- •Лекция 1. Качество ПО
- •Внешние и внутренние факторы
- •Обзор внешних факторов
- •Корректность (Correctness)
- •Устойчивость (Robustness)
- •Расширяемость (Extendibility)
- •Повторное использование (Reusability)
- •Совместимость (Compatibility)
- •Эффективность (Efficiency)
- •Переносимость (Portability)
- •Простота использования (Easy of Use)
- •Функциональность (Functionality)
- •Своевременность (Timeliness)
- •Другие качества
- •Компромиссы
- •Ключевые вопросы
- •О программном сопровождении
- •Ключевые концепции
- •Лекция 2. Критерии объектной ориентации
- •О критериях
- •До какой степени мы должны быть догматичными?
- •Категории
- •Метод и язык
- •Бесшовность (seamlessness)
- •Классы
- •Утверждения (Assertions)
- •Классы как модули
- •Классы как типы
- •Вычисления, основанные на компонентах
- •Скрытие информации (information hiding)
- •Обработка исключений (Exception handling)
- •Статическая типизация (static typing)
- •Универсальность (genericity)
- •Единичное наследование (single inheritance)
- •Множественное наследование (Multiple inheritance)
- •Дублируемое наследование (Repeated inheritance)
- •Ограниченная универсальность (Constrained genericity)
- •Переопределение (redefinition)
- •Полиморфизм
- •Динамическое связывание
- •Выяснение типа объекта в период выполнения
- •Отложенные (deferred) свойства и классы
- •Управление памятью (memory management) и сборка мусора (garbage collection)
- •Реализация и среда
- •Автоматическое обновление (automatic update)
- •Быстрое обновление (fast update)
- •Живучесть (persistence)
- •Документация
- •Быстрый просмотр (browsing)
- •Библиотеки
- •Базовые библиотеки
- •Графика и пользовательские интерфейсы
- •Механизмы эволюции библиотек
- •Механизмы индексации в библиотеках
- •Продолжение просмотра
- •Библиографические ссылки и объектные ресурсы
- •Лекция 3. Модульность
- •Пять критериев
- •Декомпозиция
- •Модульная Композиция
- •Модульная Понятность
- •Модульная Непрерывность
- •Модульная Защищенность
- •Пять правил
- •Прямое отображение
- •Минимум интерфейсов
- •Слабая связность интерфейсов
- •Явные интерфейсы
- •Скрытие информации
- •Пять принципов
- •Лингвистические Модульные Единицы
- •Самодокументирование
- •Унифицированный Доступ
- •Открыт-Закрыт
- •Единственный Выбор
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У3.1 Модульность в языках программирования
- •У3.2 Принцип Открыт-Закрыт (для программистов Lisp)
- •У3.3 Ограничения на скрытие информации
- •У3.4 Метрики для модульности (отчетная исследовательская работа)
- •У3.5 Модульность существующих систем
- •У3.6 Управление конфигурацией и наследование
- •Лекция 4. Подходы к повторному использованию
- •Цели повторного использования
- •Ожидаемые преимущества
- •Потребители и производители повторно используемых программ
- •Что следует повторно использовать?
- •Повторное использование персонала
- •Повторное использование проектов и спецификаций
- •Образцы проектов (design patterns)
- •Повторное использование исходного текста
- •Повторное использование абстрактных модулей
- •Повторяемость при разработке ПО
- •Нетехнические препятствия
- •Синдром NIH
- •Фирмы по разработке ПО и их стратегии
- •Организация доступа к компонентам
- •Несколько слов об индексировании компонентов
- •Форматы для распространения повторно используемых компонентов
- •Оценка
- •Техническая проблема
- •Изменения и постоянство
- •Повторно использовать или переделать? (The reuse-redo dilemma)
- •Пять требований к модульным структурам
- •Изменчивость Типов (Type Variation)
- •Группирование Подпрограмм (Routine Grouping)
- •Изменчивость Реализаций (Implementation Variation)
- •Независимость Представлений
- •Факторизация Общего Поведения
- •Традиционные модульные структуры
- •Подпрограммы
- •Пакеты
- •Пакеты: оценка
- •Перегрузка и универсальность
- •Синтаксическая перегрузка
- •Семантическая перегрузка (предварительное представление)
- •Универсальность (genericity)
- •Основные методы модульности: оценка
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Ингредиенты вычисления
- •Функциональная декомпозиция
- •Декомпозиция, основанная на объектах
- •Объектно-ориентированное конструирование ПО
- •Вопросы
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Лекция 5. К объектной технологии
- •Лекция 6. Абстрактные типы данных (АТД)
- •Критерии
- •Различные реализации
- •Представления стеков
- •Опасность излишней спецификации
- •Какова длина второго имени?
