускающий размещение n элементов.

require

non_negative_size: n >= 0

do

array_make (1, n)

ensure

capacity_set: capacity = n

empty: count = 0

end

... Другие компоненты ...

invariant

count >= 0; count <= capacity

end

Заметим, что выполнение соглашений об именах - выбор make как стандартного имени базовой процедуры создания - привело бы к конфликту, который, впрочем, не возникает благодаря переименованию, устраняющему заодно двусмысленность в отношении count и put. Оба имени встречаются в каждом классе.

Плоские структуры

Смена имен - лишь одно из средств, используемых мастером наследования для построения полноценных классов, удовлетворяющих потребностям своих клиентов. Другим таким средством является переопределение. В этой и следующей лекции мы увидим еще несколько таких механизмов: отмену определений (undefinition), соединение (join), выделение (select), скрытие потомков (descendant hiding). Мощь этих комбинируемых механизмов делает наследование излишне заметным, поэтому иногда возникает необходимость в существовании версии класса, свободной от наследования, - плоской форме (flat form).

Плоская форма класса

Наследование - это скорее инструмент поставщика класса, чем клиента; это прежде всего внутренний механизм эффективного построения классов. И действительно, клиенту нужно знать о наследовании и структуре семейства классов ровно столько, чтобы он мог применять полиморфизм и динамическое связывание.

Как следствие, у нас должна быть возможность представить класс в самодостаточном виде независимо от его генеалогии. Это особенно важно, когда наследование служит для разделения различных компонентов сложной абстракции, как в случае концепции окон, частями которой являются деревья и прямоугольники.

Эту задачу решает плоская форма класса. Но вам не придется ее создавать. Ее построит один из инструментов среды разработки, который можно запустить, введя команду сценария (flat class_name) или щелкнув по соответствующей пиктограмме.

Плоская форма класса C - это корректная запись класса, имеющая, - с точки зрения клиента, не использующего полиморфизм, - ту же семантику, что и класс C, но лишенная всех предложений наследования. Именно так выглядел бы любой класс, если бы его создатель не мог пользоваться наследованием. Построение плоской формы предполагает:

[x]. устранение предложения inherit, если оно есть;

[x]. сохранение в неизменном виде всех определений и переопределений из C;

[x]. введение в класс объявлений всех унаследованных компонентов, скопированных из соответствующих классов-родителей, с учетом всех указанных в inherit преобразований: переименования, переопределения, отмены определений, выделения (select), объединения компонентов;

[x]. добавление к каждому унаследованному компоненту строки комментария вида: from ANCESTOR, где указано имя ближайшего предка, (пере)определившего компонент (а в случае объединения компонентов - победившая сторона);

[x]. восстановление полной формы предусловий и постусловий унаследованных методов (по правилам наследования утверждений, изложенным в следующей лекции);

[x]. восстановление полного инварианта класса как конъюнкции (and) всех родительских инвариантов с последующим преобразованием в случае применения переименованных или выделенных компонентов.

Полученный в результате класс содержит все компоненты оригинала, как введенные в самом классе, так и полученные им от предков (вторая категория компонентов от первой отличается лишь комментарием). В случае наличия меток в секциях объявления компонентов, например, feature - Access, подобные метки остаются. Секции с одинаковыми метками объединяются. В каждой секции компоненты выстраиваются по алфавиту.

На рисунке показана часть плоской формы класса LINKED_TREE из библиотеки Base. Результат получен с применением Class Tool в среде разработки ISE. Для повторения результата настройте Class Tool на LINKED_TREE и щелкните по кнопке формата Flat.

Рис. 15.14.  Отображение плоской формы

Применение плоской формы

Плоская форма класса - ценный инструмент разработчика. Именно она позволяет увидеть все компоненты класса, собранные в одном месте, игнорируя то, как они были получены в играх с наследованием. При чтении текста класса трудно бывает понять, что стоит за именем каждого из его компонентов. Это один из недостатков наследования. Плоская форма класса решает эту проблему, формируя полную картину происходящего.

Кроме того, она может оказаться полезной при построении автономной версии класса, не обремененной историей порождения. Потеря полиморфизма снижает ценность такого класса.

Краткая плоская форма

Плоская форма класса дает корректное описание класса. Помимо роли, которую она играет в интересах документации, она представляет интерес для разработчиков, имеющих дело с самим классом или его потомками. Клиентам же класса нужна более абстрактная картина с меньшим числом деталей.

В одной из предыдущих лекций мы уже видели, роль краткой формы класса (кнопка short на рисунке обеспечивает ее построение).

Объединение двух понятий дает новое понятие краткой плоской формы (flat-short form). Как и краткая форма класса, она содержит лишь общедоступную информацию, в ней не указаны скрытые компоненты, а для экспортируемых компонентов не приводится реализация, в частности, предложения do. Как и плоская форма, краткая плоская форма задает все компоненты класса - и унаследованные, и описанные в нем самом.

Краткая плоская форма является основным методом документирования классов, в том числе повторно используемых классов библиотек. В этом виде информация о классе становится доступна его клиентам (и тем, кто занимается сопровождением класса). Краткая плоская форма служит для описания всех классов в библиотеке Base [M 1994a].

Дублируемое наследование

Дядюшка Жак: С кем желаете Вы говорить, сударь, с конюхом или с поваром? Ибо я у Вас и то, и другое.

Мольер, "Скупой"

Дублируемое наследование (repeated inheritance) возникает, когда класс является потомком другого класса более чем на одном пути наследования. При этом возникает потенциальная неоднозначность, которую и следует разрешить.

В явном виде такой вариант наследования возникает только в достаточно серьезных разработках. Если вас интересуют лишь ключевые составляющие объектной методологии, то можно сразу перейти к чтению следующей лекции.

Общие предки

Множественное наследование не запрещает, например, того, чтобы класс D был наследником классов B и C, каждый из которых является потомком класса A. Эту ситуацию и называют дублируемым наследованием.

Рис. 15.15.  Дублируемое наследование

Если B и C наследники потомков A, (случай 1), то такое наследование именуется косвенным. Если A, B и C - это один класс (случай 2), - наследование именуется прямым, что может быть записано в виде:

class D inherit

A

A

...

feature

...

end

По обе стороны океана

Следующий пример позволит нам промоделировать ситуацию дублируемого наследования и изучить возникающие проблемы. Пусть класс DRIVER имеет атрибуты:

age: INTEGER

address: STRING

violation_count: INTEGER -- Число записанных нарушений

и методы:

pass_birthday is do age := age + 1 end

pay_fee is

-- Оплата ежегодной лицензии.

do ... end

Класс наследник, US_DRIVER учитывает налоговое законодательство США, другой, FRENCH_DRIVER, - налоговое законодательство Франции.

Рассмотрим категорию людей, которым в течение года приходится водить машину в обеих странах. Нужного класса у нас еще нет, и простым решением этой проблемы кажется множественное наследование. Опишем класс FRENCH_US_DRIVER как порожденный от US_DRIVER и FRENCH_DRIVER. Налицо дублируемое наследование.

Рис. 15.16.  Типы водителей

Совместное использование и репликация

Из приведенного примера вытекает основная проблема дублируемого наследования: каков смысл компонентов дублируемого потомка (FRENCH_US_DRIVER), полученных от дублируемого предка (DRIVER)?

Рассмотрим компонент age. Он наследуется от обоих потомков DRIVER, так что, на первый взгляд, возникает конфликт имен, требующий переименования. Однако такое решение было бы неадекватно проблеме, так как реального конфликта здесь нет - атрибут age унаследованный от DRIVER, задает возраст водителя, и он один и тот же для всех потомков (если только не менять свои данные в зависимости от страны пребывания). То же относится к процедуре pass_birthday.

Внимательно перечитайте правило о конфликте имен:

Класс, наследующий от разных родителей различные компоненты с идентичным именем, некорректен.

Компоненты age (также как и pass_birthday), наследованные классом FRENCH_US_DRIVER от обоих родителей, не являются "различными", поэтому реального конфликта не возникает. Заметьте, неоднозначность могла бы возникнуть лишь в случае переопределения компонента в одном из классов. Чуть позже мы покажем, как справиться с этой проблемой, а пока предположим, что переопределений не происходит.

Если компонент дублируемого предка под одним и тем же именем наследуется от двух и более родителей, он становится одним компонентом дублируемого потомка. Этот случай будем называть совместным использованием компонента (sharing).

Всегда ли применяется совместное использование? Нет. Рассмотрим компоненты address, pay_fee, violation_count. Обращаясь в службу регистрации автотранспорта в разных странах, водители скорее всего будут указывать разные адреса и по-разному платить ежегодные сборы. Впрочем, и нарушения правил тоже будут различны. Каждый из таких компонентов, следует представить в дублируемом потомке двумя разными компонентами. Данный случай будем называть репликацией (replication).

Этот, да и другие примеры, свидетельствует о том, что мы не добьемся желаемого, если все компоненты дублируемого предка будем использовать совместно или наоборот реплицировать. Поэтому необходима возможность настройки каждого компонента при дублируемом наследовании.

Чтобы совместно использовать один из компонентов, достаточно под одним именем унаследовать исходную версию этого компонента от обоих родителей. Но как реализовать репликацию? Делая все наоборот: породив один компонент под двумя разными именами.

Эта идея не противоречит общему правилу, согласно которому каждое имя в классе служит обозначением лишь одного компонента. Поэтому репликация компонента означает переименование при наследовании.

Правило дублируемого наследования

У дублируемого потомка версии дублируемого компонента, наследуемые под одним и тем же именем, представляют один компонент. Версии, наследуемые под разными именами, представляют разные компоненты, являясь репликацией оригинала дублируемого предка.

Это правило, распространяясь как на атрибуты, так и на методы, дает нам мощный механизм репликации: из одного компонента класса его потомки могут получить два или более компонента. Для атрибутов оно означает введение нового поля во всех экземплярах класса, для метода - новую процедуру или функцию, изначально - с тем же алгоритмом работы.

За исключением особых случаев, включающих переопределение, репликация может носить только концептуальный характер: фактического дублирования кода не происходит, но дублируемый потомок имеет доступ к двум компонентам.

Правило придает желаемую гибкость процессу объединения классов. Вот как может выглядеть класс FRENCH_US_DRIVER:

class FRENCH_US_DRIVER inherit

FRENCH_DRIVER

rename

address as french_address,

violation_count as french_violation_count,

pay_fee as pay_french_fee

end

US_DRIVER

rename

address as us_address,

violation_count as us_violation_count,

pay_fee as pay_us_fee

end

feature

...

end

В данном случае смена имен происходит на последнем этапе - у дублируемого потомка, но полное или частичное переименование могло быть выполнено и родителями - US_DRIVER и FRENCH_DRIVER. Важно, что будет в конце, - получит ли компонент при дублируемом наследовании одно или разные имена.

Компоненты age и pass_birthday переименованы не были, а потому, как мы и хотели, они используются совместно.

Реплицируемый атрибут, скажем, address, в каждом экземпляре класса FRENCH_US_ DRIVER будет представлен несколькими полями данных. Тогда при условии, что эти классы содержат только указанные нами компоненты, их экземпляры будут выглядеть как на рис. 15.18.

Рис. 15.17.  Совместное использование и репликация

Рис. 15.18.  Репликация атрибутов

(Организация FRENCH_DRIVER и US_DRIVER аналогична организации DRIVER, см. рисунок.)

Особенно важным в реализации классов является умение избегать репликации совместно используемых компонентов, например age из FRENCH_US_DRIVER. Не имея достаточно опыта, можно легко допустить такую ошибку и реплицировать все поля класса. Тратить память впустую недопустимо, так как по мере спуска по иерархии "мертвое" пространство будет лишь возрастать, что приведет к катастрофически неэффективному расходованию ресурсов. (Помните, что каждый атрибут во время выполнения потенциально представлен во многих экземплярах класса и его потомков.)

Механизм компиляции, описанный в конце этой книги, на деле дает гарантию того, что потерь памяти на атрибуты не будет, - концептуально совместно используемые (shared) атрибуты класса будут располагаться в общей для них (shared) физической памяти. Это - один из сложнейших компонентов реализации наследования и вызовов при динамическом связывании. Ситуация усложняется еще и тем, что подобное дублируемое наследование не должно влиять на производительность, что означает:

[x]. нулевые затраты на поддержку универсальности;

[x]. низкие, ограниченные константой, затраты на динамическое связывание (не зависящие от наличия в системе дублируемого наследования классов).

Поскольку существует реализация, отвечающая этим целям, то и в любой системе техника дублируемого наследования не должна требовать значительных издержек.

Дублируемое наследование в С++ следует другому образцу. Уровень, на котором принимается решение, разделять или дублировать компоненты, - это класс. Поэтому при необходимости дублирования одного компонента, приходится дублировать все. В Java эта проблема исчезает, поскольку запрещено множественное наследование.

Ненавязчивое дублирующее наследование

На практике не столь часто встречаются примеры, подобные "межконтинентальным" водителям, в которых нужны и репликация компонентов, и их совместное применение. Они не для новичков. Следует приобрести опыт, чтобы браться за них.

Иначе в попытке использовать дублирующее наследование "в лоб", можно лишь все усложнить, когда это и не нужно.

Рис. 15.19.  Избыточное наследование

На рисунке показана типичная ошибка начинающих (или рассеянных разработчиков): класс D объявлен наследником B, ему нужны также свойства класса A, но B сам является потомком A. Забыв о транзитивности наследования, разработчик пишет:

class D ... inherit

B

A

...

В итоге возникает дублируемое наследование. Его избыточность очевидна. Впрочем, при надлежащем соблюдении принятых соглашений все компоненты классов (при сохранении их имен) будут использоваться совместно, новых компонентов не появится, и дополнительных издержек не будет. Даже если в B часть имен атрибутов меняется, единственным следствием этого станет лишь некоторый расход памяти.

Из этого есть только одно исключение: случай, когда B переопределяет один из компонентов A, что приведет к неоднозначности в D. Но тогда, как будет показано ниже, компилятор выдаст сообщение об ошибке, предлагая выбрать в D один из двух вариантов компонента.

Избыточное, хотя и безвредное наследование может произойти, если A - это класс, реализующий универсальные функции, например ввода-вывода, необходимые B и D. В этом случае достаточно объявить D наследником B. Это автоматически делает D потомком A, что позволяет обращаться ко всем нужным функциям. Избыточное наследование не нанесет никакого вреда, оставшись практически без последствий.

Такие случаи "безвредного" наследования могут происходить при порождении от универсальных классов ANY и GENERAL, речь о которых пойдет в следующей лекции.

Правило переименования

В этом разделе мы не введем никаких новых понятий, а лишь точнее сформулируем известные правила и приведем пример, призванный пояснить сказанное.

Начнем с запрета возникновения конфликта имен:

Определение: финальное имя

Финальным именем компонента класса является:

[x]. Для непосредственного компонента (объявленного в самом классе) - имя, под которым он объявлен.

[x]. Для наследуемого компонента без переименования - финальное имя компонента (рекурсивно) в том родительском классе, от которого оно унаследовано.

[x]. Для переименованного компонента - имя, полученное при переименовании.

Правило одного имени

Разные эффективные компоненты одного класса не могут иметь одно и то же финальное имя.

Конфликт имен происходит в том случае, когда два разных по сути компонента, оба эффективные (реализованные), имеют одно финальное имя. Такой конфликт делает класс некорректным, однако ситуацию легко исправить, добавив надлежащее предложение переименования.

Ключевым в тексте правила является слово "разные". Если под одним именем мы наследуем от родителей компонентов их общего предка, действует принцип совместного использования компонентов: наследуется один компонент, и конфликта имен не возникает.

Запрет на дублирование имен касается лишь эффективных компонентов. Если один или более компонентов с омонимичными именами являются отложенными, их можно фактически слить воедино, поскольку отсутствует несовместимость реализаций. Подробнее мы поговорим об этом чуть ниже.

Приведенные правила просты и интуитивны. Чтобы в последний раз нам убедиться в их правильном понимании, построим простой пример, демонстрирующий допустимые и недопустимые варианты наследования.

Рис. 15.20.  Два варианта наследования

class A feature

this_one_OK: INTEGER

end

class B inherit A feature

portends_trouble: REAL

end

class C inherit A feature

portends_trouble: CHARACTER

end

class D inherit

-- Это неправильный вариант!

B

C

end

Класс D наследует this_one_OK дважды, один раз от B, другой раз - от C. Конфликта имен не возникает, поскольку данный компонент будет использоваться совместно. На самом деле, это - один компонент предка A.

Два компонента portend_trouble ("предвещающие беду") заслуженно получили такое имя. Они различны, потому их появление в D ведет к конфликту имен, делая класс некорректным. (У них разные типы, но и одинаковые типы никак не повлияли бы на ход нашего обсуждения.)

Переименовав один из компонентов, мы с легкостью сделаем D корректным:

class D inherit

-- Этот вариант класса теперь полностью корректен.

B

rename portends_trouble as does_not_portend_trouble_any_more end

C

end

Конфликт переопределений

Пока в ходе наследования мы меняли лишь имена. А что, если промежуточный предок, такой, как B или C (см. последний рисунок), переопределит дублируемо наследуемый компонент? При динамическом связывании это может привести к неоднозначности в D.

Проблему решают два простых механизма: отмена определения (undefinition) и выделение (selection). Как обычно, вы сами примете участие в их разработке и убедитесь в том, что при четкой постановке задачи нужная конструкция языка становится совершенно очевидной.

Пусть дублируемо наследуемый компонент переопределяется в одной из ветвей:

Рис. 15.21.  Переопределение - причина потенциальной неоднозначности

Класс B переопределяет f. Поэтому в D этот компонент представлен в двух вариантах: результат переопределения в B и исходный вариант из A, полученный через класс C. (Можно предполагать, что и C переопределяет f, но это не внесет в наше рассуждение ничего нового.) Такое положение дел отличается от предыдущих случаев, в которых мы имели лишь один вариант компонента, возможно, наследуемый под разными именами.

Что произойдет в результате? Ответ зависит от того, под одним или разными именами класс D наследует варианты компонентов. Подразумевает ли дублируемое наследование репликацию или совместное использование? Рассмотрим эти случаи по порядку.

Конфликт при совместном использовании: отмена определения и соединение компонентов

Предположим вначале, что две версии наследуются под одним и тем же именем. Это случай совместного использования. Одному имени должен в точности соответствовать один компонент. Возможны три ситуации.

1 Если одна версия отложена, а другая - эффективна, то сложностей не возникает, будет использован эффективный вариант компонента. Заметим, что этот случай явно предусмотрен правилом одного имени: речь в нем идет лишь о конфликте имен двух эффективных версий.

2 Каждая версия эффективна, однако обе они переопределяются в D в предложении redefine. Проблемы снова не возникает, поскольку обе версии сливаются в одну, переопределяемую в тексте класса.

3 Обе версии эффективны, но обе не переопределяются, тогда действительно возникает конфликт имен. Класс D будет отвергнут, как нарушающий правило одного имени.

Нередко (3) означает ошибку: создана неоднозначность имен, и ее необходимо исправить. Тривиальным решением проблемы является переименование одного из вариантов, но тогда мы от рассматриваемого случая совместного использования переходим к репликации, изучаемой ниже.

Есть и другая, более изощренная возможность решения конфликта (3). Она состоит в том, чтобы позволить одному из вариантов "взять верх" над другим. Дальнейшее очевидно - свести эту ситуацию к (1), сделав один из двух вариантов отложенным.

Правила переопределения дают возможность переопределить компонент f как отложенный, хотя для этого и потребуется ввести промежуточный класс, скажем C', - наследника C, единственная роль которого - в переопределении отложенного f . Затем класс D должен быть порожден не от C, а от C'. Сложно и некрасиво. Вместо этого нам нужен простой языковой механизм: undefine. В секции наследования класса он приводит к появлению нового предложения:

class D inherit

B

C

undefine f end

feature

...

end

Синтаксически предложение undefine следует за rename (всякая отмена определения должна действовать на окончательный вариант имени компонента), но до redefine (прежде, чем что-то переопределять, мы должны позаботиться об отмене ненужных определений).

Признаком того, что предлагаемый языковой механизм желателен, почти всегда является его направленность на решение нескольких проблем (соответственно, плохой механизм создает больше проблем, чем решает). Механизм отмены определений отвечает этому требованию: он позволяет соединять компоненты в условиях множественного (не обязательно - дублируемого) наследования. Пусть мы хотим свести воедино две абстракции:

Рис. 15.22.  Два родителя и слияние компонентов

Мы хотим, чтобы D трактовал f и g как один компонент. Очевидно, это возможно лишь при условии совместимости семантики и сигнатур обоих компонентов (числа и типов аргументов и результата, если он есть). Допустим, что имена компонентов различны, и мы хотели бы сохранить имя f. Добиться желаемого можно, объединив переименование с отменой определения:

class D inherit

B

C

rename

g as f

undefine

f

end

feature

...

end

B получил полное превосходство над C, передавая классу D как сам компонент, так и его имя. Возможны и другие сочетания: компонент можно получить от одного из родителей, имя - от другого; можно переименовать оба компонента, присвоив им новое имя в D.

Еще один, более "симметричный" вариант соединения компонентов, заключается в замене обоих унаследованных вариантов на новый компонент. Достаточно указать оба компонента в предложении redefine, убедившись предварительно, что оба компонента имеют одно и то же финальное имя (добавив, если надо, выражение rename). В результате конфликта имен не возникнет (случай (2)), а объединение двух вариантов даст новый компонент.

Конфликты при репликации: выделение

Рассмотрим теперь случай конфликтов переопределений, связанных с репликацией. Пусть при дублируемом наследовании происходит переопределение и переименование эффективного компонента, так что имеем два эффективных компонента, наделенных собственными именами.

Рис. 15.23.  Необходимость выделения

Представленный на рисунке класс B меняет имя f на bf и переопределяет сам компонент. При этом мы опять полагаем, что C никак не меняет f, иное предположение нисколько не повлияет на ход нашего рассуждения. Более того, результат остался бы прежним, если бы B переопределял компонент f без его переименования, которое мы могли отложить до описания D. Допустим также, что речь не идет о соединении компонентов (которое происходит при переопределении обоих или отмене определения одного).

Поскольку компоненты наследуются под разными именами, то происходит их репликация. Класс D получает пару независимых компонентов, которые, в отличие от предыдущих случаев репликации, не являются копиями одного и того же компонента.

В отличие от случая совместного использования не возникает конфликта имен. Однако возникают другие конфликты, относящиеся к динамическому связыванию. Пусть полиморфная сущность a1 типа A (общий предок) на этапе выполнения связывается с экземпляром типа D (общим потомком). Что тогда означает вызов a1.f?

Правило динамического связывания гласит: вызываемый вариант f выбирается с учетом типа цели - объекта D. Но теперь это впервые нельзя истолковать однозначно: D содержит два равноценных варианта, известных под именами f и bf, соответствующих оригиналу f класса A.

Как и при конфликте имен, нельзя позволять компилятору делать выбор, пользуясь собственными правилами, - это противоречило бы принципам ясности и надежности. Управление ситуацией должно оставаться за автором разработки.

Для устранения неоднозначности необходим простой языковой механизм - предложение select. Вот версия класса, в которой предпочтение при динамическом связывании сущности f типа A отдается версии класса C:

class D inherit

B

C

select f end

feature

...

end

В этом варианте предпочтение отдается версии класса B:

class D inherit

B

select bf end

C

feature

...

end

Синтаксически предложение select следует за предложениями rename, undefine и redefine, если таковые имеются (выбор осуществляется после переименования и переопределения). Применение этого механизма регламентирует следующее правило:

Правило выделения

Класс, наследовавший две или более различные и эффективные версии компонента дублируемого предка и не переопределивший их, должен включить одну из них в предложение select.

Механизм select устраняет неоднозначность раз и навсегда. Потомкам класса нет необходимости (и они не должны) повторять выделение.

Выделение всех компонентов

Любой конфликт переопределений должен быть разрешен посредством select. Если, объединяя два класса, вы натолкнулись на ряд конфликтов, возможно, вы захотите, чтобы один из классов "одержал верх" (почти) в каждом из них. В частности, так происходит в ситуации, метафорично названной "брак по расчету" (вспомните, ARRAYED_STACK - потомок STACK и ARRAY), в которой классы-родители имеют общего предка. (В библиотеках Base оба класса действительно являются удаленными (distant) потомками общего класса CONTAINER.) В этом случае один из родителей (STACK) служит источником спецификаций, и вам, быть может, захочется, чтобы (почти) все конфликты были разрешены именно в его пользу.

Решение задачи упрощает следующая запись, дающая возможность не перечислять все конфликтующие компоненты. Предложение inherit класса может содержать такое описание (не более одного) родителя:

SOME_PARENT

select all end

Результат очевиден: все конфликты переопределений, - точнее те из них, что останутся после обработки других select, - разрешатся в пользу SOME_PARENT. Последнее уточнение означает, что вы по-прежнему вправе отдать предпочтение другим родителям в отношении некоторых компонентов.

Сохранение исходной версии при переопределении

(Этот раздел посвящен весьма специфичному вопросу, и при первом чтении книги его можно пропустить.)

Приступая к изучению наследования, мы познакомились с простой конструкцией Precursor, позволявшей переопределяемому компоненту вызывать его исходную версию. Механизм дублируемого наследования дает возможность обратиться к более универсальному (хотя и более "тяжеловесному") решению, пригодному в тех редких случаях, когда базовых средств не хватает.

Вернемся к известному нам классу BUTTON - потомку WINDOW, переопределяющему display:

display is

-- Показ кнопки на экране.

do

window_display

special_button_actions

end

где window_display выводит кнопку как обычное окно, а special_button_actions добавляет элементы, специфические для кнопки, отображая, например, ее границы. Компонент window_display в точности совпадает с WINDOW-вариантом display.

Мы уже знаем, как написать window_display, используя механизм Precursor. Если метод display переопределен в нескольких родительских классах, то желаемый класс можно указать в фигурных скобках: Precursor {WINDOW}. Того же результата можно достичь, прибегнув к дублируемому наследованию, заставив класс Button быть потомком двух классов Window:

indexing

WARNING: "Это первая попытка - данная версия некорректна!"

class BUTTON inherit

WINDOW

redefine display end

WINDOW

rename display as window_display end

feature

...

end

Одна из ветвей наследования меняет имя display, а потому, по правилу дублируемого наследования BUTTON, будет иметь два варианта компонента. Один из них переопределен, но имеет прежнее имя; второй переопределен не был, но именуется теперь window_display.

Этот вариант кода почти корректен, однако в нем не хватает подвыражения select. Если, как это обычно бывает, мы хотим выбрать переопределенную версию, то запишем:

indexing

note: "Это (корректная!)схема дублируемого наследования,%

% использующая оригинальную версию переопределяемого компонента"

class BUTTON inherit

WINDOW

redefine

display

select

display

end

WINDOW

rename

display as window_display

export

{NONE} window_display

end

feature

...

end

Если такая схема должна применяться к целому ряду компонентов, их можно перечислить вместе. При этом нередко возникает необходимость разрешить все конфликты именно в пользу переопределенных компонентов. В этом случае можно воспользоваться select all.

Предложение export (см. лекцию 16) определяет статус экспорта наследуемых компонентов класса. Так, WINDOW может экспортировать компонент display, а BUTTON сделать window_display скрытым (поскольку его клиенты в нем не нуждаются). Экспорт исходной версии наследуемого компонента может сделать класс формально некорректным, если она не соответствует новому инварианту класса.

Для скрытия всех компонентов, полученных "в наследство" по одной из ветвей иерархии, служит запись export {NONE} all.

Такой вариант экспорта переопределенных компонентов и скрытия исходных компонентов под новыми именами весьма распространен, но отнюдь не универсален. Нередко классу наследнику необходимо скрывать или экспортировать оба варианта (если исходная версия не нарушает инвариант класса).

Насколько полезна такая техника дублируемого наследования для сохранения исходной версии компонента при переопределении? Обычно в ней нет необходимости, так как достаточно обратиться к Precursor. Поэтому этот способ следует использовать, когда старая версия нужна не только в целях переопределения, но и как один из компонентов нового класса.

Пример повышенной сложности

Вот более сложный пример применения разных аспектов дублируемого наследования.

Проблема, близкая по духу нашему примеру, возникла из интересного обсуждения в основной книге по C++ [Stroustrup 1991].

Рассмотрим класс WINDOW с процедурой display и двумя наследниками: WINDOW_WITH_BORDER и WINDOW_WITH_MENU. Эти классы описывают абстрактные окна, первое из них имеет рамку, а второе поддерживает меню. Переопределяя display, каждый класс выводит на экран стандартное окно, а затем добавляет к нему рамку (в первом случае) и меню (во втором).

Опишем окно с рамкой и с поддержкой меню. В результате мы породим класс WINDOW_WITH_BORDER_AND_MENU.

Рис. 15.24.  Варианты окна

Переопределим метод display в новом классе; новая версия вначале вызывает исходную, затем строит рамку, а потом строит меню. Исходный класс WINDOW имеет вид:

class WINDOW feature

display is

-- Отобразить окно (общий алгоритм)

do

...

end

... Другие компоненты ...

end

Наследник WINDOW_WITH_BORDER осуществляет вызов родительской версии display и затем отображает рамку. В дублируемом наследовании нет необходимости, достаточно воспользоваться механизмом Precursor:

class WINDOW_WITH_BORDER inherit

WINDOW

redefine display end

feature -- Output

display is

-- Рисует окно и его рамку.

do

Precursor

draw_border

end

feature {NONE} -- Implementation

draw_border is do ... end

...

end

Обратите внимание на процедуру draw_border, рисующую рамку окна. Она скрыта от клиентов класса WINDOW_WITH_BORDER (экспорт классу NONE), поскольку для них вызов draw_border не имеет смысла. Класс WINDOW_WITH_MENU аналогичен:

class WINDOW_WITH_MENU inherit

WINDOW

redefine display end

feature -- Output

display is

-- Рисует окно и его меню.

do

Precursor

draw_menu

end

feature {NONE} -- Implementation

draw_menu is do ... end

...

end

Осталось описать общего наследника WINDOW_WITH_BORDER_AND_MENU этих двух классов, дублируемого потомка WINDOW. Предпримем первую попытку:

indexing

WARNING: "Первая попытка - версия не будет работать корректно!"

class WINDOW_WITH_BORDER_AND_MENU inherit

WINDOW_WITH_BORDER

redefine display end

WINDOW_WITH_MENU

redefine display end

feature

display is

-- Рисует окно,его рамку и меню.

do

Precursor {WINDOW_WITH_BORDER}

Precursor {WINDOW_WITH_MENU}

end

...

end

Заметьте: при каждом обращении к Precursor мы вынуждены называть имя предка. Каждый предок имеет собственный компонент display, переопределенный под тем же именем.

Впрочем, как замечает Страуструп, это решение некорректно: версии родителей дважды вызывают исходную версию display класса WINDOW, что приведет к появлению "мусора" на экране. Для исправления ситуации добавим еще один класс, получив тройку наследников класса WINDOW:

indexing

note: "Это корректная версия"

class WINDOW_WITH_BORDER_AND_MENU inherit

WINDOW_WITH_BORDER

redefine

display

export {NONE}

draw_border

end

WINDOW_WITH_MENU

redefine

display

export {NONE}

draw_menu

end

WINDOW

redefine display end

feature

display is

-- Рисует окно,его рамку и меню.

do

Precursor {WINDOW}

draw_border

draw_menu

end

...

end

Заметьте, что компоненты draw_border и draw_menu в новом классе являются скрытыми, поскольку мы не видим причин, по которым клиенты WINDOW_WITH_BORDER_AND_MENU могли бы их вызывать непосредственно.

Несмотря на активное применение дублируемого наследования, класс переопределяет все унаследованные им варианты display, что делает выражения select ненужными. В этом состоит преимущество спецификатора Precursor в сравнении с репликацией компонентов.

Неплохим тестом на понимание дублируемого наследования станет решение этой задачи без применения Precursor, путем репликации компонентов промежуточных классов. При этом, разумеется, вам понадобится select (см. упражнение 15.10).

В полученном варианте класса присутствует лишь совместное использование, но не репликация компонентов. Расширим пример Страуструпа: пусть WINDOW имеет запрос id (возможно, целого типа), направленный на идентификацию окон. Если идентифицировать любое окно только одним "номером", то id будет использоваться совместно, и нам не придется ничего менять. Если же мы хотим проследить историю окна, то экземпляр WINDOW_WITH_BORDER_AND_MENU будет иметь три id - независимых "номера". Новый текст класса комбинирует совместное использование и репликацию id (изменения в тексте класса помечены стрелками):

indexing

note: "Усложненная версия с независимыми id."

class WINDOW_WITH_BORDER_AND_MENU inherit

WINDOW_WITH_BORDER

rename

id as border_id

redefine

display

export {NONE}

draw_border

end

WINDOW_WITH_MENU

rename

id as menu_id

redefine

display

export {NONE}

draw_menu

end

WINDOW

rename

id as window_id

redefine

display

select

window_id

end

feature

.... Остальное, как ранее...

end

Обратите внимание на необходимость выбора (select) одного из вариантов id.

