Лекция Лекции по Основы объектно-ориентированного программирования
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-29Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Основы объектно-ориентированного программирования
Качество - это цель инженерной деятельности; построение качественного ПО (software) - цель программной инженерии (software engineering).
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)
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)
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. 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)
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:
Простота построения: простая архитектура легче адаптируется к изменениям, чем сложная.
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)
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)
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:
Стандартные форматы файлов, как в системе Unix, где каждый текстовый файл - это просто последовательность символов.
Стандартные структуры данных, как в системе Lisp, где все данные, а также программы, представлены бинарными деревьями (называемыми списками).
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)
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:
Некоторые разработчики одержимы проблемами производительности, что заставляет их прилагать много усилий к предполагаемой оптимизации.
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:
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!
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(n2) увеличение N составит только 41%. Переборный алгоритм со сложностью O(2n) добавит к N только единицу - небольшое улучшение за такие деньги.
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), 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 World2) (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:
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.
Целостность (Integrity) - это способность ПО защищать свои различные компоненты (программы, данные) от несанкционированного доступа и модификации.
Восстанавливаемость (Repairability) - это способность облегчать устранение дефектов.
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:
Внешнюю, дающую пользователям возможность понять сильные стороны системы и удобство их использования. Необходимость в ней является следствием простоты использования системы.
Внутреннюю, дающую разработчикам ПО возможность понять структуру и реализацию системы, - следствие требования расширяемости.
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:
Включение возможности получения справки проясняет соглашения пользовательского интерфейса. Тем самым облегчается задача авторов руководств пользователей и других форм внешней документации.
Хороший язык реализации устраняет необходимость большой части внешней документации. Это будет одним из главных требований ОО-нотации, разработанной в этой книге.
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:
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) .
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:
Совместимость: метод обеспечивает общий стиль проектирования и стандартизацию интерфейсов модулей и систем, что помогает совместно работать разным системам.
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.
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).
Эффективность: как отмечалось выше, повторное использование компонентов профессионального качества часто может значительно улучшить производительность.
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:
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.)
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
Целью программной инженерии является нахождение путей построения ПО высокого качества.
Качество ПО лучше всего видится как компромисс между целым рядом различных целей, а не как единый фактор.
Внешние факторы, понятные пользователям и клиентам, следует отличать от внутренних факторов, понятных проектировщикам и конструкторам.
Действительное значение имеют внешние факторы, но управление системой возможно только через внутренние факторы, благодаря которым достигается нужный эффект.
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.
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.
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.
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:
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.
Не каждому нужны всегда все свойства.
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:
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.
Реализация (Implementation) и Среда (Environment) : критерии в этой категории описывают основные свойства инструментария, позволяющего разработчикам применять ОО-идеи.
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:
Использование ОО-концепций на этапе анализа и проектирования с такой нотацией, которая не может использоваться на этапе программирования.
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:
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.
Каждый вызов компонента - это вызов доступного компонента соответствующего класса.
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:
Simula BEGIN [Birtwistle 1973] (еще два автора являются создателями языка - Nygaard и Dahl.)
Smalltalk-80: Язык и его реализация [Goldberg 1983].
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:
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.
Theory and Practice of Object Systems, архивный журнал.
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.
3. Лекция: Модульность: версия для печати и PDA
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:
Декомпозиции (decomposability).
Композиции (composability).
Понятности (understandability).
Непрерывности (continuity).
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:
Необходимо свести такие взаимозависимости к минимуму; в противном случае разработка каждой из подсистем будет ограничиваться темпами работы над другими подсистемами.
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 метода1), 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.
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.
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.
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.
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.
Пример 1:именованные константы2). 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.
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.
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.
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
Пример: проверка достоверности входных данных в источнике. Метод, требующий от каждого модуля, вводящего данные, проверку их достоверности, пригоден для реализации модульной защищенности.3)
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:
Прямое отображение (Direct Mapping).
Минимум интерфейсов (Few Interfaces).
Слабая связность интерфейсов (Small interfaces - weak coupling).
Явные интерфейсы (Explicit Interfaces).
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:
Непрерывность: отслеживание модульной структуры проблемы в структуре решения облегчит оценку и ограничит последствия изменений.