- •К абстрактному взгляду на объекты
- •Использование операций
- •Политика невмешательства в обществе модулей
- •Согласованность имен
- •Можно ли обойтись без абстракций?
- •Формализация спецификаций
- •Специфицирование типов
- •Универсализация (Genericity)
- •Перечисление функций
- •Категории функций
- •Раздел АКСИОМЫ
- •Две или три вещи, которые мы знаем о стеках
- •Частичные функции
- •Предусловия
- •Полная спецификация
- •Ничего кроме правды
- •От абстрактных типов данных к классам
- •Классы
- •Как создавать эффективный класс
- •Роль отложенных классов
- •Абстрактные типы данных и скрытие информации
- •Переход к более императивной точке зрения
- •Назад к тому, с чего начали?
- •Конструирование объектно-ориентированного ПО
- •За пределами программ
- •Дополнительные темы
- •Еще раз о неявности
- •Соотношение спецификации и проектирования
- •Соотношение классов и записей
- •Альтернативы частичным функциям
- •Полна ли моя спецификация?
- •Доказательство достаточной полноты
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У6.1 Точки
- •У6.2 Боксеры
- •У6.3 Банковские счета
- •У6.4 Сообщения
- •У6.5 Имена
- •У6.6 Текст
- •У6.7 Покупка дома
- •У6.8 Дополнительные операции для стеков
- •У6.9 Ограниченные стеки
- •У6.10 Очереди
- •У6.11 Распределители
- •У6.12 Булевский -- BOOLEAN
- •У6.13 Достаточная полнота
- •У6.14 Непротиворечивость
- •Лекция 7. Статические структуры: классы
- •Классы, а не объекты - предмет обсуждения
- •Устранение традиционной путаницы
- •Роль классов
- •Модули и типы
- •Класс как модуль и как тип
- •Унифицированная система типов
- •Простой класс
- •Компоненты
- •Атрибуты и подпрограммы
- •Унифицированный доступ
- •Класс POINT
- •Основные соглашения
- •Распознавание вида компонент
- •Тело подпрограммы и комментарии к заголовку
- •Предложение indexing
- •Обозначение результата функции
- •Правила стиля
- •Наследование функциональных возможностей общего характера
- •Объектно-ориентированный стиль вычислений
- •Текущий экземпляр
- •Клиенты и поставщики
- •Вызов компонента
- •Принцип единственности цели
- •Слияние понятий модуль и тип
- •Роль объекта Current
- •Квалифицированные и неквалифицированные вызовы
- •Компоненты-операции
- •Селективный экспорт и скрытие информации
- •Неограниченный доступ
- •Ограничение доступа клиентам
- •Стиль объявления скрытых компонент
- •"Внутренний" экспорт
- •Собираем все вместе
- •Общая относительность
- •Большой Взрыв
- •Системы
- •Программа main отсутствует
- •Компоновка системы
- •Классическое "Hello"
- •Структура и порядок: программист в роли поджигателя
- •Обсуждение
- •Форма объявлений
- •Атрибуты или функции?
- •Экспорт атрибутов
- •Доступ клиентов к атрибутам
- •Оптимизация вызовов
- •Архитектурная роль селективного экспорта
- •Импорт листингов
- •Присваивание функции результата
- •Дополнение: точное определение сущности
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У7.1 POINT как абстрактный тип данных
- •У7.2 Завершение реализации POINT
- •У7.3 Полярные координаты
- •Лекция 8. Динамические структуры: объекты
- •Объекты
- •Что такое объект?
- •Базовая форма
- •Простые поля
- •Простое представление книги - класс BOOK
- •Писатели
- •Ссылки
- •Идентичность объектов
- •Объявление ссылок
- •Ссылка на себя
- •Взгляд на структуру объектов периода выполнения
- •Объекты как средство моделирования
- •Четыре мира программной разработки
- •Реальность: "седьмая вода на киселе"
- •Работа с объектами и ссылками
- •Динамическое создание и повторное связывание
- •Инструкция создания
- •Общая картина
- •Для чего необходимо явное создание объектов?
