- •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
Статическая типизация: как и почему
Хотя преимущества статической типизации очевидны, неплохо поговорить о них еще раз.
Преимущества
Причины применения статической типизации в объектной технологии мы перечислили в начале лекции. Это надежность, простота понимания и эффективность.
Надежность обусловлена обнаружением ошибок, которые иначе могли проявить себя лишь во время работы, и только в некоторых случаях. Первое из правил, заставляющее объявлять сущности, как, впрочем, и функции, вносит в программный текст избыточность, что позволяет компилятору, используя два других правила, обнаруживать несоответствия между задуманным и реальным применением сущностей, компонентов и выражений.
Раннее выявление ошибок важно еще и потому, что чем дольше мы будем откладывать их поиск, тем сильнее вырастут издержки на исправление. Это свойство, интуитивно понятное всем программистам-профессионалам, количественно подтверждают широко известные работы Бема (Boehm). Зависимость издержек на исправление от времени отыскания ошибок приведена на графике, построенном по данным ряда больших промышленных проектов и проведенных экспериментов с небольшим управляемым проектом:
Рис. 17.1. Сравнительные издержки на исправление ошибок ([Boehm 1981], публикуется с разрешения)
Читабельность или Простота понимания (readability) имеет свои преимущества. Во всех примерах этой книги появление типа у сущности дает читателю информацию о ее назначении. Читабельность крайне важна на этапе сопровождения.
|Исключив читабельность из круга приоритетов, можно было бы получить другие преимущества, не вводя явных объявлений. В самом деле, возможна неявная форма типизации, когда компилятор, не требуя явного указания типа, пытается автоматически определить его из контекста применения сущности. Эта стратегия известна как выведение типов (type inference). Но в программной инженерии явные объявления типов это помощь, а не наказание, -
тип должен быть ясен не только машине, но и читающему текст человеку. |
Наконец, эффективность может определять успех или отказ от объектной технологии на практике. В отсутствие статической типизации на выполнение x.f (arg) может уйти сколько угодно времени. Причина этого в том, что на этапе выполнения, не найдя f в базовом классе цели x, поиск будет продолжен у ее потомков, а это верная дорога к неэффективности. Снять остроту проблемы можно, улучшив поиск компонента по иерархии. Авторы языка Self провели большую работу, стремясь генерировать лучший код для языка с динамической типизацией. Но именно статическая типизация позволила такому ОО-продукту приблизиться или сравняться по эффективности с традиционным ПО.
Ключом к статической типизации является уже высказанная идея о том, что компилятор, генерирующий код для конструкции x.f (arg), знает тип x. Из-за полиморфизма нет возможности однозначно определить подходящую версию компонента f. Но объявление сужает множество возможных типов, позволяя компилятору построить таблицу, обеспечивающую доступ к правильному f с минимальными издержками, - с ограниченной константой сложностью доступа. Дополнительно выполняемые оптимизации статического связывания (static binding) и подстановки (inlining) - также облегчаются благодаря статической типизации, полностью устраняя издержки в тех случаях, когда они применимы.
Аргументы в пользу динамической типизации
Несмотря на все это, динамическая типизация не теряет своих приверженцев, в частности, среди Smalltalk-программистов. Их аргументы основаны прежде всего на реализме, речь о котором шла выше. Они уверены, что статическая типизация чересчур ограничивает их, не давая им свободно выражать свои творческие идеи, называя иногда ее "поясом целомудрия".
С такой аргументацией можно согласиться, но лишь для статически типизированных языков, не поддерживающих ряд возможностей. Стоит отметить, что все концепции, связанные с понятием типа и введенные в предыдущих лекциях, необходимы - отказ от любой из них чреват серьезными ограничениями, а их введение, напротив, придает нашим действиям гибкость, а нам самим дает возможность в полной мере насладиться практичностью статической типизации.
Типизация: слагаемые успеха
Каковы механизмы реалистичной статической типизации? Все они введены в предыдущих лекциях, а потому нам остается лишь кратко о них напомнить. Их совместное перечисление показывает согласованность и мощь их объединения.
Наша система типов полностью основана на понятии класса. Классами являются даже такие базовые типы, как INTEGER, а стало быть, нам не нужны особые правила описания предопределенных типов. (В этом наша нотация отличается от "гибридных" языков наподобие Object Pascal, Java и C++, где система типов старых языков сочетается с объектной технологией, основанной на классах.)
Развернутые типы дают нам больше гибкости, допуская типы, чьи значения обозначают объекты, наряду с типами, чьи значения обозначают ссылки.
