Книга: Основы объектно-ориентированного программирования

Обсуждение

В заключение данной лекции имеет смысл рассмотреть обоснования и альтернативы некоторых принятых решений, связанных с разработкой метода и нотации. Аналогичными разделами завершаются все лекции, в которых вводятся новые понятия.

Форма объявлений

Отточим наши критические навыки вначале на чем-либо не столь существенном. Поэтому начнем с синтаксиса. Рассмотрим нотацию, используемую при объявлении компонентов. В отличие от многих языков мы не использовали для подпрограмм ключевых слов procedure или function. Форма объявления компонента позволяет отличить, будет ли он атрибутом, процедурой или функцией. Любое объявление компонента всегда начинается с его имени:

f ...

Тем самым сохраняется возможность дальнейшего определения компонента любого типа. Если далее присутствует список параметров

g (a1: A; b1: B; ...) ...

то понятно, что g подпрограмма, которая может быть процедурой или функцией. Далее может следовать:

f: T ...
g (a1: A; b1: B; ...): T ...

В первом примере все еще есть выбор - f может быть либо атрибутом, либо функцией без аргументов. Во втором случае неопределенность заканчивается и g может быть только функцией. Для f неопределенность разрешается в зависимости от того, что следует за T. Если ничего, то f это атрибут, как в следующем примере:

my_file: FILE

Но если далее присутствует ключевое слово is, а за ним тело подпрограммы (do или варианты once и external, рассматриваемые позже), как в примере:

f: T is
-- ...
do ... end

то f - функция. Еще один вариант

f: T is some_value

определяет f как атрибут-константу (constant attribute), значение которой равно some_value. (Атрибуты-константы обсуждаются в лекции 18)

Такой синтаксис позволяет легко распознавать различные виды компонентов, подчеркивая в то же время их фундаментальные общности. Само понятие компонента, объединяющее подпрограммы и атрибуты лежит в русле принципа унифицированного доступа. Общность в объявлениях атрибутов основана на тех же принципах.

Атрибуты или функции?

Рассмотрим подробнее следствия принципа унифицированного доступа и объединения атрибутов и подпрограмм под общим заголовком - компоненты. (См."Унифицированный доступ", лекция 3. См. также данную лекцию.)

Принцип декларирует, что клиенты модуля обращаются ко всем его сервисам идентичным образом независимо от способа их реализации. В данном случае в роли сервисов выступают компоненты класса, и для клиентов имеет значение только доступность соответствующих компонентов, независимо от того, как они реализованы атрибутами или функциями.

Рассмотрим класс PERSON, содержащий компонент типа INTEGER без параметров. Если автор клиентского класса записывает выражение

Isabelle.age

то единственно важным будет то, что age возвращает целое число - значение возраста экземпляра PERSON, который во время выполнения присоединен к сущности Isabelle. Компонент age может быть как атрибутом, так и функцией, вычисляющей результат, используя значение атрибута birth_date и текущую дату. Автору клиентского класса нет необходимости знать, какое из этих решений выбрал автор PERSON.

Нотация для доступа к атрибуту идентична вызову подпрограммы, а нотации для объявления этих видов компонентов одинаковы настолько, насколько это концептуально возможно. Если в дальнейшем автор класса заменит реализацию функции на атрибут или наоборот, то это никак не отразится на клиентах данного класса.

Различие в точках зрения поставщика и клиента на атрибут представлено на рис. 7.4 и рис. 7.5, использованных для определения понятия компонента. Рис. 7.5 иллюстрирует разницу между подпрограммами и атрибутами - это внутреннее представление с позиций реализации, используемое поставщиком. Рис. 7.4 в качестве первичного критерия использует разницу между командами и запросами - это внешнее представление клиента.

Решение рассматривать атрибуты и функции без параметров как эквивалентные для клиентов имеет два важных следствия, рассматриваемые подробно в последующих лекциях:

[x]. Первое следствие касается программной документации. Стандартная документация класса для клиента, известная как краткая форма класса, составляется так, чтобы отсутствовала разница в описаниях атрибутов и функций без параметров. (См. "Использование утверждений в документации: краткая форма класса", лекция 11)

[x]. Второе следствие связано с наследованием, как основным способом адаптации программных элементов к новым условиям без разрушения существующего ПО. Если некий класс содержит компонент, представляющий собой функцию без аргументов, то вполне допустимо в классах-потомках переопределить его как атрибут. (См. "Предопределение функции в качестве атрибута", лекция 14)

Экспорт атрибутов

В завершение предшествующей дискуссии необходимо обсудить вопрос об экспорте атрибутов. Рассмотренный в этой лекции класс POINT имеет атрибуты x и y и экспортирует их клиентам, также как и функции rho и theta. Для получения значения атрибута некоторого объекта используется обычная нотация для вызова компонентов в виде my_point.x или my_point.theta.