- •Процедуры создания
- •Перекрытие инициализации по умолчанию
- •Статус экспорта процедур создания
- •Правила, применимые к процедурам создания
- •Процедуры создания и перегрузка
- •Еще о ссылках
- •Состояния ссылок
- •Вызовы и пустые ссылки
- •Операции над ссылками
- •Присоединение ссылки к объекту
- •Сравнение ссылок
- •Значение void
- •Клонирование и сравнение объектов
- •Копирование объектов
- •Глубокое клонирование и сравнение
- •Глубокое хранилище: первый взгляд на сохраняемость
- •Составные объекты и развернутые типы
- •Ссылок не достаточно
- •Развернутые типы
- •Роль развернутых типов
- •Агрегирование
- •Свойства развернутых типов
- •Недопустимость ссылок на подобъекты
- •Присоединение: две семантики - ссылок и значений
- •Присоединение
- •Присоединение: ссылочное и копии
- •Гибридное присоединение
- •Проверка эквивалентности
- •Работа со ссылками: преимущества и опасности
- •Динамические псевдонимы
- •Семантика использования псевдонимов
- •Выработка соглашений для динамических псевдонимов
- •Псевдонимы в ПО и за его пределами
- •Инкапсуляция действий со ссылками
- •Обсуждение
- •Графические соглашения
- •Ссылки и простые значения
- •Форма операций клонирования и эквивалентности
- •Статус универсальных операций
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У8.1 Книги и авторы
- •У8.2 Личности
- •У8.3 Проектирование нотации
- •Лекция 9. Управление памятью
- •Что происходит с объектами
- •Создание объектов
- •Использование динамического режима
- •Повторное использование памяти в трех режимах
- •Отсоединение
- •Недостижимые объекты
- •Достижимые объекты в классическом подходе
- •Достижимые объекты в ОО-модели
- •Проблема управления памятью в ОО-модели
- •Три ответа
- •Несерьезный подход (тривиальный)
- •Может ли быть оправдан несерьезный подход?
- •Надо ли заботиться о памяти?
- •Байт здесь, байт там, и реальные покойники
- •Восстановление памяти: проблемы
- •Удаление объектов, управляемое программистом
- •Проблема надежности
- •Проблема простоты разработки
- •Подход на уровне компонентов
- •Управление памятью связного списка
- •Работа с утилизированными объектами
- •Дискуссия
- •Автоматическое управление памятью
- •Необходимость автоматических методов
- •Что в точности понимается под восстановлением?
- •Подсчет ссылок
- •Сборка мусора
- •Механизм сборки мусора
- •Основа сборки мусора
- •Сборка по принципу "все-или-ничего"
- •Продвинутый (Advanced) подход к сборке мусора
- •Алгоритмы параллельной сборки мусора
- •Практические проблемы сборки мусора
- •Класс MEMORY
- •Механизм освобождения
- •Сборка мусора и внешние вызовы
- •Среда с управлением памятью
- •Основы
- •Сложные проблемы
- •Перемещение объектов
- •Механизм сборки мусора
- •Повышенное чувство голода и потеря аппетита (Bulimia and anorexia)
- •Операции сборщика мусора
- •Ключевые концепции
- •Библиографические заметки
- •Упражнения
- •У9.1 Модели создания объектов
- •У9.2 Какой уровень утилизации?
- •У9.3 Совместное использование стека достижимых элементов
- •У9.4 Совместное использование
- •Лекция 10. Универсализация
- •Горизонтальное и вертикальное обобщение типа
- •Необходимость параметризованных классов
- •Родовые АТД
- •Проблема
- •Роль типизации
- •Родовые классы
- •Объявление родового класса
- •Использование родового класса
- •Терминология
- •Проверка типов
- •Правило типизации
- •Операции над сущностями родового типа
- •Типы и классы
- •Массивы
- •Массивы как объекты
- •Свойства массива
- •Размышления об эффективности
- •Синонимичная инфиксная операция
- •Стоимость универсализации
- •Обсуждение: что все-таки не сделано
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У10.1 Ограниченная универсализация
- •У10.2 Двумерные массивы
- •У10.3 Использование своего формального родового параметра фактически как чужого
- •Лекция 11. Проектирование по контракту: построение надежного ПО
- •Базисные механизмы надежности
- •О корректности ПО
- •Выражение спецификаций
- •Формула корректности
- •Сильные и слабые условия
- •Введение утверждений в программные тексты
- •Предусловия и постусловия
- •Класс стек
- •Предусловия
- •Постусловия
- •Педагогическое замечание
- •Контракты и надежность ПО
- •Права и обязательства
- •Интуиция (Дзен) и искусство программной надежности: больше гарантий и меньше проверок
- •Утверждения не являются механизмом проверки вводимых данных
- •Утверждения это не управляющие структуры
- •Ошибки, дефекты и другие насекомые
- •Работа с утверждениями
- •Класс стек
- •Императив и аппликатив (применимость)
- •Замечание о пустоте структур
- •Проектирование предусловий: толерантное или требовательное?