Дублируемое наследование и универсальность

В завершение мы должны рассмотреть особый случай дублируемого наследования. Он касается компонентов, содержащих родовые параметры. Рассмотрим следующую схему (подобная ситуация может возникнуть не только при прямом, но и при косвенном дублируемом наследовании):

class A [G] feature

f: G;...

end

class B inherit

A [INTEGER]

A [REAL]

end

В классе B по правилу дублируемого наследования компонент f должен использоваться совместно. Но из-за универсализации возникает неоднозначность, - какой результат должен возвращать компонент - real или integer? Та же проблема возникнет, если f имеет параметр типа G.

Подобная неоднозначность недопустима. Отсюда правило:

Универсальность в правиле дублируемого наследования

Тип компонента, совместно используемого в правиле дублируемого наследования, а также тип любого из его аргументов не может быть родовым параметром класса, от которого произошло дублируемое наследование компонента.

Для устранения неоднозначности можно выполнить переименование в точке наследования.

Правила об именах

(В этом разделе мы только формализуем сказанное выше, поэтому при первом чтении книги его можно пропустить.)

Мы уже видели, что в случае возможной неоднозначности конфликты имен пресекаются, хотя некоторые ситуации бывают вполне корректны. Чтобы в представлении множественного и дублируемого наследования не оставить никакой неоднозначности, полезно обобщить ограничения на конфликт имен в едином правиле: Заканчивая этот раздел, сведем изложенный ранее материал в единое правило:

Конфликты имен: определение и правило

В классе, образованном в результате множественного наследования, возникает конфликт имен, если два компонента, наследованные от разных родителей, имеют одно и то же финальное имя.

Конфликт имен делает класс некорректным за исключением следующих случаев:

1 Оба компонента унаследованы от общего предка, и ни один из них не получен повторным объявлением версии предка.

2 Оба компонента имеют совместимые сигнатуры, и, по крайней мере, один из них наследуется в отложенной форме.

3 Оба компонента имеют совместимые сигнатуры и переопределяются в новом классе.

Ситуация (1) описывает совместное использование при дублируемом наследовании.

Для случая (2) "наследование в отложенной форме" возможно по двум причинам: либо отложенная форма задана родительским классом, либо компонент был эффективным, но порожденный класс отменил его реализацию (undefine).

Ситуации (2) и (3) рассматриваются отдельно, однако, их можно представить как один вариант - вариант соединения (join). Переходя к n компонентам (n >= 2), можно сказать, что ситуации (2) и (3) возникают, когда от разных родителей класс принимает n одноименных компонентов с совместимыми сигнатурами. Конфликт имен не делает класс некорректным, если эти компоненты могут быть соединены, иными словами:

[x]. все n компонентов отложены, так что некому вызвать конфликт определений;

[x]. существует единственный эффективный компонент. Его реализация станет реализацией остальных компонентов;

[x]. два или несколько компонентов эффективны. Класс должен их переопределить. Новая реализация будет использоваться как для переопределяемых компонентов, так и для любых отложенных компонентов, участвующих в конфликте.

И, наконец, точное правило употребления конструкции Precursor. Если в переопределении используется Precursor, то неоднозначность может возникнуть из-за того, что неясно, версию какого родителя следует вызывать. Чтобы решить эту проблему, следует использовать вызов вида Precursor {PARENT} (...), где PARENT - имя желаемого родителя. В остальных случаях указывать имя родителя не обязательно.

Обсуждение

Давайте проанализируем следствия некоторых решений, принятых в этой лекции.

Переименование

Любой язык, поддерживающий множественное наследование, должен как-то решать проблему конфликта имен. Коль скоро мы не можем и не должны требовать от разработчиков внесения изменений в исходные классы, есть всего два решения, помимо тех, что были описаны выше:

[x]. требовать от клиентов устранения всех неоднозначностей;

[x]. выбирать некую интерпретацию по умолчанию.

В соответствии с первым подходом, класс C, наследующий компонент f от A и B, будет нормально откомпилирован, возможно, с выдачей предупреждения. Ничего страшного не произойдет, пока в тексте клиента C не обнаружится нечто подобное:

x: C

... x.f ...

Клиенту придется квалифицировать ссылку на f, используя нотацию, например, такую: x.f | A, либо x.f | B, чтобы указать подразумеваемый класс.

Это решение противоречит, однако, одному из принципов, важность которого мы подчеркивали в этой лекции: структура наследования класса касается лишь самого класса и его предков, но не клиентов, за исключением случаев полиморфного применения компонентов. Пользуясь f из C, я не должен знать о том, введена эта функция классом C либо получена им от A или B.

Согласно второй стратегии, запись x.f корректна. Выбор одного из вариантов делается средствами языка. Критерием выбора является, например, порядок, в котором C перечисляет своих родителей. Для обращения к другим вариантам может существовать особая форма записи.

Данный подход реализован в нескольких производных от Lisp языках с поддержкой множественного наследования. Тем не менее, выбор семантики по умолчанию весьма опасен ввиду потенциальной несовместимости со статической типизацией.

Эти проблемы решает смена имен. Одним из ее преимуществ является возможность создания клиентского интерфейса с "понятными" именами компонентов.

ОО-разработка и перегрузка

Анализ роли имен, сделанный в этой лекции, позволяет вернуться к вопросу о внутриклассовой перегрузке (in-class name overloading).

Напомню, что в таких языках, как Ada 83 и Ada 95, перегрузка разрешена - можно давать одно имя разным компонентам одного синтаксического модуля. Например, в одном пакете возможны определения:

infix "+" (a, b: VECTOR) is...

infix "+" (a, b: MATRIX) is...

Языки Java и C++ позволяют делать то же самое в пределах класса.

Ранее мы называли эту возможность синтаксической перегрузкой. Это - статический механизм. Для однозначного разрешения вызова, например, x + y, достаточно посмотреть на тип аргументов x и y, который очевиден из текста программы.

В объектной технологии применяется и более мощный механизм семантической (или динамической) перегрузки. Так, если классы VECTOR и MATRIX наследуют от общего предка NUMERIC компонент

infix "+" (a: T) is...

и каждый из них переопределяет его нужным образом, то понять, о какой операции + идет речь в выражении x + y, можно только динамически во время выполнения программы. Семантическая перегрузка - действительно интересный механизм, позволяющий использовать единое имя в тексте различных классов для представления разных вариантов по сути одной и той же операции, такой, как сложение в NUMERIC. Правила для утверждений, рассматриваемые в следующей лекции, уточнят эту ситуацию, требуя, чтобы переобъявления компонента сохраняли его фундаментальную семантику.

Сохраняется ли роль синтаксической перегрузки в объектной технологии? Трудно найти разумные аргументы в ее поддержку. Можно понять, почему язык Ada 83, не имеющий классов, ее использовал. Но в ОО-языке выбор одного имени для обозначения разных операций - это прямой путь к созданию беспорядка.

Проблема состоит еще и в том, что синтаксическая форма перегрузки вступает в конфликт с семантической, в активе которой - полиморфизм и динамическое связывание. Рассмотрим вызов x.f (a). Если он следует за полиморфными операторами присваивания x := y и a := b, то при сохранении имен его результат будет в точности тем же, что и для y.f (b), даже если типы b и y отличны от типов a и x. Но при перегрузке это свойство не сохраняется! Теперь f может быть перегруженным именем двух разных компонентов: одного - типа a, другого - типа b. Чему отдать предпочтение: синтаксической перегрузке или динамическому связыванию? Хуже того, базовый класс типа y может переопределять один или оба перегруженных компонента. И таким комбинациям, как и причинам ошибок, нет числа.

То, что мы наблюдаем, является нежелательным результатом взаимодействия двух отдельных языковых черт. Предусмотрительный разработчик, предлагая новый язык и "поиграв" с некой новой возможностью, быстро откажется от нее, встретив несовместимость с более важными компонентами языка.

Таковы риски синтаксической перегрузки, а каковы все же ее плюсы? Ответить на этот вопрос нелегко. Простой принцип доступности кода гласит, что в тексте одного модуля читатель должен быть совершенно уверен в соответствии имени и значения. При внутриклассовой перегрузке это свойство теряется.

Типичный пример, иногда приводимый в подтверждение полезности перегрузки, связан с компонентами класса STRING. Чтобы к одной строке, при отсутствии перегрузки, добавить другую строку или отдельный символ, используются разные имена компонентов: s1.add_string (s2) и s1.add_character ('A'), или в инфиксной записи s := s1++ s2 и s := s1 + 'A'. При перегрузке обе операции можно назвать одинаково. Так ли это необходимо? Объекты типов CHARACTER и STRING наделены совершенно разными свойствами. Добавление символа всегда увеличивает длину строки на 1. Сцепление строк может оставить длину неизменной (если вторая строка пуста) или увеличить ее произвольным образом. Применение разных имен кажется не только разумным, но и желательным, особенно потому, что приведенные выше примеры ошибок действительно вполне возможны.

Предположим, даже, что решено использовать перегрузку, но и в этом случае придется подумать о более точном критерии, позволяющем выбирать нужный компонент. Общепринятый критерий синтаксической перегрузки различает компоненты по их сигнатуре, что не исключает неоднозначности. Типичный пример - процедуры создания точек в полярной или декартовой системе координат: make_cartesian и make_polar. Сигнатуры обеих процедур одинаковы, - они имеют два аргумента типа REAL, однако, работают совершенно по-разному. Перегрузку здесь использовать нельзя. Для отражения того факта, что оба компонента и в самом деле различны, им следует дать разные имена.

Реализацию процедур создания ("конструкторов") в Java и C++ нельзя описывать без иронии. Так, вы не вправе давать конструкторам разные имена, а вынуждены полагаться на перегрузку. Пытаясь решить эту проблему, я не нашел ничего лучше, чем ввести искусственный третий параметр.

В итоге (внутриклассовая) синтаксическая перегрузка в ОО-среде создает немало проблем, не давая видимых преимуществ. (Тем же, кто использует Java, C++ или Ada 95, можно посоветовать полностью отказаться от перегрузки, прибегая к ней лишь при создании конструкторов, то есть тогда, когда язык не оставляет другого выбора.) Стараясь умело применять объектный подход, придерживайтесь простого правила: каждый компонент имеет имя, каждое имя означает только один компонент.

Ключевые концепции

[x]. Подход к конструированию ПО, подобный конструированию из кубиков, требует возможности объединения нескольких абстракций в одну. Это достигается благодаря множественному наследованию.

[x]. В самых простых и наиболее общих случаях множественного наследования два родителя представляют независимые абстракции.

[x]. Множественное наследование часто необходимо как для моделирования систем, так и для повседневной разработки ПО, в частности, создания повторно используемых библиотек.

[x]. Конфликты имен при множественном наследовании должны устраняться переименованием.

[x]. Переименование позволяет ввести в классе контекстно-адаптированную терминологию.

[x]. Компоненты следует отделять от их имен. Один и тот же компонент в разных классах может быть известен под разными именами. Класс определяет отображение имен в компоненты.

[x]. Дублируемое наследование - мощная техника - возникает как результат множественного наследования, при котором один класс становится потомком другого несколькими способами.

[x]. При дублируемом наследовании компонент общего предка становится одним компонентом, если он наследуется под одним именем, и несколькими независимыми компонентами в противном случае.

[x]. Конкурирующие версии общего предка при динамическом связывании должна устраняться предложением select.

[x]. Механизм репликации при дублируемом наследовании не должен дублировать компоненты, включающие родовые параметры.

[x]. В ОО-среде семантическая перегрузка, поддерживаемая динамическим связыванием, более полезна, чем синтаксическая перегрузка.

Библиографические замечания

Механизм переименования, а также правила дублируемого наследования были разработаны при написании этой книги. Механизм отмены определений предложен Михаэлем Швайцером (Michael Schweitzer), механизм выбора- Джоном Поттером (John Potter).

Пример с выпадающим меню взят из книги [M 1988c].

Упражнения

У15.1 Окна как деревья

Класс WINDOW порожден от TREE [WINDOW]. Поясните суть родового параметра. Покажите, какое новое утверждение появится в связи с этим в инварианте класса.

У15.2 Является ли окно строкой?

Окно содержит ассоциированный с ним текст, представленный атрибутом text типа STRING. Стоит ли отказаться от атрибута и объявить WINDOW наследником класса STRING?

У15.3 Завершение строительства

Завершите проектирование класса WINDOW, показав точно, что необходимо от лежащего в основе механизма управления выводом?

У15.4 Итераторы фигур

При обсуждении COMPOSITE_FIGURE мы говорили о применении итераторов для выполнения операций над составными фигурами. Разработайте соответтсвующие классы итераторов. (Подсказка: в [M 1994a] приведены классы библиотеки итераторов, которые послужат основой вашей работы.)

У15.5 Связанные стеки

Основываясь на классах STACK и LINKED_LIST, постройте класс LINKED_STACK, описывающий реализацию стека как связного списка.

У15.6 Кольцевые списки и цепи

Объясните, почему LIST нельзя использовать для создания кольцевых списков. (Подсказка: в этом вам может помочь изучение формальных утверждений, обсуждение которых вы найдете в начале следующей лекции.) Опишите класс CHAIN, который может служить родителем как для LIST, так и для нового класса кольцевых списков CIRCULAR. Обновите класс LIST и, если нужно, его потомков. Дополните структуру класса, обеспечивающую разные варианты реализации кольцевых списков.

У15.7 Деревья

Согласно одной из интерпретаций, дерево - это рекурсивная структура, представляющая собой список деревьев. Замените приведенное в этой лекции описание класса TREE как наследника LINKED_LIST и LINKABLE новым вариантом

class TREE [G] inherit

LIST [TREE [G]]

feature ...end

Расширьте это описание до полнофункционального класса. Сравните это расширение с тем, что было описано в тексте данной лекции.

У15.8 Каскадные или "шагающие" (walking) меню

Оконные системы вводят понятие меню, реализуемое классом MENU с запросом, возвращающим список элементов, и командами отображения, перехода к следующему элементу и т.д. Меню составлено из элементов, поэтому нам понадобится класс MENU_ENTRY с такими запросами, как parent_menu и operation (операция, выполняемая при выборе элемента) и такими командами, как execute (выполняет операцию operation).

Среди меню нередко встречаются каскадные, или шагающие меню (walking menu), где выбор элемента приводит к появлению подменю (submenu). На рисунке приведено шагающее меню среды Open Windows, созданной корпорацией Sun:

Рис. 15.25.  Выпадающее меню

Предложите описание класса SUBMENU. (Подсказка: подменю одновременно является меню и элементом меню, чья операция должна отображать подменю.) Можно ли это понятие с легкостью описать в языке без множественного наследования?

У15.9 Плоский precursor (предшественник)

Что должна показывать плоская форма класса при встрече с инструкцией, использующей Precursor?

У15.10 Дублируемое наследование и репликация

Напишите класс WINDOW_WITH_BORDER_AND_MENU без обращения к Precursor. Для доступа к родительскому варианту переопределенного компонента используйте репликацию при дублируемом наследовании. Убедитесь в том, что вы используете правильные предложения select и назначаете каждому компоненту правильный статус экспорта.

Лекция 16. Техника наследования

Наследование - ключевая составляющая ОО-подхода к повторному использованию и расширяемости. В этой лекции нам предстоит исследовать новые возможности, разнородные, но демонстрирующие замечательные следствия красоты базисных идей.

Наследование и утверждения

Следствия красоты базисных идей:

[x]. Связь наследования с утверждениями и Проектированием по Контракту.

[x]. Глобальная структура наследования, где все классы согласованы.

[x]. Замороженные компоненты, для которых не применим принцип Открыт-Закрыт.

[x]. Ограниченная универсальность: как задавать требования на родовые параметры.

[x]. Попытка присваивания: как безопасно приводить к типу.

[x]. Как и когда изменять свойства типа при повторных объявлениях.

[x]. Закрепленные объявления, помогающие избежать лавины переобъявлений.

[x]. Непростые отношения между наследованием и скрытием информации.

Вопросам наследования будут посвящены еще две лекции: обзор проблем типизации представлен в лекции 17, а подробное обсуждение методологии наследования - в лекции 6 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".

Большинство разделов этой лекции строится по единому принципу: экзаменуются следствия идей предыдущих двух лекций, обнаруживаются проблемы, они подробно анализируются, предлагается обоснованное решение. Ключевым является шаг анализа - как только проблема становится ясной, зачастую решение ее находится сразу же.

Обладая изрядной мощью, наследование может быть и опасным. Не будь механизма утверждений, создатели классов могли бы весьма "вероломно" пользоваться повторными объявлениями и динамическим связыванием для изменения семантики операций без возможности контроля со стороны клиента. Утверждения способны на большее: они дают нам боле глубокое понимание природы наследования. Не будет преувеличением сказать, что лишь понимание принципов Проектирования по Контракту позволяет в полной мере постичь сущность концепции наследования.

Вкратце мы уже очертили основные правила, управляющие взаимосвязью наследования и утверждений: все утверждения (предусловие и постусловия подпрограмм, инварианты классов), заданные в классах-родителях, остаются в силе и для их потомков. В этом разделе мы уточним эти правила и используем полученные результаты, чтобы дать новый взгляд на наследование как на субподряды (subcontracts).

Инварианты

С правилом об инвариантах класса мы встречались и прежде:

Правило родительских инвариантов

Инварианты всех родителей применимы и к самому классу.

Инварианты родителей добавляются к классу. Инварианты соединяются логической операцией and then. (Если у класса нет явного инварианта, то инвариант True играет эту роль.) По индукции в классе действуют инварианты всех его предков, как прямых, так и косвенных.

Как следствие, выписывать инварианты родителей в инварианте потомка еще раз не нужно (хотя семантически такая избыточность не вредит: a and then a есть то же самое, что a).

Полностью восстановленный инвариант класса можно найти в плоской и краткой плоской форме последнего (см. лекцию 15).

Предусловия и постусловия при наличии динамического связывания

В случае с предусловиями и постусловиями ситуация чуть сложнее. Общая идея, как отмечалось, состоит в том, что любое повторное объявление должно удовлетворять утверждениям оригинальной подпрограммы. Это особенно важно, если подпрограмма отложена: без такого ограничения на будущую реализацию, задание предусловие и постусловий для отложенных подпрограмм было бы бесполезным или, хуже того, привело бы к нежелательному результату. Те же требования к предусловию и постусловию остаются и при переопределении эффективных подпрограмм.

Анализируя механизмы повторного объявления, полиморфизма и динамического связывания, можно дать точную формулировку искомого правила. Но для начала представим типичный случай.

Рассмотрим класс и его подпрограммы, имеющие как предусловие, так и постусловие:

Рис. 16.1.  Подпрограмма, клиент и контракт

На рис. 16.1 показан клиент C класса A. Чтобы быть клиентом, класс C, как правило, включает в одну из своих подпрограмм объявление и вызов вида:

a1: A

...

a1.r

Для простоты мы проигнорируем все аргументы, которые может требовать r, и положим, что r является процедурой, хотя наши рассуждения в равной мере применимы и к функциям.

Вызов будет корректен лишь тогда, когда он удовлетворяет предусловию. Гарантировать, что C соблюдает свою часть контракта, можно, к примеру, предварив вызов проверкой предусловия, написав вместо a1.r конструкцию:

if a1. then

a1.r

check a1.β end -- постусловие должно выполняться

... Инструкции, которые могут предполагать истинность a1.. ...

end

(Как отмечалось при обсуждении утверждений, не всегда требуется проверка: достаточно, с помощью if или без него, гарантировать выполнение условия a перед вызовом r. Для простоты будем использовать if-форму, игнорируя предложение else.)

Обеспечив соблюдение предусловия, клиент C рассчитывает на выполнение постусловия a1.β при возврате из r.

Все это является основой Проектирования по Контракту: в момент вызова подпрограммы клиент должен обеспечить соблюдение предусловия, а в ответ при возврате из подпрограммы он полагается на выполнение постусловия.

Что происходит, когда вводится наследование?

Рис. 16.2.  Подпрограмма, клиент, контракт и потомок

Пусть новый класс A' порожден от A и содержит повторное объявление r. Как он может, если вообще может, заменить прежнее предусловие новым γ, а прежнее постусловие β - новым ?

Чтобы найти ответ, рассмотрим обязательства клиента. В вызове a1.r цель a1 может - в силу полиморфизма - иметь тип A'. Однако C об этом не знает! Единственным объявлением a1 остается исходная строка

a1: A

где упоминается A, но не A'. На деле C может использовать A', даже если его автор не знает о наличии такого класса. Вызов подпрограммы r может произойти, например, в процедуре C вида:

some_routine_of_C (a1: A) is

do

...; a1.r;...

end

Тогда при вызове some_routine_of_C из другого класса в нем может использоваться фактический параметр типа A', даже если в тексте клиента C класс A' нигде не упоминается. Динамическое связывание как раз и означает тот факт, что обращение к r приведет в этом случае к использованию переопределенной версии A'.

Итак, может сложиться ситуация, в которой C, являясь только клиентом A, фактически во время выполнения использует версии компонентов класса A'. (Можно сказать, что C - "динамический клиент" A', хотя в тексте C об этом и не говорится.)

Что это значит для C? Только одно - проблемы, которые возникнут, если не предпринять никаких действий. Клиент C может добросовестно выполнять свою часть контракта, и все же в результате он будет обманут. Например,

if a1. then a1.r end

если a1 полиморфно присоединена к объекту типа A', инструкция вызовет подпрограмму, ожидающую выполнения γ и гарантирующую выполнение , в то время как клиент получил указание соблюдать и ожидать выполнения β. Налицо возможное расхождение во взглядах клиента и поставщика на контракт.

Как обмануть клиентов

Чтобы понять, как удовлетворить клиентов, мы должны сыграть роль адвокатов дьявола и на секунду представить себе, как их обмануть. Так поступает опытный криминалист, разгадывая преступление. Как мог бы поступить поставщик, желающий ввести в заблуждение своего честного клиента C, гарантирующего при вызове и ожидающего выполнения β? Есть два пути:

[x]. Потребовать больше, чем предписано предусловием . Формулируя более сильное предусловие, мы позволяем себе исключить случаи, которые, согласно исходной спецификации, были совершенно приемлемы.

[x]. Гарантировать меньше, чем это следует из начального постусловия β. Более слабое постусловие позволяет нам дать в результате меньше, чем было обещано исходной спецификацией.

Вспомните, что мы неоднократно говорили при обсуждении Проектирования по Контракту: усиление предусловия облегчает задачу поставщика ("клиент чаще не прав"), иллюстрацией чего служит крайний случай - предусловие false (когда "клиент всегда не прав").

Как уже было сказано, утверждение A называется более сильным, чем B, если A логически влечет B, но отличается от него: например, x >= 5 сильнее, чем x >= 0. Если утверждение A сильнее утверждения B, говорят еще, что утверждение B слабее утверждения A.

Как быть честным

Теперь нам понятно, как обманывать. Но как же быть честным? Объявляя подпрограмму повторно, мы можем сохранить ее исходные утверждения, но также мы вправе:

[x]. заменить предусловие более слабым;

[x]. заменить постусловие более сильным.

Первый подход символизирует щедрость и великодушие: мы допускаем большее число случаев, чем изначально. Это не причинит вред клиенту, который на момент вызова удовлетворяет исходному предусловию. Второй подход означает, что мы выдаем больше, чем от нас требовалось. Это не причинит вред клиенту, полагающемуся на выполнение по завершении вызова исходных постусловий.

Итак, основное правило:

Правило (1) Утверждения Переобъявления (Assertion Redeclaration)

При повторном объявлении подпрограммы предусловие может заменяться лишь равным ему или более слабым, постусловие - лишь равным ему или более сильным.

Это правило отражает тот факт, что новый вариант подпрограммы не должен отвергать вызовы, допустимые в оригинале, и должен, как минимум, представлять гарантии, эквивалентные гарантиям исходного варианта. Он вправе, хоть и не обязан, допускать большее число вызовов или давать более сильные гарантии.

Как явствует из названия, это правило применимо к обеим формам повторного объявления: переопределению и реализации отложенного компонента. Второй случай важен особо, - утверждения будут связаны со всеми эффективными версиями потомков.

Утверждения подпрограммы, как отложенной, так и эффективной, задают ее семантику, применимую к ней самой и ко всем повторным объявлениям ее потомков. Точнее говоря, они специфицируют область допустимого поведения подпрограммы и ее возможных версий. Любое повторное объявление может лишь сужать эту область, не нарушая ее.

Как следствие, создатель класса должен быть осторожным при написании утверждений эффективной подпрограммы, не привнося излишнюю спецификацию (overspecification). Утверждения должны описывать намерения подпрограммы, - ее абстрактную семантику, - но не свойства реализации. Иначе можно закрыть возможность создания иной реализации подпрограммы у будущих потомков.

Пример

Предположим, я написал класс MATRIX, реализующий операции линейной алгебры. Среди прочих возможностей я предлагаю своим клиентам подпрограмму расчета обратной матрицы. Фактически это сочетание команды и двух запросов: процедура invert инвертирует матрицу, присваивает атрибуту inverse значение обратной и устанавливает логический атрибут inverse_valid. Значение атрибута inverse имеет смысл тогда и только тогда, когда inverse_valid является истинным; в противном случае матрицу инвертировать не удалось, так как она вырождена. В ходе нашего обсуждения случай вырожденной матрицы мы можем проигнорировать.

Конечно же, я могу найти лишь приближенное значение обратной матрицы и готов гарантировать определенную точность расчетов, однако, не владея численными подпрограммами в совершенстве, буду принимать лишь запросы с точностью не выше 10-6. В итоге, моя подпрограмма будет выглядеть приблизительно так:

invert (epsilon: REAL) is

-- Обращение текущей матрицы с точностью epsilon

require

epsilon >= 10 ^ (-6)

do

"Вычисление обратной матрицы"

ensure

((Current * inverse) |-| One) <= epsilon

end

Постусловие предполагает, что класс содержит инфиксную функцию infix "|-|" такую, что m1 |-| m2 есть |m1 - m2| (норма разности матриц m1 и m2), а также функцию infix "*", результатом которой является произведение двух матриц. One - единичная матрица.

Как человек негордый, летом я приглашу программиста, и он перепишет мою подпрограмму invert, используя более удачный алгоритм, лучше аппроксимирующий результат и допускающий меньшее значение epsilon (как повторное объявление, эта запись синтаксически некорректна:

require

epsilon >= 10 ^ (-20)

...

ensure

((Current * inverse) |-| One) <= (epsilon / 2)

Автор новой версии достаточно умен, чтобы не переписывать MATRIX в целом. Изменения коснутся лишь нескольких подпрограмм. Они будут включены в состав порожденного от MATRIX класса NEW_MATRIX.

Если повторное объявление содержит новые утверждения, они должны иметь иной синтаксис, нежели приведенный выше. Правило появится чуть позднее.

Изменения, внесенные в утверждения, удовлетворяют правилу повторного объявления: новое предусловие epsilon >= 10 ^ (-20) слабее исходного epsilon >= 10 ^ (-6), новое же постусловие сильнее сформулированного вначале.

Вот как все должно происходить. Клиент исходного класса MATRIX запрашивает расчет обратной матрицы именно у него, но на деле - ввиду динамического связывания - вызывает реализацию класса NEW_MATRIX. Тот же клиент может иметь в своем составе подпрограмму

some_client_routine (m1: MATRIX; precision: REAL) is

do

... ; m1.invert (precision); ...

-- Возможен вызов версии как MATRIX, так и NEW_MATRIX

end

которой один из его собственных клиентов передает первый параметр типа NEW_MATRIX.

NEW_MATRIX должен воспринимать и корректно обрабатывать любой вызов, который принимается его предком. Используя более слабое предусловие и более сильное постусловие, мы корректно обработаем все обращения клиентов MATRIX и предложим своим клиентам решение, лучше прежнего.

При усилении предусловия invert, например, epsilon >= 10 ^ (-5), вызов, корректный для класса MATRIX, мог стать теперь некорректным. При ослаблении постусловия возвращаемый результат стал бы хуже, чем гарантируемый для MATRIX.

Устранение посредника

Последний комментарий указывает на весьма интересное следствие правила Утверждений Переобъявления. В общей схеме

Рис. 16.3.  Подпрограмма, клиент и подрядчик

утверждения γ и , введенные при повторном объявлении, предпочтительнее для клиентов, если они отличаются от и β (предусловия - более слабые, постусловия - более сильные). Но клиент класса A, использующий A' благодаря полиморфизму и динамическому связыванию, не может в полной мере воспользоваться более выгодным контрактом, ибо единственный контракт клиента заключен с классом A.

Воспользоваться преимуществом нового контракта можно лишь став непосредственным клиентом A' (пунктирная связь с вопросительным знаком на рисунке 16.3), как в случае:

a1: A'

...

if a1.γ then a1.r end

check a1. end -- постусловие выполняется

При этом вы, естественно, объявляете a1 как объект типа A', а не объект типа A, как прежде. В результате теряется универсальность полиморфизма, идущая от A.

Компромисс ясен. Клиент класса MATRIX должен обеспечивать выполнение исходного (более сильного) предусловия, а в ответ вправе ожидать выполнения исходного (более слабого) постусловия. Даже если его запрос динамически подготовлен к обслуживанию классом NEW_MATRIX, воспользоваться новыми возможностями - большей толерантностью входа и большей точностью выхода - ему никак не удастся. Для обращения к улучшенной спецификации клиент должен объявить матрицу типа NEW_MATRIX, тем самым, потеряв доступ к иным порожденным от MATRIX реализациям, не являющимся производными классами самого NEW_MATRIX.

Субподряды

Правило Утверждения Переобъявления великолепно сочетается с теорией Проектирования по Контракту.

Мы видели, что утверждения подпрограммы описывают связанный с ней контракт, в котором клиент гарантирует выполнение предусловия, получая право рассчитывать на истинность постусловия; для поставщика все наоборот.

Наследование совместно с повторным объявлением и динамическим связыванием приводит к созданию субподрядов. Приняв условия контракта, вы не обязаны выполнять его сами. Подчас вы знаете кого-то еще, способного сделать это лучше и с меньшими издержками. Так происходит, когда клиент запрашивает подпрограмму из MATRIX, но благодаря динамическому связыванию может на этапе выполнения фактически вызывать версию, переопределенную в потомке. "Меньшие издержки" означают здесь более эффективную реализацию, как в знакомом нам примере с периметром прямоугольника, а "лучше" - усовершенствование утверждений, в описанном здесь смысле.

Правило Утверждения Переобъявления просто устанавливает, что честный субподрядчик, приняв условия контракта, должен выполнить работу на тех же условиях, что и подрядчик или лучших, но никак не худших.

С позиции Проектирования по Контракту, инварианты классов - это ограничения общего характера, применимые и к подрядчикам, и к клиентам. Правило родительских инвариантов отражает тот факт, что все подобные ограничения передаются субподрядчикам.

Свое истинное значение для ОО-разработки наследование приобретает лишь совместно с утверждениями и двумя приведенными выше правилами. Метафора контрактов и субподрядов - прекрасная аналогия, помогающая разрабатывать корректное ОО-ПО. Несомненно, в этом - одна из центральных идей теории проектирования.

Абстрактные предусловия

Правило ослабления предусловий может оказаться чересчур жестким в случае, когда наследник понижает уровень абстракции, характерный для его предка. К счастью, есть легкий обходной путь, полностью согласующийся с теорией.

Типичным примером этого является порождение BOUNDED_STACK от универсального класса стека (STACK). Процедура занесения в стек элемента (put) в порожденном классе имеет предусловие count <= capacity, где count - текущее число элементов в стеке, capacity - физическая емкость накопителя.

В общем понятии стека нет понятия емкости. Поэтому создается впечатление, будто при переходе к BOUNDED_STACK предусловие приходится усилить (от бесконечной емкости перейти к конечной). Как выстроить структуру наследования, не нарушая правило Утверждения Переобъявления?

Ответ становится очевиден, если мы ближе познакомимся с требованиями к клиенту. То, что нужно сохранить или ослабить, не обязательно является конкретным предусловием, как оно видится в реализации поставщика (реализация это его забота), но касается предусловия, как оно видится клиенту. Пусть процедура put класса STACK имеет вид:

put (x: G) is

-- Поместить x на вершину.

require

not full

deferred

ensure

...

end

где функция full всегда возвращает ложное значение, а значит, стек по умолчанию никогда не бывает полным.

full: BOOLEAN is

-- Заполнено ли представление стека?

-- (По умолчанию, нет)

do Result := False end

Тогда в BOUNDED_STACK достаточно переопределить full:

full: BOOLEAN is

-- Заполнено ли представление стека?

