- •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
Сборка мусора
Наиболее общей и полностью удовлетворительной техникой является лишь автоматическая сборка мусора или просто сборка мусора.
Механизм сборки мусора
Сборщик мусора (garbage collector) - это функция исполнительной системы (runtime system) языка программирования. Сборщик мусора выполняет обнаружение и утилизацию недостижимых объектов, не нуждаясь в управлении приложением, хотя приложение может иметь в своем распоряжении различные средства контроля работы сборщика.
Детальное рассмотрение всех проблем сборки мусора требует отдельной книги. (В конце лекции приведена библиография по этой проблеме.) Рассмотрим общие принципы и возникающие проблемы, концентрируя внимание на свойствах, важных для разработчиков программ.
Требования к сборщику мусора Сборщик мусора, несомненно, должен быть корректным, удовлетворяя двум требованиям:
Свойства сборщика мусора Качественность: каждый собираемый объект должен быть недостижимым.
Полнота: каждый недостижимый объект должен быть собран.
Качественность - абсолютное требование: лучше не собирать мусор, чем выбрасывать нужный объект. Нужна полная уверенность в том, что управлению памятью можно слепо доверять. Фактически надо забыть о нем почти навсегда, будучи уверенным, что кто-то как-то убирает беспорядок в вашей программе, также как кто-то как-то убирает мусор в вашем офисе, когда вас нет, но не убирает при этом ваши книги, компьютер и семейные фотографии со стола.
Полнота желательна - без нее все равно можно столкнуться с проблемой, которую сборщик мусора должен решить: память тратится на бесполезные объекты. Но здесь можно не требовать безупречности: сборщик может быть полезным, если он собирает основную часть мусора, иногда пропуская один или два объекта.
Это замечание требует детализации. На практике любой сборщик промышленного масштаба должен обладать полнотой. Полнота на практике также необходима, как качественность, но менее жестка, если перефразировать ее определение: "каждый недостижимый объект должен быть, в конце концов, собран". Предположим, что мы можем сделать процесс сборки более эффективным, благодаря алгоритму, который собирает каждый недостижимый объект, но может запоздать с обращением к некоторым из них: такая схема будет приемлемой для большинства приложений. В этом идея обсуждаемого далее алгоритма "сборки мусора поколений", который в целях эффективности чаще сканирует области памяти, содержащие с большей вероятностью недостижимые объекты, и реже обращает внимание на другие участки памяти.
|При таком компромиссном подходе для сборщика мусора необходимо будет ввести не только бинарные критерии полноты и качественности, но и критерий, называемый своевременность ( timeliness ). Его значением является интервал времени от момента, когда объект становится недостижимым, до момента его утилизации, причем важно как среднее значение времени, так и верхняя его граница. |
Определение качественности высвечивает трудности, связанные со сборкой мусора для некоторых языков программирования, и соответствующие роли языка и его реализации. Почему, например, сборка мусора обычно неприменима для С++? Обычно приводимые причины связаны с культурой: в мире С каждый разработчик должен сам заботиться о своих "игрушках" (по словам Стефенсона); он просто не доверяет какому-либо автоматическому механизму управлять его делами. Но, если бы это было действительной причиной, а не апостериорным оправданием, среды С++ могли бы, как минимум, предложить сборку мусора как подключаемую возможность, но большинство реализаций этого не делают.
Действительная проблема лежит в структуре языка, а не в технологии компиляции или культурных традициях. Язык С++, следуя С, слабо типизирован; он предоставляет возможность преобразования типа, благодаря которой на объект одного типа можно ссылаться как на сущность другого типа. Конструкция:
(OTHER_TYPE) x
означает, что теперь x рассматривается как сущность типа OTHER_TYPE, связанного или несвязанного с истинным типом x. Хорошие книги по С++ предостерегают приложения от применения подобных конструкций. Но разработчикам компилятора деваться некуда, - они обязаны реализовать язык в соответствии с его определением. Теперь представьте следующий сценарий. Ссылка на объект какого-либо полезного типа, скажем NUCLEAR_SUBMARINE, временно приведена к типу integer. Сборщик мусора, работающий в этот момент, не видит ссылки, а видит только целое типа integer. Не находя других ссылок на объект, сборщик утилизирует подлодку. Когда, через некоторое время программа выполнит обратное преобразование целого в ссылку типа NUCLEAR_SUBMARINE, будет уже поздно, - подлодка уничтожена.