Эта возможность экспорта атрибутов отличается от соглашений, принятых во многих ОО-языках. Типичным примером является Smalltalk, в котором только подпрограммы (методы) могут быть экспортированы классом, а прямой доступ к атрибутам (свойствам) запрещен.

Следуя подходу Smalltalk, доступ к атрибуту можно обеспечить только с помощью небольшой экспортированной функции, возвращающей значение атрибута. В примере класса POINT назовем атрибуты internal_x, internal_y и добавим функции abscissa и ordinate. Лаконичный синтаксис Smalltalk допускает присваивание одинаковых имен атрибуту и функции, избавляя от необходимости придумывать специальные имена для атрибутов.

class POINT feature
-- Общедоступные компоненты:
abscissa: REAL is
-- Горизонтальная координата
do Result := internal_x end
ordinate: REAL is
-- Вертикальная координата
do Result := internal_y end
... Другие компоненты аналогичны предыдущей версии ...
feature {NONE}
-- Компоненты недоступные клиентам:
internal_x, internal_y: REAL
end

Этот подход имеет два недостатка:

[x]. Он побуждает авторов классов писать много маленьких функций, аналогичных abscissa и ordinate. Несмотря на то, что такие функции будут очень короткими, автор класса будет тратить на их написание дополнительные усилия, а их присутствие затрудняет восприятие исходного текста.

[x]. Существенное снижение производительности, так как каждое обращение к полю объекта требует вызова функции. Ничего удивительного в том, что объектная технология в некоторых кругах заработала репутацию неэффективной. Можно конечно разработать оптимизирующий компилятор, осуществляющий подстановку вместо вызова функций, но тогда какова роль таких функций?

Подход, обсуждаемый в данной лекции, представляется предпочтительным. Он избавляет от необходимости загромождать исходные тексты многочисленными крошечными функциями и предоставляет возможность экспорта, где это необходимо. Такая практика не мешает скрытию информации, а фактически является непосредственной реализацией этого принципа, как и принципа унифицированного доступа.

Эта методика удовлетворяет требованиям унифицированного доступа (преимущество для клиентов), упрощает восприятие исходных текстов (преимущество для поставщиков) и повышает эффективность (преимущество для всех).

Доступ клиентов к атрибутам

Экспорт атрибута с использованием рассмотренной техники делает его доступным клиентам только для чтения в виде my_point.x. Модификация атрибута путем присваивания не разрешается. Следующая синтаксическая конструкция недопустима для атрибутов (Внимание: недопустимая конструкция - только для иллюстрации.):

my_point.x := 3.7

Действует простое правило. Если attrib является атрибутом, то a.attrib является выражением, а не сущностью. Следовательно, ему нельзя присвоить значение, как нельзя присвоить значение выражению a + b.

Возможность модификации attrib достигается добавлением экспортируемой процедуры вида:

set_attrib (v: G) is
-- Установка значения attrib равным v.
do
attrib := v
end

Вместо этого можно было бы представить следующий синтаксис для разграничения прав доступа пользователей (Внимание: не поддерживаемая нотация. Только для обсуждения.)

class C feature [AM]
...
feature [A]{D, E}
...

здесь A обозначает возможность чтения, а M - модификации. Это устранило бы потребность в частом написании процедур аналогичных set_attrib.

Помимо неоправданных дополнительных языковых сложностей такой подход не слишком гибок. Во многих случаях может потребоваться специфический способ модификации атрибута. Например, некоторый класс экспортирует счетчик, значения которого нельзя изменять произвольно, а только с шагом +1 или -1:

class COUNTING feature
counter: INTEGER
increment is
-- Увеличение значения счетчика
do
counter := counter + 1
end
decrement is
-- Уменьшение значения счетчика
do
counter := counter - 1
end
end

Аналогичным образом клиенты класса POINT не имеют возможности непосредственно изменять координаты точки x и y. Для этой цели служат экспортированные процедуры translate и scale.