Решающее слово в создании гибкой системы типов принадлежит наследованию и связанному с ним понятию совместимости. Тем самым преодолевается главное ограничение
классических типизированных языков, к примеру, Pascal и Ada, в которых оператор x := y требует, чтобы тип x и y был одинаковым. Это правило слишком строго: оно запрещает использовать сущности, которые могут обозначать объекты взаимосвязанных типов (
SAVINGS_ACCOUNT и CHECKING_ACCOUNT ). При наследовании мы требуем лишь совместимости типа y с типом x, например, x имеет тип ACCOUNT, y - SAVINGS_ACCOUNT, и второй класс - наследник первого.
На практике статически типизированный язык нуждается в поддержке множественного наследования. Известны принципиальные обвинения статической типизации в том, что она не дает возможность по-разному интерпретировать объекты. Так, объект DOCUMENT (документ) может передаваться по сети, а потому нуждается в наличия компонентов, связанных с типом MESSAGE (сообщение). Но эта критика верна только для языков, ограниченных единичным наследованием.
Рис. 17.2. Множественное наследование Универсальность необходима, например, для описания гибких, но безопасных
контейнерных структур данных (например class LIST [G] ...). Не будь этого механизма, статическая типизация потребовала бы объявления разных классов для списков, отличающихся типом элементов.
В ряде случаев универсальность требуется ограничить, что позволяет использовать операции, применимые лишь к сущностям родового типа. Если родовой класс SORTABLE_LIST поддерживает сортировку, он требует от сущностей типа G, где G - родовой параметр, наличия операции сравнения. Это достигается связыванием с G класса, задающего родовое ограничение, - COMPARABLE:
class SORTABLE_LIST [G -> COMPARABLE] ...
Любой фактический родовой параметр SORTABLE_LIST должен быть потомком класса COMPARABLE, имеющего необходимый компонент.
Еще один обязательный механизм - попытка присваивания - организует доступ к тем объектам, типом которых ПО не управляет. Если y - это объект базы данных или объект, полученный через сеть, то оператор x ?= y присвоит x значение y, если y имеет совместимый тип, или, если это не так, даст x значение Void.
Утверждения, связанные, как часть идеи Проектирования по Контракту, с классами и их компонентами в форме предусловий, постусловий и инвариантов класса, дают возможность описывать семантические ограничения, которые не охватываются спецификацией типа. В таких языках, как Pascal и Ada, есть типы-диапазоны, способные ограничить значения сущности, к примеру, интервалом от 10 до 20, однако, применяя их, вам не удастся добиться того, чтобы значение i являлось отрицательным, всегда вдвое превышая j. На помощь приходят инварианты классов, призванные точно отражать вводимые ограничения, какими бы сложными они не были.
Закрепленные объявления нужны для того, чтобы на практике избегать лавинного
дублирования кода. Объявляя y: like x, вы получаете гарантию того, что y будет меняться вслед за любыми повторными объявлениями типа x у потомка. В отсутствие этого механизма разработчики беспрестанно занимались бы повторными объявлениями, стремясь сохранить соответствие различных типов.
Закрепленные объявления - это особый случай последнего требуемого нам языкового механизма - ковариантности, подробное обсуждение которого нам предстоит позже.
При разработке программных систем на деле необходимо еще одно свойство, присущее самой среде разработки - быстрая, возрастающая (fast incremental) перекомпиляция. Когда вы пишите или модифицируете систему, хотелось бы как можно скорее увидеть эффект изменений. При статической типизации вы должны дать компилятору время на перепроверку типов. Традиционные подпрограммы компиляции требуют повторной трансляции всей системы ( и ее сборки ), и этот процесс может быть мучительно долгим, особенно с переходом к системам большого масштаба. Это явление стало аргументом в пользу интерпретирующих систем, таких как ранние среды Lisp или Smalltalk, запускавшие систему практически без обработки, не выполняя проверку типов. Сейчас этот аргумент позабыт. Хороший современный компилятор определяет, как изменился код с момента последней компиляции, и обрабатывает лишь найденные изменения.
"Типизирована ли кроха"?
Наша цель - строгая статическая типизация. Именно поэтому мы и должны избегать любых лазеек в нашей "игре по правилам", по крайней мере, точно их идентифицировать, если они существуют.
Самой распространенной лазейкой в статически типизированных языках является наличие преобразований, меняющих тип сущности. В C и производных от него языках их называют "приведением типа" или кастингом (cast). Запись (OTHER_TYPE) x указывает на то, что значение x воспринимается компилятором, как имеющее тип OTHER_TYPE, при соблюдении некоторых ограничениях на возможные типы.
Подобные механизмы обходят ограничения проверки типов. Приведение широко распространено при программировании на языке C, включая диалект ANSI C. Даже в языке C++ приведение типов, хотя и не столь частое, остается привычным и, возможно, необходимым делом.
Придерживаться правил статической типизации не так просто, если в любой момент их можно обойти путем приведения.