- •Предусловия и статус экспорта
- •Толерантные модули
- •Инварианты класса
- •Определение и пример
- •Форма и свойства инвариантов класса
- •Инвариант в момент изменения
- •Кто должен обеспечить сохранность инвариантов
- •Роль инвариантов класса в программной инженерии
- •Инварианты и контракты
- •Когда класс корректен?
- •Корректность класса
- •Роль процедур создания
- •Ревизия массивов
- •Связывание с АТД
- •Не просто коллекция функций
- •Компоненты класса и АТД функции
- •Выражение аксиом
- •Функция абстракции
- •Инварианты реализации
- •Инструкция утверждения
- •Инварианты и варианты цикла
- •Трудности циклов
- •Сделаем циклы корректными
- •Ингредиенты доказательства корректности цикла
- •Синтаксис цикла
- •Использование утверждений
- •Утверждения как средство для написания корректного ПО
- •Использование утверждений для документирования: краткая форма класса
- •Мониторинг утверждений в период выполнения
- •Каков оптимальный уровень мониторинга?
- •Обсуждение
- •Нужен ли мониторинг в период выполнения?
- •Выразительная сила утверждений
- •Включение функций в утверждения
- •Инварианты класса и семантика ссылок
- •Что дальше
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У11.1 Комплексные числа
- •У11.2 Класс и его АТД
- •У11.3 Полные утверждения для стеков
- •У11.4 Экспортирование размера
- •У11.5 Инвариант реализации
- •У11.6 Утверждения и экспорт
- •У11.7 Поиск жучков (bugs)
- •У11.8 Нарушение инварианта
- •У11.9 Генерация случайных чисел
- •У11.10 Модуль "очередь"
- •У11.11 Модуль "множество"
- •Постскриптум: Катастрофа Ариан 5
- •Лекция 12. Когда контракт нарушается: обработка исключений
- •Базисные концепции обработки исключений
- •Отказы
- •Исключения
- •Источники исключений
- •Ситуации отказа
- •Обработка исключений
- •Как не следует делать это - C-Unix пример
- •Как не следует делать это - Ada пример
- •Принципы обработки исключений
- •Цепочка вызовов
- •Механизм исключений
- •Спаси и Повтори (Rescue и Retry)
- •Как отказаться сразу
- •Таблица истории исключений
- •Примеры обработки исключений
- •Поломки при вводе
- •Восстановление при исключениях, сгенерированных операционной системой
- •Повторение программы, толерантной к неисправностям
- •N-версионное программирование
- •Задача предложения rescue
- •Корректность предложения rescue
- •Четкое разделение ролей
- •Когда нет предложения rescue
- •Продвинутая обработка исключений
- •Запросы при работе с классом EXCEPTIONS
- •Какой должна быть степень контроля?
- •Исключения разработчика
- •Обсуждение
- •Дисциплинированные исключения
- •Должны ли исключения быть объектами?
- •Методологическая перспектива
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У12.1 Наибольшее целое
- •У12.2 Объект Exception
- •Лекция 13. Поддерживающие механизмы
- •Взаимодействие с не объектным ПО
- •Внешние программы
- •Улучшенные варианты
- •Использование внешних программ
- •ОО-изменение архитектуры (re-architecturing)
- •Вопрос совместимости: гибридный программный продукт или гибридные языки?
- •Передача аргументов
- •Инструкции
- •Вызов процедуры
- •Присваивание (Assignment)
- •Создание (Creation)
- •Условная Инструкция (Conditional)
- •Множественный выбор
- •Циклы
- •Проверка
- •Отладка
- •Повторение вычислений
- •Выражения
- •Манифестные константы
- •Вызовы функций
- •Текущий объект
- •Выражения с операторами
- •Нестрогие булевы операторы
- •Строки
- •Ввод и вывод
- •Лексические соглашения
- •Ключевые концепции
- •Упражнения
- •У13.1 Внешние классы
- •У13.2 Избегая нестрогих операторов
- •Лекция 14. Введение в наследование
- •Многоугольники и прямоугольники
- •Многоугольники
- •Прямоугольники
- •Основные соглашения и терминология
- •Наследование инварианта
- •Наследование и конструкторы
- •Пример иерархии
- •Полиморфизм
- •Полиморфное присоединение
- •Что на самом деле происходит при полиморфном присоединении?