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).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:
Декомпозиции и композиции. Если нужно разложить модуль на несколько подмодулей или компоновать его с другими модулями, то любая внешняя связь должна быть ясно видна.
Непрерывности. Должно быть очевидно, какие элементы могут быть затронуты возможным изменением.
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.5)
Пять принципов
Из предыдущих правил и, косвенным образом, из критериев следуют пять принципов конструирования ПО:
Принцип Лингвистических Модульных Единиц (Linguistic Modular Units).
Принцип Самодокументирования (Self-Documentation).
Принцип Унифицированного Доступа (Uniform Access).
Принцип Открыт-Закрыт (Open-Closed).
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:
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.
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.
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.
Композиция: что же, кроме модулей с однозначно определенными синтаксическими границами, можно объединять между собой?
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.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:
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.
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:
Модуль называют открытым, если он еще доступен для расширения. Например, имеется возможность расширить множество операций в нем или добавить поля к его структурам данных.
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:
N1 Можно переделать модуль A так, чтобы он обеспечивал расширенную или видоизмененную функциональность, требуемую новым клиентам.
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:
Если имеется возможность переписать исходную программу так, чтобы она, без излишнего усложнения, смогла удовлетворять потребности нескольких разновидностей клиентов, то следует это сделать.
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:
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.
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.
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:
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.
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.
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")
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
Выбор надлежащей структуры модуля является ключом к достижению целей его возможного повторного использования и расширяемости.
Модули служат как для декомпозиции программного обеспечения (проектирование сверху вниз), так и для его композиции (снизу-вверх).
Принципы модульности применимы как к спецификации и проектированию, так и к реализации ПО.
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).
Управление количеством и формой связей между модулями является основой разработки хорошей модульной архитектуры.
Для долгосрочной целостности структур модульной системы требуется скрытие информации, что приводит к необходимости строгого разделения интерфейса и реализации.
Унифицированный доступ освобождает клиентов от знания выбора внутренних представлений, реализованных в модулях-поставщиках.
Закрытым является такой модуль, который может использоваться, благодаря знанию его интерфейса, модулями-клиентами.
Открытым является такой модуль, который еще можно расширять.
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.
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:
Модульная непрерывность.
Минимум интерфейсов.
Слабая связность интерфейсов.
Явные интерфейсы.
Скрытие информации.
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.
4. Лекция: Подходы к повторному использованию: версия для печати и PDA
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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: книга1), 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:
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.
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:
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.
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.
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:
Как уже отмечалось, вряд ли возможно создать полезную систему ПО, в которой не будут содержаться некоторые виды табличного поиска.
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:
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.
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.
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.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:
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.)
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:
Изменчивость Типов (Type Variation).
Группирование Подпрограмм (Routine Grouping).
Изменчивость Реализаций (Implementation Variation).
Независимость Представлений (Representation Independence).
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:
Таблицы, организуемые по некоторой схеме хеширования.
Таблицы, организуемые как некоторая разновидность деревьев.
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"). ):
start (начать) , переместить курсор к первому элементу, если он имеется.
forth (следующий) , переместить курсор к следующей позиции.
after (после) , булев запрос, переместился ли курсор за последний элемент.
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 таблице3) 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.
Таблица 4.1. Классы и методы
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
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:
R1 Каждая задача допускает простую спецификацию. Точнее, возможно охарактеризовать каждую отдельную задачу небольшим набором входных и выходных параметров.
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.
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:
Подпрограмма поиска существует в одном варианте. Но тогда, чтобы охватить все возможные ситуации, ей потребуется длинный список аргументов и она окажется очень сложной.
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)
Пакеты - это единицы программной декомпозиции, обладающие следующими свойствами:
P1 В соответствии с принципом Лингвистических Модульных Единиц, "пакет" это конструкция языка, так что каждый пакет имеет имя и синтаксически четко определенную область.
P2 Описание каждого пакета содержит ряд объявлений связанных с ним элементов, таких как подпрограммы и переменные, которые в дальнейшем будут называться компонентами (features) пакета.
P3 Каждый пакет может точно определять права доступа, ограничивающие использование его компонентов другими пакетами. Другими словами, механизм пакетов поддерживает скрытие информации.
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:
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.
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: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
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.
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.
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.
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.
Компонентом программы, пригодным для повторного использования, является абстрактный модуль, обеспечивающий инкапсуляцию функциональных возможностей с помощью хорошо определенного интерфейса.