-- (Да, если число элементов равно емкости стека)

do Result := (count = capacity) end

Предусловие, такое как not full, включающее свойство, которое переопределяется потомками, называется абстрактным (abstract) предусловием.

Такое использование абстрактных предусловий для соблюдения правила Утверждения Переобъявления может показаться обманом, однако это не так. Несмотря на то, что конкретное предусловие фактически становится более сильным, абстрактное предусловие не меняется. Важно не то, как реализуется утверждение, а то, как оно представлено клиентам в интерфейсе класса (краткой или плоско-краткой форме). Предваренный условием вызов

if not s.full then s.put (a) end

будет корректен независимо от вида STACK, присоединенного к s.

Впрочем, есть доля справедливой критики этого подхода, так как он вступает в противоречие с принципом Открыт-Закрыт. При проектировании класса STACK мы должны предвидеть ограниченную емкость отдельных стеков. Не проявив должной предусмотрительности, нам придется вернуться к проектированию STACK и изменить интерфейс класса. Это неизбежно. Из следующих двух свойств только одно должно выполняться:

[x]. ограниченный стек является стеком;

[x]. в стек всегда можно добавить еще один элемент.

Если предпочесть первое свойство и допускать порождение BOUNDED_STACK от STACK, мы должны согласиться с тем, что общее понятие стека включает предположение о невозможности в ряде случаев выполнить операцию put, абстрактно выраженное запросом full.

Было бы ошибкой включить в виде постусловия подпрограммы full в классе STACK выражение Result = False или (придерживаясь рекомендуемого стиля, эквивалентный ему) инвариант not full. Это - случай излишней спецификации, ограничивающей свободу реализации компонентов потомками класса.

Правило языка

Правило Утверждений Переобъявления, так как оно сформулировано, является концептуальным руководством. Как преобразовать его в безопасное и проверяемое правило языка?

В принципе, чтобы убедиться в том, что старые предусловия влекут новые, а новые постусловия - старые, следует провести логический анализ тех и других утверждений. К сожалению, это требует наличия сложного механизма доказательства теорем (несмотря на десятилетия исследований в области искусственного интеллекта). Его применение в компиляторе пока не реально.

К счастью, возможно простое техническое решение. Нужное нам правило можно сформулировать через простое лингвистическое соглашение, основанное на том наблюдении, что для любых утверждений a и b:

[x]. влечет независимо от значения γ;

[x]. β and влечет β независимо от значения .

Итак, гарантируется, что новое предусловие слабее исходного либо равно ему, если оно имеет вид . Гарантируется, что новое постусловие сильнее исходного β либо равно ему, если оно имеет вид β and . Отсюда следует искомое языковое правило:

Правило (2) Утверждения Переобъявления

При повторном объявлении подпрограммы нельзя использовать предложения require или ensure. Вместо них следует использовать предложение, начинающееся с:

[x]. require else, объединенное с исходным предусловием логической связкой or

[x]. ensure then, объединенное с исходным постусловием логической связкой and.

При отсутствии таких предложений действуют исходные утверждения.

Заметим, что используются нестрогие булевы операторы and then и or else, а не обычные and и or, хотя чаще всего это различие несущественно.

Иногда получаемые утверждения могут оказаться сложнее, чем необходимо на самом деле. В примере с подпрограммой обращения матриц, где исходным было утверждение

invert (epsilon: REAL) is

-- Обращение текущей матрицы с точностью epsilon

require

epsilon >= 10 ^ (-6)

...

ensure

((Current * inverse) |-| One) <= epsilon

мы не вправе в повторном объявлении использовать require и ensure, поэтому результат

примет вид

...

require else

epsilon >= 10 ^ (-20)

...

ensure then

((Current * inverse) |-| One) <= (epsilon / 2)

а стало быть, предусловие формально станет таким: (epsilon >= 10 ^ (-20)) or else (epsilon >= 10 ^ (-6)).

Ситуация с постусловием аналогична. Такое расширение не имеет особого значения, поскольку преобладает более слабое предусловие или более сильное постусловие. Если γ влечет , то имеет то же значение, что и . Если β влечет , то β and then имеет то же значение, что и β. Поэтому математически предусловие повторного объявления есть: epsilon >= 10 ^ (-20), а его постусловие есть: ((Current * inverse) |-| One) <= (epsilon / 2), хотя запись утверждений в программе (а также, вероятно, их расчет во время выполнения при отсутствии средств символьных преобразований) является более сложной.

Повторное объявление функции как атрибута

Правило Утверждения Переобъявления нуждается в небольшом дополнении ввиду возможности при повторном объявлении задать функцию как атрибут. Что произойдет с предусловием функции и ее постусловием, если таковые имелись?

Атрибут доступен всегда, а потому мы вправе считать, что его предусловие равно True. В итоге можно полагать, что предусловие атрибута, согласно правилу Утверждения Переобъявления, было ослаблено.

Но атрибут не имеет постусловий. Мы же должны гарантировать, что он наделен всеми свойствами, заданными исходной функцией. Поэтому (в дополнение к правилу Утверждения Переобъявления) будем считать, что в этом случае автоматически постусловие добавляется к инварианту класса. Плоская форма класса будет содержать это условие в составе своего инварианта.

Для функции без параметров, формулируя некое свойство ее результата, вы всегда можете выбрать, включать ли его в постусловие или в инвариант. С точки зрения стиля предпочтительно пользоваться инвариантом. Соблюдение этого правила позволит отказаться от внесения изменений в утверждения в будущем, если при повторном объявлении функция становится атрибутом.

Замечание математического характера

Неформально, правило Утверждения Переобъявления гласит: "Повторное объявление утверждений может лишь сужать область допустимого поведения, не нарушая ее". Сейчас, завершая обсуждение этой темы, приведем строгую формулировку данного свойства.

Пусть подпрограмма реализует частичную функцию r, отображающую множество возможных входных состояний I в множество возможных выходных состояний O. Утверждения подпрограммы определяют правила действия r и ее возможных переопределений.

[x]. Предусловие задает область определения DOM функции r (подмножество I, на котором r гарантированно вырабатывает результат).

[x]. Постусловие задает для каждого x из DOM подмножество RESULTS(x) множества O, такое, что r (x) . Так как постусловие не всегда однозначно описывает результат, это подмножество может иметь больше одного элемента.

Правило Утверждения Переобъявления означает, что повторное объявление может расширять область определения и сужать множество результатов. Пометив новые множества знаком ', запишем требования, закрепленные этим правилом:

DOM' DOM

RESULTS' (x) RESULTS (x) для всех x из DOM

Предусловие устанавливает, что подпрограмма и ее повторные объявления, как минимум, должны принимать некоторые входы (DOM), хотя повторные объявления могут это множество и расширить. Постусловие говорит, что результаты, возвращаемые подпрограммой и ее повторными объявлениями, могут, самое большее, содержать значения из RESULTS(x), однако, постусловия при повторных объявлениях могут это множество сузить.

В этом описании состояние системы в период выполнения определяется состоянием (значениями) всех достижимых объектов. Кроме того, входные состояния (элементы I) также включают в себя значения аргументов. Более подробное введение в математическое описание программ и языков программирования см. в [M 1990].

Глобальная структура наследования

Ранее мы уже ссылались на универсальные (universal) классы GENERAL и ANY, а также на безобъектный (objectless) класс NONE. Пришло время пояснить их роль и представить глобальную структуру наследования.

Универсальные классы

Удобно использовать следующее соглашение:

Правило Универсального Класса

Любой класс, не содержащий предложение наследования, неявно содержит предложение вида:

inherit ANY,

ссылающееся на класс ANY из библиотеки Kernel.

Тем самым становится возможным определить по умолчанию целый ряд компонентов, наследуемых всеми классами. Эти компоненты реализуют общие, универсальные операции: копирование, клонирование, сравнение, базовый ввод и вывод.

Для большей гибкости поместим эти компоненты в класс GENERAL, чьим потомком является ANY. Сам класс ANY по умолчанию не имеет никаких компонентов, будучи классом вида: class ANY inherit GENERAL end. При создании нового проекта его менеджер может решить, какие общие для проекта компоненты следует включить в класс ANY, в то время как GENERAL остается всегда неизменным.

Для построения нетривиального ANY можно прибегнуть к наследованию. В самом деле, класс ANY можно породить от некоторого HOUSE_STYLE или нескольких таких классов, не вводя циклы в иерархию наследования и не нарушая правило об универсальном классе: достаточно сделать класс HOUSE_STYLE и другие классы потомками GENERAL. Вынесенный на рис. 16.4 текст "Классы разработчика" означает все классы, написанные разработчиком и не порожденные от GENERAL явным образом.

Рис. 16.4.  Глобальная структура наследования

Нижняя часть иерархии

На рис. 16.4 представлен также класс NONE, антипод класса ANY, потомок всех классов, не имеющих собственных наследников и превращающий глобальную иерархию наследования классов в решетку (математическую структуру). NONE не имеет потомков, его нельзя переопределить - это лишь удобная фикция, однако, теоретическое существование такого класса оправдано и служит двум практическим целям:

[x]. Void - пустая ссылка, используемая наряду с другими ссылками, по соглашению имеет тип NONE. (Фактически, Void -это один из компонентов класса GENERAL.)

[x]. Чтобы скрыть компонент от всех клиентов, достаточно экспортировать его только классу NONE. Предложение feature {NONE}(практически эквивалентное feature {}, но записанное явно) или предложение наследования export {NONE}(на практике дающее тот же результат, что и export {}), делает компонент недоступным для любого класса, написанного разработчиком, ибо NONE не имеет потомков. Обратите внимание на то, что NONE скрывает и все свои компоненты.

Первое свойство объясняет, почему значение Void можно присвоить любому элементу ссылочного типа данных. До сих пор статус Void оставался некой загадкой, теперь, когда Void связано с классом NONE, этот статус становится очевидным, официальным и согласующимся с системой типов: по построению NONE является потомком всех классов, а потому мы можем использовать Void как допустимое значение любой ссылки, не нарушая правил описания типов.

По симметрии ко второму свойству заметим, что объявление, начинающееся с feature и экспортирующее все компоненты во все классы, написанные разработчиком, считается сокращением от feature {ANY}. Для повторного экспорта во все классы компонента родителя, доступ к которому был ограничен, можно использовать предложение export {ANY} или его не столь очевидное сокращение export.

Классы ANY и NONE обеспечивают замкнутость системы типов и полноту структуры наследования: решетка (это строго определенный математический термин) имеет свой верхний и нижний элемент.

Универсальные компоненты

Вот лишь некоторые компоненты, содержащиеся в классе GENERAL, а значит, доступные всем другим классам. Часть из них была введена и использована в предшествующих лекциях курса:

[x]. clone для создания клона (дубля) объекта, а также его "глубинный" вариант deep_clone для рекурсивного дублирования полной структуры объекта;

[x]. copy для копирования содержимого одного объекта в другой;

[x]. equal для сравнения объектов (поле-с-полем), а также его "глубинный" вариант deep_equal;

[x]. print и print_line - печать простого представления по умолчанию любого объекта (default representation);

[x]. tagged_out - строка, содержащая представление по умолчанию любого объекта, в котором каждое поле сопровождается своей меткой (tag) (соответствующим именем атрибута);

[x]. same_type и conforms_to - булевы функции, сопоставляющие тип текущего объекта с типом другого;

[x]. generator - возвращает имя порождающего (generating) класса объекта, то есть класса, экземпляром которого является данный объект.

Замороженные компоненты

При обсуждении идеи наследования неоднократно подчеркивался принцип Открыт-Закрыт - право, взяв компонент класса-родителя, переопределить его, возложив на него иные задачи. Могут ли появиться причины запрета такой возможности?

Запрет повторного объявления

Обсуждение утверждений в начале лекции дало нам теоретическое понимание сути переопределений. Часть "Открыт" принципа Открыт-Закрыт дает возможность изменять компоненты потомков, но под контролем утверждений. Разрешены лишь те повторные объявления, для которых реализация согласуется со спецификацией, заданной предусловием и постусловиям оригинала.

В ряде случаев клиентам класса и клиентам классов потомков нужна гарантия, что компонент не только соблюдает спецификацию, но и пользуется в точности исходной реализацией. Достичь этого можно лишь "заморозив" его реализацию - полностью запретив переопределение компонента. Подобную возможность дает простая языковая конструкция:

frozen feature_name ... is... Остальные объявления - как обычно...

При таком описании ни один из потомков класса не может включать данный компонент в предложения redefine и undefine ни под своим, ни под любым другим именем (смена имен, конечно же, по-прежнему разрешена). Отложенный компонент по своей сути должен быть переопределен и, следовательно, не может быть заморожен.

Фиксированная семантика компонентов copy, clone и equality

Чаще всего замороженные (frozen) компоненты применяются в операциях общего назначения, подобных тем, что входили в состав класса GENERAL. Так, есть две версии базовой процедуры копирования:

copy, frozen standard_copy (other: ...) is

-- скопировать поля other в поля текущего объекта.

require

other_not_void: other /= Void

do

...

ensure

equal (Current, other)

end

Два компонента (copy и standard_copy) описаны как синонимы. Правила разрешают совместно описывать два компонента класса, если они имеют общее определение. Заметьте, в данном случае только один из компонентов допускает повторное объявление, второй - заморожен. В итоге потомки вправе переопределить copy, что необходимо, например классам ARRAY и STRING, которые сравнивают содержимое, а не значение указателей. Однако параллельно удобно иметь и замороженный вариант компонента для вызова при необходимости исходной операции - standard_copy.

Компонент clone, входящий в состав класса GENERAL, тоже имеет "двойника" standard_clone, однако обе версии заморожены. Зачем понадобилось замораживать clone? Причина кроется не в запрете задания иной семантики операции клонирования, а в необходимости сохранения совместимости семантик copy и clone, что, как побочный эффект, облегчает задачу разработчика. Общий вид объявления clone таков:

frozen clone (other:...): ... is

-- Void если other пуст; иначе вернуть новый объект, содержимое которого скопировано

из other.

do

if other /= Void then

Result := "Новый объект того же типа, что other"

Result.copy (other)

end

ensure

equal (Result, other)

end

Фраза "Новый объект того же типа, что other" есть неформальное обозначение вызова функции, которая создает и возвращает объект того же типа, что и other. (Result равен Void, если other - "пустой" указатель.)

Несмотря на замораживание компонента clone, он будет изменяться, соответствуя любому переопределению copy, например в классах ARRAY и STRING. Это удобно (для смены семантики copy-clone достаточно переопределить copy) и безопасно (задать иную семантику clone было бы, скорее всего, ошибкой).

Переопределять clone не нужно (да и нельзя), однако при переопределении copy понадобится переопределить и семантику равенства. Как сказано в постусловиях компонентов copy и clone, результатом копирования должны быть тождественные объекты. Сама функция equal, по сути, зафиксирована, как и clone, но она зависит от компонентов, допускающих переопределение:

frozen equal (some, other: ...): BOOLEAN is

-- Обе сущности some и other пусты или присоединены

-- к объектам, которые можно считать равными?

do

Result := ((some = Void) and (other = Void)) or else some.is_equal (other)

ensure

Result = ((some = Void) and (other = Void)) or else some.is_equal (other)

end

Вызов equal (a, b) не соответствует строгому ОО-варианту a.is_ equal (b), но на практике выгодно отличается от него, будучи применим, даже если a или b пусто. Базовый компонент is_equal не заморожен и требует согласованного переопределения в любом классе, переопределяющем copy. Это делается для того, чтобы семантика равенств оставалась совместимой с семантикой copy-clone, а постусловия copy и clone были по-прежнему верными.

Не злоупотребляйте замораживанием

Приведенные примеры замораживания - это типичные образцы применения механизма, гарантирующего точное соответствие копий и клонов семантике исходного класса.

Замораживание компонентов не следует делать по соображениям эффективности. (Эту ошибку иногда совершают программисты, работающие на C++ или Smalltalk, которым внушили мысль, будто динамическое связывание накладно и его нужно по возможности избегать.) Хотя вызов замороженных компонентов означает отсутствие динамического связывания, это лишь побочный эффект механизма frozen, а не его конечная цель. Выше мы подробно говорили о том, что безопасное статическое связывание - это проблема оптимизации, и решает ее компилятор, а не программист. В грамотно спроектированном языке компилятор обладает всем необходимым для такой и даже более сильной оптимизации, скажем, для подстановки тела функции в точку вызова (routine inlining). Поиск возможностей оптимизации - задача машин, а не человека. Пользуйтесь frozen в редких, но важных для себя случаях, когда это действительно необходимо (для обеспечения точного соответствия семантике исходной реализации), и пусть ваш язык и ваш компилятор делают свою работу.

Ограниченная универсальность

Расширяя базовое понятие класса, мы представляли наследование и универсальность (genericity) как своего рода "партнеров". Объединить их нам позволило знакомство с полиморфными структурами данных: в контейнер - объект, описанный сущностью типа SOME_CONTAINER_TYPE [T] с родовым параметром T - можно помещать объекты не только самого типа T, но и любого потомка T. Однако есть и другая интересная комбинация партнерства, в которой наследование используется для задания ограничения на возможный тип фактического родового параметра класса.

Вектора, допускающие сложение

Приведем простой, но характерный пример, демонстрирующий необходимость введения ограниченной универсальности. Он поможет в обосновании метода решения поставленной задачи и в выборе соответствующей конструкции языка.

Предположим, что мы хотим объявить класс VECTOR, над элементами которого определена операция сложения. Потребность в подобном базовом классе неоспорима. Вот первый вариант:

indexing

description: "Векторы со сложением"

class

VECTOR [G]

feature -- Доступ

count: INTEGER

-- Количество элементов

item, infix "@" (i: INTEGER): G is

-- Элемент вектора с индексом i (нумерация с 1)

require ... do

...

end

feature -- Основные операции

infix "+" (other: VECTOR [G]): VECTOR is

-- Поэлементное сложение текущего вектора с other

require ... do

...

end

... Прочие компоненты ...

invariant

non_negative_count: count >= 0

end

Применение инфиксной записи продиктовано соображениями удобства. Для удобства введены и синонимы в обозначении i-го компонента вектора: v.item (i) или просто v @ i.

Обратимся к функции "+". Сначала сложение двух векторов кажется очевидным и состоящим в суммировании элементов на соответствующих местах. Общая его схема такова:

infix "+" (other: VECTOR [G]): VECTOR is

-- Поэлементное сложение текущего вектора с other

require

count = other.count

local

i: INTEGER

do

"Создать Result как массив из count элементов"

from i := 1 until i > count loop

Result.put(item (i) + other.item (i), i)

i := i + 1

end

end

Выражение в прямоугольнике - результат сложения i-го элемента текущего вектора с i-м элементом other. Процедура put сохраняет это значение в i-м элементе Result, и хотя она не показана в классе VECTOR, данная процедура в нем, безусловно, присутствует.

Рис. 16.5.  Поэлементное сложение векторов

Но подобная схема не работает! Операция +, которую мы определили для сложения векторов (VECTOR), здесь применяется к объектам совсем другого типа (G), являющегося родовым параметром. По определению, родовой параметр представлен неизвестным типом - фактическим параметром, появляющимся только тогда, когда нам понадобится для каких либо целей родовой класс. Процесс порождения класса при задании фактического родового параметра называется родовым порождением (generic derivation). Если фактическим параметром служит INTEGER либо иной тип (класс), содержащий функцию infix "+" правильной сигнатуры, корректная работа обеспечена. Но что если параметром станет ELLIPSE, STACK, EMPLOYEE или другой тип без операции сложения?

С прежними родовыми классами: контейнерами STACK, LIST и ARRAY - этой проблемы не возникало, поскольку их действия над элементами (типа G как формального параметра) были универсальны - операции (присваивание, сравнение) могли выполняться над элементами любого класса. Но для абстракций, подобных векторам, допускающих сложение, нужно ограничить круг допустимых фактических родовых параметров, чтобы быть уверенными в допустимости проектируемых операций.

Этот случай отнюдь не является исключением. Вот еще два примера того же рода.

[x]. Предположим, вы проектируете класс, описывающий структуру данных с операцией sort, упорядочивающей элементы структуры в соответствии с некоторым критерием сортировки. Тогда элементы этой структуры должны принадлежать типу, для которого определена операция сравнения infix "<=", задающая порядок для любой пары соответствующих объектов.

[x]. При разработке таких базисных структур данных как словари зачастую используется для хранения данных хеш-таблица, в которой место элемента определяется ключом, вычисляемым по значению элемента. Элементы, размещаемые в словаре должны принадлежать классу, допускающему применение хеш-функции, вычисляющей ключ каждого элемента.

Не ОО-подход

Переходя к решению этой проблемы, посмотрим, как с такой задачей справлялись другие, не ОО-языки.

В языке Ada нет классов, но зато есть пакеты для группировки взаимосвязанных типов и операций. Пакет может быть родовым, с родовыми параметрами, представляющими типы. При этом возникает та же проблема: пакет VECTOR_PROCESSING может включать объявление типа VECTOR и эквивалент нашей функции infix "+".

Решение в языке Ada рассматривает необходимые операции, например инфиксное сложение, как родовые параметры. Параметрами пакета могут быть не только типы, как при объектном подходе, но и подпрограммы. Например:

generic

type G is private;

with function "+" (a, b: G) return G is <>;

with function "*" (a, b: G) return G is <>;

zero: G; unity: G;

package VECTOR_HANDLING is

... Интерфейс пакета ...

end VECTOR_HANDLING

Заметим, что наряду с типом G и подпрограммами родовым параметром служит значение zero - нулевой элемент сложения. Типичное использования пакета:

package BOOLEAN_VECTOR_HANDLING is

new VECTOR_HANDLING (BOOLEAN, "or", "and", false, true);

В этом примере логическая операция or используется как сложение, and - умножение, а также задаются соответствующие значения для zero и unity. Подробнее мы обсудим этот пример в одной из следующих лекций курса.

Являясь решением для Ada, данный прием не применим в объектной среде. Основа ОО-подхода - приоритет типов данных над операциями при декомпозиции ПО, чьим следствием является отсутствие независимых операций. Всякая операция принадлежит некоторому типу данных, основанному на классе. Следовательно, возникшая "на пустом месте" функция, скажем, infix "+", не может быть фактическим родовым параметром, стоящим в одном ряду с типами INTEGER и BOOLEAN. То же касается и значений, таких как zero и unity, обязанных знать свое место - быть компонентами класса - вполне респектабельными членами ОО-сообщества.

Ограничение родового параметра

Эти наблюдения дают решение. Мы должны оперировать исключительно терминами классов и типов.

Потребуем, чтобы любой фактический параметр, используемый классом VECTOR (в других примерах по аналогии), был типом, поставляемым с множеством операций: infix "+", zero для инициализации суммы и т.д. Владея наследованием, мы знаем, как снабдить тип нужными операциями, - нужно просто сделать его потомком класса, отложенного или эффективного, обладающего этими операциями.

Синтаксически это выглядит так:

class C [G -> CONSTRAINING_TYPE] ... Все остальное как обычно ...

где CONSTRAINING_TYPE - произвольный тип, именуемый родовым ограничением (generic constraint). Символ -> обозначает стрелку на диаграммах наследования. Результат этого объявления в том, что:

[x]. в роли фактических родовых параметров могут выступать лишь типы, совместимые с CONSTRAINING_TYPE;

[x]. в классе C над сущностью типа G допускаются только те операции, которые допускаются над сущностью CONSTRAINING_TYPE, другими словами, представляющими собой компоненты базового класса этого типа.

Какое родовое ограничение использовать для класса VECTOR? Обсуждая множественное наследование, мы ввели в рассмотрение NUMERIC - класс объектов, допускающих базисные арифметические операции: сложение и умножение с нулем и единицей (лежащая в его основе математическая структура называется кольцом). Эта модель кажется вполне уместной, хотя нам необходимо пока только сложение. Соответственно, класс будет описан так:

indexing

description: "Векторы, допускающие сложение"

class

VECTOR [G -> NUMERIC]

... Остальное - как и раньше (но теперь правильно!) ...

После чего ранее некорректная конструкция в теле цикла

Result.put(item (i) + other.item (i), i)

становится допустимой, поскольку item (i) и other.item (i) имеют тип G, а значит, к ним применимы все операции NUMERIC, включая, инфиксный "+".

Следующие родовые порождения корректны, если полагать, что все классы, представленные как фактические родовые параметры, являются потомками NUMERIC:

VECTOR [NUMERIC]

VECTOR [REAL]

VECTOR [COMPLEX]

Класс EMPLOYEE не порожден от NUMERIC, так что попытка использовать VECTOR [EMPLOYEE] приведет к ошибке времени компиляции.

Абстрактный характер NUMERIC не вызывает никаких проблем. Фактический параметр при порождении может быть как эффективным (примеры выше), так и отложенным (VECTOR [NUMERIC_COMPARABLE]), если он порожден от NUMERIC.

Аналогично описываются класс словаря и класс, поддерживающий сортировку:

class DICTIONARY [G, H -> HASHABLE] ...

class SORTABLE [G -> COMPARABLE] ...

Игра в рекурсию

Вот некий трюк с нашим примером: спросим себя, возможен ли вектор векторов? Допустим ли тип VECTOR [VECTOR [INTEGER]]?

Ответ следует из предыдущих правил: только если фактический родовой параметр совместим с NUMERIC. Сделать это просто - породить класс VECTOR от класса NUMERIC (см. упражнение 16.2):

indexing

description: "Векторы, допускающие сложение"

class

VECTOR [G -> NUMERIC]

inherit

NUMERIC

... Остальное - как и раньше...

Векторы, подобные этому, можно и впрямь считать "числовыми". Операции сложение и умножение дают структуру кольца, в котором роль нуля (zero) играет вектор из G-нулей, и роль единицы (unity) - вектор из G-единиц. Операция сложения в этом кольце - это, строго говоря, векторный вариант infix "+", речь о котором шла выше.

Можно пойти дальше и использовать VECTOR [VECTOR [VECTOR [INTEGER]]] и так далее - приятное рекурсивное приложение ограниченной универсальности.

И снова неограниченная универсальность

Конечно же, не все случаи универсальности ограничены. Форма - STACK [G] или ARRAY [G] - по-прежнему существует и называется неограниченной универсальностью. Пример DICTIONARY [G, H -> HASHABLE] показывает, что класс одновременно может иметь как ограниченные, так и неограниченные родовые параметры.

Изучение ограниченной универсальности дает шанс лучше понять неограниченный случай. Вы, конечно же, вывели правило, по которому class C [G] следует понимать как class C [G -> ANY]. Поэтому если G - неограниченный типовой параметр (например, класса STACK), а x - сущность, имеющая тип G, то мы точно знаем, что можем делать с сущностью x: читать и присваивать значения, сравнивать (=, /=), передавать как параметр и применять в универсальных операциях clone, equal и прочее.

Попытка присваивания

Наша следующая техника адресуется к тем областям Объектной страны, в которых из страха тиранического поведения мы не можем позволить править простым правилам типизации, не встречая никакого сопротивления.

Когда правила типов становятся несносными

Цель правил типов, введенных вместе с наследованием, в достижении статически проверяемого динамического поведения, так чтобы система, прошедшая проверку при компиляции, не выполняла неадекватных операций над объектами во время выполнения.

Вот два основных правила, представленных в первой лекции о наследовании (лекция 14).

[x]. Правило Вызова Компонентов: запись x.f осмысленна лишь тогда, когда базовый класс x содержит и экспортирует компонент f.

[x]. Правило Совместимости Типов: при передаче a как аргумента или при присваивании его некой сущности необходимо, чтобы тип a был совместим с ожидаемым, то есть основан на классе, порожденным от класса сущности.

Правило Вызова Компонентов не является причиной каких-либо проблем - это фундаментальное условие всякой работы с объектами. Естественно, что обращаясь к компоненту объекта, нужно проверить, действительно ли данный класс предлагает и экспортирует данный компонент.

Правило Совместимости Типов требует больше внимания. Оно предполагает наличие у нас всей информации о типах объектов, с которыми мы работаем. Как правило, это так, - создав объекты, мы знаем, чем они являются, но иногда информация может частично отсутствовать. Вот два таких случая.

[x]. В полиморфной структуре данных мы располагаем лишь информацией, общей для всех объектов структуры; однако нам может понадобиться и специфическая информация, применимая только к отдельному объекту.

[x]. Если объект приходит из внешнего мира - файл или по сети - мы обычно не можем доверять тому, что он принадлежит определенному типу.

Давайте займемся исследованием примеров этих двух случаев. Рассмотрим для начала полиморфную структуру данных, такую как список геометрических фигур:

figlist: LIST [FIGURE]

В предыдущих лекциях рассматривалась иерархия наследования фигур. Пусть нам необходимо найти самую длинную диагональ среди всех прямоугольников списка (и вернуть -1, если прямоугольников нет). Сделать это непросто. Выражение item (i).diagonal, где item (i) - i-й элемент списка, идет вразрез с правилом вызова компонентов: item (i) имеет тип FIGURE, а этот класс, в отличие от его потомка RECTANGLE, не содержит в своем составе компонента diagonal. Решение, используемое до сих пор, изменяло определение класса, - в нем появлялся атрибут, задающий тип фигуры. Однако это решение не столь элегантно, как нам хотелось бы.

Теперь пример второго рассматриваемого случая. Пусть имеется механизм хранения объектов в файле или передачи их по сети, аналогичный универсальному классу STORABLE, описанному нами ранее. Для получения объекта используем:

my_last_book: BOOK

...

my_last_book := retrieved (my_book_file)

Значение, возвращаемое retrieved, имеет тип STORABLE библиотеки Kernel, хотя с тем же успехом оно может иметь тип ANY. Но мы не ожидали STORABLE или ANY, - мы надеялись получить именно BOOK. Присваивание my_last_book нарушает правило Совместимости Типов.

Даже если написать собственную функцию retrieved, учитывающую специфику приложения и объявленную с подходящим типом, вам не удастся полностью на нее положиться. В отличие от объектов вашего ПО, в котором согласованность типов гарантируется действующими правилами, данный объект к вам поступает со стороны. При его получении вы могли ошибиться в выборе имени файла и прочитать объект EMPLOYEE вместо объекта BOOK, файл мог быть подделан, а при сетевом доступе данные могли быть искажены при передаче.

Проблема

Из этих примеров ясно: нам может понадобиться механизм удостоверения типа объекта.

Решение этой проблемы, возникающей в специфических, но критически важных случаях, должно быть найдено без потери преимуществ ОО-стиля разработки. В частности, мы не хотим возвращаться к той схеме, которую сами и осудили:

if "f типа RECTANGLE" then

...

elseif "f типа CIRCLE" then

...

и т.д.

Это решение идет вразрез с принципами Единственного Выбора и Открыт-Закрыт. Избежать риска потерь нам помогут два обстоятельства.

[x]. Нет смысла создавать универсальный механизм выяснения типа объектов. В том и другом случае тип объекта предположительно известен. Все, что нам нужно, - это способ проверки гипотезы. Определение принадлежности объекта данному типу носит более частный характер, чем запрос на определение типа. Кроме того, нам не требуется вводить в наш язык никаких операций над типами, к примеру, их сравнение - ужасающая мысль.

[x]. Как уже говорилось, мы не должны влиять на правило Вызова Компонентов. Ни при каких обстоятельствах мы не должны проверять применимость вызова компонента, если класс прошел статистическую проверку. Все, что нам нужно, - это более свободная версия другого правила - правила совместимости типов, позволяющая "испытать тип" и проверить результат.

Механизм решения

И снова запись механизма решения напрямую вытекает из анализа поставленной проблемы. Введем новую форму присваивания, назвав ее попыткой присваивания (assignment attempt):

target ?= source

Знак вопроса указывает на предварительный характер операции. Пусть сущность target имеет тип T, тогда попытка присваивания дает следующий результат:

[x]. если source ссылается на объект совместимого с T типа, присоединить target к объекту так, как это делает обычное присваивание;

[x]. иначе (если source равно void или ссылается на объект несовместимого типа) приписать target значение void.

На эту инструкцию не действуют никакие ограничения типов, кроме одного: тип target (T) должен быть ссылочным.

Новое средство быстро и элегантно решает поставленные проблемы и, прежде всего, дает возможность обращаться к объектам полиморфной структуры с учетом их типа:

maxdiag (figlist: LIST [FIGURE]): REAL is

-- Максимальная длина диагонали прямоугольника в списке;

-- если прямоугольников нет, то -1.

require

list_exists: figlist /= Void

local

r: RECTANGLE

do

from

figlist.start; Result := -1.0

until

figlist.after

loop

r ?= figlist.item

if r /= Void then

Result := Result.max (r.diagonal)

end

figlist.forth

end

end

Здесь применяются обычные итерационные механизмы работы с последовательными структурами данных (лекция 5 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования"). Компонент start служит для перехода к первому элементу (если он есть), after - для выяснения того, имеются ли еще не пройденные элементы, forth - для перехода на одну позицию, item (определенный, если not after) - для выборки текущего элемента.