- •Полиморфные структуры данных
- •Типизация при наследовании
- •Согласованность типов
- •Пределы полиморфизма
- •Экземпляры
- •Статический тип, динамический тип
- •Обоснованы ли ограничения?
- •Может ли быть польза от неведения?
- •Когда хочется задать тип принудительно
- •Полиморфное создание
- •Динамическое связывание
- •Использование правильного варианта
- •Переопределение и утверждения
- •О реализации динамического связывания
- •Отложенные компоненты и классы
- •Движения произвольных фигур
- •Отложенный компонент
- •Эффективизация компонента
- •Отложенные классы
- •Соглашения о графических обозначениях
- •Что делать с отложенными классами?
- •Задание семантики отложенных компонентов и классов
- •Способы изменения объявлений
- •Повторное объявление функции как атрибута
- •Обратного пути нет
- •Использование исходной версии при переопределении
- •Смысл наследования
- •Двойственная перспектива
- •Взгляд на класс как на модуль
- •Взгляд на класс как на тип
- •Наследование и децентрализация
- •Независимость от представления
- •Парадокс расширения-специализации
- •Роль отложенных классов
- •Назад к абстрактным типам данных
- •Отложенные классы как частичные интерпретации: классы поведения
- •Не вызывайте нас, мы вызовем вас
- •Программы с дырами
- •Роль отложенных классов при анализе и глобальном проектировании
- •Обсуждение
- •Явное переопределение
- •Доступ к предшественнику процедуры
- •Динамическое связывание и эффективность
- •Оценка накладных расходов
- •Статическое связывание как оптимизация
- •Кнопка под другим именем: когда статическое связывание ошибочно
- •Подход языка С++ к связыванию
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У14.1 Многоугольники и прямоугольники
- •У14.2 Многоугольник с малым числом вершин
- •У14.3 Геометрические объекты с двумя координатами
- •У14.4 Наследование без классов
- •У14.5 Классы без объектов
- •У14.6 Отложенные классы и прототип
- •У14.7 Библиотека поиска в таблицах (семестровый проект)
- •У14.8 Виды отложенных компонентов
- •У14.9 Комплексные числа
- •Лекция 15. Множественное наследование
- •Примеры множественного наследования
- •Пример, неподходящий для введения
- •Может ли самолет быть имуществом?
- •Числовые и сравнимые значения
- •Окна - это деревья и прямоугольники
- •Деревья - это списки и их элементы
- •Составные фигуры
- •Брак по расчету
- •Структурное наследование
- •Наследование функциональных возможностей
- •Лунка и кнопка
- •Оценка
- •Переименование компонентов
- •Конфликт имен
- •Результат переименования
- •Смена имен и переопределение
- •Подбор локальных имен
- •Играем в имена
- •Использование родительской процедуры создания
- •Плоские структуры
- •Плоская форма класса
- •Применение плоской формы
- •Краткая плоская форма
- •Дублируемое наследование
- •Общие предки
- •По обе стороны океана
- •Совместное использование и репликация
- •Ненавязчивое дублирующее наследование
- •Правило переименования
- •Конфликт переопределений
- •Конфликт при совместном использовании: отмена определения и соединение компонентов
- •Конфликты при репликации: выделение
- •Выделение всех компонентов
- •Сохранение исходной версии при переопределении
- •Пример повышенной сложности
- •Дублируемое наследование и универсальность
- •Правила об именах
- •Обсуждение
- •Переименование
- •ОО-разработка и перегрузка
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У15.1 Окна как деревья
- •У15.2 Является ли окно строкой?
