Предусловия и постусловия
Первое использование утверждений - семантическая спецификация программ. Программа - это не просто часть кода, она задает реализацию функции, входящей в спецификацию АТД. Задачу, выполняемую функцией, необходимо выразить точно, как в интересах проектирования, так и как цель последующей реализации и понимания программного текста. Два утверждения связываются с программой - предусловие и постусловие. Предусловие устанавливает свойства, которые должны выполняться всякий раз, когда программа вызывается; постусловие определяет свойства, гарантируемые программой по ее завершению.
Класс стек
Этот пример даст возможность ознакомиться с практическим использованием утверждений. В предыдущей лекции была дана схема параметризованного класса "стек" в форме:
class STACK [G] feature
... Объявление компонент:
count, empty, full, put, remove, item
end
Реализация появится ниже. До рассмотрения проблем реализации важно отметить, что программы характеризуются строгими семантическими свойствами, не зависящими от специфики реализации. Например:
[x]. Программы remove и item применимы, только если число элементов стека не равно нулю.
[x]. put увеличивает, remove - уменьшает число элементов на единицу.
Такие свойства являются частью спецификации АТД, и даже люди далекие от использования любых формальных подходов неявно их понимают. Но в общих подходах к разработке ПО в программных текстах нельзя обнаружить следов спецификации. Предусловие и постусловие программы можно сделать явными элементами ПО. Так и поступим. Введем предусловие и постусловие как специальный вид объявлений с помощью ключевых слов require и ensure соответственно. Для класса "стек" это приведет к следующей записи, где временно оставлены пустые места для реализации:
indexing
description: "Стеки: Структуры с политикой доступа Last-In, First-Out %
%Последний пришел - Первый ушел"
class STACK1 [G] feature - Access (Доступ)
count: INTEGER
-- Число элементов стека
item: G is
-- Элемент вершины стека
require
not empty
do
...
end
feature - Status report (Отчет о статусе)
empty: BOOLEAN is
-- Пуст ли стек?
do ... end
fulclass="underline" BOOLEAN is
-- Заполнен ли стек?
do
...
end
feature - Element change (Изменение элементов)
put (x: G) is
-- Добавить элемент x на вершину.
require
not full
do
...
ensure
not empty
item = x
count = old count + 1
end
remove is
-- Удалить элемент вершины.
require
not empty
do
...
ensure
not full
count = old count - 1
end
end
Оба предложения require и ensure являются возможными; когда они присутствуют, то появляются в фиксированных местах, require - перед предложением local.
| Обратите внимание на разделы feature, группирующие свойства по категориям, снабженных заголовками в виде комментариев. Категории Access, Status report, Element change - это несколько примеров из десятков стандартных категорий, используемых в библиотеках и применяемых повсеместно в примерах этой книги. |
Предусловия
Предусловия выражают ограничения, выполнение которых необходимо для корректной работы функции. Здесь:
[x]. put не может быть вызвана, если стек заполнен;
[x]. remove и item не могут быть применены к пустому стеку.
Предусловия применяются ко всем вызовам программы, как внутри класса, так и у клиента. Корректная система никогда не вызовет программу в состоянии, в котором не выполняется ее предусловие.
Постусловия
Постусловие выражает свойство состояния, завершающего выполнение программы. Здесь:
[x]. После завершения put стек не может быть пуст; на его вершине находится только что втолкнутый элемент, число его элементов увеличилось на единицу.
[x]. После remove стек не может быть полон, число его элементов на единицу уменьшилось.
Постусловие в программе выражает гарантию, представленную создателем программы, что выполнение программы завершается и приводит к состоянию с заданными свойствами, в предположении, что программа была запущена в состоянии, удовлетворяющем предусловию.
В постусловиях доступна специальная нотация old. Она используется, например, в программах remove и item для выражения изменения значения count. Запись old e, где e - выражение (в большинстве случаев - атрибут) обозначает значение, которое данное выражение имело на входе программы. Любое вхождение e, которому не предшествует old, означает значение выражения на выходе программы.
Постусловие программы put включает предложение:
count = old count + 1
устанавливающее, что put, примененное к любому объекту, должно увеличить на единицу значения поля count этого объекта.
Педагогическое замечание
Понятно ваше нетерпение и желание незамедлительно узнать, каков же эффект от утверждений при выполнении программы; что произойдет при вызове put при заполненном стеке, или что будет, когда empty дает true по завершении вызова put? Полный ответ на этот вопрос дать еще слишком рано, но предварительный использует любимое словечко адвокатов - это зависит (it depends).
Это зависит от того, что вы хотите. Можно рассматривать утверждения просто как комментарии, и тогда их нарушение не обнаруживается в период выполнения. Но их можно использовать для проверки того, что все идет по плану. Тогда во время выполнения окружение автоматически следит за выполнением утверждений и включает исключение при возникновении нарушений, завершая обычно выполнение и выводя сообщение об ошибке. Можно включить в программу обработку исключения, пытающуюся восстановить ситуацию и продолжить выполнение. Эта тема будет детально обсуждаться в следующей лекции. Для указания желаемой политики используются параметры компиляции, которые можно установить независимо для каждого класса.