Пакеты обеспечивают лучшую реализацию метода инкапсуляции, чем подпрограммы, поскольку в них объединяются структура данных и связанные с ней операции.
Два метода позволяют повысить гибкость пакетов: перегрузка подпрограмм и универсальность.
Перегрузка подпрограмм является синтаксическим средством, которое не решает важных проблем повторного использования, но затрудняет читабельность текстов программ.
Универсальность способствует повторному использованию, но решает лишь проблему изменчивости типов.
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].
1) [Gamma 1995]; см также [Pree 1994].
2) Компиляторы ISE формируют как код C, так и байт-код.
3) В этой таблице индекс сокращенно обозначен как i, а курсор - как c.
4) Этот подход будет рассмотрен подробно в лекции 15 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", с использованием понятия пакета из языка Ada. Напомним, что под "Ada" имеется в виду язык Ada 83. (В версии Ada 95 сохранены пакеты , но с некоторыми дополнениями.)
5) Эта нотация, совместимая с нотацией, используемой в остальных лекциях этого курса, является скорее Ada-подобной, чем точно соответствующей языку Ada. Тип REAL в языке Ada называется FLOAT; точки с запятой здесь были удалены.
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
12. Лекция: Когда контракт нарушается: обработка исключений: версия для печати и PDA
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.
Попытка квалифицированного вызова a.f и обнаружение, что a = Void.
Попытка присоединить значение Void к развернутой (expanded) цели.
Выполнение невозможной или запрещенной операции, обнаруживаемое аппаратно или операционной системой.
Вызов программы, приводящей к отказу.
Предусловие r не выполняется на входе.
Постусловие r не выполняется на выходе.
Инвариант класса не выполняется на входе или выходе.
Инвариант цикла не выполняется в результате инициализации в предложении from или после очередной итерации тела цикла.
Итерация тела цикла не уменьшает вариант цикла.
Не выполняется утверждение инструкции check.
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 учебника1) 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:
Повторение (Retrying) - попытка изменить условия, приведшие к исключению, и выполнить программу повторно, начиная все сначала.
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":
Обеспечить появление исключения у вызывающей программы. В этом и состоит аспект "паники" - программа отказывается жить в соответствии с ее контрактом.
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 r0 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 (r0, последняя вызванная r0 программа r1, последняя вызванная r1 программа r2 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 r0 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:
Таблица 12.1. Пример таблицы истории исключений
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
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:
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.
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:
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
{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
{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:
Возможно, требуется определить природу последнего исключения, чтобы разными исключениями управлять по-разному.
Возможно, требуется запретить включение исключений для некоторых сигналов.
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
Обработка исключений - это механизм, позволяющий справиться с неожиданными условиями, возникшими в период выполнения.
Отказ - это невозможность во время выполнения программы выполнить свой контракт.
Программа получает исключение в результате: отказа вызванной ею программы, нарушения утверждений, сигналов аппаратуры или операционной системы об аномалиях, возникших в ходе их работы.
Программная система может включать также исключения, спроектированные разработчиком.
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.
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.
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.
13. Лекция: Поддерживающие механизмы: версия для печати и PDA
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:
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]...").
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.
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:
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.
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.
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.
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.
Гибрид добавляет новый языковой уровень к существующему языку, например С. В результате сложность может ограничить привлекательность объектной технологии - простоту идей.
Начинающие часто с трудом осваивают гибридный язык, поскольку для них неясно, что именно является ОО, а что досталось из прошлого.
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.
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 a1, a2, ..., 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:
Присваивание x значения в форме 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:
Для ссылок (обычный случай) при передаче аргументов копируется ссылка, - Void, либо присоединенная к объекту.
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 процедура1)
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:
Использовать функцию, возвращающую объект с несколькими полями (обычно, возвращается ссылка на такой объект).
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 проектирования2).
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.q1q2 ...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.q1. q2.... qn, появляющийся в классе C корректен, только если он удовлетворяет следующим условиям:
Компонент, стоящий после первой точки, q1, должен быть доступен в классе C.
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:
неконстантным атрибутом включающего класса;
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 лекциях3) 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 = v1 then ...elseif e = v2 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:
Разбор случаев настолько распространен, что заслуживает особого синтаксиса, увеличивающего ясность, позволяя избежать бесполезного повторения "e =".