В попытке присваивания используется локальная сущность r типа RECTANGLE. Успех присваивания проверяется сравнением значения r с Void. Если r не Void, то r прямоугольник и можно обратиться к r.diagonal. Эта схема проверки вполне типична.

Заметим, что мы никогда не нарушаем правило Вызова Компонентов: обращения к r.diagonal защищены дважды: статически - компилятором, проверяющим, является ли diagonal компонентом класса RECTANGLE, и динамически - нашей гарантией того, что r не Void, а имеет присоединенный объект.

Обращение к элементу списка - потомку класса RECTANGLE, например SQUARE (квадрат), связывает r с объектом, и его диагональ будет участвовать в вычислениях.

Пример с универсальной функцией чтения объектов retrieval выглядит так:

my_last_book: BOOK

... Сравните с := в первой попытке

my_last_book ?= retrieved (my_book_file)

if my_last_book /= Void then

... "Обычные операции над my_last_book" ...

else

... "Полученное не соответствует ожиданию" ...

end

Правильное использование попытки присваивания

Необходимость попытки присваивания обусловлена, как правило, тем, что на статически объявленный тип сущности положиться нельзя, а опознать тип фактически адресуемого объекта необходимо "на лету". Например, при работе с полиморфными структурами данных и получении объектов из третьих рук.

Заметьте, как тщательно был спроектирован механизм, дающий разработчикам шанс забыть об устаревшем стиле разбора вариантов (case-by-case). Если вы действительно хотите перехитрить динамическое связывание и отдельно проверять каждый вариант типа, вы можете это сделать, хотя вам и придется немало потрудиться. Так, вместо обычного f.display, использующего ОО-механизмы полиморфизма и динамического связывания, можно, - но не рекомендуется, - писать:

display (f: FIGURE) is

-- Отобразить f, используя алгоритм,

-- адаптируемый к истинной природе объекта.

local

r: RECTANGLE; t: TRIANGLE; p: POLYGON; s: SQUARE

sg: SEGMENT; e: ELLIPSE; c: CIRCLE;?

do

r ?= f; if r /= Void then "Использовать алгоритм вывода прямоугольника" end

t ?= f; if t /= Void then "Использовать алгоритм вывода треугольника" end

c ?= f; if c /= Void then "Использовать алгоритм вывода окружности" end

... и т.д. ...

end

На практике такая схема даже хуже, чем кажется, так как структура наследования имеет несколько уровней, а значит, усложнения управляющих конструкций не избежать.

Из-за трудностей написания таких закрученных конструкций попытки присваивания новичкам вряд ли придет в голову использовать их вместо привычной ОО-схемы. Однако и опытные специалисты должны помнить о возможности неправильного использования конструкции.

Немного похожий на попытку присваивания механизм "сужения" (narrowing) есть в языке Java. В случае несоответствия типов он выдает исключение. Это похоже на самоубийство, неуспех присваивания вовсе не является чем-то ненормальным, это ожидаемый результат. Оператор instanceof в языке Java выполняет проверку типов на совместимость. Из-за отсутствия в языке универсальности Java активно использует оба механизма. Отчасти это связано с тем, что в отсутствие множественного наследования Java не содержит класса NONE, а потому не может выделить эквиваленту Void надежное место в собственной системе типов.

Типизация и повторное объявление

Повторное объявление компонентов не требует сохранения сигнатуры. Пока оно виделось нам как замена одного алгоритма другим или - для отложенного компонента - запись алгоритма, соответствующего ранее заданной спецификации.

Но, воплощая идею о том, что класс способен предложить более специализированную версию элемента, описанного его предком, мы вынуждены иногда изменять типы данных. Приведем два характерных примера.

Устройства и принтеры

Вот простой пример переопределения типа. Рассмотрим понятие устройства, включив предположение о том, что для любого устройства есть альтернатива, так что устройство можно заменить, если оно по каким-либо причинам недоступно:

class DEVICE feature

alternate: DEVICE

set_alternate (a: DEVICE) is

-- Пусть a - альтернативное устройство.

do

alternate := a

end

... Прочие компоненты ...

end

Принтер является устройством, так что использование наследования оправдано. Но альтернативой принтера может быть только принтер, но не дисковод для компакт-дисков или сетевая карта, - поэтому мы должны переопределить тип:

Рис. 16.6.  Устройства и принтеры

class PRINTER inherit

DEVICE

redefine alternate, set_alternate

feature

alternate: PRINTER

set_alternate (a: PRINTER) is

-- Пусть a - альтернативное устройство.

... Тело как у класса DEVICE ...

... Прочие компоненты ...

end

В этом и проявляется специализирующая природа наследования.

Одно- и двусвязные элементы

В следующем примере мы обратимся к базовым структурам данных. Рассмотрим библиотечный класс LINKABLE, описывающий односвязные элементы, используемые в LINKED_LIST - одной из реализаций списков. Вот частичное описание класса:

indexing

description: "Односвязные элементы списка"

class LINKABLE [G] feature

item: G

right: LINKABLE [G]

put_right (other: LINKABLE [G]) is

-- Поместить other справа от текущего элемента.

do right := other end

... Прочие компоненты ...

end

Рис. 16.7.  Односвязный элемент списка

Ряд приложений требуют двунаправленных списков. Класс TWO_WAY_LIST - наследник LINKED_LIST должен быть также наследником класса BI_LINKABLE, являющегося наследником класса LINKABLE.

Рис. 16.8.  Параллельные иерархии

Двусвязный элемент списка имеет еще одно поле:

Рис. 16.9.  Двусвязный элемент списка

В состав двунаправленных списков должны входить лишь двусвязные элементы (хотя последние, в силу полиморфизма, вполне можно внедрять и в однонаправленные структуры). Переопределив right и put_right, мы гарантируем однородность двусвязных списков.

indexing

description: "Элементы двусвязного списка"

class BI_LINKABLE [G] inherit

LINKABLE [G]

redefine right, put_right end

feature

left, right: BI_LINKABLE [G]

put_right (other: BI_LINKABLE [G]) is

-- Поместить other справа от текущего элемента.

do

right := other

if other /= Void then other.put_left (Current) end

end

put_left (other: BI_LINKABLE [G]) is

-- Поместить other слева от текущего элемента.

... Упражнение для читателя ...

... Прочие компоненты ...

invariant

right = Void or else right.left = Current

left = Void or else left.right = Current

end

(Попробуйте написать put_left. Здесь скрыта ловушка! См. приложение A.)

Правило повторного объявления типов

Примеры, рассмотренные выше, несмотря на все их различия, объединяет необходимость повторного объявления типов. Спуск по иерархии наследования означает специализацию классов, и в соответствии со специализацией изменяются типы функций и типы аргументов подпрограмм, как, например, a в set_alternate и other в put_right; изменяются типы запросов - alternate и right.

Этот аспект повторного объявления выражает следующее правило:

Правило повторного объявления типов

При повторном объявлении компонента можно заменить тип компонента (для атрибутов и функций) или тип формального параметра (для подпрограмм) любым совместимым типом.

Правило использует понятие совместимости типов. Связка "или", стоящая в тексте правила, не исключает того, что при повторном объявлении функции мы можем одновременно изменить как тип результата функции, так и тип одного или нескольких ее аргументов.

Любое повторное объявление ведет к специализации, а, следовательно, к изменению типов. Так, с переходом к двунаправленным спискам параметры и результаты функций сменили свой тип на BI_LINKABLE. Отсюда становится понятен тот термин, которым часто описывают политику редекларации типов, - ковариантная типизация (covariant typing), где приставка "ко" указывает на параллельное изменение типов при спуске по диаграмме наследования.

Ковариантная типизация таит в себе немало проблем, которые возникают у создателей компиляторов, нередко перекладывающих их решение на плечи разработчиков приложений.

Закрепленные объявления

Правило повторного объявления типов способно свести на нет целый ряд преимуществ наследования. Почему это происходит и каково решение данной проблемы?

Несогласованность типов

Рассмотрим пример с участием класса LINKED_LIST. Пусть мы имеем процедуру добавления в список нового элемента с заданным значением, который вставляется справа от текущего элемента. В деталях процедуры нет ничего необычного, но все же обратим внимание на потребность создания локальной сущности new типа LINKABLE, представляющей элемент списка, который будет создан и включен в список.

Рис. 16.10.  Добавление элемента

put_right (v: G) is

-- Вставить элемент v справа от курсора.

-- Не передвигать курсор.

require

not after

local

new: LINKABLE [T]

do

create new.make (v)

put_linkable_right (new)

...

ensure

... См. приложение A ...

end

Для вставки нового элемента, имеющего значение v, необходимо предварительно создать элемент типа LINKABLE [G]. Вставка производится закрытой процедурой put_linkable_right, принимающей LINKABLE как параметр (и связывающей его с текущим элементом, используя процедуру put_right класса LINKABLE). Эта процедура осуществляет все нужные манипуляции со ссылками.

У потомков LINKED_LIST, таких как TWO_WAY_LIST или LINKED_TREE, процедура put_right тоже должна быть применимой. Но у них она работать не будет! Хотя алгоритм ее остается корректным, сущность new для них должна иметь другой тип - BI_LINKABLE или LINKED_TREE. Поэтому в каждом потомке нужно переопределять и переписывать целую процедуру, и это притом, что ее тело будет идентично оригиналу, за исключением переопределения new! Для подхода, претендующего на решение проблемы повторного использования, это серьезный порок.

Примеры из практики

Было бы ошибочно полагать, что проблема неоправданного переопределения возникает лишь там, где структура ориентирована на реализацию, как в LINKED_LIST. В любой схеме вида

some_attribute: SOME_TYPE

set_attribute (a: SOME_TYPE) is do ... end

переопределение some_attribute подразумевает соответствующее переопределение set_attribute. В случае с put_right из BI_LINKABLE (не путайте с подпрограммой из LINKED_LIST) повторное определение необходимо, поскольку фактически меняется алгоритм. Но во многих широко распространенных случаях (к примеру, в set_alternate) новый алгоритм идентичен исходному.

Вот еще один пример, показывающий глубину проблемы (не ограниченной лишь процедурами set_xxx, которые сами появились в силу принципа Скрытия информации). Добавим в класс POINT функцию, которая возвращает точку, сопряженную с данной, - ее зеркальное отражение относительно горизонтальной оси:

Рис. 16.11.  Исходная и сопряженная точка

conjugate: POINT is

-- Точка, сопряженная с текущей

do

Result := clone (Current) -- Получить копию текущей точки

Result.move (0, -2*y) -- Перенести результат по вертикали

end

Рассмотрим теперь некий класс, порожденный от POINT, например PARTICLE. К атрибутам частиц, помимо координат, относятся, вероятно, масса и скорость. По идее, функция conjugate применима и к PARTICLE и выдает в результате ту же частицу с противоположным значением координаты y. Но если оставить все как есть, функция работать не будет из-за несоблюдения правила совместимости типов:

p1, p2: PARTICLE; create p1.make (...); ...

p2 := p1.conjugate

Правая часть подчеркнутого оператора имеет тип POINT, левая часть - тип PARTICLE. Правило совместимости типов этого не допускает. Поэтому мы должны переписать conjugate для PARTICLE с единственной целью - обеспечить соблюдение правила.

Предприняв попытку присваивания, мы не решим проблему, а лишь запишем в p2 пустой указатель.

Серьезное затруднение

Изучив класс LINKED_LIST в тексте приложения A, вы поймете, что проблема еще масштабнее. В теле класса содержится множество объявлений со ссылкой на тип LINKABLE [G], а с переходом к двунаправленным спискам почти все они потребуют повторного определения. Так, вариант представления списка включает четыре ссылки на отдельные элементы:

first_element, previous, active, next: LINKABLE [G]

В классе TWO_WAY_LIST каждая из этих сущностей должна быть объявлена заново. Аналогичная процедура ждет и другие порожденные классы. Многие функции, такие как put_right, имеют "односвязные" аргументы и нуждаются в повторном определении. В итоге реализация TWO_WAY_LIST будет во многом дублировать оригинал.

Понятие опорного элемента

В отличие от других проблем, решение которых предложено в этой лекции, такое тиражирование кода не связано с тем, что система типов препятствует нам в выполнении задуманного. Повторное объявление ковариантных типов разрешает их переопределение, но заставляет нас заниматься утомительным копированием текста.

Заметим: наши примеры действительно требуют переопределения типа, но ничего более. Все сводится только к этому. Из этого следует решение проблемы - необходимо создать механизм не абсолютного, а относительного объявления типа сущности.

Назовем такое объявление закрепленным (anchored). Пусть закрепленное объявление типа имеет вид

like anchor

где anchor, именуемый опорным (anchor) элементом объявления, - это либо запрос (атрибут или функция) текущего класса, либо предопределенное выражение Current. Описание my_entity: like anchor в классе A, где anchor - запрос, означает выбор для сущности типа, аналогичного anchor, с оговоркой, что любое переопределение anchor вызовет неявное переопределение my_entity.

Если anchor имеет тип T, то в силу закрепленного объявления my_entity в классе A будет трактоваться так, будто тоже имеет тип T. Рассматривая лишь класс A, вы не найдете различий между объявлениями:

my_entity: like anchor

my_entity: T

Различия проявятся только в потомках A. Будучи описана подобной (like) anchor, сущность my_entity автоматически будет следовать всем переопределениям типа anchor, освобождая от них автора класса.

Обнаружив, что класс содержит ряд сущностей, чьи потомки должны переопределяться одинаково, вы можете избавить себя от всех переопределений, кроме одного, объявив все элементы "подобными" (like) первому и определяя заново лишь его. Остальное будет сделано автоматически.

Вернемся к LINKED_LIST. Выберем first_element в качестве опорного для других сущностей типа LINKABLE [G]:

first_element: LINKABLE [G]

previous, active, next: like first_element

Локальная сущность new процедуры put_right класса LINKED_LIST тоже должна иметь тип like first_element, и это - единственное изменение в процедуре. Теперь достаточно переопределить first_element как BI_LINKABLE в классе TWO_WAY_LIST, как LINKED_TREE в LINKED_TREE и т.д. Сущности, описанные как like, не нужно указывать в предложении redefine. Не требуется и повторное определение put_right.

Итак, закрепленные определения есть весьма важное средство сохранения возможности повторного использования при статической типизации.

Опорный элемент Current

В качестве опорного элемента можно использовать Current, обозначающий текущий экземпляр класса (о текущем экземпляре см. лекцию 7). Сущность, описанная в классе A как like Current, будет считаться в нем имеющей тип A, а в любом B, порожденном от A, - имеющей тип B.

Эта форма закрепленного объявления помогает решить оставшиеся проблемы. Исправим объявление conjugate, получив правильный тип результата функции класса POINT:

conjugate: like Current is

... Все остальное - в точности, как раньше ...

Теперь в каждом порожденном классе тип результата conjugate автоматически определяется заново. Так, в классе PARTICLE он меняется на класс PARTICLE.

В классе LINKABLE, найдя объявления

right: LINKABLE [G]

put_right (other: LINKABLE [G]) is...

замените LINKABLE [G] на like Current. Компонент left класса BI_LINKABLE объявите аналогично.

Эта схема применима ко многим процедурам set_attribute. В классе DEVICE имеем:

class DEVICE feature

alternate: like Current

set_alternate (a: like Current) is

-- Пусть a - альтернативное устройство.

do

alternate := a

end

... Прочие компоненты ...

end

Еще раз о базовых классах

С введением закрепленных типов нуждается в расширении понятие базового класса типа.

Сначала классы и типы были для нас едины, и это их свойство - отправной пункт ОО-метода, - по существу, сохраняется, хотя нам пришлось немного расширить систему типов, добавляя в классы родовые параметры. Каждый тип основан на классе и для типа определено понятие базового класса. Для типов, порожденных универсальным классом с заданными фактическими родовыми параметрами, базовым классом является универсальный класс, в котором удалены фактические параметры. Так, например, для LIST [INTEGER] базовым классом является LIST. На классах основаны и развернутые типы; и для них аналогично: для expanded SOME_CLASS [...] базовый класс - SOME_CLASS.

Закрепление типов - это еще одно расширение системы типов, которое, подобно двум предыдущим, сохраняет свойство выводимости каждого типа непосредственно из класса. Базовым для like anchor является базовый класс типа сущности anchor в текущем классе. Если anchor есть Current, базовым будет класс, в котором это объявление содержится.

Правила о закрепленных типах

Теоретически ничто не мешает нам записать like anchor для самого элемента anchor как сущности закрепленного типа. Достаточно ввести правило, которое запрещало бы циклы в декларативных цепочках.

Вначале закрепленные опорные элементы (anchored anchor) были запрещены, но это новое, более либеральное правило придает системе типов большую гибкость.

Пусть T - тип anchor (текущий класс, если anchor есть Current). Тогда тип like anchor совместим как с самим собой, так и с T.

Обратное определение не симметрично: единственный тип, совместимый с like anchor, - это он сам. В частности, с ним не совместим тип T. Если бы следующий код был верен:

anchor, other: T; x: like anchor

...

create other

x := other -- предупреждение: ошибочное присваивание

то в порожденном классе, где anchor меняет свой тип на U, совместимый с T, но основанный на его потомке, сущности x был бы присвоен объект типа T, а не объект типа U или U-совместимого типа, что некорректно.

Будем говорить, что x опорно-эквивалентен y, если x есть y или имеет тип like z, где z по рекурсии опорно-эквивалентен y. Присваивания: x := anchor, anchor := x, как и присваивания опорно-эквивалентных (anchor-equivalent) элементов, конечно же, допустимы.

При закреплении формального параметра или результата, как в случае

r (other: like Current)

фактический параметр вызова, например, b в a.r(b), должен быть опорно-эквивалентен a.

Когда не используются закрепленные объявления

Не всякое объявление вида x: A в классе A следует менять на x: like Current и не в каждой паре компонентов одного типа следует один из них делать опорным, а другой - закрепленным.

Закрепленное объявление - это своего рода обязательство изменения типа закрепленной сущности при смене типа опорного элемента. Как мы видели, оно не имеет обратной силы: объявив тип сущности как like anchor, вы теряете право на переопределение его в будущем (коль скоро новый тип должен быть совместим с исходным, а с закрепленным типом совместим только он сам). Пока не введено закрепление, остается свобода: если x типа T, то потомок может переопределить тип, введя более походящий тип U.

Достоинства и недостатки закрепления сущностей очевидны. Закрепление гарантирует, что вам не придется выполнять повторные объявления вслед за изменением типа опорного элемента, но оно раз и навсегда привязывает вас к типу опорного элемента. Это типичный случай "свободы выбора". (В каком-то смысле Фауст объявил себя like Мефистофель.)

Как пример нежелательного закрепления рассмотрим компонент first_child для деревьев, описывающий первого сына данного узла дерева. (При построении дерева он аналогичен компоненту first_element для списков, типом которого изначально является CELL [G] или LINKABLE [G].) Для деревьев требуется повторное объявление. Может показаться, что уместным использовать закрепленное объявление:

first_child: like Current

Но на практике это накладывает слишком много ограничений. Класс дерева может иметь потомков, представляющих разные виды деревьев (их узлов): UNARY_TREE (узлы с одним сыном), BINARY_TREE (узлы с двумя сыновьями) и BOUNDED_ARITY_TREE (узлы с ограниченным числом сыновей). При закреплении first_child все сыновья каждого узла должны иметь один и тот же отцовский тип.

Это может быть нежелательным при построении более гибких структур, например бинарного узла с унарным потомком. Для этого компонент нужно описать без закрепления:

first_child: TREE [G]

Это решение не связано с какими-то ограничениями, и для создания деревьев с узлами одного типа вы, оставив класс TREE без изменений, можете породить от него HOMOGENEOUS_TREE, где переопределить first_child как

first_child: like Current

что гарантирует неизменность типов всех узлов дерева.

Статический механизм

Устранить последнее неясности в понимании закрепленного объявления поможет следующее замечание: это чисто статический механизм, не предполагающий никаких изменений объектов в период выполнения. Все ограничения могут быть проверены в период компиляции.

Закрепленное объявление можно считать синтаксическим приемом, позволяющим переложить переопределения на компилятор. Кроме того, оно является важнейшим инструментом достижения компромисса между повторным использованием и контролем типов.

Наследование и скрытие информации

Последний вопрос, оставшийся пока без ответа, как наследование взаимодействует с принципом Скрытия информации.

В отношениях между классом и его клиентами скрытие информации определяет разработчик класса. Именно он определяет политику в отношении каждого компонента класса: экспортируя его всем клиентам, разрешая выборочный экспорт, или делая компонент закрытым.

Кое-что о политике

Что происходит со статусом экспорта при передаче компонента потомку? Наследование и скрытие информации - ортогональные механизмы. Наследование определяет отношение между классом и его потомками, экспорт - между классом и его клиентами. Класс B может свободно экспортировать или скрывать любой из компонентов f, унаследованных им от класса A. При этом доступны все возможные комбинации:

[x]. f экспортируется в классе A и в классе B (хотя и не обязательно одним и тем же клиентам);

[x]. f скрыто в A и B;

[x]. f скрыто в A, но полностью или частично экспортируется в B;

[x]. f экспортируется в A, но скрыто в B.

Правило гласит: по умолчанию f сохраняет тот статус экспорта, которым компонент был наделен в A. Однако его можно изменить, добавив предложение export в предложение наследования класса. Например:

class B inherit

A

export {NONE} f end

-- Скрыть f (возможно, экспортируемый в классе A)

...

или

class B inherit

A

export {ANY} f end

-- Экспортировать f (возможно, скрытый в классе A)

...

или

class B inherit

A

export {X, Y, Z} f end

-- Сделать f доступным определенным классам

...

Применение

Характерным примером является создание нескольких вариантов одной абстракции.

Представим себе GENERAL_ACCOUNT - класс, содержащий все необходимые операции для работы с банковскими счетами: процедуры open, withdraw, deposit, code (для снятия денег через банкомат), change_code и т.д.,- но не предназначенный для использования клиентами напрямую, а потому не экспортирующий никаких подпрограмм. Его потомки выступают как разные облики родителя: они не содержат новых компонентов и отличаются лишь предложениями экспорта. Один экспортирует open и deposit, второй, наряду с ними, - withdraw и code, и т. д.

Рис. 16.12.  Разные облики одной абстракции

Эта схема в обсуждении методологии наследования (см. лекцию 6 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования") носит название наследования функциональных возможностей (facility inheritance).

Понятие облика (view) является классическим в области баз данных, где необходимо дифференцировать пользователей, работающих с данными, предоставляя им разные права.

Другой пример касается классов, введенных, когда речь шла о множественном наследовании. Компонент right класса CELL скрыт в нем или, точнее говоря, экспортируется лишь классу LIST. Фактически так обстоят дела со всеми компонентами CELL, поскольку этот класс был изначально нацелен на работу со списками. Однако в дереве (классе TREE), потомке как CELL, так и LIST, right теперь означает доступ к правому брату и является респектабельным членом общества экспортируемых компонентов.

Зачем нужна такая гибкость?

Стратегия экспорта, согласно которой каждый потомок класса имеет свою политику, хотя и усложняет проверку типов, но придает необходимую гибкость действиям разработчика.

Предпринимались и иные попытки. Так, отдельные объектные языки определяют не только то, будет ли компонент экспортирован клиентам класса, но и то, будет ли он доступен его потомкам. Преимущества этого подхода неочевидны. В частности:

[x]. мне не известно о публикации рекомендаций по применению этой возможности, неясно, когда компонент должен передаваться потомкам, а когда быть скрытым. Конструкции языка, за которыми нет ни малейшей теории, имеют весьма сомнительную ценность. (Для сравнения: правило, посвященное методологии скрытия информации, совершенно прозрачно: то, что принадлежит АТД, и надлежит экспортировать; прочее следует скрыть.)

[x]. механизмы ограничения порожденных классов, введенные в языке Simula и др., редко используются разработчиками.

При близком рассмотрении отсутствие ясных методологических установок не удивляет. Наследование является воплощением принципа Открыт-Закрыт: позволяя выбрать готовый класс, написанный вами или другим программистом вчера или 20 лет назад, и обнаружить, что с ним можно делать нечто полезное, что даже не предполагалось при его проектировании.

Позволить создателю класса определять, что могут и что не могут использовать потомки класса, - значит лишиться основного свойства наследования.

Пример классов CELL и TREE характерен: при разработке CELL его целью была лишь поддержка работоспособности LIST, а потому right и put_right служили в нем исключительно внутренним целям. И лишь позднее этим компонентам нашли новое применение в классе-потомке TREE. Не будь этой открытости, наследование почти полностью утратило бы свой шарм.

Если нет основы для принятия решения об экспорте компонентов потомкам, то еще более абсурдно пытаться догадаться, что потомки могут экспортировать своим клиентам. Единственная задача разработчика порожденного класса - предоставление своим клиентам как можно более удобного для них класса. Наследование - это лишь средство, которое позволяет быстрее добиться желаемого результата. Все правила ОО-игры определяются утверждениями и ограничениями типизации, - не более того. Найти полезный для клиентов потомка компонент предка - это большая удача, ну а то, как поступал предок с этим компонентом, - экспортировал ли он его, это дело предка и волнует потомка меньше всего.

В итоге, единственной стратегией, сочетающейся с принципиальной открытостью наследования, нам кажется та, что была описана выше: предоставить каждому разработчику возможность самостоятельно решать, что делать с компонентами предка, выбирая собственную политику экспорта в интересах своих клиентов.

Интерфейс и повторное использование реализаций

Знакомясь с объектным подходом по другим источникам, вы могли видеть в них предостережения использования "наследования реализаций". Однако в нем нет ничего плохого.

Повторное использование имеет две формы: использование интерфейсов и использование реализаций. Любой класс - это реализация (возможно, частичная) АТД. Он содержит как интерфейс, выражающий спецификацию АТД и образующий лишь "вершину айсберга", так и набор решений, определяющих реализацию. Повторное использование интерфейса означает согласие со спецификацией, повторное использование реализации - ваше согласие положиться на свойства класса, а не только на АТД.

Совместно для одних и тех же целей эти две возможности не применяются. Если вы хотите получить некоторое множество возможностей только через их абстрактные свойства и хотите быть защищенными от будущих изменений реализации, выбирайте повторное использование интерфейсов. Но в некоторых случаях вам может понравиться определенная реализация, поскольку она обеспечивает нужную основу вашего решения.

Эти формы повторного использования взаимно дополняют друг друга и обе совершенно законны.

По сути, их воплощением являются два вида межмодульных отношений, имеющих место при ОО-проектировании программ: клиент обеспечивает повторное использование интерфейсов, наследование поддерживает повторное использование реализаций.

Повторно используя реализацию, вы безусловно принимаете более ответственное решение, так как не можете рассчитывать на неизменность реализации в перспективе. По этой причине, став наследником класса, вы свяжете себя более сильными обязательствами.

Слово в защиту реализаций

В чем же причина недоверия к наследованию реализаций? Я пришел к выводу, что ответ лежит в области психологии. Тридцатилетний программистский опыт оставил нам лишь сомнения насчет самой идеи реализаций. И даже слово "реализация" приобрело в отдельных кругах почти неприличный характер. По этой причине мы ведем речь о проектировании и анализе, а если и упоминаем реализацию, то начинаем разговор с "но", "лишь" или "только".

Объектная технология в корне меняет все: ОО-реализации настолько элегантны, полезны, с ясно выраженной корректностью, что уже можно забыть об неприятных оттенках этого слова в языке. Для многих из нас программа часто оказывается вещью наиболее абстрактной, дает описание на самом высоком уровне и наиболее понимаема, чем большая часть того, что в анализе и проектировании провозглашается "величайшим достижением мысли".

Два стиля

Ряд основных различий между понятиями, о которых шла речь, мы представили в виде таблицы.

Итак, есть два отношения - "быть потомком" и "быть клиентом"; две формы повторного использования - интерфейсов и реализаций; скрытие информации и его отсутствие; защита от изменений в поставляемых модулях и отсутствие таковой.

Наличие альтернатив в любом случае не вносит противоречий, и в зависимости от контекста каждый из вариантов вполне оправдан. Отважимся на смелый шаг и сведем эти противоположности в одно целое:

Клиент

Потомок

Повторное использование интерфейсов Информация скрывается Исходная реализация защищена

Повторное использование реализаций Информация не скрывается Исходная реализация не защищена

Таблица 16.1.Слияние четырех противоположностей

Возможно, есть и другие подходы к решению этой проблемы, но я не знаю ни одного столь же простого, доступного и практичного.

Выборочный экспорт

Говоря о наследовании и скрытии информации, нельзя обойти вопрос о выборочном экспорте компонентов. Класс A, выборочно экспортирующий f классу B:

class A feature {B, ...}

f...

...

делает f доступным в реализации собственных компонентов B. Потомки B, в свою очередь, имеют доступ к реализации предка, а потому они должны быть вправе обращаться ко всем доступным B возможностям, в том числе, к f.

Практические наблюдения подтверждают это теоретическое обоснование. Все, что необходимо классу, обычно требуется и его потомкам. Однако нам не хотелось бы с появлением очередного порожденного класса B возвращаться в A и расширять его предложение экспорта.

Согласно принципу Скрытия информации, а также принципу Открыт-Закрыт, разработчику A дано право решать, делать ли f доступным для B, однако, ему запрещено ограничивать свободу разработчика B. Тем самым, имеет место правило:

Правило наследования при выборочном экспорте

Выборочно экспортированный компонент доступен как самому классу, так и всем его потомкам.

Ключевые концепции

[x]. К инварианту класса автоматически добавляются инварианты его родителей.

[x]. В подходе Проектирования по Контракту наследование, переопределение и динамическое связывание приводят к идее субподрядов.

[x]. Повторное объявление подпрограммы (переопределение или создание реализации) может сохранить или ослабить предусловие, сохранить или усилить постусловие.

[x]. Повторное объявление утверждений может использовать только require else (при объединении с предусловием связкой "или") и ensure then (при объединении с постусловием связкой "и"). Применение require/ensure запрещено. В отсутствие названных предложений подпрограмма сохраняет исходные утверждения.

[x]. Универсальный класс GENERAL и допускающий настройку его наследник обеспечивают переопределяемые компоненты, представляющие общий интерес для всех создаваемых разработчиком классов. Класс NONE замыкает решетку наследования снизу.

[x]. Заморозив компонент, можно гарантировать его вечную семантическую уникальность.

[x]. Ограниченная универсальность дает возможность использовать только родовые параметры со специфическими свойствами.

[x]. Попытка присваивания позволяет динамически проверить, принадлежит ли объект ожидаемому типу. Эта операция не должна использоваться как замена динамического связывания.

[x]. Потомок вправе переопределять тип любой сущности (атрибута, результата функции, формального параметра подпрограммы). Повторное определение должно быть ковариантным - заменять исходные типы соответствующими, согласуясь с требованиями потомка.

[x]. Закрепленные объявления (like anchor) - это важная часть системы типов, облегчающая применение ковариантной типизации и позволяющая отказаться от избыточных повторных объявлений.

[x]. Наследование и скрытие информации - это независимые механизмы. Потомки могут скрывать экспортированные компоненты и экспортировать скрытые компоненты.

[x]. Компонент, доступный самому классу, доступен и его потомкам.

Библиографические замечания

Иную точку зрения на взаимосвязь наследования и скрытия информации см. в [Snyder 1986].

Упражнения

У16.1 Наследование: простота и эффективность

Перепишите и упростите ранее созданную реализацию защищенного стека, сделав класс STACK3 потомком, а не клиентом STACK, чтобы избежать излишних обходных путей. (Подсказка: см. правила взаимодействия наследования и скрытия информации.)

У16.2 Векторы

Напишите класс VECTOR, представляющий числовые вектора (кольцо) с обычными математическими операциями. Сам класс рекурсивно должен относиться к численному типу, допуская вектора векторов. Возможно, для этого вам придется самостоятельно дописать класс NUMERIC (или воспользоваться готовым из [M 1994a]).

У16.3 Экстракт?

В случае, когда x1 имеет тип X, y1 имеет тип Y, и Y является потомком X, оператор y1 := x1 будет недопустимым. Однако полезным мог бы показаться универсальный компонент extract, такой, что y1.extract (x1) копирует значения полей объекта x1 в соответствующие поля объекта y1 при условии, что ни в одной из этих ссылок не содержится Void.

Объясните, почему компонент extract стоит отвергнуть. (Подсказка: обратитесь к вопросам корректности, в частности, к понятию инварианта.) Выясните, можно ли спроектировать удовлетворительный механизм, решающий эту задачу каким-то иным способом.

