Опубликован: 23.10.2005 | Доступ: свободный | Студентов: 3949 / 164 | Оценка: 4.44 / 4.19 | Длительность: 33:04:00
Специальности: Программист
Лекция 5:

Принципы проектирования класса

Объекты как машины

Следующий принцип выражает этот запрет в более точной форме:

Принцип: Разделение Команд и Запросов

Функции не должны обладать абстрактным побочным эффектом.

Заметьте, к этому моменту мы определили только понятие конкретного побочного эффекта, но пока можно игнорировать разницу между абстрактным и конкретным побочными эффектами.

Только командам (процедурам) будет разрешено обладать побочным эффектом. Фактически мы не только допускаем, но и ожидаем изменения объектов командами, что и отличает императивный подход от аппликативного, полностью свободного от побочных эффектов.

Объект list как list-машина

Рис. 5.1. Объект list как list-машина

Из этого обсуждения следует, что объекты можно рассматривать как машины с ненаблюдаемым внутренним состоянием и двумя видами кнопок - командными, изображенными на рисунке в виде прямоугольников, и кнопками запросов, отображаемыми кружками. Метафору "машины", как обычно, следует принимать с осторожностью.

При нажатии командной кнопки машина изменяет состояние, она начинает гудеть, щелкать и работает, пока не придет в новое стабильное состояние. Увидеть состояние (открыть машину) невозможно, но можно нажать кнопку с запросом. Состояние при этом не изменится, но в ответ появится сообщение, показанное в окне дисплея в верхней части нашей машины. Для запросов булевского типа предусмотрены две специальные кнопки над окном сообщения: одна из них загорается, когда запрос имеет значение true, другая - false. Многократно нажимая кнопки запросов, мы всегда будем получать одинаковые ответы, если в промежутке не нажимать командные кнопки (задание вопроса не меняет ответ).

Команды, как и запросы, могут иметь аргументы. В нашей машине для их ввода предназначен слот, показанный слева вверху.

Наш рисунок основан на примере объекта list, интерфейс которого описан в предыдущих лекциях и будет еще обсуждаться подробнее в данной лекции. Команды включают start (курсор передвигается к первому элементу), forth (продвижение курсора к следующей позиции), search (передвижение курсора к следующему вхождению элемента, введенного в верхний левый слот). Запросы включают item (показ на дисплее панели значения элемента в позиции курсора), index (показ текущей позиции курсора). Заметьте разницу между понятием "курсора", связанного с внутренним состоянием и, следовательно, напрямую не наблюдаемым, и понятиями item или index, более абстрактными, задающими официально экспортируемую информацию о состоянии.

Функции, создающие объекты

Следует ли рассматривать создание объекта как побочный эффект? Ответ - да, если целью создания является атрибут a, то инструкция create a изменяет значение поля объекта. Ответ - нет, если целью является локальная сущность подпрограммы. Но что если целью является результат самой функции - create Result или в общей форме create Result.make (...)? Такая инструкция не должна рассматриваться как побочный эффект, она не меняет объектов и не нарушает ссылочной прозрачности.

С позиций математика можно полагать, что все интересующие нас объекты в прошлом, настоящем и будущем уже описаны в Великой Книге Объектов и инструкция создания просто получает один их этих готовых объектов, ничего не меняя. Так что вполне законно и допустимо, чтобы функция создавала, инициализировала и возвращала такие объекты.

Эти же рассуждения применимы и для второй формы создания объектов - процедуры make, которая тоже не создает побочного эффекта, а возвращает уже созданный объект.

Чистый стиль для интерфейса класса

Из принципа Разделения Команд и Запросов следует стиль проектирования, вырабатывающий простой, понятный при чтении программный текст, способствующий надежности, расширяемости и повторному использованию.

Как вы могли заметить, этот стиль отличается от доминирующей сегодня практики, в частности от стиля программирования на языке C, предрасположенного к побочным эффектам. Игнорирование разницы между действием и значением - не просто свойство общего C-стиля (иногда кажется, что C-программисты не в силах противостоять искушению, получая значение, что-нибудь не изменить при этом). Все это глубоко встроено в язык, в такие его конструкции, как x++, означающую возвращение значения x, а затем его увеличение на 1 ; нимало не смущающую конструкцию ++x, увеличивающую x до возвращения значения; Эти конструкции сокращают несколько нажатий клавиш: y = x++ эквивалентно y = x; x := x+1. Целая цивилизация фактически построена на побочном эффекте.