При изучении утверждений мы рассмотрим еще одну принципиальную причину недопустимости непосредственных присваиваний a.attrib := some_value. Причина в том что не любые значения some_value могут быть допустимыми. Можно определить процедуру

set_polygon_size (new_size: INTEGER) is
-- Установить новое значение числа вершин многоугольника
require
new_size >= 3
do
size := new_size
end

параметр которой может равен 3 или больше. Прямое присваивание не позволяет учесть это условие и в результате получается некорректный объект.

Эти рассуждения показывают, что автор класса имеет в своем распоряжении пять возможных уровней предоставления прав доступа клиентов к атрибутам (рис. 7.8).

Рис. 7.8.  Возможные варианты прав доступа клиентов к атрибутам

Уровень 0 соответствует полному отсутствию доступа к атрибуту. На уровне 1 открыт доступ только для чтения. На уровне 2 разрешена модификация с помощью специальных алгоритмов. На уровне 3 новое значение может быть присвоено, только если удовлетворяет определенным условиям, как в примере для многоугольника. На уровне 4 ограничения снимаются.

Решение, описанное в данной лекции, следует из приведенного анализа. Экспорт атрибута дает клиентам право доступа только для чтения (уровень 1). Разрешение на модификацию обеспечивается написанием и экспортом соответствующих процедур. Они предоставляют ограниченные права, как в примере для счетчика (уровень 2), право модификации при соблюдении определенных условий (3) и неограниченный доступ (4).

Это решение является развитием идей, существующих в различных ОО-языках:

[x]. В Smalltalk для обеспечения доступа клиентов к атрибуту на уровне 1 приходится писать специальные функции подобные abscissa and ordinate. Это источник дополнительной работы для программиста и причина снижения производительности.

[x]. C++ и Java представляют другую крайность. Если атрибут экспортирован, то он сразу становится доступным на уровне 4 для чтения и для записи путем прямого присваивания в стиле my_point.x := 3.7. Единственный путь реализации других уровней это полное скрытие атрибута и написание экспортированных процедур для поддержки уровней 2 и 4 и функций для уровня 1. Далее все аналогично Smalltalk. Поддержка уровня 3 невозможна в связи с отсутствием в этих языках механизма утверждений.

Данная дискуссия иллюстрирует два важных принципа построения языка: не создавать без необходимости дополнительных проблем программисту и не вводить лишних языковых конструкций.

Оптимизация вызовов

На уровнях 2 и 3 неизбежно использование явных вызовов процедуры подобных my_polygon.set_size (5) для изменения значения атрибута. Существует опасение, что использование такого стиля на уровне 4 негативно скажется на производительности. Тем не менее компилятор может создавать для вызова my_point.set_x (3.7) код столь же эффективный, как и для my_point.x := 3.7, если бы такое присваивание было бы разрешено.

Встраивание кода подпрограмм является одним из преобразований, которое должен обеспечивать оптимизирующий компилятор ОО-языка. Модульный стиль разработки, поощряемый объектной технологией, сопряжен с наличием большого числа небольших подпрограмм. Программисты не должны беспокоиться, что соответствующие вызовы приведут к снижению производительности. Они должны заботиться о последовательном соблюдении принципов объектной архитектуры, а не об особенностях выполнения.

В некоторых языках программирования, особенно в Ada и C++, разработчики могут отметить, какие подпрограммы они хотели бы встраивать. По ряду причин предпочтительно, чтобы эта работа выполнялась в режиме автоматической оптимизации.

[x]. Встраивание кода далеко не всегда применимо, и компилятор гораздо корректнее может принять правильное решение.

[x]. При внесении изменений в ПО, в частности с использованием наследования, встроенная подпрограмма может стать не встроенной. Компилятор выявит такие ситуации гораздо лучше, чем человек.

[x]. В случае больших систем компилятор всегда более эффективен. На основе анализа размера подпрограмм и числа вызовов он может точнее определить, какие подпрограммы целесообразно встраивать. Это опять же существенно в случае изменений ПО, поскольку человек не в состоянии отследить эволюцию каждого фрагмента.

[x]. Программисты могут занять время более полезной работой.

Современная концепция разработки ПО подразумевает, что утомительную, автоматизируемую и тонкую работу по оптимизации нужно возлагать на соответствующие утилиты, а не на человека. Это обстоятельство является одной из причин принципиальной критики C++ и Ada. Мы вернемся к этому вопросу при обсуждении двух других ключевых моментов объектной технологии - управления памятью и динамического связывания. (См. "Требования к сборщику мусора", лекция 9, и "Подход C++ к связыванию", лекция 14)

Архитектурная роль селективного экспорта

Селективный экспорт это не просто удобство, а неотъемлемая часть ОО-архитектуры. Он позволяет группе концептуально связанных классов обеспечить друг другу доступ ко всем своим компонентам, скрыв их от остального мира в соответствии с принципом скрытия информации. Кроме того, это ключ к пониманию вопроса о том, нужны ли вообще модули более высокого уровня, чем классы.