Лекция 17. Типизация

Эффективное применение объектной технологии требует четкого описания в тексте системы типов всех объектов, с которыми она работает на этапе выполнения. Это правило, известное как статическая типизация (static typing), делает наше ПО: более надежным, позволяя компилятору и другим инструментальным средствам устранять несоответствия прежде, чем они смогут нанести вред; более понятным, обеспечивая точной информацией читателей: авторов клиентских систем и тех, кто будет сопровождать систему; более эффективным, поскольку информация о типах данных позволит компилятору сгенерировать оптимальный код. Хотя вопросами типизации данных активно занимались и вне объектной среды, да и сама статическая типизация применяется в языках, не поддерживающих ООП, особенно ярко эти идеи проявили себя именно при объектном подходе, во многом основанном на понятии типа, которое, сливаясь с понятием модуля, образует базовую ОО-конструкцию - класс.

Проблема типизации

Эффективное применение объектной технологии требует четкого описания в тексте системы типов всех объектов, с которыми она работает на этапе выполнения. Это правило, известное как статическая типизация (static typing), делает наше ПО:

[x]. более надежным, позволяя компилятору и другим инструментальным средствам устранять несоответствия прежде, чем они смогут нанести вред;

[x]. более понятным, обеспечивая точной информацией читателей: авторов клиентских систем и тех, кто будет сопровождать систему;

[x]. более эффективным, поскольку информация о типах данных позволит компилятору сгенерировать оптимальный код.

Хотя вопросами типизации данных активно занимались и вне объектной среды, да и сама статическая типизация применяется в языках, не поддерживающих ООП, особенно ярко эти идеи проявили себя именно при объектном подходе, во многом основанном на понятии типа, которое, сливаясь с понятием модуля, образует базовую ОО-конструкцию - класс.

О типизации при ОО-разработке можно сказать одно: эта задача проста в своей постановке, но решить ее подчас нелегко.

Базисная конструкция

Простота типизации в ОО-подходе есть следствие простоты объектной вычислительной модели. Опуская детали, можно сказать, что при выполнении ОО-системы происходят события только одного рода - вызов компонента (feature call):

x.f (arg)

означающий выполнение операции f над объектом, присоединенным к x, с передачей аргумента arg (возможно несколько аргументов или ни одного вообще). Программисты Smalltalk говорят в этом случае о "передаче объекту x сообщения f с аргументом arg", но это - лишь отличие в терминологии, а потому оно несущественно.

То, что все основано на этой Базисной Конструкции (Basic Construct), объясняет частично ощущение красоты ОО-идей.

Из Базисной Конструкции следуют и те ненормальные ситуации, которые могут возникнуть в процессе выполнения:

Определение: нарушение типа

Нарушение типа в период выполнения или, для краткости, просто нарушение типа (type violation) возникает в момент вызова x.f (arg), где x присоединен к объекту OBJ, если либо:

[x]. не существует компонента, соответствующего f и применимого к OBJ,

[x]. такой компонент имеется, однако, аргумент arg для него недопустим.

Проблема типизации - избегать таких ситуаций:

Проблема типизации ОО-систем

Когда мы обнаруживаем, что при выполнении ОО-системы может произойти нарушение типа?

Ключевым является слово когда. Рано или поздно вы поймете, что имеет место нарушение типа. Например, попытка выполнить компонент "Пуск торпеды" для объекта "Служащий" не будет работать и при выполнении произойдет отказ. Однако возможно вы предпочитаете находить ошибки как можно раньше, а не позже.

Статическая и динамическая типизация

Хотя возможны и промежуточные варианты, здесь представлены два главных подхода:

[x]. Динамическая типизация: ждать момента выполнения каждого вызова и тогда принимать решение.

[x]. Статическая типизация: с учетом набора правил определить по исходному тексту, возможны ли нарушения типов при выполнении. Система выполняется, если правила гарантируют отсутствие ошибок.

Эти термины легко объяснимы: при динамической типизации проверка типов происходит во время работы системы (динамически), а при статической типизации проверка выполняется над текстом статически (до выполнения).

Термины типизированный и нетипизированный (typed/untyped) нередко используют вместо статически типизированный и динамически типизированный (statically/dynamically typed). Во избежание любых недоразумений мы будем придерживаться полных именований.

Статическая типизация предполагает автоматическую проверку, возлагаемую, как правило, на компилятор. В итоге имеем простое определение:

Определение: статически типизированный язык

ОО-язык статически типизирован, если он поставляется с набором согласованных правил, проверяемых компилятором, соблюдение которых гарантирует, что выполнение системы не приведет к нарушению типов.

В литературе встречается термин "сильная типизация" (strong). Он соответствует ультимативной природе определения, требующей полного отсутствия нарушения типов. Возможны и слабые (weak) формы статической типизации, при которых правила устраняют определенные нарушения, не ликвидируя их целиком. В этом смысле некоторые ОО-языки являются статически слабо типизированными. Мы будем бороться за наиболее сильную типизацию.

В динамически типизированных языках, известных как нетипизированные, отсутствуют объявления типов, а к сущностям в период выполнения могут присоединяться любые значения. Статическая проверка типов в них невозможна.

Правила типизации

Наша ОО-нотация является статически типизированной. Ее правила типов были введены в предыдущих лекциях и сводятся к трем простым требованиям.

[x]. При объявлении каждой сущности или функции должен задаваться ее тип, например, acc: ACCOUNT. Каждая подпрограмма имеет 0 или более формальных аргументов, тип которых должен быть задан, например: put (x: G; i: INTEGER).

[x]. В любом присваивании x := y и при любом вызове подпрограммы, в котором y - это фактический аргумент для формального аргумента x, тип источника y должен быть совместим с типом цели x. Определение совместимости основано на наследовании: B совместим с A, если является его потомком, - дополненное правилами для родовых параметров (см. лекцию 14).

[x]. Вызов x.f (arg) требует, чтобы f был компонентом базового класса для типа цели x, и f должен быть экспортирован классу, в котором появляется вызов (см. 14.3).

Реализм

Хотя определение статически типизированного языка дано совершенно точно, его недостаточно, - необходимы неформальные критерии при создании правил типизации. Рассмотрим два крайних случая.

[x]. Совершенно корректный язык, в котором каждая синтаксически правильная система корректна и в отношении типов. Правила описания типов не нужны. Такие языки существуют (представьте себе польскую запись выражения со сложением и вычитанием целых чисел). К сожалению, ни один реальный универсальный язык не отвечает этому критерию.

[x]. Совершенно некорректный язык, который легко создать, взяв любой существующий язык и добавив правило типизации, делающее любую систему некорректной. По определению, этот язык типизирован: так как нет систем, соответствующих правилам, то ни одна система не вызовет нарушения типов.

Можно сказать, что языки первого типа пригодны, но бесполезны, вторые, возможно, полезны, но не пригодны.

На практике необходима система типов, пригодная и полезная одновременно: достаточно мощная для реализации потребностей вычислений и достаточно удобная, не заставляющая нас идти на усложнения для удовлетворения правил типизации.

Будем говорить, что язык реалистичен, если он пригоден к применению и полезен на практике. В отличие от определения статической типизации, дающего безапелляционный ответ на вопрос: "Типизирован ли язык X статически?", определение реализма отчасти субъективно.

В этой лекции мы убедимся, что предлагаемая нами нотация реалистична.

Пессимизм

Статическая типизация приводит по своей природе к "пессимистической" политике. Попытка дать гарантию, что все вычисления не приводят к отказам, отвергает вычисления, которые могли бы закончиться без ошибок.

Рассмотрим обычный, необъектный, Pascal-подобный язык с различными типами REAL и INTEGER. При описании n: INTEGER; r: Real оператор n := r будет отклонен, как нарушающий правила. Так, компилятор отвергнет все нижеследующие операторы:

n := 0.0 [A]

n := 1.0 [B]

n := -3.67 [C]

n := 3.67 - 3.67 [D]

Если мы разрешим их выполнение, то увидим, что [A] будет работать всегда, так как любая система счисления имеет точное представление вещественного числа 0,0, недвусмысленно переводимое в 0 целых. [B] почти наверняка также будет работать. Результат действия [C] не очевиден (хотим ли мы получить итог округлением или отбрасыванием дробной части?). [D] справится со своей задачей, как и оператор:

if n ^ 2 < 0 then n := 3.67 end [E]

куда входит недостижимое присваивание (n ^ 2 - это квадрат числа n). После замены n ^ 2 на n правильный результат даст только ряд запусков. Присваивание n большого вещественного значения, не представимого целым, приведет к отказу.

В типизированных языках все эти примеры (работающие, неработающие, иногда работающие) безжалостно трактуются как нарушения правил описания типов и отклоняются любым компилятором.

Вопрос не в том, будем ли мы пессимистами, а в том, насколько пессимистичными мы можем позволить себе быть. Вернемся к требованию реализма: если правила типов настолько пессимистичны, что препятствуют простоте записи вычислений, мы их отвергнем. Но если достижение безопасности типов достигается небольшой потерей выразительной силы, мы примем их. Например, в среде разработки, предоставляющей функции округления и выделения целой части - round и truncate, оператор n := r считается некорректным справедливо, поскольку заставляет вас явно записать преобразование вещественного числа в целое, вместо использования двусмысленных преобразований по умолчанию.

Статическая типизация: как и почему

Хотя преимущества статической типизации очевидны, неплохо поговорить о них еще раз.

Преимущества

Причины применения статической типизации в объектной технологии мы перечислили в начале лекции. Это надежность, простота понимания и эффективность.

Надежность обусловлена обнаружением ошибок, которые иначе могли проявить себя лишь во время работы, и только в некоторых случаях. Первое из правил, заставляющее объявлять сущности, как, впрочем, и функции, вносит в программный текст избыточность, что позволяет компилятору, используя два других правила, обнаруживать несоответствия между задуманным и реальным применением сущностей, компонентов и выражений.

Раннее выявление ошибок важно еще и потому, что чем дольше мы будем откладывать их поиск, тем сильнее вырастут издержки на исправление. Это свойство, интуитивно понятное всем программистам-профессионалам, количественно подтверждают широко известные работы Бема (Boehm). Зависимость издержек на исправление от времени отыскания ошибок приведена на графике, построенном по данным ряда больших промышленных проектов и проведенных экспериментов с небольшим управляемым проектом:

Рис. 17.1.  Сравнительные издержки на исправление ошибок ([Boehm 1981], публикуется с разрешения)

Читабельность или Простота понимания (readability) имеет свои преимущества. Во всех примерах этой книги появление типа у сущности дает читателю информацию о ее назначении. Читабельность крайне важна на этапе сопровождения.

Исключив читабельность из круга приоритетов, можно было бы получить другие преимущества, не вводя явных объявлений. В самом деле, возможна неявная форма типизации, когда компилятор, не требуя явного указания типа, пытается автоматически определить его из контекста применения сущности. Эта стратегия известна как выведение типов (type inference). Но в программной инженерии явные объявления типов это помощь, а не наказание, - тип должен быть ясен не только машине, но и читающему текст человеку.

Наконец, эффективность может определять успех или отказ от объектной технологии на практике. В отсутствие статической типизации на выполнение x.f (arg) может уйти сколько угодно времени. Причина этого в том, что на этапе выполнения, не найдя f в базовом классе цели x, поиск будет продолжен у ее потомков, а это верная дорога к неэффективности. Снять остроту проблемы можно, улучшив поиск компонента по иерархии. Авторы языка Self провели большую работу, стремясь генерировать лучший код для языка с динамической типизацией. Но именно статическая типизация позволила такому ОО-продукту приблизиться или сравняться по эффективности с традиционным ПО.

Ключом к статической типизации является уже высказанная идея о том, что компилятор, генерирующий код для конструкции x.f (arg), знает тип x. Из-за полиморфизма нет возможности однозначно определить подходящую версию компонента f. Но объявление сужает множество возможных типов, позволяя компилятору построить таблицу, обеспечивающую доступ к правильному f с минимальными издержками, - с ограниченной константой сложностью доступа. Дополнительно выполняемые оптимизации статического связывания (static binding) и подстановки (inlining) - также облегчаются благодаря статической типизации, полностью устраняя издержки в тех случаях, когда они применимы.

Аргументы в пользу динамической типизации

Несмотря на все это, динамическая типизация не теряет своих приверженцев, в частности, среди Smalltalk-программистов. Их аргументы основаны прежде всего на реализме, речь о котором шла выше. Они уверены, что статическая типизация чересчур ограничивает их, не давая им свободно выражать свои творческие идеи, называя иногда ее "поясом целомудрия".

С такой аргументацией можно согласиться, но лишь для статически типизированных языков, не поддерживающих ряд возможностей. Стоит отметить, что все концепции, связанные с понятием типа и введенные в предыдущих лекциях, необходимы - отказ от любой из них чреват серьезными ограничениями, а их введение, напротив, придает нашим действиям гибкость, а нам самим дает возможность в полной мере насладиться практичностью статической типизации.

Типизация: слагаемые успеха

Каковы механизмы реалистичной статической типизации? Все они введены в предыдущих лекциях, а потому нам остается лишь кратко о них напомнить. Их совместное перечисление показывает согласованность и мощь их объединения.

Наша система типов полностью основана на понятии класса. Классами являются даже такие базовые типы, как INTEGER, а стало быть, нам не нужны особые правила описания предопределенных типов. (В этом наша нотация отличается от "гибридных" языков наподобие Object Pascal, Java и C++, где система типов старых языков сочетается с объектной технологией, основанной на классах.)

Развернутые типы дают нам больше гибкости, допуская типы, чьи значения обозначают объекты, наряду с типами, чьи значения обозначают ссылки.

Решающее слово в создании гибкой системы типов принадлежит наследованию и связанному с ним понятию совместимости. Тем самым преодолевается главное ограничение классических типизированных языков, к примеру, Pascal и Ada, в которых оператор x := y требует, чтобы тип x и y был одинаковым. Это правило слишком строго: оно запрещает использовать сущности, которые могут обозначать объекты взаимосвязанных типов (SAVINGS_ACCOUNT и CHECKING_ACCOUNT). При наследовании мы требуем лишь совместимости типа y с типом x, например, x имеет тип ACCOUNT, y - SAVINGS_ACCOUNT, и второй класс - наследник первого.

На практике статически типизированный язык нуждается в поддержке множественного наследования. Известны принципиальные обвинения статической типизации в том, что она не дает возможность по-разному интерпретировать объекты. Так, объект DOCUMENT (документ) может передаваться по сети, а потому нуждается в наличия компонентов, связанных с типом MESSAGE (сообщение). Но эта критика верна только для языков, ограниченных единичным наследованием.

Рис. 17.2.  Множественное наследование

Универсальность необходима, например, для описания гибких, но безопасных контейнерных структур данных (например class LIST [G] ...). Не будь этого механизма, статическая типизация потребовала бы объявления разных классов для списков, отличающихся типом элементов.

В ряде случаев универсальность требуется ограничить, что позволяет использовать операции, применимые лишь к сущностям родового типа. Если родовой класс SORTABLE_LIST поддерживает сортировку, он требует от сущностей типа G, где G - родовой параметр, наличия операции сравнения. Это достигается связыванием с G класса, задающего родовое ограничение, - COMPARABLE:

class SORTABLE_LIST [G -> COMPARABLE] ...

Любой фактический родовой параметр SORTABLE_LIST должен быть потомком класса COMPARABLE, имеющего необходимый компонент.

Еще один обязательный механизм - попытка присваивания - организует доступ к тем объектам, типом которых ПО не управляет. Если y - это объект базы данных или объект, полученный через сеть, то оператор x ?= y присвоит x значение y, если y имеет совместимый тип, или, если это не так, даст x значение Void.

Утверждения, связанные, как часть идеи Проектирования по Контракту, с классами и их компонентами в форме предусловий, постусловий и инвариантов класса, дают возможность описывать семантические ограничения, которые не охватываются спецификацией типа. В таких языках, как Pascal и Ada, есть типы-диапазоны, способные ограничить значения сущности, к примеру, интервалом от 10 до 20, однако, применяя их, вам не удастся добиться того, чтобы значение i являлось отрицательным, всегда вдвое превышая j. На помощь приходят инварианты классов, призванные точно отражать вводимые ограничения, какими бы сложными они не были.

Закрепленные объявления нужны для того, чтобы на практике избегать лавинного дублирования кода. Объявляя y: like x, вы получаете гарантию того, что y будет меняться вслед за любыми повторными объявлениями типа x у потомка. В отсутствие этого механизма разработчики беспрестанно занимались бы повторными объявлениями, стремясь сохранить соответствие различных типов.

Закрепленные объявления - это особый случай последнего требуемого нам языкового механизма - ковариантности, подробное обсуждение которого нам предстоит позже.

При разработке программных систем на деле необходимо еще одно свойство, присущее самой среде разработки - быстрая, возрастающая (fast incremental) перекомпиляция. Когда вы пишите или модифицируете систему, хотелось бы как можно скорее увидеть эффект изменений. При статической типизации вы должны дать компилятору время на перепроверку типов. Традиционные подпрограммы компиляции требуют повторной трансляции всей системы (и ее сборки), и этот процесс может быть мучительно долгим, особенно с переходом к системам большого масштаба. Это явление стало аргументом в пользу интерпретирующих систем, таких как ранние среды Lisp или Smalltalk, запускавшие систему практически без обработки, не выполняя проверку типов. Сейчас этот аргумент позабыт. Хороший современный компилятор определяет, как изменился код с момента последней компиляции, и обрабатывает лишь найденные изменения.

"Типизирована ли кроха"?

Наша цель - строгая статическая типизация. Именно поэтому мы и должны избегать любых лазеек в нашей "игре по правилам", по крайней мере, точно их идентифицировать, если они существуют.

Самой распространенной лазейкой в статически типизированных языках является наличие преобразований, меняющих тип сущности. В C и производных от него языках их называют "приведением типа" или кастингом (cast). Запись (OTHER_TYPE) x указывает на то, что значение x воспринимается компилятором, как имеющее тип OTHER_TYPE, при соблюдении некоторых ограничениях на возможные типы.

Подобные механизмы обходят ограничения проверки типов. Приведение широко распространено при программировании на языке C, включая диалект ANSI C. Даже в языке C++ приведение типов, хотя и не столь частое, остается привычным и, возможно, необходимым делом.

Придерживаться правил статической типизации не так просто, если в любой момент их можно обойти путем приведения.

Далее будем полагать, что система типов является строгой и не допускает приведения типа.

Возможно, вы заметили, что попытка присваивания - неотъемлемый компонент реалистичной системы типов - напоминает приведение. Однако есть существенное отличие: попытка присваивания выполняет проверку, действительно ли текущий тип соответствует заданному типу, - это безопасно, а иногда и необходимо.

Типизация и связывание

Хотя как читатель этой книги вы наверняка отличите статическую типизацию от статического связывания, есть люди, которым подобное не под силу. Отчасти это может быть связано с влиянием языка Smalltalk, отстаивающего динамический подход к обеим задачам и способного сформировать неверное представление, будто они имеют одинаковое решение. (Мы же в своей книге утверждаем, что для создания надежных и гибких программ желательно объединить статическую типизацию и динамическое связывание.)

Как типизация, так и связывание имеют дело с семантикой Базисной Конструкции x.f (arg), но отвечают на два разных вопроса:

Типизация и связывание

[x]. Вопрос о типизации: когда мы должны точно знать, что во время выполнения появится операция, соответствующая f, применимая к объекту, присоединенному к сущности x (с параметром arg)?

[x]. Вопрос о связывании: когда мы должны знать, какую операцию инициирует данный вызов?

Типизация отвечает на вопрос о наличии как минимум одной операции, связывание отвечает за выбор нужной.

В рамках объектного подхода:

[x]. проблема, возникающая при типизации, связана с полиморфизмом: поскольку x во время выполнения может обозначать объекты нескольких различных типов, мы должны быть уверены, что операция, представляющая f, доступна в каждом из этих случаев;

[x]. проблема связывания вызвана повторными объявлениями: так как класс может менять наследуемые компоненты, то могут найтись две или более операции, претендующие на то, чтобы представлять f в данном вызове.

Обе задачи могут быть решены как динамически, так и статически. В существующих языках представлены все четыре варианта решения.

[x]. Ряд необъектных языков, скажем, Pascal и Ada, реализуют как статическую типизацию, так и статическое связывание. Каждая сущность представляет объекты только одного типа, заданного статически. Тем самым обеспечивается надежность решения, платой за которую является его гибкость.

[x]. Smalltalk и другие ОО-языки содержат средства динамического связывания и динамической типизации. При этом предпочтение отдается гибкости в ущерб надежности языка.

[x]. Отдельные необъектные языки поддерживают динамическую типизацию и статическое связывание. Среди них - языки ассемблера и ряд языков сценариев (scripting languages).

[x]. Идеи статической типизации и динамического связывания воплощены в нотации, предложенной в этой книге.

Отметим своеобразие языка C++, поддерживающего статическую типизацию, хотя и не строгую ввиду наличия приведения типов, статическое связывание (по умолчанию), динамическое связывание при явном указании виртуальных (virtual) объявлений.

Причина выбора статической типизации и динамического связывания очевидна. Первый вопрос: "Когда мы будем знать о существовании компонентов?" - предполагает статический ответ: "Чем раньше, тем лучше", что означает: во время компиляции. Второй вопрос: "Какой из компонентов использовать?" предполагает динамический ответ: "тот, который нужен", - соответствующий динамическому типу объекта, определяемому во время выполнения. Это единственно приемлемое решение, если статическое и динамическое связывание дает различные результаты.

Следующий пример иерархии наследования поможет прояснить эти понятия:

Рис. 17.3.  Виды летательных аппаратов

Рассмотрим вызов:

my_aircraft.lower_landing_gear

Вопрос о типизации: когда убедиться, что здесь будет компонент lower_landing_gear ("выпустить шасси"), применимый к объекту (для COPTER его не будет вовсе) Вопрос о связывании: какую из нескольких возможных версий выбрать.

Статическое связывание означало бы, что мы игнорируем тип присоединяемого объекта и полагаемся на объявление сущности. В итоге, имея дело с Boeing 747-400, мы вызвали бы версию, разработанную для обычных лайнеров серии 747, а не для их модификации 747-400. Динамическое связывание применяет операцию, требуемую объектом, и это правильный подход.

При статической типизации компилятор не отклонит вызов, если можно гарантировать, что при выполнении программы к сущности my_aircraft будет присоединен объект, поставляемый с компонентом, соответствующим lower_landing_gear. Базисная техника получения гарантий проста: при обязательном объявлении my_aircraft требуется, чтобы базовый класс его типа включал такой компонент. Поэтому my_aircraft не может быть объявлен как AIRCRAFT, так как последний не имеет lower_landing_gear на этом уровне; вертолеты, по крайней мере в нашем примере, выпускать шасси не умеют. Если же мы объявим сущность как PLANE, - класс, содержащий требуемый компонент, - все будет в порядке.

Динамическая типизация в стиле Smalltalk требует дождаться вызова, и в момент его выполнения проверить наличие нужного компонента. Такое поведение возможно для прототипов и экспериментальных разработок, но недопустимо для промышленных систем - в момент полета поздно спрашивать, есть ли у вас шасси.

Ковариантность и скрытие потомком

Если бы мир был прост, то разговор о типизации можно было бы и закончить. Мы определили цели и преимущества статической типизации, изучили ограничения, которым должны соответствовать реалистичные системы типов, и убедились в том, что предложенные методы типизации отвечают нашим критериям.

Но мир не прост. Объединение статической типизации с некоторыми требованиями программной инженерии создает проблемы более сложные, чем это кажется с первого взгляда. Проблемы вызывают два механизма: ковариантность (covariance) - смена типов параметров при переопределении, скрытие потомком (descendant hiding) - способность класса потомка ограничивать статус экспорта наследуемых компонентов.

Ковариантность

Что происходит с аргументами компонента при переопределении его типа? Это важнейшая проблема, и мы уже видели ряд примеров ее проявления: устройства и принтеры, одно- и двухсвязные списки и т. д. (см. разделы 16.6, 16.7).

Вот еще один пример, помогающий уяснить природу проблемы. И пусть он далек от реальности и метафоричен, но его близость к программным схемам очевидна. К тому же, разбирая его, мы будем часто возвращаться к задачам из практики.

Представим себе готовящуюся к чемпионату лыжную команду университета. Класс GIRL включает лыжниц, выступающих в составе женской сборной, BOY - лыжников. Ряд участников обеих команд ранжированы, показав хорошие результаты на предыдущих соревнованиях. Это важно для них, поскольку теперь они побегут первыми, получив преимущество перед остальными. (Это правило, дающее привилегии уже привилегированным, возможно и делает слалом и лыжные гонки столь привлекательными в глазах многих людей, являясь хорошей метафорой самой жизни.) Итак, мы имеем два новых класса: RANKED_GIRL и RANKED_BOY.

Рис. 17.4.  Классификация лыжников

Для проживания спортсменов забронирован ряд номеров: только для мужчин, только для девушек, только для девушек-призеров. Для отображения этого используем параллельную иерархию классов: ROOM, GIRL_ROOM и RANKED_GIRL_ROOM.

Вот набросок класса SKIER:

class SKIER feature

roommate: SKIER

-- Сосед по номеру.

share (other: SKIER) is

-- Выбрать в качестве соседа other.

require

other /= Void

do

roommate := other

end

... Другие возможные компоненты, опущенные в этом и последующих классах ...

end

Нас интересуют два компонента: атрибут roommate и процедура share, "размещающая" данного лыжника в одном номере с текущим лыжником:

s1, s2: SKIER

...

s1.share (s2)

При объявлении сущности other можно отказаться от типа SKIER в пользу закрепленного типа like roommate (или like Current для roommate и other одновременно). Но давайте забудем на время о закреплении типов (мы к ним еще вернемся) и посмотрим на проблему ковариантности в ее изначальном виде.

Как ввести переопределение типов? Правила требуют раздельного проживания юношей и девушек, призеров и остальных участников. Для решения этой задачи при переопределении изменим тип компонента roommate, как показано ниже (здесь и далее переопределенные элементы подчеркнуты).

class GIRL inherit

SKIER

redefine roommate end

feature

roommate: GIRL

-- Сосед по номеру.

end

Переопределим, соответственно, и аргумент процедуры share. Более полный вариант класса теперь выглядит так:

class GIRL inherit

SKIER

redefine roommate, share end

feature

roommate: GIRL

-- Сосед по номеру.

share (other: GIRL) is

-- Выбрать в качестве соседа other.

require

other /= Void

do

roommate := other

end

end

Аналогично следует изменить все порожденные от SKIER классы (закрепление типов мы сейчас не используем). В итоге имеем иерархию:

Рис. 17.5.  Иерархия участников и повторные определения

Так как наследование является специализацией, то правила типов требуют, чтобы при переопределении результата компонента, в данном случае roommate, новый тип был потомком исходного. То же касается и переопределения типа аргумента other подпрограммы share. Эта стратегия, как мы знаем, именуется ковариантностью, где приставка "ко" указывает на совместное изменение типов параметра и результата. Противоположная стратегия называется контравариантностью.

Все наши примеры убедительно свидетельствуют о практической необходимости ковариантности.

[x]. Элемент односвязного списка LINKABLE должен быть связан с другим подобным себе элементом, а экземпляр BI_LINKABLE - с подобным себе. Ковариантно потребуется переопределяется и аргумент в put_right.

[x]. Всякая подпрограмма в составе LINKED_LIST с аргументом типа LINKABLE при переходе к TWO_WAY_LIST потребует аргумента BI_LINKABLE.

[x]. Процедура set_alternate принимает DEVICE-аргумент в классе DEVICE и PRINTER-аргумент - в классе PRINTER.

Ковариантное переопределение получило особое распространение потому, что скрытие информации ведет к созданию процедур вида

set_attrib (v: SOME_TYPE) is

-- Установить attrib в v.

...

для работы с attrib типа SOME_TYPE. Подобные процедуры, естественно, ковариантны, поскольку любой класс, который меняет тип атрибута, должен соответственно переопределять и аргумент set_attrib. Хотя представленные примеры укладываются в одну схему, но ковариантность распространена значительно шире. Подумайте, например, о процедуре или функции, выполняющей конкатенацию односвязных списков (LINKED_LIST). Ее аргумент должен быть переопределен как двусвязный список (TWO_ WAY_LIST). Универсальная операция сложения infix "+" принимает NUMERIC-аргумент в классе NUMERIC, REAL - в классе REAL и INTEGER - в классе INTEGER. В параллельных иерархиях телефонной службы процедуре start в классе PHONE_SERVICE может требоваться аргумент ADDRESS, представляющий адрес абонента, (для выписки счета), в то время как этой же процедуре в классе CORPORATE_SERVICE потребуется аргумент типа CORPORATE_ADDRESS.

Рис. 17.6.  Службы связи

Что можно сказать о контравариантном решении? В примере с лыжниками оно означало бы, что если, переходя к классу RANKED_GIRL, тип результата roommate переопределили как RANKED_GIRL, то в силу контравариантности тип аргумента share можно переопределить на тип GIRL или SKIER. Единственный тип, который не допустим при контравариантном решении, - это RANKED_GIRL! Достаточно, чтобы возбудить наихудшие подозрения у родителей девушек.

Параллельные иерархии

Чтобы не оставить камня на камне, рассмотрим вариант примера SKIER с двумя параллельными иерархиями. Это позволит нам смоделировать ситуацию, уже встречавшуюся на практике: TWO_ WAY_LIST > LINKED_LIST и BI_LINKABLE > LINKABLE; или иерархию с телефонной службой PHONE_SERVICE.

Пусть есть иерархия с классом ROOM, потомком которого является GIRL_ROOM (класс BOY опущен):

Рис. 17.7.  Лыжники и комнаты

Наши классы лыжников в этой параллельной иерархии вместо roommate и share будут иметь аналогичные компоненты accommodation (размещение) и accommodate (разместить):

indexing

description: "Новый вариант с параллельными иерархиями"

class SKIER1 feature

accommodation: ROOM

accommodate (r: ROOM) is ... require ... do

accommodation:= r

end

end

Здесь также необходимы ковариантные переопределения: в классе GIRL1 как accommodation, так и аргумент подпрограммы accommodate должны быть заменены типом GIRL_ROOM, в классе BOY1 - типом BOY_ROOM и т.д. (Не забудьте: мы по-прежнему работаем без закрепления типов.) Как и в предыдущем варианте примера, контравариантность здесь бесполезна.

Своенравие полиморфизма

Не довольно ли примеров, подтверждающих практичность ковариации? Почему же кто-то рассматривает контравариантность, которая вступает в противоречие с тем, что необходимо на практике (если не принимать во внимание поведения некоторых молодых людей)? Чтобы понять это, рассмотрим проблемы, возникающие при сочетании полиморфизма и стратегии ковариантности. Придумать вредительскую схему несложно, и, возможно, вы уже создали ее сами:

s: SKIER; b: BOY; g: GIRL

...

create b; create g;-- Создание объектов BOY и GIRL.

s := b; -- Полиморфное присваивание.

s.share (g)

Результат последнего вызова, вполне возможно приятный для юношей, - это именно то, что мы пытались не допустить с помощью переопределения типов. Вызов share ведет к тому, что объект BOY, известный как b и благодаря полиморфизму получивший псевдоним s типа SKIER, становится соседом объекта GIRL, известного под именем g. Однако вызов, хотя и противоречит правилам общежития, является вполне корректным в программном тексте, поскольку share -экспортируемый компонент в составе SKIER, а GIRL, тип аргумента g, совместим со SKIER, типом формального параметра share.

Схема с параллельной иерархией столь же проста: заменим SKIER на SKIER1, вызов share - на вызов s.accommodate (gr), где gr - сущность типа GIRL_ROOM. Результат - тот же.

При контравариантном решении этих проблем не возникало бы: специализация цели вызова (в нашем примере s) требовала бы обобщения аргумента. Контравариантность в результате ведет к более простой математической модели механизма: наследование - переопределение - полиморфизм. Данный факт описан в ряде теоретических статей, предлагающих эту стратегию. Аргументация не слишком убедительна, поскольку, как показывают наши примеры и другие публикации, контравариантность не имеет практического использования.

В литературе для программистов нередко встречается призыв к методам, основанных на простых математических моделях. Однако математическая красота - всего лишь один из критериев ценности результата, - есть и другие - полезность и реалистичность.

Поэтому, не пытаясь натянуть контравариантную одежду на ковариантное тело, следует принять ковариантную действительность и искать пути устранения нежелательного эффекта.

Скрытие потомком

Прежде чем искать решение проблемы ковариантности, рассмотрим еще один механизм, способный в условиях полиморфизма привести к нарушениям типа. Скрытие потомком (descendant hiding) - это способность класса не экспортировать компонент, полученный от родителей.

Рис. 17.8.  Скрытие потомком

Типичным примером является компонент add_vertex (добавить вершину), экспортируемый классом POLYGON, но скрываемый его потомком RECTANGLE (ввиду возможного нарушения инварианта - класс хочет оставаться прямоугольником):

class RECTANGLE inherit

POLYGON

export {NONE} add_vertex end

feature

...

invariant

vertex_count = 4

end

Не программистский пример: класс "Страус" скрывает метод "Летать", полученный от родителя "Птица".

