Обсуждение

В этом разделе термин "глобальный объект" относится как к глобальным константам встроенных типов, так и к разделяемым сложным объектам, требующим в последнем случае создания объекта при инициализации.

Инициализация: подходы языков программирования

Проблема, решаемая в этой лекции, - это общая проблема языков программирования: как работать с глобальными константами и разделяемыми объектами, в частности, как выполнять их инициализацию в библиотеках компонентов?

Для библиотек более общей задачей является включение в каждый компонент возможности определения того, что его вызов является первым запросом к службам библиотеки, что и позволяет определить, была ли сделана инициализация.

Последнюю задачу можно свести к более простой: как разделять переменные булевого типа и согласованно их инициализировать? Свяжем с глобальным объектом p или группой глобальных объектов, нуждающихся в одновременной инициализации, булеву переменную, скажем, ready, истинную, если и только если инициализация проведена. Тогда любому обращению к p нетрудно предпослать инструкцию

if not ready then "Создать или вычислить p" ready := True

end

Теперь проблема инициализации касается только ready - еще одного глобального объекта, который необходимо инициализировать значением False.

Как же решается эта задача в языках программирования? С момента их появления в этом плане почти ничего не менялось. В блочно-структурированных языках, среди которых Algol и Pascal, типичным было описание ready как глобальной переменной на верхнем синтаксическом уровне; ее инициализация производилась в главной программе. Но такая техника непригодна для библиотек автономных модулей.

В языке Fortran, позволяющем независимую компиляцию подпрограмм (что придает им известную автономность), можно поместить все глобальные объекты в общий блок (common block), идентифицируемый по имени. Всякая подпрограмма, обращающаяся к общему блоку, должна содержать такую директиву:

COMMON /common_block_name/ data_item_names

При этом возникают две проблемы:

*Две совокупности подпрограмм могут использовать одноименные общие блоки, что приведет к конфликту, если одной из программ понадобится как первый, так и второй блок. Смена имени блока вызовет трудности у других программ.

*Как инициализировать сущности общего блока, такие как ready? Из-за отсутствия инициализации по умолчанию, ее нужно выполнять в особом модуле, называемом блоком данных (block data unit). В Fortran 77 допускаются именованные модули, что позволяет разработчикам объединять глобальные данные разных общих блоков. При этом есть немалый

риск несогласованности инициализации и объявления глобальных объектов.

Принцип решения этой задачи в языке C по сути не отличается от решения Fortran 77. Признак ready нужно описать как "внешнюю" переменную, общую для нескольких "файлов" (единиц компиляции языка). Объявление переменной с указанием ее значения может содержать только один файл, остальные, используя директиву extern, подобную COMMON в Fortran 77, лишь заявляют о необходимости доступа к переменной. Обычно такие определения объединяют в "заголовочные" (header) .h -файлы, которые соответствуют блоку данных в Fortran. При этом наблюдаются те же проблемы, отчасти решаемые утилитами make, призванными отслеживать возникающие зависимости.

Решение может быть близко к тому, что предлагают модульные языки наподобие Ada или Modula 2, подпрограммы которых можно объединять в модули более высокого уровня. В Ada эти модули называют "пакетами" (package). Если все подпрограммы, использующие группу взаимосвязанных глобальных объектов, собраны в одном пакете, то соответствующие признаки ready можно описать в этом же пакете и здесь же выполнить их инициализацию. Однако этот подход (применимый также в C и Fortran 77) не решает проблему инициализации автономных библиотек. Еще более деликатный вопрос связан с тем, как поступать с глобальными объектами, разделяемых подпрограммами разных независимых модулей. Языки Ada и Modula не дают простого ответа на этот вопрос.

Механизм "однократных" методов, сохраняя независимость классов, допускает контекстнозависимую инициализацию.

Строковые константы

Строковые константы (а точнее, разделяемые строковые объекты) объявляются в языках программирования в манифестной форме с использованием двойных кавычек. Это находит отражение в правилах языка, и как следствие любой компилятор предполагает присутствие в библиотеке класса STRING. Это - своего рода компромисс между "полярными" решениями.

