[x]. Идея описания массивов как объектов (и ARRAY как класс) - хороший пример мощности унификации и упрощения объектной технологии, позволяющей сократить нотацию до минимума и уменьшить количество узкоспециализированных конструкций. Здесь массив рассматривается как обычный пример контейнерной структуры с собственными методами доступа, представленными компонентами put и item.
[x]. Так как ARRAY - обычный класс, он может участвовать во всем, что в предыдущих лекциях называлось ОО-играми; в частности, другие классы могут быть его наследниками. Класс ARRAYED_LIST, описывающий реализацию абстрактного понятия - списка массивов может быть наследником классов LIST и ARRAY. Подобные конструкции будут рассматриваться далее.
Как только мы изучим механизм утверждений, этот унифицированный подход даст возможность развития нашего класса. Предусловия позволят управлять проверкой корректного задания индексов, что обычно требует узко специализированных механизмов.
Размышления об эффективности
[x]. Может ли элегантность и простота нанести удар по эффективности выполнения? Одна из причин широкого использования массивов состоит в том, что основные операции - доступ и изменение элемента - проходят быстро. Надо ли платить за каждый вызов подпрограммы при использовании item или put? Нет. То, что ARRAY для ничего не подозревающего разработчика выглядит как нормальный класс, не запрещает компилятору опираться на скрытую информацию. Она позволяет компилятору находить вызовы item и put и переопределять их так, чтобы сгенерировать такой же код, как сделает компилятор Fortran, Pascal или C для эквивалентных инструкций (p1 := pa [i] и pa [i] := p1 в синтаксисе Pascal). Поэтому разработчик получит лучшее: универсальность, общность, упрощенность, простоту использования ОО-решения, сочетаемую с сохранением производительности традиционного решения.
[x]. Работа компилятора не тривиальна. Как выяснится при изучении наследования, для потомка класса ARRAY возможно переопределить любой компонент класса и эти переопределения могут быть косвенно вызваны через динамическое связывание. Поэтому компилятор должен выполнять тщательный анализ для проверки корректности изменений массива. Для научных приложений, интенсивно использующих массивы, современные компиляторы от ISE и других компаний сегодня могут генерировать код, столь же эффективный, как написанный вручную на C или Fortran.
Синонимичная инфиксная операция
Класс ARRAY предоставляет возможность, косвенно относящуюся к вопросам этой лекции, но полезную на практике. Объявление компонента item фактически определяет и его синоним - инфиксную операцию10.4) следующим образом:
infix "@", item (i: INTEGER): G is...
Здесь задаются два имени компонента: infix "@" и item как синонимы, обозначающие один и тот же компонент, заданный определением.
В общем, объявление компонентов в форме:
a, b, c... "Описание компонента"
рассматривается как краткая форма записи последовательности объявлений:
a "Описание компонента"
b "Описание компонента"
c "Описание компонента"
...
с одним и тем же "Описанием компонента".
Это применимо как для атрибутов (где "Описание компонента" имеет форму: некоторый_тип), так и для подпрограмм (is тело_программы).
Нотация, применяемая в этом примере для доступа к массиву, достаточно проста. Она совместима с механизмами доступа для других структур, хотя, заметим, инструкция a.item(i) более многословна, чем традиционное a[i], встречающееся с некоторыми вариациями в Pascal, C, Fortran и других языках. Определяя "@" как синоним item, можно превзойти традиционные языки в их собственной игре за краткость записи. Написав a @ i, реализуем мечту, - запись требует на одно нажатие клавиши меньше, чем даже С++!. Заметим снова, что это не специальный механизм языка, но прямое применение общей ОО-концепции, компонент-оператора, скомбинированного с нотацией синонима.
Стоимость универсализации
Как всегда нужно убедиться, что ОО-техника, введенная в интересах повторного использования, расширяемости и надежности, не влечет потерю производительности. Этот вопрос уже поднимался при рассмотрении массивов. Теперь необходимо с этих позиций проэкзаменовать механизм универсализации в целом. Какова цена универсализация?
В частности, этот вопрос возникает из-за опыта С++, где универсализация, известная как механизм шаблонов, представляла одно из поздних добавлений к языку. Выяснилось, что некоторые компиляторы воспринимают введение универсализации буквально, генерируя различные копии методов класса для каждого фактического родового аргумента! В результате в литературе по С++ предупреждают программистов об опасности широкого использования шаблонов:
| Число создаваемых экземпляров шаблона - уже проблема для некоторых пользователей С++. Если пользователь создает List<int>, List<String>, List<Widget> и List<Blidget> (где Widget и Blidget классы, определенные пользователем) и вызывает head, tail и insert для всех четырех объектов, то каждая из этих функций будет создана в четырех экземплярах (из-за родового порождения). Вместо этого широко применимый класс List мог бы создать единственный экземпляр каждой функции применимый для различных типов.10.5) |
Авторы этого предупреждения (С++ эксперты из AT&T, один из них соавтор официальной С++ документации [Ellis 1990]) продолжают предлагать различные способы, позволяющие избежать порождения шаблонов. Но универсализация не предполагает дублирование кода. При хорошо спроектированном языке и хорошем компиляторе можно генерировать единый код компонентов родового класса, так что последующие добавления потребуют минимальных затрат:
[x]. времени компиляции;
[x]. размера сгенерированного кода;
[x]. времени выполнения;
[x]. памяти, требуемой для выполнения.
Работая в такой среде, можно использовать всю мощь универсализации, не опасаясь потери производительности, как на этапе компиляции, так и выполнения.
Обсуждение: что все-таки не сделано
Основные идеи универсализации уже представлены, но как вы могли заметить, на два важных вопроса не даны ответы.
Первое: в наших усилиях гарантирования безопасности типов мы заняли чересчур консервативную позицию. Конечно, некорректно пытаться втолкнуть круг в стек банковских счетов. Трудно вообразить, какому приложению нужен стек, содержащий точки и банковские счета. Но рассмотрим графическое приложение, для которого вполне естественен стек, содержащий круги, прямоугольники, точки. Такая потребность кажется довольно разумной, но пока мы не можем удовлетворить ее. Система типов, определенная до сих пор, отвергнет вызов figure_stack.put(that_point) если тип figure_stack был объявлен как STACK [FIGURE], а that_point - тип, отличный от FIGURE. Дадим пока имя рассматриваемым структурам и назовем их полиморфными структурами данных (polymorphic data structure). Вызов, стоящий перед нами - как поддержать эти структуры без потери преимуществ безопасности типов.
инфиксную операциюинфиксную операцию 10.4
Число создаваемых экземпляров шаблона - уже проблема для некоторых пользователей С++. Если пользователь создает List<int>, List<String>, List<Widget> и List<Blidget> (где Widget и Blidget классы, определенные пользователем) и вызывает head, tail и insert для всех четырех объектов, то каждая из этих функций будет создана в четырех экземплярах (из-за родового порождения). Вместо этого широко применимый класс List мог бы создать единственный экземпляр каждой функции применимый для различных типов.Число создаваемых экземпляров шаблона - уже проблема для некоторых пользователей С++. Если пользователь создает List<int>, List<String>, List<Widget> и List<Blidget> (где Widget и Blidget классы, определенные пользователем) и вызывает head, tail и insert для всех четырех объектов, то каждая из этих функций будет создана в четырех экземплярах (из-за родового порождения). Вместо этого широко применимый класс List мог бы создать единственный экземпляр каждой функции применимый для различных типов. 10.5