Давайте на минуту примем эту схему такой, как она есть, и поставим вопрос, будет ли легитимным сочетание наследования и скрытия. Моделирующая роль скрытия, подобно ковариантности, нарушается из-за трюков, возможных из-за полиморфизма. И здесь не трудно построить вредоносный пример, позволяющий, несмотря на скрытие компонента, вызвать его и добавить прямоугольнику вершину:

p: POLYGON; r: RECTANGLE

...

create r; -- Создание объекта RECTANGLE.

p := r; -- Полиморфное присваивание.

p.add_vertex (...)

Так как объект r скрывается под сущностью p класса POLYGON, а add_vertex экспортируемый компонент POLYGON, то его вызов сущностью p корректен. В результате выполнения в прямоугольнике появится еще одна вершина, а значит, будет создан недопустимый объект.

Корректность систем и классов

Для обсуждения проблем ковариантности и скрытия потомком нам понадобится несколько новых терминов. Будем называть классово-корректной (class-valid) систему, удовлетворяющую трем правилам описания типов, приведенным в начале лекции. Напомним их: каждая сущность имеет свой тип; тип фактического аргумента должен быть совместимым с типом формального, аналогичная ситуация с присваиванием; вызываемый компонент должен быть объявлен в своем классе и экспортирован классу, содержащему вызов.

Система называется системно-корректной (system-valid), если при ее выполнении не происходит нарушения типов.

В идеале оба понятия должны совпадать. Однако мы уже видели, что классово-корректная система в условиях наследования, ковариантности и скрытия потомком может не быть системно-корректной. Назовем такую ошибку нарушением системной корректности (system validity error).

Практический аспект

Простота проблемы создает своеобразный парадокс: пытливый новичок построит контрпример за считанные минуты, в реальной практике изо дня в день возникают ошибки классовой корректности систем, но нарушения системной корректности даже в больших, многолетних проектах возникают исключительно редко.

Однако это не позволяет игнорировать их, а потому мы приступаем к изучению трех возможных путей решения данной проблемы.

Далее мы будем затрагивать весьма тонкие и не столь часто дающие о себе знать аспекты объектного подхода. Читая книгу впервые, вы можете пропустить оставшиеся разделы этой лекции. Если вы лишь недавно занялись вопросами ОО-технологии, то лучше усвоите этот материал после изучения лекций 1-11 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", посвященной методологии наследования, и в особенности лекции 6 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", посвященной методологии наследования.

Корректность систем: первое приближение

Давайте сконцентрируемся вначале на проблеме ковариантности, более важной из двух рассматриваемых. Этой теме посвящена обширная литература, предлагающая ряд разнообразных решений.

Контравариантность и безвариантность

Контравариантность устраняет теоретические проблемы, связанные с нарушением системной корректности. Однако при этом теряется реалистичность системы типов, по этой причине рассматривать этот подход в дальнейшем нет никакой необходимости.

Оригинальность языка C++ в том, что он использует стратегию безвариантности (novariance), не позволяя менять тип аргументов в переопределяемых подпрограммах! Если бы язык C++ был строго типизированным языком, его системной типов было бы трудно пользоваться. Простейшее решение проблемы в этом языке, как и обход иных ограничений C++ (скажем, отсутствия ограниченной универсальности), состоит в использовании кастинга - приведения типа, что позволяет полностью игнорировать имеющийся механизм типизации. Это решение не кажется привлекательным. Заметим, однако, что ряд предложений, обсуждаемых ниже, будет опираться на безвариантность, смысл которой придаст введение новых механизмов работы с типами взамен ковариантного переопределения.

Использование родовых параметров

Универсальность лежит в основе интересной идеи, впервые высказанной Францем Вебером (Franz Weber). Объявим класс SKIER1, ограничив универсализацию родового параметра классом ROOM:

class SKIER1 [G -> ROOM] feature

accommodation: G

accommodate (r: G) is ... require ... do accommodation := r end

end

Тогда класс GIRL1 будет наследником SKIER1 [GIRL_ROOM] и т. д. Тем же приемом, каким бы странным он не казался на первый взгляд, можно воспользоваться и при отсутствии параллельной иерархии: class SKIER [G -> SKIER].

Этот подход позволяет решить проблему ковариантности. При любом использовании класса необходимо задать фактический родовой параметр ROOM или GIRL_ROOM, так что неверная комбинация просто становится невозможной. Язык становится безвариантным, а система полностью отвечает потребностям ковариантности благодаря родовым параметрам.

К сожалению, эта техника неприемлема как общее решение, поскольку ведет к разрастанию списка родовых параметров, по одному на каждый тип возможного ковариантного аргумента. Хуже того, добавление ковариантной подпрограммы с аргументом, тип которого отсутствует в списке, потребует добавления родового параметра класса, а, следовательно, изменит интерфейс класса, повлечет изменения у всех клиентов класса, что недопустимо.

Типовые переменные

Ряд авторов, среди которых Ким Брюс (Kim Bruce), Дэвид Шенг (David Shang) и Тони Саймонс (Tony Simons), предложили решение на основе типовых переменных (type variables), значениями которых являются типы. Их идея проста:

[x]. взамен ковариантных переопределений разрешить объявление типов, использующее типовые переменные;

[x]. расширить правила совместимости типов для управления такими переменными;

[x]. считать язык (в остальном) безвариантным;

[x]. обеспечить возможность присваивания типовым переменным в качестве значений типы языка.

Подробное изложение этих идей читатели могут найти в ряде статей по данной тематике, а также в публикациях Карделли (Cardelli), Кастаньи (Castagna), Вебера (Weber) и др. Начать изучение вопроса можно с источников, указанных в библиографических заметках к этой лекции. Мы же не будем заниматься этой проблемой, и вот почему.

[x]. Надлежаще реализованный механизм типовых переменных относится к категории, позволяющей использовать тип без полной его спецификации. Эта же категория включает универсальность и закрепление объявлений. Этот механизм мог бы заменить другие механизмы этой категории. Вначале это можно истолковать в пользу типовых переменных, но результат может оказаться плачевным, так как не ясно, сможет ли этот всеобъемлющий механизм справиться со всеми задачами с той легкостью и простотой, которая присуща универсальности и закреплению типов.

[x]. Предположим, что разработан механизм типовых переменных, способный преодолеть проблемы объединения ковариантности и полиморфизма (все еще игнорируя проблему скрытия потомком). Тогда от разработчика классов потребуется незаурядная интуиция для того, чтобы заранее решить, какие из компонентов будут доступны для переопределения типов в порожденных классах, а какие - нет. Ниже мы обсудим эту проблему, имеющую место в практике создания программ и, увы, ставящую под сомнение применимость многих теоретических схем.

Это заставляет нас вернуться к уже рассмотренным механизмам: ограниченной и неограниченной универсальности, закреплению типов и, конечно, наследованию.

Полагаясь на закрепление типов

Почти готовое решение проблемы ковариантности мы найдем, присмотревшись к известному нам механизму закрепленных объявлений.

При описании классов SKIER и SKIER1 вас не могло не посетить желание, воспользовавшись закрепленными объявлениями, избавиться от многих переопределений. Закрепление - это типичный ковариантный механизм. Вот как будет выглядеть наш пример (все изменения подчеркнуты):

class SKIER feature

roommate: like Current

share (other: like Current) is ... require ... do

roommate := other

end

...

end

class SKIER1 feature

accommodation: ROOM

accommodate (r: like accommodation) is ... require ... do

accommodation := r

end

end

Теперь потомки могут оставить класс SKIER без изменений, а в SKIER1 им понадобится переопределить только атрибут accommodation. Закрепленные сущности: атрибут roommate и аргументы подпрограмм share и accommodate - будут изменяться автоматически. Это значительно упрощает работу и подтверждает тот факт, что при отсутствии закрепления (или другого подобного механизма, например, типовых переменных) написать ОО-программный продукт с реалистичной типизацией невозможно.

Но удалось ли устранить нарушения корректности системы? Нет! Мы, как и раньше, можем перехитрить проверку типов, выполнив полиморфные присваивания, вызывающие нарушения системной корректности.

Правда, исходные варианты примеров будут отклонены. Пусть:

s: SKIER; b: BOY; g: GIRL

...

create b;create g;-- Создание объектов BOY и GIRL.

s := b; -- Полиморфное присваивание.

sl.share (g)

Аргумент g, передаваемый share, теперь неверен, так как здесь требуется объект типа like s, а класс GIRL не совместим с этим типом, поскольку по правилу закрепленных типов ни один тип не совместим с like s, кроме него самого.

Впрочем, радоваться нам не долго. В другую сторону это правило говорит о том, что like s совместим с типом s. А значит, используя полиморфизм не только объекта s, но и параметра g, мы можем снова обойти систему проверки типов:

s: SKIER; b: BOY; g: like s; actual_g: GIRL;

...

create b; create actual_g -- Создание объектов BOY и GIRL.

s := actual_g; g := s -- Через s присоединить g к GIRL.

s := b -- Полиморфное присваивание.

s.share (g)

В результате незаконный вызов проходит.

Выход из положения есть. Если мы всерьез готовы использовать закрепление объявлений как единственный механизм ковариантности, то избавиться от нарушений системной корректности можно, полностью запретив полиморфизм закрепленных сущностей. Это потребует изменения в языке: введем новое ключевое слово anchor (эта гипотетическая конструкция нужна нам исключительно для того, чтобы использовать ее в данном обсуждении):

anchor s: SKIER

Разрешим объявления вида like s лишь тогда, когда s описано как anchor. Изменим правила совместимости так, чтобы гарантировать: s и элементы типа like s могут присоединяться (в присваиваниях или передаче аргумента) только друг к другу.

В исходном варианте правила существовало понятие опорно-эквивалентных элементов. При новом подходе опорно-эквивалентными должны быть как правая, так и левая часть любого присваивания, в котором участвует опорная или закрепленная сущность.

При таком подходе мы устраняем из языка возможность переопределения типа любых аргументов подпрограммы. Помимо этого, мы могли запретить переопределять тип результата, но в этом нет необходимости. Возможность переопределения типа атрибутов, конечно же, сохраняется. Все переопределения типов аргументов теперь будут выполняться неявно через механизм закрепления, инициируемый ковариантностью. Там, где при прежнем подходе класс D переопределял наследуемый компонент как:

r (u: Y) ...

тогда как у класса C - родителя D это выглядело

r (u: X) ...

где Y соответствовало X, то теперь переопределение компонента r будет выглядеть так:

r (u: like your_anchor) ...

Остается только в классе D переопределить тип your_anchor.

Это решение проблемы ковариантности - полиморфизма будем называть подходом Закрепления (Anchoring). Более аккуратно следовало бы говорить: "Ковариация только через Закрепление". Свойства подхода привлекательны:

[x]. Закрепление основано на идее строгого разделения ковариантных и потенциально полиморфных (или, для краткости, полиморфных) элементов. Все сущности, объявленные как anchor или like some_anchor ковариантны; прочие-полиморфны. В каждой из двух категорий допустимы любые присоединения, но нет сущности или выражения, нарушающих границу. Нельзя, например, присвоить полиморфный источник ковариантной цели.

[x]. Это простое и элегантное решение нетрудно объяснить даже начинающим.

[x]. Оно полностью устраняет возможность нарушения системной корректности в ковариантно построенных системах.

[x]. Оно сохраняет заложенную выше концептуальную основу, в том числе понятия ограниченной и неограниченной универсальности. (В итоге это решение, по-моему, предпочтительнее типовых переменных, подменяющих собой механизмы ковариантности и универсальности, предназначенных для решения разных практических задач.)

[x]. Оно требует незначительного изменения языка, - добавляя одно ключевое слово, отраженное в правиле соответствия, - и не связано с ощутимыми трудностями в реализации.

[x]. Оно реалистично (по крайней мере, теоретически): любую ранее возможную систему можно переписать, заменив ковариантные переопределения закрепленными повторными объявлениями. Правда, некоторые присоединения в результате станут неверными, но они соответствуют случаям, которые могут привести к нарушениям типов, а потому их следует заменить попытками присваивания и разобраться в ситуации во время выполнения.

Казалось бы, дискуссию можно на этом закончить. Так почему же подход Закрепления не полностью нас устраивает? Прежде всего, мы еще не касались проблемы скрытия потомком. Кроме этого, основной причиной продолжения дискуссии является проблема, уже высказанная при кратком упоминании типовых переменных. Раздел сфер влияния на полиморфную и ковариантную часть, чем-то похож на результат Ялтинской конференции. Он предполагает, что разработчик класса обладает незаурядной интуицией, что он в состоянии для каждой введенной им сущности, в частности для каждого аргумента раз и навсегда выбрать одну из двух возможностей:

[x]. Сущность является потенциально полиморфной: сейчас или позднее она (посредством передачи параметров или путем присваивания) может быть присоединена к объекту, чей тип отличается от объявленного. Исходный тип сущности не сможет изменить ни один потомок класса.

[x]. Сущность является субъектом переопределения типов, то есть она либо закреплена, либо сама является опорным элементом.

Но как разработчик может все это предвидеть? Вся привлекательность ОО-метода во многом выраженная в принципе Открыт-Закрыт как раз и связана с возможностью изменений, которые мы вправе внести в ранее сделанную работу, а также с тем, что разработчик универсальных решений не должен обладать бесконечной мудростью, понимая, как его продукт смогут адаптировать к своим нуждам потомки.

При таком подходе переопределение типов и скрытие потомком - своего рода "предохранительный клапан", дающий возможность повторно использовать существующий класс, почти пригодный для достижения наших целей:

[x]. Прибегнув к переопределению типов, мы можем менять объявления в порожденном классе, не затрагивая оригинал. При этом чисто ковариантное решение потребует правки оригинала путем описанных преобразований.

[x]. Скрытие потомком защита от многих неудач при создании класса. Можно критиковать проект, в котором RECTANGLE, используя тот факт, что он является потомком POLYGON, пытается добавить вершину. Взамен можно было бы предложить структуру наследования, в которой фигуры с фиксированным числом вершин отделены от всех прочих, и проблемы не возникало бы. Однако при разработке структур наследования предпочтительнее всегда те, в которых нет таксономических исключений. Но можно ли их полностью устранить? Обсуждая ограничение экспорта в одной из следующих лекций, мы увидим, что подобное невозможно по двум причинам. Во-первых, это наличие конкурирующих критериев классификации. Во-вторых, вероятность того, что разработчик не найдет идеального решения, даже если оно существует.

Желая сохранить гибкость адаптации порожденных классов для наших нужд, мы должны разрешить и ковариантное переопределение типов, и скрытие потомком. Далее мы узнаем, как этого добиться.

Глобальный анализ

Этот раздел посвящен описанию промежуточного подхода. Основные практические решения изложены в лекции 17.

Изучая вариант с закреплением, мы заметили, что его основной идеей было разделение ковариантного и полиморфного наборов сущностей. Так, если взять две инструкции вида

s := b ...

s.share (g)

каждая из них служит примером правильного применения важных ОО-механизмов: первая - полиморфизма, вторая - переопределения типов. Проблемы начинаются при объединении их для одной и той же сущности s. Аналогично:

p := r ...

p.add_vertex (...)

проблемы начинаются с объединения двух независимых и совершенно невинных операторов.

Ошибочные вызовы ведут к нарушению типов. В первом примере полиморфное присваивание присоединяет объект BOY к сущности s, что делает g недопустимым аргументом share, так как она связана с объектом GIRL. Во втором примере к сущности r присоединяется объект RECTANGLE, что исключает add_vertex из числа экспортируемых компонентов.

Вот и идея нового решения: заранее - статически, при проверке типов компилятором или иными инструментальными средствами - определим набор типов (typeset) каждой сущности, включающий типы объектов, с которыми сущность может быть связана в период выполнения. Затем, опять же статически, мы убедимся в том, что каждый вызов является правильным для каждого элемента из наборов типов цели и аргументов.

В наших примерах оператор s := b указывает на то, что класс BOY принадлежит набору типов для s (поскольку в результате выполнения инструкции создания create b он принадлежит набору типов для b). GIRL, ввиду наличия инструкции create g, принадлежит набору типов для g. Но тогда вызов share будет недопустим для цели s типа BOY и аргумента g типа GIRL. Аналогично RECTANGLE находится в наборе типов для p, что обусловлено полиморфным присваиванием, однако, вызов add_vertex для p типа RECTANGLE окажется недопустимым.

Эти наблюдения наводят нас на мысль о создании глобального подхода на основе нового правила типизации:

Правило системной корректности

Вызов x.f (arg) является системно-корректным, если и только если он классово-корректен для x, и arg, имеющих любые типы из своих соответствующих наборов типов.

В этом определении вызов считается классово-корректным, если он не нарушает правила Вызова Компонентов, которое гласит: если C есть базовый класс типа x, компонент f должен экспортироваться C, а тип arg должен быть совместим с типом формального параметра f. (Вспомните: для простоты мы полагаем, что каждый подпрограмма имеет только один параметр, однако, не составляет труда расширить действие правила на произвольное число аргументов.)

Системная корректность вызова сводится к классовой корректности за тем исключением, что она проверяется не для отдельных элементов, а для любых пар из наборов множеств. Вот основные правила создания набора типов для каждой сущности:

1 Для каждой сущности начальный набор типов пуст.

2 Встретив очередную инструкцию вида create {SOME_TYPE} a, добавим SOME_TYPE в набор типов для a. (Для простоты будем полагать, что любая инструкция create a будет заменена инструкцией create {ATYPE} a, где ATYPE - тип сущности a.)

3 Встретив очередное присваивание вида a := b, добавим в набор типов для a все элементы набора типов для b.

4 Если a есть формальный параметр подпрограммы, то, встретив очередной вызов с фактическим параметром b, добавим в набор типов для a все элементы набора типов для b.

5 Будем повторять шаги (3) и (4) до тех пор, пока наборы типов не перестанут изменяться.

Данная формулировка не учитывает механизма универсальности, однако расширить правило нужным образом можно без особых проблем. Шаг (5) необходим ввиду возможности цепочек присваивания и передач (от b к a, от c к b и т. д.). Нетрудно понять, что через конечное число шагов этот процесс прекратится.

Число шагов ограничено длиной максимальной цепочки присоединений; другими словами максимум равен n, если система содержит присоединения от xi+1 к xi для i=1, 2, ... n-1. Повторение шагов (3) и (4) известно как метод "неподвижной точки".

Как вы, возможно, заметили, правило не учитывает последовательности инструкций. В случае

create {TYPE1} t; s := t; create {TYPE2} t

в набор типов для s войдет как TYPE1, так и TYPE2, хотя s, учитывая последовательность инструкций, способен принимать значения только первого типа. Учет расположения инструкций потребует от компилятора глубокого анализа потока команд, что приведет к чрезмерному повышению уровня сложности алгоритма. Вместо этого применяются более пессимистичные правила: последовательность операций:

create b

s := b

s.share (g)

будет объявлена системно-некорректной, несмотря на то, что последовательность их выполнения не приводит к нарушению типа.

Глобальный анализ системы был (более детально) представлен в 22-й главе монографии [M 1992]. При этом была решена как проблема ковариантности, так и проблема ограничений экспорта при наследовании. Однако в этом подходе есть досадный практический недочет, а именно: предполагается проверка системы в целом, а не каждого класса в отдельности. Убийственным оказывается правило (4), которое при вызове библиотечной подпрограммы будет учитывать все ее возможные вызовы в других классах.

Хотя затем были предложены алгоритмы работы с отдельными классами в [M 1989b], их практическую ценность установить не удалось. Это означало, что в среде программирования, поддерживающей возрастающую компиляцию, необходимо будет организовать проверку всей системы. Желательно проверку вводить как элемент (быстрой) локальной обработки изменений, внесенных пользователем в некоторые классы. Хотя примеры применения глобального подхода известны, - так, программисты на языке C используют инструмент lint для поиска несоответствий в системе, не обнаруживаемых компилятором, - все это выглядит не слишком привлекательно.

В итоге, как мне известно, проверка системной корректности осталась никем не реализованной. (Другой причиной такого исхода, возможно, послужила сложность самих правил проверки.)

Классовая корректность предполагает проверку, ограниченную классом, и, следовательно, возможна при возрастающей компиляции. Системная корректность предполагает глобальную проверку всей системы, что входит в противоречие с возрастающей компиляцией.

Однако, несмотря на свое имя, фактически можно проверить системную корректность, используя только возрастающую проверку классов (в процессе работы обычного компилятора). Это и будет финальным вкладом в решение проблемы.

Остерегайтесь полиморфных кэтколлов!

Правило Системной Корректности пессимистично: в целях упрощения оно отвергает и вполне безопасные комбинации инструкций. Как ни парадоксально, но последний вариант решения мы построим на основе еще более пессимистического правила. Естественно, это поднимет вопрос о том, насколько реалистичным будет наш результат.

Назад, в Ялту

Суть решения Кэтколл (Catcall), - смысл этого понятия мы поясним позднее, - в возвращении к духу Ялтинских соглашений, разделяющих мир на полиморфный и ковариантный (и спутник ковариантности - скрытие потомков), но без необходимости обладания бесконечной мудростью.

Как и прежде, сузим вопрос о ковариантности до двух операций. В нашем главном примере это полиморфное присваивание: s := b, и вызов ковариантной подпрограммы: s.share (g). Анализируя, кто же является истинным виновником нарушений, исключим аргумент g из числа подозреваемых. Любой аргумент, имеющий тип SKIER или порожденный от него, нам не подходит ввиду полиморфизма s и ковариантности share. А потому если статически описать сущность other как SKIER и динамически присоединить к объекту SKIER, то вызов s.share (other) статически создаст впечатление идеального варианта, но приведет к нарушению типов, если полиморфно присвоить s значение b.

Фундаментальная проблема в том, что мы пытаемся использовать s двумя несовместимыми способами: как полиморфную сущность и как цель вызова ковариантной подпрограммы. (В другом нашем примере проблема состоит в использовании p как полиморфной сущности и как цели вызова подпрограммы потомка, скрывающего компонент add_vertex.)

Решение Кэтколл, как и Закрепление, носит радикальный характер: оно запрещает использовать сущность как полиморфную и ковариантную одновременно. Подобно глобальному анализу, оно статически определяет, какие сущности могут быть полиморфными, однако, не пытается быть слишком умным, отыскивая для сущностей наборы возможных типов. Вместо этого всякая полиморфная сущность воспринимается как достаточно подозрительная, и ей запрещается вступать в союз с кругом почтенных лиц, включающих ковариантность и скрытие потомком.

Одно правило и несколько определений

Правило типов для решения Кэтколл имеет простую формулировку:

Правило типов для Кэтколл

Полиморфные кэтколлы некорректны.

В его основе - столь же простые определения. Прежде всего, полиморфная сущность:

Определение: полиморфная сущность

Сущность x ссылочного (не развернутого) типа полиморфна, если она обладает одним из следующих свойств:

1 Встречается в присваивании x := y, где сущность y имеет иной тип или по рекурсии полиморфна.

2 Встречается в инструкциях создания create {OTHER_TYPE} x, где OTHER_TYPE не является типом, указанным в объявлении x.

3 Является формальным аргументом подпрограммы.

4 Является внешней функцией.

Цель этого определения - придать статус полиморфной ("потенциально полиморфной") любой сущности, которую при выполнении программы можно присоединить к объектам разных типов. Это определение применимо лишь к ссылочным типам, так как развернутые сущности по природе не могут быть полиморфными.

В наших примерах лыжник s и многоугольник p - полиморфны по правилу (1). Первому из них присваивается объект BOY b, второму - объект RECTANGLE r.

Если вы познакомились с формулировкой понятия набора типов, то заметили, насколько пессимистичнее выглядит определение полиморфной сущности, и насколько проще его проверить. Не пытаясь отыскать все всевозможные динамические типы сущности, мы довольствуемся общим вопросом: может данная сущность быть полиморфной или нет? Наиболее удивительным выглядит правило (3), по которому полиморфным считается каждый формальный параметр (если его тип не расширен, как в случае с целыми и т. д.). Мы даже не утруждаем себя анализом вызовов. Если у подпрограммы есть аргумент, то он находится в полном распоряжении клиента, а значит, и полагаться на указанный в объявлении тип нельзя. Это правило тесно связано с повторным использованием - целью объектной технологии, - где любой класс потенциально может быть включен в состав библиотеки, и будет многократно вызываться различными клиентами.

Характерным свойством этого правила является то, что оно не требует никаких глобальных проверок. Для выявления полиморфности сущности достаточно просмотреть текст самого класса. Если для всех запросов (атрибутов или функций) сохранять информацию об их статусе полиморфности, то не приходится изучать даже тексты предков. В отличие от отыскания наборов типов, можно обнаружить полиморфные сущности, проверяя класс за классом в процессе возрастающей компиляции.

Как было сказано при обсуждении наследования, подобный анализ может также представлять ценность при оптимизации кода.

Вызовы, как и сущности, могут быть полиморфными:

Определение: полиморфный вызов

Вызов является полиморфным, если его цель полиморфна.

Оба вызова в наших примерах полиморфны: s.share (g) ввиду полиморфизма s, p.add_ vertex (...) ввиду полиморфизма p. Согласно определению, только квалифицированные вызовы могут быть полиморфны. (Придав неквалифицированному вызову f (...) вид квалифицированного Current.f (...), мы не меняем суть дела, поскольку Current, присвоить которому ничего нельзя, не является полиморфным объектом.)

Далее нам потребуется понятие Кэтколла, основанное на понятии CAT. (CAT - это аббревиатура Changing Availability or Type - изменение доступности или типа). Подпрограмма является CAT подпрограммой, если некоторое ее переопределение потомком приводит к изменениям одного из двух видов, которые, как мы видели, являются потенциально опасными: изменяет тип аргумента (ковариантно) или скрывает ранее экспортировавшийся компонент.

Определение: CAT-подпрограммы

Подпрограмма называется CAT-подпрограммой, если некоторое ее переопределение изменяет статус экспорта или тип любого из ее аргументов.

Это свойство опять-таки допускает возрастающую проверку: любое переопределение типа аргумента или статуса экспорта делают процедуру или функцию CAT-подпрограммой. Отсюда следует понятие Кэтколла: вызова CAT-подпрограммы, который может оказаться ошибочным.

Определение: Кэтколл

Вызов называется Кэтколлом, если некоторое переопределение подпрограммы сделало бы его ошибочным из-за изменения статуса экспорта или типа аргумента.

Созданная нами классификация позволяет выделять специальные группы вызовов: полиморфные и кэтколлы. Полиморфные вызовы придают выразительную мощь объектному подходу, кэтколлы позволяют переопределять типы и ограничивать экспорт. Используя терминологию, введенную ранее в этой лекции, можно сказать, что полиморфные вызовы расширяют полезность (usefulness), кэтколлы - используемость(usability).

Вызовы share и add_vertex, рассмотренные в наших примерах, являются кэт-коллами. Первый осуществляет ковариантное переопределение своего аргумента. Второй экспортируется классом RECTANGLE, но скрыт классом POLYGON. Оба вызова также и полиморфны, а потому они служат прекрасным примером полиморфных кэтколлов. Они являются ошибочными согласно правилу типов Кэтколл.

Оценка

Прежде чем мы сведем воедино все, что узнали о ковариантности и скрытии потомком, вспомним еще раз о том, что нарушения корректности систем возникают действительно редко. Наиболее важные свойства статической ОО-типизации были обобщены в начале лекции. Этот впечатляющий ряд механизмов работы с типами совместно с проверкой классовой корректности, открывает дорогу к безопасному и гибкому методу конструирования ПО.

Мы видели три решения проблемы ковариантности, два из которых затронули и вопросы ограничения экспорта. Какое же из них правильное?

На этот вопрос нет окончательного ответа. Следствия коварного взаимодействия ОО-типизации и полиморфизма изучены не так хорошо, как вопросы, изложенные в предыдущих лекциях. В последние годы появились многочисленные публикации по этой теме, ссылки на которые приведены в библиографии в конце лекции. Кроме того, я надеюсь, что в настоящей лекции мне удалось представить элементы окончательного решения или хотя бы к нему приблизиться.

Глобальный анализ кажется непрактичным из-за полной проверки всей системы. Тем не менее, он помог нам лучше понять проблему.

Решение на основе Закрепления чрезвычайно привлекательно. Оно простое, интуитивно понятное, удобное в реализации. Тем сильнее мы должны сожалеть о невозможности поддержки в нем ряда ключевых требований ОО-метода, отраженных в принципе Открыт-Закрыт. Если бы мы и впрямь обладали прекрасной интуицией, то закрепление стало бы великолепным решением, но какой разработчик решится утверждать это, или, тем более, признать, что такой интуицией обладали авторы библиотечных классов, наследуемых в его проекте?

Это предположение сужает сферу применения многих опубликованных методов, в том числе, основанных на типовых переменных. Если бы мы были уверены в том, что разработчик всегда заранее знает о будущих изменениях типов, задача бы упростилась в теоретическом плане, но из-за ошибочности гипотезы она не имеет практической ценности.

Если от закрепления мы вынуждены отказаться, то наиболее подходящим кажется Кэтколл-решение, достаточно легко объяснимое и применимое на практике. Его пессимизм не должен исключать полезные комбинации операторов. В случае, когда полиморфный кэтколл порожден "легитимным" оператором, всегда можно безопасно допустить его, введением попытки присваивания. Тем самым ряд проверок можно перенести на время выполнения программы. Однако количество таких случаев должно быть предельно мало.

В качестве пояснения я должен заметить, что на момент написания книги решение Кэтколл не было реализовано. До тех пор, пока компилятор не будет адаптирован к проверке правила типов Кэтколл и не будет успешно применен к репрезентативным системам - большим и малым, - рано говорить, что в проблеме примирения статической типизации с полиморфизмом, сочетаемым с ковариантностью и скрытием потомком, сказано последнее слово.

Полное соответствие

Завершая обсуждение ковариантности, полезно понять, как общий метод можно применить к решению достаточно общей проблемы. Метод появился как результат Кэтколл-теории, но может использоваться в рамках базисного варианта языка без введения новых правил.

Пусть существуют два согласованных списка, где первый задает лыжников, а второй - соседа по комнате для лыжника из первого списка. Мы хотим выполнять соответствующую процедуру размещения share, только если она разрешена правилами описания типов, которые разрешают поселять девушек с девушками, девушек-призеров с девушками-призерами и так далее. Проблемы такого вида встречаются часто.

Возможно простое решение, основанное на предыдущем обсуждении и попытке присваивания. Рассмотрим универсальную функцию fitted (согласовать):

fitted (other: GENERAL): like other is

-- Текущий объект (Current), если его тип соответствует типу объекта,

-- присоединенного к other, иначе void.

do

if other /= Void and then conforms_to (other) then

Result ?= Current

end

end

Функция fitted возвращает текущий объект, но известный как сущность типа, присоединенного к аргументу. Если тип текущего объекта не соответствует типу объекта, присоединенного к аргументу, то возвращается Void. Обратите внимание на роль попытки присваивания. Функция использует компонент conforms_to из класса GENERAL, выясняющий совместимость типов пары объектов.

Замена conforms_to на другой компонент GENERAL с именем same_type дает нам функцию perfect_fitted (полное соответствие), которая возвращает Void, если типы обоих объектов не идентичны.

Функция fitted - дает нам простое решение проблемы соответствия лыжников без нарушения правил описания типов. Так, в код класса SKIER мы можем ввести новую процедуру и использовать ее вместо share, (последнюю можно сделать скрытой процедурой).

safe_share (other: SKIER) is

-- Выбрать, если допустимо, other как соседа по номеру.

-- gender_ascertained - установленный пол

local

gender_ascertained_other: like Current

do

gender_ascertained_other := other .fitted (Current)

if gender_ascertained_other /= Void then

share (gender_ascertained_other)

else

"Вывод: совместное размещение с other невозможно"

end

end

Для other произвольного типа SKIER (а не только like Current) определим версию gender_ascertained_other, имеющую тип, закрепленный за Current. Гарантировать идентичность типов нам поможет функция perfect_ fitted.

При наличии двух параллельных списков лыжников, представляющих планируемое размещение:

occupant1, occupant2: LIST [SKIER]

можно организовать цикл, выполняя на каждом шаге вызов:

occupant1.item.safe_share (occupant2.item)

сопоставляющий элементы списков, если и только если их типы полностью совместимы.

Ключевые концепции

[x]. Статическая типизация - залог надежности, читабельности и эффективности.

[x]. Чтобы быть реалистичной, статической типизации требуется совместное применение механизмов: утверждений, множественного наследования, попытки присваивания, ограниченной и неограниченной универсальности, закрепленных объявлений. Система типов не должна допускать ловушек (приведений типа).

[x]. Практические правила повторного объявления должны допускать ковариантное переопределение. Типы результатов и аргументов при переопределении должны быть совместимыми с исходными.

[x]. Ковариантность, также как и возможность скрытия потомком компонента, экспортированного предком, в сочетании с полиморфизмом порождают редко встречающуюся, но весьма серьезную проблему нарушения типов.