Для решения этой проблемы предлагались разные методы. Широкого применения они не получили из-за накладываемых ограничений. Язык Java может рассматриваться как язык семейства C++, в котором введены существенные ограничения на систему типов, вплоть до удаления множественного наследования и универсализации, чтобы сделать, наконец, возможной сборку мусора в мире программ, основанных на С.
При тщательно спроектированной системе типов, конечно, можно сочетать мощь множественного наследования и универсализации с безопасностью типов и поддержкой эффективной сборки мусора.
Основа сборки мусора
Рассмотрим работу сборщика мусора.
Основной алгоритм включает две фазы: пометка и чистка. Фаза пометки, начиная с оригиналов, рекурсивно следует ссылкам, проходит активную часть структуры и помечает как достижимые все встреченные объекты. Фаза чистки обходит всю структуру объектов, утилизируя все не помеченные объекты и удаляя все пометки. (Об оригиналах см. раздел "Достижимые объекты в ОО-модели этой лекции.")
Как и в случае с подсчетом ссылок, объекты включают дополнительное поле, используемое здесь для пометки. Но требуемая для этого поля память незначительна, - достаточно одного бита для каждого объекта. Как будет видно при изучении динамического связывания, реализация ООвозможностей требует, чтобы объект имел дополнительную внутреннюю информацию (например, тип). Эта информация обычно занимает одно или два слова в каждом объекте. Бит
пометки может быть частью служебного слова, и не будет занимать дополнительную память.
Сборка по принципу "все-или-ничего"
Когда нужно приводить в действие сборщик мусора?
Классические сборщики мусора активизируются по требованию и работают до завершения. Другими словами, сборщик мусора не работает, пока остается память для работы приложения. Как только ее не хватает, приложение запускает полный цикл сборки мусора - фаза пометки и следом фаза чистки.
Эта техника может быть названа "все-или-ничего". Преимущество ее в том, что она не вызывает перегрузки пока достаточно памяти. Когда программа выходит за пределы достижимых ресурсов, в наказание вызывается сборщик мусора.
Но сборка мусора по принципу "все-или-ничего" имеет серьезный недостаток: полный цикл пометки-чистки может занять много времени - особенно в среде виртуальной памяти, большое пространство виртуальных адресов которого сборщик мусора должен обойти полностью, прерывая на это время выполнение приложения.
Для пакетных приложений такая схема еще может быть приемлема. Но и здесь при высоком коэффициенте отношения виртуальной памяти к реальной перегрузка может стать причиной серьезной потери производительности, если система создает большое число объектов, лишь малая часть из которых является в каждый момент достижимыми.
Сборка мусора по принципу "все-или-ничего" не будет работать для интерактивных систем или систем реального времени. Представим систему обнаружения ракетного нападения, которая имеет 50-миллисекундный интервал для реагирования на запуск ракеты. Допустим, программа прекрасно работала, пока система не вышла за пределы памяти, но, к несчастью это событие произошло в момент запуска ракеты, когда вместо системы начал свою работу неспешный сборщик мусора.
Даже в менее жизненно важных приложениях, таких как интерактивные системы, неприятно использовать инструмент, например, редактор текста, который иногда непредсказуемо зависает на 10 минут, потому что у него начался цикл сборки мусора.
Втаких случаях проблема заключается не в глобальном эффекте временных потерь, связанных со сборкой мусора: определенная потеря производительности может быть вполне допустимой для разработчиков и пользователей, как плата за надежность и удобство, предоставляемое автоматической сборкой мусора. Но временные потери должны быть равномерно распределены. Неприемлемы непредсказуемые всплески активности сборщика мусора. Лучше черепаха, чем заяц, время от времени без предупреждения засыпающий на полчаса. Подсчет ссылок, если бы не его фатальный порок, удовлетворял бы лозунгу: "лучше ехать медленно, но с постоянной скоростью, чем быстро, но с неожиданными и непредсказуемыми остановками".
Конечно, временные потери должны быть не только постоянными, но и небольшими. Если приложение без сборщика мусора - заяц, никто не согласится заменить его черепахой. Хороший сборщик мусора должен обеспечивать задержку, не превышающую 5-15%. Хотя некоторые скажут, что и это неприемлемо, я знаю совсем немного приложений, которым нужны меньшие издержки. Необходимо учитывать также, что в отсутствии сборщика мусора потребуется ручная утилизация, также не обходящаяся без издержек. Несмотря на все издержки, сборка мусора необходима.