- •У15.3 Завершение строительства
- •У15.4 Итераторы фигур
- •У15.5 Связанные стеки
- •У15.6 Кольцевые списки и цепи
- •У15.7 Деревья
- •У15.8 Каскадные или "шагающие" (walking) меню
- •У15.9 Плоский precursor (предшественник)
- •У15.10 Дублируемое наследование и репликация
- •Лекция 16. Техника наследования
- •Наследование и утверждения
- •Инварианты
- •Предусловия и постусловия при наличии динамического связывания
- •Как обмануть клиентов
- •Как быть честным
- •Пример
- •Устранение посредника
- •Субподряды
- •Абстрактные предусловия
- •Правило языка
- •Повторное объявление функции как атрибута
- •Замечание математического характера
- •Глобальная структура наследования
- •Универсальные классы
- •Нижняя часть иерархии
- •Универсальные компоненты
- •Замороженные компоненты
- •Запрет повторного объявления
- •Фиксированная семантика компонентов copy, clone и equality
- •Не злоупотребляйте замораживанием
- •Ограниченная универсальность
- •Вектора, допускающие сложение
- •Не ОО-подход
- •Ограничение родового параметра
- •Игра в рекурсию
- •Попытка присваивания
- •Когда правила типов становятся несносными
- •Проблема
- •Механизм решения
- •Правильное использование попытки присваивания
- •Типизация и повторное объявление
- •Устройства и принтеры
- •Одно- и двусвязные элементы
- •Правило повторного объявления типов
- •Закрепленные объявления
- •Несогласованность типов
- •Примеры из практики
- •Серьезное затруднение
- •Понятие опорного элемента
- •Опорный элемент Current
- •Еще раз о базовых классах
- •Правила о закрепленных типах
- •Когда не используются закрепленные объявления
- •Статический механизм
- •Наследование и скрытие информации
- •Кое-что о политике
- •Применение
- •Зачем нужна такая гибкость?
- •Интерфейс и повторное использование реализаций
- •Слово в защиту реализаций
- •Два стиля
- •Выборочный экспорт
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У16.1 Наследование: простота и эффективность
- •У16.2 Векторы
- •У16.3 Экстракт?
- •Лекция 17. Типизация
- •Проблема типизации
- •Базисная конструкция
- •Статическая и динамическая типизация
- •Правила типизации
- •Реализм
- •Пессимизм
- •Статическая типизация: как и почему
- •Преимущества
- •Аргументы в пользу динамической типизации
- •Типизация: слагаемые успеха
- •"Типизирована ли кроха"?
- •Типизация и связывание
- •Ковариантность и скрытие потомком
- •Ковариантность
- •Параллельные иерархии
- •Своенравие полиморфизма
- •Скрытие потомком
- •Корректность систем и классов
- •Практический аспект
- •Корректность систем: первое приближение
- •Контравариантность и безвариантность
- •Использование родовых параметров
- •Типовые переменные
- •Полагаясь на закрепление типов
- •Глобальный анализ
- •Остерегайтесь полиморфных кэтколлов!
- •Назад, в Ялту
- •Одно правило и несколько определений
- •Оценка
- •Полное соответствие
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Лекция 18. Глобальные объекты и константы
- •Константы базовых типов
- •Атрибуты-константы
- •Использование констант
- •Константы пользовательских классов
- •Константы с манифестом для этого непригодны
- •Однократные функции
- •Применение однократных подпрограмм
- •Разделяемые объекты
- •Однократные функции с результатами базовых типов
- •Однократные процедуры
- •Параметры
- •Однократные функции, закрепление и универсальность
- •Константы строковых типов
- •Unique-значения
- •Обсуждение
- •Инициализация: подходы языков программирования
- •Строковые константы
- •Unique-значения и перечислимые типы
- •Ключевые концепции
- •Библиографические замечания
- •Упражнения
- •У18.1 Эмуляция перечислимых типов однократными функциями
- •У18.2 Однократные функции для эмуляции unique-значений
- •У18.3 Однократные функции в родовых классах
- •У18.4 Однократные атрибуты?
- •Примечания
- •1.1. Хансена
- •1.2. Computer World
- •3.1. метода
- •3.2. именованные константы
- •3.3. Метод, требующий от каждого модуля, вводящего данные, проверку их достоверности, пригоден для реализации модульной защищенности
- •4.1. книга
- •4.3. таблице
- •10.1. Как рассматривать наследование и параметризацию, как соперников или как соратников, когда целью является построение более гибкого ПО
- •10.2. прозрачной
- •10.3. Рассмотрим первый набросок этого класса
- •10.4. инфиксную операцию
- •11.1. общий класс, описывающий стеки
- •11.2. Для инвариантов ответ такой же, как и для постусловий
- •12.1. учебника
- •13.1. процедура
- •13.2. Эта техника будет обсуждаться вместе с вопросом побочных эффектов в разделе принципов модульного проектирования
- •13.3. предыдущих лекциях
- •13.4. анализ символа, введенного пользователем
Обсуждение
Механизм утверждений, представленный в этой лекции, привносит несколько тонких проблем, подлежащих исследованию.
Нужен ли мониторинг в период выполнения?