[x]. Этих нарушений можно избежать, используя: глобальный анализ (что непрактично), ограничивая ковариантность закрепленными типами (что противоречит принципу "Открыт-Закрыт"), решение Кэтколл, препятствующее вызову полиморфной целью подпрограммы с ковариантностью или скрытием потомком.

Библиографические замечания

Ряд материалов этой лекции представлен в докладах на форумах OOPSLA 95 и TOOLS PACIFIC 95, а также опубликован в [M 1996a]. Ряд обзорных материалов заимствован из статьи [M 1989e].

Понятие автоматического выведения типов введено в [Milner 1989], где описан алгоритм выведения типов функционального языка ML. Связь между полиморфизмом и проверкой типов была исследована в работе [Cardelli 1984a].

Приемы повышения эффективности кода динамически типизированных языков в контексте языка Self можно найти в [Ungar 1992].

Теоретическую статью, посвященную типам в языках программирования и оказавшую большое влияние на специалистов, написали Лука Карделли (Luca Cardelli) и Петер Вегнер (Peter Wegner) [Cardelli 1985]. Эта работа, построенная на базе лямбда-исчисления (см. [M 1990]), послужила основой многих дальнейших изысканий. Ей предшествовала другая фундаментальная статья Карделли [Cardelli 1984].

Руководство по ISE включает введение в проблемы совместного применения полиморфизма, ковариантности и скрытия потомком [M 1988a]. Отсутствие надлежащего анализа в первом издании этой книги послужило причиной ряда критических дискуссий (первыми из которых стали комментарии Филиппа Элинка (Philippe Elinck) в бакалаврской работе "De la Conception-Programmation par Objets", Memoire de licence, Universite Libre de Bruxelles (Belgium), 1988), высказанных в работах [Cook 1989] и [America 1989a]. В статье Кука приведены несколько примеров, связанных с проблемой ковариантности, и предпринята попытка ее решения. Решение на основе типовых параметров для ковариантных сущностей на TOOLS EUROPE 1992 предложил Франц Вебер [Weber 1992]. Точные определения понятий системной корректности, а также классовой корректности, даны в [M 1992], там же предложено решение с применением полного анализа системы. Решение Кэтколл впервые предложено в [M 1996a]; см. также [M-Web].

Решение Закрепления было представлено в моем докладе на семинаре TOOLS EUROPE 1994. Тогда я, однако, не усмотрел необходимости в anchor-объявлениях и связанных с этим ограничениях совместимости. Поль Дюбуа (Paul Dubois) и Амирам Йехудай (Amiram Yehudai) не преминули заметить, что в этих условиях проблема ковариантности остается. Они, а также Рейнхардт Будде (Reinhardt Budde), Карл-Хайнц Зилла (Karl-Heinz Sylla), Ким Вальден (Kim Walden) и Джеймс Мак-Ким (James McKim) высказали множество замечаний, имевших принципиальное значение в той работе, которая привела к написанию этой лекции.

Вопросам ковариантности посвящено большое количество литературы. В [Castagna 1995] и [Castagna 1996] вы найдете как обширную библиографию, так и обзор математических аспектов проблемы. Перечень ссылок на онлайновые материалы по теории типов в ООП и Web-страницы их авторов см. на странице Лорана Дами (Laurent Dami) [Dami-Web]. Понятия ковариантности и контравариантности заимствованы из теории категорий. Их появлением в контексте программной типизации мы обязаны Луке Карделли, который начал использовать их в своих выступлениях с начала 80-х гг., но до конца 80-х не прибегал к ним в печати.

Приемы на основе типовых переменных описаны в [Simons 1995], [Shang 1996], [Bruce 1997].

Контравариантность была реализована в языке Sather. Пояснения даны в [Szypersky 1993].

Лекция 18. Глобальные объекты и константы

Локальных знаний не достаточно - компонентам ПО необходима глобальная информация: разделяемые данные, общее окно для вывода ошибок, шлюз для подключения к базе данных или сети. В классическом подходе достаточно объявить такой объект глобальной переменной главной программы. В ОО-системах нет ни главной программы, ни глобальных переменных. Но разделяемые (shared) объекты по-прежнему нужны.

Константы базовых типов

Глобальные объекты - некий вызов ОО-методу, провозглашающему идеи децентрализации, модульности и автономности. Борьба шла за независимость модулей, за избавление от произвола центральной власти. Теперь этой власти нет. Как же построить систему, в которой компоненты совместно используют данные, не теряя своей автономности, гибкости, допускают повторное использование?

Передавать модулю разделяемые объекты как параметры не разумно, поскольку число их может быть достаточно велико. Да и сама передача параметров предполагает существование владельца, хотя при подлинном разделении владеть значениями не может ни один модуль.

Поиск более удачного решения мы начнем с хорошо известного понятия, необходимого как в объектной, так и в традиционной методологии проектирования. Речь пойдет о константах. Что такое константа Pi, как не простой, совместно используемый объект? Обобщив это понятие на более сложные объекты, мы сделаем первый шаг на пути к разделению объектов.

Начнем с формы записи констант.

Правило стиля - принцип символических констант - гласит, что обращение к конкретному значению (числу, символу или строке) почти всегда должно быть косвенным. Должно существовать определение константы, задающее имя, играющее роль символической константы (symbolic constant), и связанное с ним значение - константа, называемаю манифестной (manifest constant). Далее в алгоритме следует использовать символическую константу. Тому есть два объяснения.

[x]. Читабельность: читающему текст легче понять смысл US_states_count, чем числа 50;

[x]. Расширяемость: символическую константу легко обновить, исправив лишь ее определение.

Принцип допускает применение манифестных или, как часто говорят, неименованных констант в качестве "начальных" элементов разнообразных операций, как в случае с циклом from i = 1 until i > n (Но n, конечно, должно быть символической константой).

Итак, нам нужен простой и ясный способ определения символических констант.

Атрибуты-константы

Как и все сущности, символические константы должны быть определены внутри класса. Будем рассматривать константы как атрибуты с фиксированным значением, одинаковым для всех экземпляров класса.

Синтаксически вновь используем служебное слово is, применяемое при описании методов, только здесь за ним будет следовать не алгоритм, а значение нужного типа. Вот примеры определения констант базовых типов INTEGER, BOOLEAN, REAL и CHARACTER:

Zero: INTEGER is 0

Ok: BOOLEAN is True

Pi: REAL is 3.1415926524

Backslash: CHARACTER is '\'

Как видно из этих примеров, имена атрибутов-констант рекомендуется начинать с заглавной буквы, за которой следуют только строчные символы.

Потомки не могут переопределять значения атрибутов-констант.

Как и другие атрибуты, класс может экспортировать константы или скрывать. Так, если C - класс, экспортирующий выше объявленные константы, а у клиента класса к сущности x присоединен объект типа C, то выражение x.Backslash обозначает символ '\'.

В отличие от атрибутов-переменных, константы не занимают в памяти места. Их введение не связано с издержками в период выполнения, а потому не страшно, если их в классе достаточно много.

Использование констант

Вот пример, показывающий, как клиент может применять константы, определенные в классе:

class FILE feature

error_code: INTEGER; -- Атрибут-переменная

Ok: INTEGER is 0

Open_error: INTEGER is 1

...

open (file_name: STRING) is

-- Открыть файл с именем file_name

-- и связать его с текущим файловым объектом

do

error_code := Ok

...

if "Что-то не так" then

error_code := Open_error

end

end

... Прочие компоненты ...

end

Клиент может вызвать метод open и проверить успешность операции:

f: FILE; ...

f.open

if f.error_code = f.Open_error then

"Принять меры"

else

...

end

Нередко нужны и наборы констант, не связанных с конкретным объектом. Их, как и раньше, можно объединить в класс, выступающий в роли родителя всех классов, которым необходимы константы. В этом случае можно не создавать экземпляр класса:

class EDITOR_CONSTANTS

feature

Insert: CHARACTER is 'i'

Delete: CHARACTER is 'd'; -- и т.д.

...

end

class SOME_CLASS_FOR_THE_EDITOR

inherit

EDITOR_CONSTANTS

...Другие возможные родители ...

feature ...

... подпрограммы класса имеют доступ к константам, описанным в EDITOR_CONSTANTS ...

end

Класс, подобный EDITOR_CONSTANTS, служит лишь для размещения в нем группы констант, и его роль как "реализации АТД" (а это - наше рабочее определение класса) не столь очевидна, как в предыдущих примерах. Теоретическое обоснование введения таких классов мы обсудим позднее. Представленная схема работоспособна только при множественном наследовании, поскольку классу SOME_CLASS_FOR_THE_EDITOR могут потребоваться и другие родители.

Константы пользовательских классов

Символические константы полезны не только при работе с предопределенными типами, такими как INTEGER. Они нужны и тогда, когда их значениями являются объекты классов, созданных разработчиком. В этом случае решение не столь очевидно.

Константы с манифестом для этого непригодны

Первым примером служит класс, описывающий комплексное число:

class COMPLEX creation

make_cartesian, make_polar

feature

x, y: REAL

-- Действительная и мнимая часть

make_cartesian (a, b: REAL) is

-- Установить действительную часть a, мнимую - b.

do

x := a; y := b

end

... Прочие методы (помимо x и y, других атрибутов нет) ...

end

Пусть мы хотим определить константу - комплексное число i, действительная часть которого равна 0, а мнимая 1. Первое, что приходит в голову, - это буквальная константа вида

i: COMPLEX is "Выражение, определяющее комплексное число (0, 1)"

Как записать выражение после is? Для пользовательских типов данных никакой формы записи неименованных констант не существует.

Можно представить себе вариант нотации на основе атрибутов класса:

i: COMPLEX is COMPLEX (0, 1)

Но этот подход, хотя и реализован в некоторых ОО-языках, противоречит принципу модульности - основе объектной методологии. Приняв этот подход, мы согласились бы с тем, что клиенты COMPLEX должны описывать константы в терминах реализации класса, а это нарушает принцип Скрытия информации.

Кроме того, как гарантировать соответствие неименованной константы инварианту класса, если таковой имеется?

Последнее замечание позволяет найти правильное решение. Мы уже говорили о том, что в момент рождения объекта ответственность за соблюдение инварианта возлагается на процедуру создания. Создание объекта иным путем (помимо безопасного клонирования clone) ведет к ситуациям ошибки. Поэтому мы должны найти путь, основанный на обычном методе создания объектов класса.

Однократные функции

Пусть константный объект - это функция. Например, i можно (в иллюстративных целях) описать внутри самого класса COMPLEX как

i: COMPLEX is

-- Комплексное число, re= 0, а im= 1

do

create Result.make_cartesian (0, 1)

end

Это почти решает нашу задачу, поскольку функция всегда возвратит ссылку на объект нужного вида. Коль скоро мы полагаемся на обычную процедуру создания объекта, условие инварианта будет соблюдено, - как следствие, получим корректный объект.

Однако результат не соответствует потребностям: каждое обращение клиента к i порождает новый объект, идентичный всем остальным, а это - трата времени и пространства. Поэтому необходим особый вид функции, выполняемой только при первом вызове. Назовем такую функцию однократной (once function). В целом она синтаксически аналогична обычной функции и отличается лишь служебным словом once, начинающего вместо do ее тело:

i: COMPLEX is

-- Комплексное число, re= 0, im= 1

once

create Result.make_cartesian (0, 1)

end

При первом вызове однократной функции она создает объект, который представляет желаемое комплексное число, и возвращает на него ссылку. Каждый последующий вызов приведет к немедленному завершению функции и возврату результата, вычисленного в первый раз. Что касается эффективности, то обращение к i во второй, третий и т.д. раз должно отнимать времени ненамного больше, чем операция доступа к атрибуту.

Результат, найденный при первом вызове однократной функции, может использоваться во всех экземплярах класса, включая экземпляры потомков, где эта функция не переопределена. Переопределение однократных функций как обычных (и обычных как однократных) допускается без всяких ограничений. Так, если COMPLEX1, порожденный от класса COMPLEX, заново определяет i, то обращение к i в экземпляре COMPLEX1 означает вызов переопределенного варианта, а обращение к i в экземпляре самого COMPLEX или его потомка, отличного от COMPLEX1, означает вызов однократной функции, то есть значения, найденного ею при первом вызове.

Применение однократных подпрограмм

Понятие однократных подпрограмм расширяет круг задач, позволяя включить разделяемые объекты, глобальные системные параметры, инициализацию общих свойств.

Разделяемые объекты

Для ссылочных типов, таких как COMPLEX, наш механизм фактически предлагает константные ссылки, а не обязательно константные объекты. Он гарантирует, что тело функции выполняется при первом обращении, возвращая результат, который будет также возвращаться при последующих вызовах, уже не требуя никаких действий.

Если функция возвращает значение ссылочного типа, то в ее теле, как правило, есть инструкция создания объекта, и любой вызов приведет к получению ссылки на этот объект. Хотя создание объекта не повторяется, ничто не мешает изменить сам объект, воспользовавшись полученной ссылкой. В итоге мы имеем разделяемый объект, не являющийся константным.

Пример такого объекта - окно вывода информации об ошибках. Пусть все компоненты интерактивной системы могут направлять в это окно свои сообщения:

Message_window.put_text ("Соответствующее сообщение об ошибке")

где Message_window имеет тип WINDOW, чей класс описан следующим образом:

class WINDOW

creation

make

feature

make (...) is

-- Создать окно; аргументы задают размер и положение.

do ... end

text: STRING

-- Отображаемый в окне текст

put_text (s: STRING) is

-- Сделать s отобржаемым в окне текстом.

do

text := s

end

... Прочие компоненты ...

end -- класс WINDOW

Ясно, что объект Message_window должен быть одним для всех компонентов системы. Это достигается описанием соответствующего компонента как однократной функции:

Message_window: WINDOW is

-- Окно для вывода сообщений об ошибках

once

create Result.make ("... Аргументы размера и положения ...")

end

В данном случае окно сообщений должно находиться в совместном пользовании всех сторон, но не являться константным объектом. Каждый вызов put_text будет изменять объект, помещая в него новую строку текста. Лучшим местом описания Message_window станет класс, от которого порождены все компоненты системы, нуждающиеся в окне выдачи сообщений.

Создав разделяемый объект, играющий роль константы, (например, i), вы можете запретить вызовы i.some_procedure, способные его изменять. Для этого, например, в классе COMPLEX достаточно ввести в инвариант класса предложения i.x = 0 и i.y = 1.

Однократные функции с результатами базовых типов

Еще одним применением однократных функций является моделирование глобальных значений - "системных параметров", которые обычно нужны сразу нескольким классам, но не меняются в ходе программной сессии. Их начальная установка требует информации от пользователя или операционной среды. Например:

[x]. компонентам низкоуровневой системы может понадобиться объем доступной им памяти, выделенный средой при инициализации;

[x]. система эмуляции терминала может начать работу с отправки среде запроса о числе терминальных портов. Затем эти данные будут использоваться в ряде модулей приложения.

Такие глобальные данные аналогичны совместно используемым объектам, хотя обычно они являются значениями базовых типов. Схема их реализации однократными функциями такова:

Const_value: T is

-- Однократно вычисляемый системный параметр

local

envir_param: T ' -- Любой тип (T и не только)

once

"Получить envir_param из операционной среды"

Result := "Значение, рассчитанное на основе envir_param"

end

Такие однократные функции описывают динамически вычисляемые константы.

Предположим, данное объявление находится в классе ENVIR. Класс, которому надо воспользоваться константой Const_value, получит ее значение, указав ENVIR в списке своих родителей. В отличие от классического подхода к расчету константы, здесь не нужна процедура инициализации системы, вычисляющая все глобальные параметры системы, как это делается в классическом подходе. Как отмечалось в начальных лекциях, такая процедура должна была бы иметь доступ к внутренним деталям многих модулей, что нарушало бы ряд критериев и принципов модульности: декомпозиции, скрытия информации и других. Наоборот, классы, подобные ENVIR, могут разрабатываться как согласованные модули, каждый задающий множество логически связанных глобальных значений. Процесс вычисления такого параметра, к примеру, Const_value, инициирует первый из компонентов, который запросит этот параметр при выполнении системы. Хотя Const_value является функцией, использующие его компоненты могут полагать, что имеют дело с константным атрибутом.

Как уже говорилось, ни один модуль не имеет больше прав на разделяемые данные, чем остальные. Это особенно справедливо для только что рассмотренных случаев. Если расчет значения способен инициировать любой модуль, нет смысла и говорить о том, будто один из них выступает в роли владельца. Такое положение дел и отражает модульная структура системы.

Однократные процедуры

Функция close должна вызываться только один раз. Контроль над количеством ее вызовов рекомендуется возложить на глобальную переменную приложения.

Из руководства к коммерческой библиотеке функций языка C

Механизм однократных функций интересен и при работе с процедурами. Однократные процедуры могут применяться для инициализации общесистемного свойства, когда заранее неизвестно, какому компоненту это свойство понадобится первому.

Примером может стать графическая библиотека, в которой любая функция, вызываемая первой, должна предварительно провести настройку, учитывающую параметры дисплея. Автор библиотеки мог, конечно, потребовать, чтобы каждый клиент начинал работу с библиотекой с вызова функции настройки. Этот нюанс, в сущности, не решает проблему - чтобы справиться с ошибками, любая функция должна обнаруживать, не запущена ли она без настройки. Но если функции такие "умные", то зачем что-то требовать от клиента, когда можно нужную функцию настройки вызывать самостоятельно.

Однократные процедуры решают эту проблему лучше:

check_setup is

-- Настроить терминал, если это еще не сделано.

once

terminal_setup -- Фактические действия по настройке.

end

Теперь каждая экранная функция должна начинаться с обращения к check_setup, первый вызов которой приведет к настройке параметров, а остальные не сделают ничего. Заметьте, что check_setup не должна экспортироваться клиентам.

Однократная процедура - это важный прием, упрощающий применение библиотек и других программных пакетов.

Параметры

Однократные процедуры и функции могут иметь параметры, необходимые, по определению, лишь при первом вызове.

Однократные функции, закрепление и универсальность

В этом разделе мы обсудим конкретную техническую проблему, поэтому при первом чтении книги его можно пропустить.

Однократные функции, тип которых не является встроенным, вносят потенциальную несовместимость с механизмом закрепления типов и универсальностью.

Начнем с универсальности. Пусть в родовом классе EXAMPLE [G] есть однократная функция, чей тип родовой параметр:

f: G is once ... end

Рассмотрим пример ее использования:

character_example: EXAMPLE [CHARACTER]

...

print (character_example.f)

Пока все в порядке. Но если попытаться получить константу с другим родовым параметром:

integer_example: EXAMPLE [INTEGER]

...

print (integer_example.f + 1)

В последней инструкции мы складываем два числа. Первое значение, результат вызова f, к сожалению, уже найдено, поскольку f - однократная функция, причем символьного, а не числового типа. Сложение окажется недопустимым.

Проблема заключается в попытке разделения значения разными формами родового порождения, ожидающими значения, тип которого определяется родовым параметром. Аналогичная ситуация возникает и с закреплением типов. Представим себе класс B, добавляющий еще один атрибут к компонентам своего родителя A:

class B inherit A feature

attribute_of_B: INTEGER

end

Пусть A имеет однократную функцию f, возвращающую результат закрепленного типа:

f: like Current is once create Result make end

и пусть первый вызов функции f имеет вид:

a2 := a1.f

где a1 и a2 имеют тип A. Вычисление f создаст экземпляр A и присоединит его к сущности a2. Все прекрасно. Но предположим, далее следует:

b2 := b1.f

где b1 и b2 имеют тип B. Не будь f однократной функцией, никакой проблемы бы не возникло. Вызов f породил бы экземпляр класса B и вернул его в качестве результата. Но функция является однократной, а ее результат был уже найден при первом вызове. И это - экземпляр A, но не B. Поэтому инструкция вида:

print (b2.attribute_of_B)

попытается обратиться к несуществующему полю объекта A.

Проблема в том, что закрепление вызывает неявное переопределение типов. Если бы f была переопределена явно, с применением в классе B объявления

f: B is once create Resultl make end

при условии, что исходный вариант f в классе A возвращает результат типа A (а не like Current), все было бы замечательно: экземпляры A обращались бы к версии f для A, экземпляры B - к версии f для B. Однако закрепление типов было введено как раз для того, чтобы избавить нас от таких явных переопределений.

Эти примеры - свидетельства несовместимости семантики однократных функций (с процедурами все прекрасно) с результатами применения закрепленных типов и формальных родовых параметров. Одно из решений проблемы в том, чтобы трактовать такие случаи как явные переопределения, приняв за правило то, что результат однократной функции совместно используется лишь в пределах одной формы родовой порождения, а при закреплении результата - лишь среди экземпляров своего класса. Недостатком такого подхода, впрочем, является, что он не отвечает интуитивной семантике однократных функций, которые, с позиции клиента, должны быть эквивалентны разделяемым атрибутам. Во избежание недоразумений и возможных ошибок можно пойти на более суровые меры, наложив полный запрет на сценарии подобного рода:

Правило для однократной функции

Тип результата однократной функции не может быть закреплен и не может включать любой родовой параметр.

Константы строковых типов

В начале этой лекции были введены символьные константы, значением которых является символ. Например:

Backslash: CHARACTER is '\'

Однако нередко классам требуются строковые константы, использующие, как обычно, для записи константы двойные кавычки:

[S1]

Message: STRING is "Syntax error" -- "Синтаксическая ошибка"

Вспомните, что STRING - не простой тип. Это - библиотечный класс, поэтому значение, связанное с сущностью Message во время работы программы, является объектом, то есть экземпляром STRING. Как вы могли догадаться, такое описание является сокращенной формой объявления однократной функции вида:

[S2]

Message: STRING is

-- Строка из 12 символов

once

create Result.make (12)

Result.put ('S', 1)

Result.put ('y', 2)

...

Result.put ('r', 12)

end

Строковые значения являются не константами, а ссылками на разделяемые объекты. Любой класс, имеющий доступ к Message, может изменить значение одного или нескольких символов строки. Строковые константы можно использовать и как выражения при передаче параметров или присваивании:

Message_window.display ("НАЖМИТЕ ЛЕВУЮ КНОПКУ ДЛЯ ВЫХОДА")

greeting := "Привет!"

Unique-значения

Иногда при разработке программ возникает потребность в сущности, принимающей лишь несколько значений, характеризующих возможные ситуации. Так, операция чтения может вернуть код результата, значениями которого будут признаки успешной операции, ошибки при открытии и ошибки при считывании. Простым решением проблемы было бы применение целочисленного атрибута:

code: INTEGER

и набора символьных констант

[U1]

Successful: INTEGER is 1

Open_error: INTEGER is 2

Read_error: INTEGER is 3

которые позволяют записывать условные инструкции вида

[U2]

if code = Successful then ...

или инструкции выбора

[U3]

inspect

code

when Successful then

...

when ...

end

Но такой перебор значений констант утомляет. Следующий вариант записи действует так же, как [U1]:

[U4]

Successful, Open_error, Read_error: INTEGER is unique

Спецификатор unique, записанный вместо буквального значения в объявлении атрибута-константы целого типа, указывает на то, что это значение выбирает компилятор, а не сам разработчик. При этом условная инструкция [U2] и оператор выбора [U3] по-прежнему остаются в силе.

Каждое unique-значение в теле класса положительно и отличается от других. Если, как в случае [U4], константы будут описаны вместе, то их значения образуют последовательность. Чтобы ограничить значение code этими тремя константами, в инвариант класса можно включить условие

code >= Successful; code <= Read_error

Располагая подобным инвариантом, производные классы, обладающие правом специализации инварианта, но не его расширением, могут сузить, но не расширить перечень возможных значений code, сведя его, скажем, всего к двум константам.

Значения, заданные как unique, следует использовать только для представления фиксированного набора возможных значений. Если допустить его пополнение, то это приведет к необходимости внесения изменений в тексты инструкций, подобных [U3]. В общем случае для классификации не рекомендуется использовать unique-значения, так как ОО-методология располагает лучшими приемами решения этой задачи. Данный выше пример является образцом правильного обращения с описанным механизмом. Правильными можно считать и объявления цветов семафора: green, yellow, red: INTEGER is unique; нот: do, re, mi, ...: INTEGER is unique. Объявление savings, checking, money_market: INTEGER is unique возможно будет неверным, поскольку различные финансовые инструменты, список которых здесь приведен, имеют различные свойства или допускают различную реализацию. Более удачным решением в этом случае, пожалуй, станут механизмы наследования и переопределения.

Объединим сказанное в форме правила:

Принцип дискриминации

Используйте unique для описания фиксированного набора возможных альтернатив. Используйте наследование для классификации абстракций с изменяющимися свойствами.

Хотя объявление unique-значений напоминает определение перечислимых типов (enumerated type) языков Pascal и Ada, оно не вводит новые типы, а только целочисленные значения. Дальнейшее обсуждение позволит объяснить разницу подходов.

Обсуждение

В этом разделе термин "глобальный объект" относится как к глобальным константам встроенных типов, так и к разделяемым сложным объектам, требующим в последнем случае создания объекта при инициализации.

Инициализация: подходы языков программирования

Проблема, решаемая в этой лекции, - это общая проблема языков программирования: как работать с глобальными константами и разделяемыми объектами, в частности, как выполнять их инициализацию в библиотеках компонентов?

Для библиотек более общей задачей является включение в каждый компонент возможности определения того, что его вызов является первым запросом к службам библиотеки, что и позволяет определить, была ли сделана инициализация.

Последнюю задачу можно свести к более простой: как разделять переменные булевого типа и согласованно их инициализировать? Свяжем с глобальным объектом p или группой глобальных объектов, нуждающихся в одновременной инициализации, булеву переменную, скажем, ready, истинную, если и только если инициализация проведена. Тогда любому обращению к p нетрудно предпослать инструкцию

if not ready then

"Создать или вычислить p"

ready := True

end

Теперь проблема инициализации касается только ready - еще одного глобального объекта, который необходимо инициализировать значением False.

Как же решается эта задача в языках программирования? С момента их появления в этом плане почти ничего не менялось. В блочно-структурированных языках, среди которых Algol и Pascal, типичным было описание ready как глобальной переменной на верхнем синтаксическом уровне; ее инициализация производилась в главной программе. Но такая техника непригодна для библиотек автономных модулей.

В языке Fortran, позволяющем независимую компиляцию подпрограмм (что придает им известную автономность), можно поместить все глобальные объекты в общий блок (common block), идентифицируемый по имени. Всякая подпрограмма, обращающаяся к общему блоку, должна содержать такую директиву:

COMMON /common_block_name/ data_item_names

При этом возникают две проблемы:

[x]. Две совокупности подпрограмм могут использовать одноименные общие блоки, что приведет к конфликту, если одной из программ понадобится как первый, так и второй блок. Смена имени блока вызовет трудности у других программ.

[x]. Как инициализировать сущности общего блока, такие как ready? Из-за отсутствия инициализации по умолчанию, ее нужно выполнять в особом модуле, называемом блоком данных (block data unit). В Fortran 77 допускаются именованные модули, что позволяет разработчикам объединять глобальные данные разных общих блоков. При этом есть немалый риск несогласованности инициализации и объявления глобальных объектов.

Принцип решения этой задачи в языке C по сути не отличается от решения Fortran 77. Признак ready нужно описать как "внешнюю" переменную, общую для нескольких "файлов" (единиц компиляции языка). Объявление переменной с указанием ее значения может содержать только один файл, остальные, используя директиву extern, подобную COMMON в Fortran 77, лишь заявляют о необходимости доступа к переменной. Обычно такие определения объединяют в "заголовочные" (header) .h-файлы, которые соответствуют блоку данных в Fortran. При этом наблюдаются те же проблемы, отчасти решаемые утилитами make, призванными отслеживать возникающие зависимости.

Решение может быть близко к тому, что предлагают модульные языки наподобие Ada или Modula 2, подпрограммы которых можно объединять в модули более высокого уровня. В Ada эти модули называют "пакетами" (package). Если все подпрограммы, использующие группу взаимосвязанных глобальных объектов, собраны в одном пакете, то соответствующие признаки ready можно описать в этом же пакете и здесь же выполнить их инициализацию. Однако этот подход (применимый также в C и Fortran 77) не решает проблему инициализации автономных библиотек. Еще более деликатный вопрос связан с тем, как поступать с глобальными объектами, разделяемых подпрограммами разных независимых модулей. Языки Ada и Modula не дают простого ответа на этот вопрос.

Механизм "однократных" методов, сохраняя независимость классов, допускает контекстно-зависимую инициализацию.

Строковые константы

Строковые константы (а точнее, разделяемые строковые объекты) объявляются в языках программирования в манифестной форме с использованием двойных кавычек. Это находит отражение в правилах языка, и как следствие любой компилятор предполагает присутствие в библиотеке класса STRING. Это - своего рода компромисс между "полярными" решениями.

[x]. STRING рассматривается как встроенный тип, каким он является во многих языках программирования. Это означает введение в язык операций над строками: конкатенации, сравнения, выделения подстроки и других, что усложняет язык. Преимуществом введения такого класса является возможность снабдить его операции точными спецификациями, благодаря утверждениям, и способность порождать от него другие классы.

[x]. STRING рассматривается как обычный класс, создаваемый разработчиком. Тогда задавать его константы в манифестной форме [S1] уже нельзя, от разработчиков потребуется соблюдение формата [S2]. Кроме того, данный подход препятствует оптимизации компилятором таких операций, как прямой доступ к символам строки.

Поэтому строки STRING, как и массивы ARRAY, ведут "двойную жизнь", принимая вид предопределенного типа при задании констант и оптимизации кода, и становясь классом, когда речь заходит о гибкости и универсальности.

Unique-значения и перечислимые типы

Pascal и производные от него языки допускают описание переменной вида

code: ERROR

где ERROR - это "перечислимый тип":

type ERROR = (Normal, Open_error, Read_error)

Переменная code может принимать только значения типа ERROR. Мы уже видели, как добиться того же самого в ОО-нотации: при выполнении кода результат будет почти идентичен, поскольку Pascal-компиляторы традиционно реализуют значения перечислимого типа как целые числа. Введение объявления unique не порождает нового типа. Понятие перечислимых типов, кажется, трудно совместить с объектным подходом. Все наши типы основаны на классах, характеризующих реально осуществимые операции и их свойства. Перечислимые типы не обладают такими характеристиками, а представляют обычные множества чисел. Проблемы с этими типами данных возникают и в необъектных языках.

[x]. Статус символических имен не вполне ясен. Могут ли два перечислимых типа иметь общие символические имена (скажем, Orange в составе типов FRUIT и COLOR)? Можно ли их экспортировать как переменные и распространять на них те же правила видимости?

[x]. Значения перечислимых типов трудно получать и передавать программам, написанным на других языках, к примеру, C и Fortran, не поддерживающих такое понятие. В тоже время значения, описанные как unique, - это обычные числа, работа с которыми не вызывает никаких проблем.

[x]. Перечислимые типы данных могут требовать специальных операторов. Так, можно представить себе оператор next, возвращающий следующее значение и неопределенный для последнего элемента перечисления. Помимо него потребуется оператор, сопоставляющий элементу целое значение (индекс). В итоге синтаксическое и семантическое усложнение языка кажется непропорциональным вкладу этого механизма.

Объявления перечислимых типов в Pascal и Ada обычно принимают вид:

type FIGURE_SORT = (Circle, Rectangle, Square, ...)

и используются совместно с вариантными полями записей:

FIGURE =

record

perimeter: INTEGER;

... Другие атрибуты, общие для фигур всех типов ...

case fs: FIGURE_SORT of

Circle: (radius: REAL; center: POINT);

Rectangle:... Специальные атрибуты прямоугольника ...;

...

end

end

Этот механизм позволяет организовать разбор случаев в операторе выбора case:

procedure rotate (f: FIGURE)

begin case f of

Circle:... Специальные операции поворота окружности ...;

Rectangle:...;

...

Мы уже познакомились с лучшим способом решения этой проблемы, сохраняющим расширяемость при появлении новых вариантов, - достаточно определить различные версии процедур, подобных rotate для каждого нового варианта, представленного классом.

Когда это наиболее важное применение перечислимых типов исчезло, все, что осталось необходимым в некоторых случаях, - это выбор целочисленных кодов для фиксированного множества возможных значений. Определив их как обычные целые, мы избежим многих семантических неопределенностей, связанных с перечислимыми типами, например, нет ничего необычного в выражении Circle +1, если известно, что Circle типа integer. Введение unique-значения позволяет обойти единственное неудобство, связанное с необходимостью инициализации значений, позволяя выполнять ее автоматически.

Ключевые концепции

[x]. При любом подходе к конструированию ПО возникает проблема работы с глобальными объектами, совместно используемыми компонентами разных модулей, и инициализируемыми в период выполнения, когда какой-либо из компонентов первым к ним обратился.