Было бы глупо полагать бездумным стиль побочных эффектов. Его широкое распространение говорит о том, что многие находят его удобным, чем частично объясняется успех языка C и его потомков. Но то, что было привлекательным в прошлом веке, когда популяция программистов возрастала каждые несколько лет, когда важнее было сделать работу, не задумываясь о ее долговременном качестве, - не может подходить инженерии программ двадцать первого столетия. Мы хотим, чтобы ПО совершенствовалось вместе с нами, чтобы оно было понятным, управляемым, повторно используемым, и ему можно было бы доверять. Принцип Разделения Команд и Запросов является одним из требуемых условий достижения этих целей.

Строгое разделение команд и запросов при запрете побочных эффектов в функциях особенно важно при построении больших систем, где ключом успеха является сохранение полного контроля над каждым межмодульным взаимодействием.

Если вы пользовались противоположным стилем, то на первых порах ограничение может показаться довольно строгим. Но, получив практику, я думаю, вы быстро осознаете его преимущества.

В предыдущих лекциях этот принцип Разделения применялся повсюду. Вспомните, в наших примерах интерфейс для всех стеков включал процедуру remove, описывающую операцию выталкивания (удаление элемента из вершины стека), и функцию item, возвращающую элемент вершины. Первая является командой, вторая - запросом. При других подходах обычно вводят подпрограмму (функцию) pop, удаляющую элемент из стека и возвращающую его в качестве результата. Этот пример, надеюсь, ясно показывает выигрыш в ясности и простоте, получаемый при четком разделении двух аспектов.

Другие следствия принципа могут показаться более тревожными. При чтении ввода многие пользуются функциями, подобными getint, - имя взято из C, но ее эквиваленты имеются во многих языках. Эта функция читает очередной элемент из входного потока и возвращает его значение, очевидно, она обладает побочным эффектом:

  • если дважды вызвать getint (), то будут получены два разных ответа;
  • вызовы getint () + getint () и 2 * getint () дают разные результаты (если сверхусердный "оптимизирующий" компилятор посчитает первое выражение эквивалентным второму, то вы пошлете его автору разгневанный отчет об ошибке, и будете правы).

Другими словами, мы потеряли преимущества ссылочной прозрачности - рассмотрение программных функций как их математических аналогов с кристально ясным взглядом на то, как можно строить выражения из функций и что означают эти выражения.

Принцип Разделения возвращает ссылочную прозрачность. Это означает, что мы будем отделять процедуру, передвигающую курсор к следующему элементу, и запрос, возвращающий значение элемента, на который указывает курсор. Пусть input имеет тип FILE ; инструкция чтения очередного целого из файла input будет выглядеть примерно так:

input.advance
    n := input.last_integer

Вызвав last_integer десять раз подряд, в отличие от getint, вы десять раз получите один и тот же результат. Вначале это может показаться непривычным, но, вкусив простоту и ясность такого подхода, вам уже не захочется возвращаться к побочному эффекту.

В этом примере, как и в случае x++, традиционная форма явно выигрывает у ОО-формы, если считать, что целью является уменьшение числа нажатий клавиш. Объектная технология вообще не обязательно является оптимальной на микроуровне (игра, в которой выигрывают языки типа APL или современные языки сценариев типа PERL). Выигрыш достигается на уровне глобальной структуры за счет повторного использования, за счет таких механизмов, как универсальность (параметризованные классы), за счет автоматической сборки мусора, благодаря утверждениям. Все это позволяет уменьшить общий размер текста системы намного больше, чем уменьшение числа символов в отдельной строчке. Мудрость локальной экономии зачастую оборачивается глобальной глупостью.

Генераторы псевдослучайных чисел: упражнение

В защиту функций с побочным эффектом приводят пример генератора псевдослучайных чисел, возвращающего при каждом вызове случайное число из последовательности, обладающей определенными статистическими свойствами. Последовательность инициализируется вызовом в форме:

random_seed (seed)

Здесь seed задается клиентом, что позволяет при необходимости получать одну и ту же последовательность чисел. Каждое очередное число последовательности возвращается при вызове функции:

xx := next_random ()

Но и здесь нет причин делать исключение и не ввести дихотомию команда/запрос. Забудем о том, что мы видели выше и начнем все с чистого листа. Как описать генерирование случайных чисел в ОО-контексте?