Действительно, нужно ли проверять утверждения в период выполнения? После того, как мы были в состоянии, используя утверждения, дать теоретическое определение корректности класса: каждая процедура создания должна гарантировать инвариант, и тело каждой процедуры, запущенной в состоянии, удовлетворяющем инварианту и предусловию, сохраняет в заключительном состоянии инвариант и гарантирует выполнение постусловия. Теперь мы должны выполнить математическую проверку m+n соответствующих условий (для m процедур создания и n экспортируемых процедур), и тогда долой мониторинг в период выполнения.
Мы должны, но мы не можем. Доказательство правильности программ уже многие годы является активной областью исследований, и достигло определенных успехов. Все же сегодня невозможно проверить корректность реального ПО, написанного на современных языках программирования.
|Для этого необходим, в частности, и более мощный язык утверждений. Язык IFL, обсуждаемый ниже, может быть использован как часть стратегии многоярусного доказательства. |
Даже, если со временем методы и инструментальные средства доказательства станут доступными, можно ожидать, что отказаться от мониторинга не удастся. В системе всегда останется место трудно предсказуемым событиям - ошибкам аппаратуры, ошибкам в самом доказательстве. Поэтому следует применять хорошо известную в инженерии технику - множественные, независимые способы проверки.
Выразительная сила утверждений
Как можно было заметить, применяемый язык утверждений является языком обычных булевых выражений, обогащенный несколькими понятиями, такими как old. Как результат, он ограничен и не позволяет включить в наши классы некоторые свойства, достаточно просто выражаемые в математической нотации, используемой при описании АТД.
Утверждения класса стек дают хороший пример того, что выразимо, и что не выразимо в нашем языке. Мы найдем, что многие аксиомы и предусловия из спецификации АТД, приведенной в лекции 6, прямым образом отображаются в утверждения класса. Например, аксиома
A4. not empty (put (s, x))
задает постусловие not empty процедуры put. Но в некоторых случаях в классе нет непосредственного двойника. Ни одно из постусловий для remove, приводимое до сих пор, не отражает аксиому
A2. remove (put (s, x)) = s
Мы, конечно, можем ввести эту аксиому неформально, добавив в постусловие комментарий, описывающий это свойство:
remove is
--Удалить элемент вершины require
not_empty: not empty -- i.e. count > 0 do
count := count - 1 ensure
not_full: not full
one_fewer: count = old count - 1
LIFO_policy: -- item является последним элементом, помещенным в стек
--и еще не удален, если таковое имело место.
End
Подобные неформальные утверждения, синтаксически выраженные комментариями, появлялись в инвариантах цикла для maxarray и gcd.
В таких случаях два из принципиальных использований утверждений, обсуждаемых ранее, остаются применимыми, по крайней мере, частично: помощь в создании корректного продукта и его документации (утверждения, заданные комментариями, будут появляться в краткой форме класса). Другие использования, в частности отладка и тестирование, предполагают вычисление выражений, и становятся теперь неприменимыми.
Было бы предпочтительнее выражать все утверждения формально. Лучший способ достичь этой цели - расширить язык выражений, так чтобы он позволял задавать любые свойства. Это требует возможности описания сложных математических объектов - множеств, последовательностей, функций, отношений. Необходим и мощный по выразительности язык, например, язык логики предикатов первого порядка, допускающий выражения с кванторами всеобщности и существования. Существуют формальные языки спецификаций, обладающие, по крайней мере, частью такой выразительной силы. Наиболее известными являются языки Z, VDM, Larch, OBJ-2; как Z, так и VDM имеют ОО-расширения, например, Object-Z.
Библиографические замечания к лекции 6 дают необходимые ссылки.
Включение полного языка спецификаций в язык этой книги полностью изменило бы ее природу. Смысл языка в том, чтобы он был простым, легким в обучении, применимым во всех программистских конструкциях. Он должен допускать быструю компиляцию и эффективную реализацию с производительностью, соизмеримой с C или Fortran.
Вместо этого, в механизме утверждений мы пошли на инженерный компромисс: он включает достаточно формальных элементов, оказывающих существенный эффект на качество ПО, но останавливается в точке убывания - границе, за которой выгоды от большей формализации, начинают оборачиваться потерями простоты и эффективности.
|Определение границы во многом определяется личным выбором. Я был удивлен, для программистского сообщества в целом эта граница не изменилась со времен первого издания этой книги. Наша деятельность требует большего формализма, но профессиональное сообщество еще не осознало этого. |
Так что пока и на ближайшее будущее утверждения остаются булевыми выражениями с некоторыми расширениями. Это не такое уж и строгое ограничение, поскольку булевы
выражения допускают вызов функций.