[x]. Константы могут быть манифестными и символическими. Первые задаются значениями, синтаксис которых определен так, что значение одновременно описывает и тип константы, а потому является манифестом. Символические константы представлены именами, а их значение указывается в определении константы.

[x]. Манифестные константы базовых типов можно объявлять как константные атрибуты, не требующие памяти в объектах.

[x]. За исключением строк, типы, определенные пользователем, не имеют манифестных констант, нарушающих принципы Скрытия информации и расширяемости.

[x]. Однократная подпрограмма синтаксически отличается от обычной лишь ключевым словом once, заменяющим do. Она полностью выполняется лишь один раз (при первом вызове). При последующих вызовах однократной функции возвращается результат, вычисленный при первом вызове, последующие вызовы процедуры не имеют эффекта и могут быть проигнорированы.

[x]. Разделяемые объекты могут быть реализованы как однократные функции. Можно использовать инвариант для указания их константности.

[x]. Однократные процедуры используются там, где операции должны быть выполнены только однажды во время выполнения системы, чаще всего, это связано с инициализацией глобальных параметров системы.

[x]. Тип однократной функции не может быть закрепленным или родовым типом.

[x]. Константы строковых типов внутренне интерпретируются как однократные функции, однако, внешне они выглядят как манифестные константы, значения которых заключается в двойные кавычки.

[x]. Перечислимые типы в стиле языка Pascal не соответствуют объектной методологии. Для представления объектов с несколькими возможными вариантами значений используются символические unique константы. Инициализация значений таких констант выполняется компилятором.

Библиографические замечания

Проблемы перечислимых типов были изучены в работах [Welsh 1977] и [Moffat 1981]. Некоторые приемы, рассмотренные в этой лекции, впервые представлены в [M 1988b].

Упражнения

У18.1 Эмуляция перечислимых типов однократными функциями

Покажите, что при отсутствии unique-типов перечислимый тип языка Pascal

type ERROR = (Normal, Open_error, Read_error)

может быть представлен классом с однократной функцией для каждого значения типа.

У18.2 Однократные функции для эмуляции unique-значений

Покажите, что в языке без поддержки unique-объявлений результат, аналогичный

value: INTEGER is unique

можно получить, воспользовавшись объявлением вида

value: INTEGER is once...end

где вам необходимо написать тело однократной функции и все, что может еще понадобиться.

У18.3 Однократные функции в родовых классах

Приведите пример однократной функции, чей результат включает родовой параметр, и, если он не корректен, порождает ошибку времени выполнения.

У18.4 Однократные атрибуты?

Исследуйте полезность понятия "однократного атрибута", полученного по образцу однократной функции? Будет ли такой атрибут общим для всех экземпляров класса? Как инициализировать однократные атрибуты? Являются ли они избыточными при наличии однократных функций без аргументов? Если нет, объясните, когда использовать тот или иной механизм. Предложите хороший синтаксис объявления однократных атрибутов.

Примечания

ХансенаХансена 1.1

Computer WorldComputer World 1.2

методаметода 3.1

именованные константыименованные константы 3.2

Метод, требующий от каждого модуля, вводящего данные, проверку их достоверности, пригоден для реализации модульной защищенности.Метод, требующий от каждого модуля, вводящего данные, проверку их достоверности, пригоден для реализации модульной защищенности. 3.3

Переменная x доступна для всех команд в этом фрагменте программы, в то время как области действия двух переменных с именем z (одна типа BOOLEAN, другая типа INTEGER) ограничены блоками B2 и B3 соответственно. Подобно x, переменная y объявлена на уровне блока B1, но ее область действия не включает блока B3, где другая переменная с тем же именем и тем же типом локально имеет приоритет над самой ближней внешней переменной y. В Pascal'е этот вид блочной структуры существует лишь для блоков, связанных с подпрограммами (процедурами и функциями).Переменная x доступна для всех команд в этом фрагменте программы, в то время как области действия двух переменных с именем z (одна типа BOOLEAN, другая типа INTEGER) ограничены блоками B2 и B3 соответственно. Подобно x, переменная y объявлена на уровне блока B1, но ее область действия не включает блока B3, где другая переменная с тем же именем и тем же типом локально имеет приоритет над самой ближней внешней переменной y. В Pascal'е этот вид блочной структуры существует лишь для блоков, связанных с подпрограммами (процедурами и функциями). 3.4

Из этого обсуждения следует, что ключом к скрытию информации являются не решения по организации доступа к исходному тексту модуля в рамках управления проектом или маркетинговой политики, а строгие языковые правила, определяющие, какие права на доступ к модулю следуют из свойств его источника. В следующей лекции показано, что первые шаги в этом направлении реализованы в таких "языках с инкапсуляцией" как Ada и Modula-2. Объектно-ориентированная технология программирования приведет к более полному решению проблемы.Из этого обсуждения следует, что ключом к скрытию информации являются не решения по организации доступа к исходному тексту модуля в рамках управления проектом или маркетинговой политики, а строгие языковые правила, определяющие, какие права на доступ к модулю следуют из свойств его источника. В следующей лекции показано, что первые шаги в этом направлении реализованы в таких "языках с инкапсуляцией" как Ada и Modula-2. Объектно-ориентированная технология программирования приведет к более полному решению проблемы. 3.5

Хотя вначале может показаться, что принцип Унифицированного Доступа направлен лишь на решение проблем, связанных с принятой нотацией, в действительности он задает правило проектирования, влияющее на многие аспекты ОО-разработки ПО. Принцип следует из критерия Непрерывности; его можно рассматривать и как частный случай правила Скрытия Информации.Хотя вначале может показаться, что принцип Унифицированного Доступа направлен лишь на решение проблем, связанных с принятой нотацией, в действительности он задает правило проектирования, влияющее на многие аспекты ОО-разработки ПО. Принцип следует из критерия Непрерывности; его можно рассматривать и как частный случай правила Скрытия Информации. 3.6

книгакнига 4.1

Некоторые компиляторы создают вначале промежуточный код, который уже затем транслируется или интерпретируется на конкретной платформе. Это позволяет обеспечить мобильность ПО без полного доступа к исходному тексту. Если, как это часто бывает сейчас, в компиляторе формируется промежуточный код с использованием языка C, то вместо двоичного кода обычно можно поставлять переносимый код на языке C.Некоторые компиляторы создают вначале промежуточный код, который уже затем транслируется или интерпретируется на конкретной платформе. Это позволяет обеспечить мобильность ПО без полного доступа к исходному тексту. Если, как это часто бывает сейчас, в компиляторе формируется промежуточный код с использованием языка C, то вместо двоичного кода обычно можно поставлять переносимый код на языке C. 4.2

таблицетаблице 4.3

В семидесятые годы двадцатого века, в связи с развитием идей скрытия информации и абстракции данных, возникла необходимость в форме модуля, более совершенном, чем подпрограмма. Появилось несколько языков проектирования и программирования, наиболее известные из них: CLU, Modula-2 и Ada. В них предлагается сходная форма модуля, называемого в языке Ada пакетом, CLU - кластером, Modula - модулем. В нашем обсуждении будет использоваться термин пакет.В семидесятые годы двадцатого века, в связи с развитием идей скрытия информации и абстракции данных, возникла необходимость в форме модуля, более совершенном, чем подпрограмма. Появилось несколько языков проектирования и программирования, наиболее известные из них: CLU, Modula-2 и Ada. В них предлагается сходная форма модуля, называемого в языке Ada пакетом, CLU - кластером, Modula - модулем. В нашем обсуждении будет использоваться термин пакет. 4.4

Например, в языке Ada пакет может содержать несколько подпрограмм с одним и тем же именем, но с разной сигнатурой, определяемой здесь числом и типами аргументов. В общем случае сигнатура функций содержит также тип результата, но язык Ada разрешает перегрузку, учитывающую только аргументы. Например, пакет может содержать несколько функций square:Например, в языке Ada пакет может содержать несколько подпрограмм с одним и тем же именем, но с разной сигнатурой, определяемой здесь числом и типами аргументов. В общем случае сигнатура функций содержит также тип результата, но язык Ada разрешает перегрузку, учитывающую только аргументы. Например, пакет может содержать несколько функций square: 4.5

Основанное на стеке управление объектами сделало популярным Algol 60 и с тех пор поддерживается (часто вместе с другими двумя режимами) в большинстве языков. Такой способ поддерживает рекурсию и динамические массивы, границы которых выясняются в процессе выполнения. В Pascal и C этот механизм не применяется к массивам, как это делается в Algol. Однако разработчикам хотелось бы чаще всего именно массивы распределять таким способом. Тем не менее, даже если этот механизм и может быть применен к массивам, размещение в стеке большинства сложных структур данных невозможно.Основанное на стеке управление объектами сделало популярным Algol 60 и с тех пор поддерживается (часто вместе с другими двумя режимами) в большинстве языков. Такой способ поддерживает рекурсию и динамические массивы, границы которых выясняются в процессе выполнения. В Pascal и C этот механизм не применяется к массивам, как это делается в Algol. Однако разработчикам хотелось бы чаще всего именно массивы распределять таким способом. Тем не менее, даже если этот механизм и может быть применен к массивам, размещение в стеке большинства сложных структур данных невозможно. 9.1

Как рассматривать наследование и параметризацию, как соперников или как соратников, когда целью является построение более гибкого ПО?Как рассматривать наследование и параметризацию, как соперников или как соратников, когда целью является построение более гибкого ПО? 10.1

прозрачнойпрозрачной 10.2

Рассмотрим первый набросок этого класса:Рассмотрим первый набросок этого класса: 10.3

инфиксную операциюинфиксную операцию 10.4

Число создаваемых экземпляров шаблона - уже проблема для некоторых пользователей С++. Если пользователь создает List<int>, List<String>, List<Widget> и List<Blidget> (где Widget и Blidget классы, определенные пользователем) и вызывает head, tail и insert для всех четырех объектов, то каждая из этих функций будет создана в четырех экземплярах (из-за родового порождения). Вместо этого широко применимый класс List мог бы создать единственный экземпляр каждой функции применимый для различных типов.Число создаваемых экземпляров шаблона - уже проблема для некоторых пользователей С++. Если пользователь создает List<int>, List<String>, List<Widget> и List<Blidget> (где Widget и Blidget классы, определенные пользователем) и вызывает head, tail и insert для всех четырех объектов, то каждая из этих функций будет создана в четырех экземплярах (из-за родового порождения). Вместо этого широко применимый класс List мог бы создать единственный экземпляр каждой функции применимый для различных типов. 10.5

общий класс, описывающий стекиобщий класс, описывающий стеки 11.1

Для инвариантов ответ такой же, как и для постусловийДля инвариантов ответ такой же, как и для постусловий 11.2

учебникаучебника 12.1

процедурапроцедура 13.1

Эта техника будет обсуждаться вместе с вопросом побочных эффектов в разделе принципов модульного проектированияЭта техника будет обсуждаться вместе с вопросом побочных эффектов в разделе принципов модульного проектирования 13.2

предыдущих лекцияхпредыдущих лекциях 13.3

анализ символа, введенного пользователеманализ символа, введенного пользователем 13.4

Content

Мейер Бертран Основы объектно-ориентированного программирования

Лекция 1. Качество ПО

Внешние и внутренние факторы

Обзор внешних факторов

Корректность (Correctness)

Устойчивость (Robustness)

Расширяемость (Extendibility)

Повторное использование (Reusability)

Совместимость (Compatibility)

Эффективность (Efficiency)

Переносимость (Portability)

Простота использования (Easy of Use)

Функциональность (Functionality)

Своевременность (Timeliness)

Другие качества

О документации

Компромиссы

Ключевые вопросы

О программном сопровождении

Ключевые концепции

Лекция 2. Критерии объектной ориентации

О критериях

До какой степени мы должны быть догматичными?

Категории

Метод и язык

Бесшовность (seamlessness)

Классы

Утверждения (Assertions)

Классы как модули

Классы как типы

Вычисления, основанные на компонентах

Скрытие информации (information hiding)

Обработка исключений (Exception handling)

Статическая типизация (static typing)

Универсальность (genericity)

Единичное наследование (single inheritance)

Множественное наследование (Multiple inheritance)

Дублируемое наследование (Repeated inheritance)

Ограниченная универсальность (Constrained genericity)

Переопределение (redefinition)

Полиморфизм

Динамическое связывание

Выяснение типа объекта в период выполнения

Отложенные (deferred) свойства и классы

Управление памятью (memory management) и сборка мусора (garbage collection)

Реализация и среда

Автоматическое обновление (automatic update)

Быстрое обновление (fast update)

Живучесть (persistence)

Документация

Быстрый просмотр (browsing)

Библиотеки

Базовые библиотеки

Графика и пользовательские интерфейсы

Механизмы эволюции библиотек

Механизмы индексации в библиотеках

Продолжение просмотра

Библиографические ссылки и объектные ресурсы

Лекция 3. Модульность

Пять критериев

Декомпозиция

Модульная Композиция

Модульная Понятность

Модульная Непрерывность

Модульная Защищенность

Пять правил

Прямое отображение

Минимум интерфейсов

Слабая связность интерфейсов

Явные интерфейсы

Скрытие информации

Пять принципов

Лингвистические Модульные Единицы

Самодокументирование

Унифицированный Доступ

Открыт-Закрыт

Единственный Выбор

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У3.1 Модульность в языках программирования

У3.2 Принцип Открыт-Закрыт (для программистов Lisp)

У3.3 Ограничения на скрытие информации

У3.4 Метрики для модульности (отчетная исследовательская работа)

У3.5 Модульность существующих систем

У3.6 Управление конфигурацией и наследование

Лекция 4. Подходы к повторному использованию

Цели повторного использования

Ожидаемые преимущества

Потребители и производители повторно используемых программ

Что следует повторно использовать?

Повторное использование персонала

Повторное использование проектов и спецификаций

Образцы проектов (design patterns)

Повторное использование исходного текста

Повторное использование абстрактных модулей

Повторяемость при разработке ПО

Нетехнические препятствия

Синдром NIH

Фирмы по разработке ПО и их стратегии

Организация доступа к компонентам

Несколько слов об индексировании компонентов

Форматы для распространения повторно используемых компонентов

Оценка

Техническая проблема

Изменения и постоянство

Повторно использовать или переделать? (The reuse-redo dilemma)

Пять требований к модульным структурам

Изменчивость Типов (Type Variation)

Группирование Подпрограмм (Routine Grouping)

Изменчивость Реализаций (Implementation Variation)

Независимость Представлений

Факторизация Общего Поведения

Традиционные модульные структуры

Подпрограммы

Пакеты

Пакеты: оценка

Перегрузка и универсальность

Синтаксическая перегрузка

Семантическая перегрузка (предварительное представление)

Универсальность (genericity)

Основные методы модульности: оценка

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Лекция 5. К объектной технологии

Ингредиенты вычисления

Базисный треугольник

Функциональная декомпозиция

Непрерывность

Проектирование сверху вниз

Не только одна главная функция

Обнаружение вершины

Функции и эволюция

Интерфейсы и проектирование ПО

Преждевременное упорядочение

Упорядочивание и ОО-разработка

Возможность повторного использования

Производство и описание

Проектирование сверху вниз: общая оценка

Декомпозиция, основанная на объектах

Расширяемость

Возможность повторного использования

Совместимость

Объектно-ориентированное конструирование ПО

Вопросы

Выявление типов объектов

Описания типов и объектов

Описание отношений и структурирование ПО

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Лекция 6. Абстрактные типы данных (АТД)

Критерии

Различные реализации

Представления стеков

Опасность излишней спецификации

Какова длина второго имени?

К абстрактному взгляду на объекты

Использование операций

Политика невмешательства в обществе модулей

Согласованность имен

Можно ли обойтись без абстракций?

Формализация спецификаций

Специфицирование типов

Универсализация (Genericity)

Перечисление функций

Категории функций

Раздел АКСИОМЫ

Две или три вещи, которые мы знаем о стеках

Частичные функции

Предусловия

Полная спецификация

Ничего кроме правды

От абстрактных типов данных к классам

Классы

Как создавать эффективный класс

Роль отложенных классов

Абстрактные типы данных и скрытие информации

Переход к более императивной точке зрения

Назад к тому, с чего начали?

Конструирование объектно-ориентированного ПО

За пределами программ

Дополнительные темы

Еще раз о неявности

Соотношение спецификации и проектирования

Соотношение классов и записей

Альтернативы частичным функциям

Полна ли моя спецификация?

Доказательство достаточной полноты

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У6.1 Точки

У6.2 Боксеры

У6.3 Банковские счета

У6.4 Сообщения

У6.5 Имена

У6.6 Текст

У6.7 Покупка дома

У6.8 Дополнительные операции для стеков

У6.9 Ограниченные стеки

У6.10 Очереди

У6.11 Распределители

У6.12 Булевский -- BOOLEAN

У6.13 Достаточная полнота

У6.14 Непротиворечивость

Лекция 7. Статические структуры: классы

Классы, а не объекты - предмет обсуждения

Устранение традиционной путаницы

Роль классов

Модули и типы

Класс как модуль и как тип

Унифицированная система типов

Простой класс

Компоненты

Атрибуты и подпрограммы

Унифицированный доступ

Класс POINT

Основные соглашения

Распознавание вида компонент

Тело подпрограммы и комментарии к заголовку

Предложение indexing

Обозначение результата функции

Правила стиля

Наследование функциональных возможностей общего характера

Объектно-ориентированный стиль вычислений

Текущий экземпляр

Клиенты и поставщики

Вызов компонента

Принцип единственности цели

Слияние понятий модуль и тип

Роль объекта Current

Квалифицированные и неквалифицированные вызовы

Компоненты-операции

Селективный экспорт и скрытие информации

Неограниченный доступ

Ограничение доступа клиентам

Стиль объявления скрытых компонент

"Внутренний" экспорт

Собираем все вместе

Общая относительность

Большой Взрыв

Системы

Программа main отсутствует

Компоновка системы

Классическое "Hello"

Структура и порядок: программист в роли поджигателя

Обсуждение

Форма объявлений

Атрибуты или функции?

Экспорт атрибутов

Доступ клиентов к атрибутам

Оптимизация вызовов

Архитектурная роль селективного экспорта

Импорт листингов

Присваивание функции результата

Дополнение: точное определение сущности

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У7.1 POINT как абстрактный тип данных

У7.2 Завершение реализации POINT

У7.3 Полярные координаты

Лекция 8. Динамические структуры: объекты

Объекты

Что такое объект?

Базовая форма

Простые поля

Простое представление книги - класс BOOK

Писатели

Ссылки

Идентичность объектов

Объявление ссылок

Ссылка на себя

Взгляд на структуру объектов периода выполнения

Объекты как средство моделирования

Четыре мира программной разработки

Реальность: "седьмая вода на киселе"

Работа с объектами и ссылками

Динамическое создание и повторное связывание

Инструкция создания

Общая картина

Для чего необходимо явное создание объектов?

Процедуры создания

Перекрытие инициализации по умолчанию

Статус экспорта процедур создания

Правила, применимые к процедурам создания

Процедуры создания и перегрузка

Еще о ссылках

Состояния ссылок

Вызовы и пустые ссылки

Операции над ссылками

Присоединение ссылки к объекту

Сравнение ссылок

Значение void

Клонирование и сравнение объектов

Копирование объектов

Глубокое клонирование и сравнение

Глубокое хранилище: первый взгляд на сохраняемость

Составные объекты и развернутые типы

Ссылок не достаточно

Развернутые типы

Роль развернутых типов

Агрегирование

Свойства развернутых типов

Недопустимость ссылок на подобъекты

Присоединение: две семантики - ссылок и значений

Присоединение

Присоединение: ссылочное и копии

Гибридное присоединение

Проверка эквивалентности

Работа со ссылками: преимущества и опасности

Динамические псевдонимы

Семантика использования псевдонимов

Выработка соглашений для динамических псевдонимов

Псевдонимы в ПО и за его пределами

Инкапсуляция действий со ссылками

Обсуждение

Графические соглашения

Ссылки и простые значения

Форма операций клонирования и эквивалентности

Статус универсальных операций

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У8.1 Книги и авторы

У8.2 Личности

У8.3 Проектирование нотации

Лекция 9. Управление памятью

Что происходит с объектами

Создание объектов

Использование динамического режима

Повторное использование памяти в трех режимах

Отсоединение

Недостижимые объекты

Достижимые объекты в классическом подходе

Достижимые объекты в ОО-модели

Проблема управления памятью в ОО-модели

Три ответа

Несерьезный подход (тривиальный)

Может ли быть оправдан несерьезный подход?

Надо ли заботиться о памяти?

Байт здесь, байт там, и реальные покойники

Восстановление памяти: проблемы

Удаление объектов, управляемое программистом

Проблема надежности

Проблема простоты разработки

Подход на уровне компонентов

Управление памятью связного списка

Работа с утилизированными объектами

Дискуссия

Автоматическое управление памятью

Необходимость автоматических методов

Что в точности понимается под восстановлением?

Подсчет ссылок

Сборка мусора

Механизм сборки мусора

Основа сборки мусора

Сборка по принципу "все-или-ничего"

Продвинутый (Advanced) подход к сборке мусора

Алгоритмы параллельной сборки мусора

Практические проблемы сборки мусора

Класс MEMORY

Механизм освобождения

Сборка мусора и внешние вызовы

Среда с управлением памятью

Основы

Сложные проблемы

Перемещение объектов

Механизм сборки мусора

Повышенное чувство голода и потеря аппетита (Bulimia and anorexia)

Операции сборщика мусора

Ключевые концепции

Библиографические заметки

Упражнения

У9.1 Модели создания объектов

У9.2 Какой уровень утилизации?

У9.3 Совместное использование стека достижимых элементов

У9.4 Совместное использование

Лекция 10. Универсализация

Горизонтальное и вертикальное обобщение типа

Необходимость параметризованных классов

Родовые АТД

Проблема

Роль типизации

Родовые классы

Объявление родового класса

Использование родового класса

Терминология

Проверка типов

Правило типизации

Операции над сущностями родового типа

Типы и классы

Массивы

Массивы как объекты

Свойства массива

Размышления об эффективности

Синонимичная инфиксная операция

Стоимость универсализации

Обсуждение: что все-таки не сделано

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У10.1 Ограниченная универсализация

У10.2 Двумерные массивы

У10.3 Использование своего формального родового параметра фактически как чужого

Лекция 11. Проектирование по контракту: построение надежного ПО

Базисные механизмы надежности

О корректности ПО

Выражение спецификаций

Формула корректности

Сильные и слабые условия

Введение утверждений в программные тексты

Предусловия и постусловия

Класс стек

Предусловия

Постусловия

Педагогическое замечание

Контракты и надежность ПО

Права и обязательства

Интуиция (Дзен) и искусство программной надежности: больше гарантий и меньше проверок

Утверждения не являются механизмом проверки вводимых данных

Утверждения это не управляющие структуры

Ошибки, дефекты и другие насекомые

Работа с утверждениями

Класс стек

Императив и аппликатив (применимость)

Замечание о пустоте структур

Проектирование предусловий: толерантное или требовательное?

Предусловия и статус экспорта

Толерантные модули

Инварианты класса

Определение и пример

Форма и свойства инвариантов класса

Инвариант в момент изменения

Кто должен обеспечить сохранность инвариантов

Роль инвариантов класса в программной инженерии

Инварианты и контракты

Когда класс корректен?

Корректность класса

Роль процедур создания

Ревизия массивов

Связывание с АТД

Не просто коллекция функций

Компоненты класса и АТД функции

Выражение аксиом

Функция абстракции

Инварианты реализации

Инструкция утверждения

Инварианты и варианты цикла

Трудности циклов

Сделаем циклы корректными

Ингредиенты доказательства корректности цикла

Синтаксис цикла

Использование утверждений

Утверждения как средство для написания корректного ПО

Использование утверждений для документирования: краткая форма класса

Мониторинг утверждений в период выполнения

Каков оптимальный уровень мониторинга?

Обсуждение

Нужен ли мониторинг в период выполнения?

Выразительная сила утверждений

Включение функций в утверждения

Инварианты класса и семантика ссылок

Что дальше

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У11.1 Комплексные числа

У11.2 Класс и его АТД

У11.3 Полные утверждения для стеков

У11.4 Экспортирование размера

У11.5 Инвариант реализации

У11.6 Утверждения и экспорт

У11.7 Поиск жучков (bugs)

У11.8 Нарушение инварианта

У11.9 Генерация случайных чисел

У11.10 Модуль "очередь"

У11.11 Модуль "множество"

Постскриптум: Катастрофа Ариан 5

Лекция 12. Когда контракт нарушается: обработка исключений

Базисные концепции обработки исключений

Отказы

Исключения

Источники исключений

Ситуации отказа

Обработка исключений

Как не следует делать это - C-Unix пример

Как не следует делать это - Ada пример

Принципы обработки исключений

Цепочка вызовов

Механизм исключений

Спаси и Повтори (Rescue и Retry)

Как отказаться сразу

Таблица истории исключений

Примеры обработки исключений

Поломки при вводе

Восстановление при исключениях, сгенерированных операционной системой

Повторение программы, толерантной к неисправностям

N-версионное программирование

Задача предложения rescue

Корректность предложения rescue

Четкое разделение ролей

Когда нет предложения rescue

Продвинутая обработка исключений

Запросы при работе с классом EXCEPTIONS

Какой должна быть степень контроля?

Исключения разработчика

Обсуждение

Дисциплинированные исключения

Должны ли исключения быть объектами?

Методологическая перспектива

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У12.1 Наибольшее целое

У12.2 Объект Exception

Лекция 13. Поддерживающие механизмы

Взаимодействие с не объектным ПО

Внешние программы

Улучшенные варианты

Использование внешних программ

ОО-изменение архитектуры (re-architecturing)

Вопрос совместимости: гибридный программный продукт или гибридные языки?

Передача аргументов

Инструкции

Вызов процедуры

Присваивание (Assignment)

Создание (Creation)

Условная Инструкция (Conditional)

Множественный выбор

Циклы

Проверка

Отладка

Повторение вычислений

Выражения

Манифестные константы

Вызовы функций

Текущий объект

Выражения с операторами

Нестрогие булевы операторы

Строки

Ввод и вывод

Лексические соглашения

Ключевые концепции

Упражнения

У13.1 Внешние классы

У13.2 Избегая нестрогих операторов

Лекция 14. Введение в наследование

Многоугольники и прямоугольники

Многоугольники

Прямоугольники

Основные соглашения и терминология

Наследование инварианта

Наследование и конструкторы

Пример иерархии

Полиморфизм

Полиморфное присоединение

Что на самом деле происходит при полиморфном присоединении?

Полиморфные структуры данных

Типизация при наследовании

Согласованность типов

Пределы полиморфизма

Экземпляры

Статический тип, динамический тип

Обоснованы ли ограничения?

Может ли быть польза от неведения?

Когда хочется задать тип принудительно

Полиморфное создание

Динамическое связывание

Использование правильного варианта

Переопределение и утверждения

О реализации динамического связывания

Отложенные компоненты и классы

Движения произвольных фигур

Отложенный компонент

Эффективизация компонента

Отложенные классы

Соглашения о графических обозначениях

Что делать с отложенными классами?

Задание семантики отложенных компонентов и классов

Способы изменения объявлений

Повторное объявление функции как атрибута

Обратного пути нет

Использование исходной версии при переопределении

Смысл наследования

Двойственная перспектива

Взгляд на класс как на модуль

Взгляд на класс как на тип

Наследование и децентрализация

Независимость от представления

Парадокс расширения-специализации

Роль отложенных классов

Назад к абстрактным типам данных

Отложенные классы как частичные интерпретации: классы поведения

Не вызывайте нас, мы вызовем вас

Программы с дырами

Роль отложенных классов при анализе и глобальном проектировании

Обсуждение

Явное переопределение

Доступ к предшественнику процедуры

Динамическое связывание и эффективность

Оценка накладных расходов

Статическое связывание как оптимизация

Кнопка под другим именем: когда статическое связывание ошибочно

Подход языка С++ к связыванию

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У14.1 Многоугольники и прямоугольники

У14.2 Многоугольник с малым числом вершин

У14.3 Геометрические объекты с двумя координатами

У14.4 Наследование без классов

У14.5 Классы без объектов

У14.6 Отложенные классы и прототип

У14.7 Библиотека поиска в таблицах (семестровый проект)

У14.8 Виды отложенных компонентов

У14.9 Комплексные числа

Лекция 15. Множественное наследование

Примеры множественного наследования

Пример, неподходящий для введения

Может ли самолет быть имуществом?

Числовые и сравнимые значения

Окна - это деревья и прямоугольники

Деревья - это списки и их элементы

Составные фигуры

Брак по расчету

Структурное наследование

Наследование функциональных возможностей

Лунка и кнопка

Оценка

Переименование компонентов

Конфликт имен

Результат переименования

Смена имен и переопределение

Подбор локальных имен

Играем в имена

Использование родительской процедуры создания

Плоские структуры

Плоская форма класса

Применение плоской формы

Краткая плоская форма

Дублируемое наследование

Общие предки

По обе стороны океана

Совместное использование и репликация

Ненавязчивое дублирующее наследование

Правило переименования

Конфликт переопределений

Конфликт при совместном использовании: отмена определения и соединение компонентов

Конфликты при репликации: выделение

Выделение всех компонентов

Сохранение исходной версии при переопределении

Пример повышенной сложности

Дублируемое наследование и универсальность

Правила об именах

Обсуждение

Переименование

ОО-разработка и перегрузка

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У15.1 Окна как деревья

У15.2 Является ли окно строкой?

У15.3 Завершение строительства

У15.4 Итераторы фигур

У15.5 Связанные стеки

У15.6 Кольцевые списки и цепи

У15.7 Деревья

У15.8 Каскадные или "шагающие" (walking) меню

У15.9 Плоский precursor (предшественник)

У15.10 Дублируемое наследование и репликация

Лекция 16. Техника наследования

Наследование и утверждения

Инварианты

Предусловия и постусловия при наличии динамического связывания

Как обмануть клиентов

Как быть честным

Пример

Устранение посредника

Субподряды

Абстрактные предусловия

Правило языка

Повторное объявление функции как атрибута

Замечание математического характера

Глобальная структура наследования

Универсальные классы

Нижняя часть иерархии

Универсальные компоненты

Замороженные компоненты

Запрет повторного объявления

Фиксированная семантика компонентов copy, clone и equality

Не злоупотребляйте замораживанием

Ограниченная универсальность

Вектора, допускающие сложение

Не ОО-подход

Ограничение родового параметра

Игра в рекурсию

И снова неограниченная универсальность

Попытка присваивания

Когда правила типов становятся несносными

Проблема

Механизм решения

Правильное использование попытки присваивания

Типизация и повторное объявление

Устройства и принтеры

Одно- и двусвязные элементы

Правило повторного объявления типов

Закрепленные объявления

Несогласованность типов

Примеры из практики

Серьезное затруднение

Понятие опорного элемента

Опорный элемент Current

Еще раз о базовых классах

Правила о закрепленных типах

Когда не используются закрепленные объявления

Статический механизм

Наследование и скрытие информации

Кое-что о политике

Применение

Зачем нужна такая гибкость?

Интерфейс и повторное использование реализаций

Слово в защиту реализаций

Два стиля

Выборочный экспорт

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У16.1 Наследование: простота и эффективность

У16.2 Векторы

У16.3 Экстракт?

Лекция 17. Типизация

Проблема типизации

Базисная конструкция

Статическая и динамическая типизация

Правила типизации

Реализм

Пессимизм

Статическая типизация: как и почему

Преимущества

Аргументы в пользу динамической типизации

Типизация: слагаемые успеха

"Типизирована ли кроха"?

Типизация и связывание

Ковариантность и скрытие потомком

Ковариантность

Параллельные иерархии

Своенравие полиморфизма

Скрытие потомком

Корректность систем и классов

Практический аспект

Корректность систем: первое приближение

Контравариантность и безвариантность

Использование родовых параметров

Типовые переменные

Полагаясь на закрепление типов

Глобальный анализ

Остерегайтесь полиморфных кэтколлов!

Назад, в Ялту

Одно правило и несколько определений

Оценка

Полное соответствие

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Лекция 18. Глобальные объекты и константы

Константы базовых типов

Атрибуты-константы

Использование констант

Константы пользовательских классов

Константы с манифестом для этого непригодны

Однократные функции

Применение однократных подпрограмм

Разделяемые объекты

Однократные функции с результатами базовых типов

Однократные процедуры

Параметры

Однократные функции, закрепление и универсальность

Константы строковых типов

Unique-значения

Обсуждение

Инициализация: подходы языков программирования

Строковые константы

Unique-значения и перечислимые типы

Ключевые концепции

Библиографические замечания

Упражнения

У18.1 Эмуляция перечислимых типов однократными функциями

У18.2 Однократные функции для эмуляции unique-значений

У18.3 Однократные функции в родовых классах

У18.4 Однократные атрибуты?

Примечания