Входе обсуждения выявлены две дополнительные проблемы эффективности работы сборщика мусора: производительность глобальная (overall performance) и в стартстопном
режиме (incrementality).
Продвинутый (Advanced) подход к сборке мусора
Хороший сборщик должен обеспечивать хорошую производительность, работая как постоянно, так и в стартстопном режиме, становясь приемлемым для интерактивных приложений и даже для систем реального времени.
Отсюда первое требование - необходимо дать возможность разработчикам управлять запуском и выключением циклов работы сборщика. В частности, библиотеки должны предоставлять процедуры:
collection_off collection_on collect_now
Вызов первой прекращает циклическую работу по сборке мусора до особого распоряжения; второй - включает сборщик, восстанавливая нормальное состояние работы; третьей - заставляет сборщик немедленно выполнить полный цикл работы. Пусть некоторая система содержит критический по времени выполнения раздел, в котором не должно быть никаких непредсказуемых временных задержек. В этом случае разработчик может вызвать collection_off в начале этого раздела и collection_on в его конце; в любой другой точке, где приложение работает вхолостую (например, во время ввода или вывода), можно запустить collect_now.
Более продвинутая техника, используемая в большинстве современных сборщиков мусора, известна как сборка мусора поколений (generation scavenging). Она исходит из следующего наблюдения: чем больше циклов сборки мусора объект пережил, тем больше вероятность, что он доживет до следующего цикла или всегда будет достижимым. Отсюда принцип работы сборщика мусора: "старые объекты оставляй нетронутыми". Сборщику полезна любая информация, позволяющая сканировать определенные категории объектов реже, чем остальные. Сборка мусора поколений обнаруживает объекты, существующие более чем определенное количество циклов. Такие объекты получают статус постоянной должности (tenuring) по аналогии с механизмом, защищающим экземпляры класса реальной жизни PROFESSOR, прошедших несколько циклов переизбрания и получивших, наконец, постоянную позицию. Объекты-долгожители будут рассматриваться отдельным сборщиком, работающим реже, чем сборщик "молодых" объектов.
Практическая реализация сборки мусора поколений имеет много вариаций. В частности, обычно делят объекты не только на молодые и старые, но на большее число поколений с разными стратегиями сборки мусора различных поколений.
Алгоритмы параллельной сборки мусора
Для получения полного решения проблемы работы в стартстопном режиме крайне привлекательно выделить сборщику мусора отдельный поток выполнения, конечно, при условии поддержки многозадачности операционной системой. Этот прием известен, как сборка мусора "на лету" (on-the fly) или параллельная.
Во время сборки мусора на лету выполнение ОО-системы использует два отдельных потока (часто соответствующих двум отдельным процессам операционной системы): приложение и сборщик. Только приложение выделяет память объектам с помощью инструкций создания;
только сборщик освобождает память с помощью reclaim операций.
Сборщик будет работать непрерывно, повторяя фазу пометки и следом фазу чистки для обнаружения и удаления недостижимых объектов.
Отдельные потоки не обязательно должны быть отдельными процессами. Они могут быть, во избежание дополнительных расходов на переключение между процессами или даже потоками, плоскими сопрограммами. (Подробнее сопрограммы будут рассмотрены в лекции 12 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", рассматривающей "параллелизм")
Даже при этих условиях сборка мусора на лету на практике имеет неудовлетворительную полную производительность. Это печально, поскольку сам метод достаточно хорош, особенно при условии использования алгоритма Дейкстры (см. библиографическую ссылку).
По моему мнению (мой комментарий отражает надежду, а не научно установленный результат) параллельная сборка мусора - решение будущего, требующее кооперации с аппаратными средствами. Вместо того, чтобы воровать время у процессора, выполняющего приложение, сборка мусора должна управляться отдельным процессором, предназначенным только для решения этой задачи и сконструированным так, чтобы как можно меньше влиять на процессор(ы), работающие с приложением.
Эта идея требует изменения доминирующей аппаратной архитектуры и, вероятно, вряд ли найдет скорое применение. Я надеюсь, что ответом на иногда задаваемый вопрос -
"Какой тип аппаратного обеспечения наиболее пригоден для объектной технологии?" -
первым пунктом в списке пожеланий будет наличие отдельного процессора для сборки мусора.