Далее будем полагать, что система типов является строгой и не допускает приведения типа.
|Возможно, вы заметили, что попытка присваивания - неотъемлемый компонент реалистичной системы типов - напоминает приведение. Однако есть существенное отличие: попытка присваивания выполняет проверку, действительно ли текущий тип соответствует заданному типу, - это безопасно, а иногда и необходимо. |
Типизация и связывание
Хотя как читатель этой книги вы наверняка отличите статическую типизацию от статического связывания, есть люди, которым подобное не под силу. Отчасти это может быть
связано с влиянием языка Smalltalk, отстаивающего динамический подход к обеим задачам и способного сформировать неверное представление, будто они имеют одинаковое решение. (Мы же в своей книге утверждаем, что для создания надежных и гибких программ желательно объединить статическую типизацию и динамическое связывание.)
Как типизация, так и связывание имеют дело с семантикой Базисной Конструкции x.f (arg), но отвечают на два разных вопроса:
Типизация и связывание
*Вопрос о типизации: когда мы должны точно знать, что во время выполнения появится операция, соответствующая f, применимая к объекту, присоединенному к сущности x (с параметром arg )?
*Вопрос о связывании: когда мы должны знать, какую операцию инициирует данный
вызов?
Типизация отвечает на вопрос о наличии как минимум одной операции, связывание отвечает за выбор нужной.
В рамках объектного подхода:
*проблема, возникающая при типизации, связана с полиморфизмом: поскольку x во время выполнения может обозначать объекты нескольких различных типов, мы должны быть уверены, что операция, представляющая f, доступна в каждом из этих случаев;
*проблема связывания вызвана повторными объявлениями: так как класс может менять наследуемые компоненты, то могут найтись две или более операции, претендующие на то, чтобы представлять f в данном вызове.
Обе задачи могут быть решены как динамически, так и статически. В существующих языках представлены все четыре варианта решения.
*Ряд необъектных языков, скажем, Pascal и Ada, реализуют как статическую типизацию, так и статическое связывание. Каждая сущность представляет объекты только одного типа, заданного статически. Тем самым обеспечивается надежность решения, платой за которую является его гибкость.
*Smalltalk и другие ОО-языки содержат средства динамического связывания и динамической типизации. При этом предпочтение отдается гибкости в ущерб надежности языка.
*Отдельные необъектные языки поддерживают динамическую типизацию и статическое связывание. Среди них - языки ассемблера и ряд языков сценариев (scripting languages).
*Идеи статической типизации и динамического связывания воплощены в нотации, предложенной в этой книге.
Отметим своеобразие языка C++, поддерживающего статическую типизацию, хотя и не строгую ввиду наличия приведения типов, статическое связывание (по умолчанию),
динамическое связывание при явном указании виртуальных ( virtual ) объявлений.
Причина выбора статической типизации и динамического связывания очевидна. Первый вопрос: "Когда мы будем знать о существовании компонентов?" - предполагает статический ответ: " Чем раньше, тем лучше ", что означает: во время компиляции. Второй вопрос: "Какой из компонентов использовать?" предполагает динамический ответ: " тот, который нужен ", - соответствующий динамическому типу объекта, определяемому во время выполнения. Это единственно приемлемое решение, если статическое и динамическое связывание дает различные результаты.
Следующий пример иерархии наследования поможет прояснить эти понятия:
Рис. 17.3. Виды летательных аппаратов Рассмотрим вызов:
my_aircraft.lower_landing_gear
Вопрос о типизации: когда убедиться, что здесь будет компонент lower_landing_gear ("выпустить шасси"), применимый к объекту (для COPTER его не будет вовсе) Вопрос о связывании: какую из нескольких возможных версий выбрать.
Статическое связывание означало бы, что мы игнорируем тип присоединяемого объекта и полагаемся на объявление сущности. В итоге, имея дело с Boeing 747-400, мы вызвали бы версию, разработанную для обычных лайнеров серии 747, а не для их модификации 747-400. Динамическое связывание применяет операцию, требуемую объектом, и это правильный подход.
При статической типизации компилятор не отклонит вызов, если можно гарантировать, что при выполнении программы к сущности my_aircraft будет присоединен объект, поставляемый с компонентом, соответствующим lower_landing_gear. Базисная техника получения гарантий проста: при обязательном объявлении my_aircraft требуется, чтобы базовый класс его типа включал такой компонент. Поэтому my_aircraft не может быть объявлен как AIRCRAFT, так как последний не имеет lower_landing_gear на этом уровне; вертолеты, по крайней мере в нашем примере, выпускать шасси не умеют. Если же мы объявим сущность как PLANE, - класс, содержащий требуемый компонент, - все будет в порядке.
Динамическая типизация в стиле Smalltalk требует дождаться вызова, и в момент его выполнения проверить наличие нужного компонента. Такое поведение возможно для прототипов и экспериментальных разработок, но недопустимо для промышленных систем - в момент полета поздно спрашивать, есть ли у вас шасси.