Без селективного экспорта единственным решением будет введение нового типа модулей, представляющего собой группу классов. Такие супермодули - аналоги пакетов Ada и Java - будут осуществлять скрытие информации и экспорт по своим правилам. Добавление в элегантную структуру, основанную на классах, нового и частично несовместимого модульного уровня приведет к усложнению и увеличению объема языка.

Лучшим решением является использование в качестве супермодулей самих классов. Такой подход реализован в Simula, допускающем вложение классов. Однако он не дает ощутимых преимуществ.

Простота объектной технологии в значительной степени базируется на использовании простой концепции модулей. Поддержка классами повторного использования основана на возможности их извлечения из контекста, сохраняя лишь их логические зависимости. Существует риск потери этих преимуществ, если ввести супермодули. В частности, становится невозможным непосредственное повторное использование класса, являющегося частью пакета. Придется либо полностью импортировать весь пакет, либо делать копию класса. Явно непривлекательная форма повторного применения.

Необходимость объединения классов в структурированные коллекции сохраняется. В данной книге она реализована через понятие кластера (лекция 10 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования"). Однако понятие кластера относится к области управления и организации. Если включить его в качестве языковой конструкции, то это угроза потери простоты ОО-подхода и его поддержки модульности.

Если необходима группа классов, в которой каждый наделен специальными привилегиями, то нет нужды в супермодулях. Простое решение обеспечивается за счет селективного экспорта, что позволяет сохранить классам свой независимый статус.

Импорт листингов

В исходных текстах классов, в предложениях feature, перечислены компоненты, доступные другим классам. Почему бы, в свою очередь, не включать списки компонентов, полученных от других классов? Язык Modula-2 поддерживает, например, объявление import.

Тем не менее, при ОО-подходе это ничего не дает кроме документирования. Для использования компонента f из другого класса C, данный класс должен быть клиентом или потомком этого класса. В первом случае это означает, что f используется как

a.f

но тогда должно присутствовать объявление a:

a: C

недвусмысленно показывающее, что f компонента C. В случае классов потомков информация будет доступна из официальной документации класса, его плоской краткой формы.

Следовательно, нет необходимости в предложении import. ("Плоская краткая форма", лекция 11)

Тем не менее, удобная графическая среда разработки должна обладать возможностью предоставления программисту информации о поставщиках и предках данного класса и их поставщиках и предках, следуя далее по цепочке.

Присваивание функции результата

Присваивание функции результата является интересной языковой проблемой, обсуждение которой было начато ранее в данной лекции. Стоит изучить ее подробнее ввиду ее важности и для языков, не использующих ОО-подход.

Рассмотрим функцию - подпрограмму, возвращающую результат. Целью любого вызова функции является вычисление некоторого результата и возвращение его в вызывающую подпрограмму. Вопрос в том, каким образом обозначить этот результат в тексте самой функции, в частности в инструкциях инициализирующих и изменяющих результат.

Введенное в данной лекции соглашение использует специальную сущность Result. Она рассматривается как локальная сущность, инициализируется соответствующим значением по умолчанию, а возвращаемое значение равно окончательному значению Result. В соответствии с правилами инициализации это значение всегда определено, даже если в теле функции нет присваивания Result значения. Так функция

f: INTEGER is
do
if some_condition then Result := 10 end
end

возвратит 10 при выполнении условия some_condition на момент вызова и 0 (значение по умолчанию при инициализации INTEGER) в противном случае. Насколько известно автору, техника использования Result была впервые предложена в данной книге. С момента выхода первого издания она была включена по крайней мере в один язык - Borland Delphi. Надо заметить, что она неприемлема для языков, допускающих объявление функций внутри других функций, поскольку имя Result становится двусмысленным. В различных языках наиболее часто используются следующие приемы:

[x]. (A) Заключительные инструкции return (C, C++/Java, Ada, Modula-2).

[x]. (B) Использование имени функции в качестве переменной (Fortran, Algol 60, Simula, Algol 68, Pascal).