Включение функций в утверждения
Булевы выражения не ограничиваются использованием атрибутов и локальных сущностей. Мы уже использовали возможность вызова функций в утверждениях: предусловие для put класса стек было not full, где full - функция
full: BOOLEAN is
-- Is stack full? (Заполнен ли стек?) do
Result := (count = capacity) ensure
full_definition: Result = (count = capacity) end
В этом наш маленький секрет, - мы вышли из рамок исчисления высказываний, в котором булевы выражения могут строиться только из переменных, констант и знаков логических операций. Благодаря введению функций, мы получили мощный механизм, позволяющий вычислять булевы значения любым, подходящим для нас способом. Не следует беспокоиться о присутствии постусловия самой функции full, это не создает никакого пагубного зацикливания. Детали вскоре.
Использование функций ведет к получению более абстрактных утверждений. Например, кто-то предпочтет заменить предусловие в операциях над массивом, ранее выраженное как
index_not_too_small: lower <= i index_not_too_large: i <= upper
одним предложением в форме
index_in_bounds: correct_index (i)
с определением функции
correct_index (i: INTEGER): BOOLEAN is -- Является ли i внутри границ массива? do
Result := (i >= lower) and (i <= upper) ensure
definition: Result = ((i >= lower) and (i <= upper)) end
Еще одно преимущество использования функций в выражениях в том, что они дают способ обойти ограничения выразительной силы, возникающие из-за отсутствия механизмов логики предикатов первого порядка. Неформальный инвариант нашего цикла для maxarray
-- Result является максимумом нарезки массива t в интервале [t.lower,i]
формально может быть выражен так
Result = (t.slice (lower, i)).max
в предположении, что slice вырабатывает нарезку - массив с индексами от lower д о i, - а функция max дает максимальный элемент этого массива.
|Этот подход был исследован в [M 1995a] как способ расширения выразительной силы механизма утверждений, возможно ведущий к разработке полностью формального метода, - другими словами, к математическому доказательству корректности ПО. В этом исследовании есть две центральные идеи. Первая - использование библиотек в процессе доказательства, так что можно его проводить для реальных, широкомасштабных систем, строя многоярусную структуру, использующую условные доказательства. Вторая идея - определение ограниченного языка чисто аппликативной природы - IFL (Intermediate Functional Language), в котором выражаются функции, используемые в выражениях. Язык IFL является подмножеством нотации этой книги, включающий некоторые императивные конструкции, такие как любые присваивания. |
Ясно, чем мы рискуем: появление функций в выражениях означает введение потенциально императивных элементов (программ) в чисто аппликативный, до сего времени, мир утверждений. Без функций мы имели ясное и четкое разделение ролей, обсуждаемое ранее: инструкции предписывают, утверждения описывают. Теперь мы открыли ворота аппликативного города императивным полчищам.
Все же трудно сопротивляться мощи использования функций, поскольку все альтернативы имеют свои недостатки.
*Включение полного языка спецификаций, как отмечалось, приводит к потере эффективности и простоты изучения.
*Вероятно, хуже то, что неясно, достаточны ли общепринятые языки утверждений. Возьмем, например, такого естественного кандидата, в которого многие верят, - язык логики предикатов первого порядка. Этот формализм не позволяет нам выразить некоторые свойства, представляющие непосредственный интерес для разработчиков и часто используемые в утверждениях, такие как, например, "граф не имеет циклов" (типичный инвариант цикла).
Математически это может быть выражено как , где r - это отношение на графе, а+ его транзитивное замыкание. Хотя можно представить себе язык спецификации, поддерживающий эти понятия, большинство языков этого не делают.
Все это создает больше трудностей для программиста, которому проще написать булеву функцию cyclic, исследующую граф и возвращающую true, если и только если в графе есть цикл. Такие примеры являются серьезными аргументами в пользу базисного языка утверждений с использованием функций для повышения его выразительной силы.
Но остается необходимость разделять императивные и аппликативные элементы. Любая программно реализованная функция, используемая в утверждениях для специфицирования свойств, должна быть "безупречной", без обвинений ее в императивности, - она не должна быть причиной никаких изменений абстрактного состояния.
Это неформальное требование достаточно ясно на практике; формализм подъязыка IFL исключает все императивные элементы, которые либо изменяют глобальное состояние системы, либо не имеют тривиальных аппликативных эквивалентов, в частности исключаются:
*присваивания атрибутам;
*присваивания в циклах;
*вызовы программ, не входящих в IFL.