*STRING рассматривается как встроенный тип, каким он является во многих языках программирования. Это означает введение в язык операций над строками: конкатенации, сравнения, выделения подстроки и других, что усложняет язык. Преимуществом введения такого класса является возможность снабдить его операции точными спецификациями, благодаря утверждениям, и способность порождать от него другие классы.

*STRING рассматривается как обычный класс, создаваемый разработчиком. Тогда задавать его константы в манифестной форме [S1] уже нельзя, от разработчиков потребуется соблюдение формата [S2]. Кроме того, данный подход препятствует оптимизации компилятором таких операций, как прямой доступ к символам строки.

Поэтому строки STRING, как и массивы ARRAY, ведут "двойную жизнь", принимая вид предопределенного типа при задании констант и оптимизации кода, и становясь классом, когда речь заходит о гибкости и универсальности.

Unique-значения и перечислимые типы

Pascal и производные от него языки допускают описание переменной вида

code: ERROR

где ERROR - это "перечислимый тип":

type ERROR = (Normal, Open_error, Read_error)

Переменная code может принимать только значения типа ERROR. Мы уже видели, как добиться того же самого в ОО-нотации: при выполнении кода результат будет почти идентичен, поскольку Pascal-компиляторы традиционно реализуют значения перечислимого типа как целые числа. Введение объявления unique не порождает нового типа. Понятие перечислимых типов, кажется, трудно совместить с объектным подходом. Все наши типы основаны на классах, характеризующих реально осуществимые операции и их свойства. Перечислимые типы не обладают такими характеристиками, а представляют обычные множества чисел. Проблемы с этими типами данных возникают и в необъектных языках.

*Статус символических имен не вполне ясен. Могут ли два перечислимых типа иметь общие символические имена (скажем, Orange в составе типов FRUIT и COLOR )? Можно ли их экспортировать как переменные и распространять на них те же правила видимости?

*Значения перечислимых типов трудно получать и передавать программам, написанным на других языках, к примеру, C и Fortran, не поддерживающих такое понятие. В тоже время

значения, описанные как unique, - это обычные числа, работа с которыми не вызывает никаких проблем.

* Перечислимые типы данных могут требовать специальных операторов. Так, можно представить себе оператор next, возвращающий следующее значение и неопределенный для последнего элемента перечисления. Помимо него потребуется оператор, сопоставляющий элементу целое значение (индекс). В итоге синтаксическое и семантическое усложнение языка кажется непропорциональным вкладу этого механизма.

Объявления перечислимых типов в Pascal и Ada обычно принимают вид:

type FIGURE_SORT = (Circle, Rectangle, Square, ...)

и используются совместно с вариантными полями записей:

FIGURE = record

perimeter: INTEGER;

... Другие атрибуты, общие для фигур всех типов ...

case fs: FIGURE_SORT of

Circle: (radius: REAL; center: POINT);

Rectangle:... Специальные атрибуты прямоугольника ...;

...

end end

Этот механизм позволяет организовать разбор случаев в операторе выбора case:

procedure rotate (f: FIGURE) begin case f of

Circle:... Специальные операции поворота окружности ...; Rectangle:...;

...

Мы уже познакомились с лучшим способом решения этой проблемы, сохраняющим

расширяемость при появлении новых вариантов, - достаточно определить различные версии процедур, подобных rotate для каждого нового варианта, представленного классом.

Когда это наиболее важное применение перечислимых типов исчезло, все, что осталось необходимым в некоторых случаях, - это выбор целочисленных кодов для фиксированного множества возможных значений. Определив их как обычные целые, мы избежим многих семантических неопределенностей, связанных с перечислимыми типами, например, нет ничего необычного в выражении Circle +1, если известно, что Circle типа integer. Введение unique - значения позволяет обойти единственное неудобство, связанное с необходимостью инициализации значений, позволяя выполнять ее автоматически.