Соглашение A основано на инструкции вида return e , выполнением которой завершается функция, возвращая e в качестве результата. Преимущество этого метода в его ясности, поскольку возвращаемое значение четко выделено в тексте функции. Однако он имеет и отрицательные стороны:

[x]. (A1) На практике результат часто определяется в процессе вычислений, включающих инициализацию и ряд промежуточных изменений значения. Возникает необходимость во временной переменной для хранения промежуточных результатов.

[x]. (A2) Методика имеет тенденцию к использованию модулей с несколькими точками завершения. Это противоречит принципам хорошего структурирования программ.

[x]. (A3) В языке должна быть предусмотрена ситуация, когда последняя инструкция, выполненная при вызове функции, не является return. В программах Ada в этом случае возбуждается исключение времени выполнения.

Две последние проблемы разрешаются, если рассматривать return не как инструкцию, а как синтаксическое предложение, являющееся обязательной частью текста любой функции:

function name (arguments): TYPE is
do
...
return
expression
end

Это решение развивает идею инструкции return и устраняет ее наиболее серьезные недостатки. Тем не менее, ни один язык его не использует, оставляя проблему A1 открытой.

Методика B использует имя функции как переменную в тексте функции. Возвращаемое значение совпадает с окончательным значением этой переменной. Это избавляет от необходимости объявления временной переменной, упомянутой в A1.

При таком подходе указанные три проблемы не проявляются. Но возникают другие трудности, поскольку одно и то же имя обозначает одновременно и функцию, и переменную. Присутствие имени функции в ее теле может быть истолковано двояко: как имя переменной и как рекурсивный вызов. Поэтому язык должен точно регламентировать, в каких ситуациях речь идет о переменной, а в каких о рекурсивном вызове функции. Если в теле функции f, имя f присутствует как цель присваивания, то речь идет о переменной

f := x

а если f является частью выражения, то подразумевается рекурсивный вызов функции

x := f

который допустим только при отсутствии у f параметров. Однако присваивания вида

f := f + 1

будут отклонены компилятором в случае наличия у f параметров, а при отсутствии таковых будут поняты как рекурсивные вызовы, результат которых присваивается переменной f. Последняя интерпретация скорее всего не будет соответствовать замыслу разработчика, который просто хотел увеличить переменную f на единицу, а в результате получит бесконечный цикл. Для достижения требуемого эффекта придется все равно ввести временную переменную.

Соглашение, основанное на предопределенной сущности Result, устраняет проблемы приемов A и B. В языках, предусматривающих инициализацию по умолчанию всех сущностей, включая Result, достигается дополнительное преимущество. Упрощается написание функций, так как часто функция должна во в всех случаях, кроме специально обусловленных, возвращать значение по умолчанию. Например, функция

do
if some_condition then Result := "Some specific value" end
end

не нуждается в предложении else. Подразумевается, что язык должен строго определить значения по умолчанию. Такие соглашения будут введены в следующей лекции.

Последнее преимущество соглашения Result вытекает из принципа проектирования по контракту (см. гл. 11). Можно использовать Result для выражения абстрактного свойства результата функции, не зависящего от реализации в постусловии подпрограммы. Никакой другой подход не позволит написать следующее:

prefix "|_": INTEGER is
-- Целая часть числа
do
... Реализация опущена ...
ensure
no_greater: Result <= Current
smallest_possible: Result + 1 > Current
end

В предложении ensure содержатся постусловия, утверждающие два свойства результата: результат не должен быть больше значения, к которому применяется операция, и это значение должно быть меньше чем результат плюс единица.

Дополнение: точное определение сущности

Будет полезно в процессе обсуждения проблем нотации уточнить понятие сущности, которое мы постоянно использовали. Это в значительной степени техническое понятие, обобщающее традиционное понятие переменной.

Сущности, в том смысле, в котором они используются в данной книге, обозначают имена некоторых величин времени выполнения, связанных с объектами. Можно выделить три возможных случая:

Определение: сущность (entity)

Сущность может представлять собой:

[x]. (E1) Атрибут класса

[x]. (E2) Локальную сущность подпрограммы, включая предопределенную сущность Result для функции

[x]. (E3) Формальный аргумент подпрограммы

Случай E2 подчеркивает, что сущность Result всегда рассматривается как локальная. Другие локальные сущности введены в объявлении local. Result и другие локальные сущности заново инициализируются при каждом вызове подпрограммы.

Все сущности, за исключением формальных аргументов (E3), доступны для записи, то есть могут присутствовать как цель x в присваивании x := some_value.

Оглавление книги