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 пользователем4):
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:
неименованные (манифестные) константы;
сущности (атрибуты, локальные сущности, формальные аргументы, Result);
вызовы функций;
выражения с операторами (технически - это специальный случай вызова функций);
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 и 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:
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).
Проверку,- присоединена ли ссылка к текущему экземпляру, как в проверке x = Current.
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
a and then b ложно, если a ложно, иначе имеет значение b.
a or else b истинно, если a истинно, иначе имеет значение b.
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:
Если компилятор создает код, вычисляющий оба операнда, то во время выполнения произойдет деление на ноль, и возникнет исключительная ситуация.
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.
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.
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
Внешние программы доступны через хорошо определенный интерфейс.
Объектная технология может служить в качестве механизма упаковки наследуемого ПО.
Подпрограммы не могут модифицировать свои аргументы, хотя они могут изменять объекты, связанные с этими аргументами.
Нотация включает небольшой набор инструкций: присваивания, выбора, цикла, вызова, отладки и проверки.
Выражения следуют общепринятому стилю. Current - выражение, обозначающее текущий экземпляр. Не будучи сущностью, Current не может быть целью присваивания.
Нестрогие булевы операторы эквивалентны стандартным булевым оператором, когда определены оба операнда, но могут быть определенными в случаях, когда стандартные операторы не определены.
Строки, ввод и вывод определяются простыми библиотечными классами.
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.
14. Лекция: Введение в наследование: версия для печати и PDA
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.
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:
Всякий экземпляр наследника можно рассматривать как экземпляр родителя, а обратное неверно.
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:
p.perimeter: никаких проблем, поскольку perimeter определен для многоугольников;
p.vertices, p.translate (...), p.rotate (...) с корректными аргументами;
r.diagonal, r.side1, r.side2: эти три компонента объявлены на уровне RECTANGLE или QUADRANGLE;
r.vertices, r.translate (...), r.rotate (...): эти компоненты объявлены на уровне POLYGON или еще выше и поэтому применимы к прямоугольникам, наследующим все компоненты многоугольников;
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:
p:= r; r := p
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:
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.
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:
Таблица 14.1. Эффекты повторного объявления
Повторное объявление компонента к
Повторное объявление компонента от
Отложенный
Эффективный
Отложенный
Переопределение
Отмена определения
Эффективный
Эффективизация
Переопределение
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:
Возможность изменить объявление функции на атрибут.
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.
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.
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?
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).
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],
item (put (s, x)) = x
remove (put (s, x)) = s
empty (new)
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:
Полностью отложенный класс, такой как TABLE, соответствует АТД.
Полностью эффективный класс, такой как ARRAY_TABLE, соответствует реализации АТД.
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:
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.
Многоярусный подход является особенно губительным для этапов сопровождения и эволюции системы. Крайне сложно гарантировать согласованность проекта и реализации на этих этапах.
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, ...)
f (x, a, b, c...)
с ОО-формой
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:
f нигде в системе не переопределяется (имеет только одно объявление);
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:
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:
Сделать программиста ответственным за выбор статического или динамического связывания.
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
С помощью наследования можно определять новые классы как расширение, специализацию и комбинацию ранее определенных классов.
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.
Наследование является ключевым методом как для повторного использования, так и для расширяемости.
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).
С точки зрения модулей наследник расширяет набор служб, предоставляемых его родителями. В частности, это полезно для повторно использования.
С точки зрения типов отношение между наследником и его родителем - это отношение "является". Оно полезно как для повторного использования, так и для расширяемости.
Функцию без аргументов можно переопределить как атрибут, но не наоборот.
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.
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.
Отложенные классы содержат один или более отложенный (не реализованный) компонент. Они описывают частичные реализации абстрактных типов данных.
Способность эффективных подпрограмм вызывать отложенные позволяет примирить с помощью "классов поведения" повторное использование с расширяемостью.
Отложенные классы являются основным средством, используемым ОО-методами на стадиях анализа и проектирования.
Утверждения, применяемые к отложенным компонентам, позволяют точно специфицировать отложенные классы.
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).
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
| |
| |
http://www.INTUIT.ru
| | ||
| | ||
| | ||
| | | |