Как всегда, в объектной технологии зададимся вопросом - зачастую первым и единственным:

Что является абстракцией данных?

Соответствующей абстракцией здесь не является "генерирование случайного числа" или "генератор случайных чисел" - обе они функциональны по своей природе, фокусируясь на том, что делает система, а не на том, кто это делает.

Рассуждая дальше, рассмотрим в качестве кандидата понятие "случайное число", но и оно все же не является правильным ответом. Вспомним, что абстракция данных должна сопровождаться командами и запросами, довольно трудно придумать, что можно делать с одним случайным числом.

Понятие "случайное число" приводит к тупику. При изучении общих правил выявления классов уже говорилось, что ключевой шаг состоит в отсеве кандидатов. И опять-таки мы видим, что не все многообещающие существительные документа требований ведут к нужным классам. Можно не сомневаться, что данный термин обязательно встретится в любом документе, описывающем рассматриваемую проблему.

Случайное число не имеет смысла само по себе, оно должно рассматриваться в связи со своими предшественниками в генерируемой последовательности.

Стоп - появился термин последовательность, или, более точно, последовательность псевдослучайных чисел. Это и есть разыскиваемая абстракция! Она вполне законна и напоминает рассмотренный ранее список с курсором, только является бесконечной. Ее свойства включают:

  • команды: make - инициализация некоторым начальным значением seed ; forth - передвинуть курсор к следующему элементу последовательности;
  • запросы: item - возвращает элемент в позиции курсора.
Бесконечный список как машина

Рис. 5.2. Бесконечный список как машина

Для получения новой последовательности rand клиенты будут использовать create rand.make (seed), для получения следующего значения - rand.forth, для получения текущего значения - xx := rand.item.

Как видите, нет ничего специфического в интерфейсе последовательности случайных чисел за исключением аргумента seed в процедуре создания. Добавив процедуру start, устанавливающую курсор на первом элементе (которую процедура make может вызывать при создании последовательности), мы получаем каркас отложенного класса COUNTABLE_SEQUENCE, описывающего произвольную бесконечную последовательность. На его основе можно построить, например, последовательность простых чисел, определив класс PRIMES - наследника COUNTABLE_SEQUENCE, чьи последовательные элементы являются простыми числами. Другой пример - последовательность чисел Фибоначчи.

Эти примеры противоречат часто встречающемуся заблуждению, что на компьютерах нельзя представлять бесконечные структуры. АТД дает ключ к их построению - структура полностью определяется аппликативными операциями, число которых конечно (здесь их три - start, forth, item ) плюс любые дополнительные компоненты, добавляемые при желании. Конечно, любое выполнение будет всегда создавать только конечное число элементов этой бесконечной структуры.

Класс COUNTABLE_SEQUENCE и его потомки, такие как PRIMES, являются частью универсальной иерархии ([M 1994]) информатики.

Абстрактное состояние, конкретное состояние

Из дискуссии о ссылочной прозрачности, казалось бы, следует желательность запрета конкретного побочного эффекта у функций. Такое правило имело то преимущество, что его можно было бы встроить непосредственно в язык, так как компилятор может легко обнаруживать наличие конкретного побочного эффекта у функций.

К сожалению, это неприемлемое ограничение. Принцип Разделения Команд и Запросов запрещает только абстрактные побочные эффекты, к объяснению которых мы и переходим. Дело в том, что некоторые конкретные побочные эффекты не только безвредны, но и полезны. Есть два таких вида.

Первая категория включает функции, модифицирующие состояние по ходу выполнения. Они изменяют видимые компоненты, но, заканчивая свою работу, все приводят в порядок, восстанавливая исходное состояние. Рассмотрим в качестве примера класс, описывающий целочисленный список с курсором и функцию, вычисляющую максимальный элемент списка:

max is
        -- Максимальное значение элементов списка
    require
        not empty
    local
        original_index: INTEGER
    do
        original_index := index
        from
            start; Result := item
        until is_last loop
            forth; Result := Result.max (item)
        end
        go (original_index)
    end

Для прохода по списку алгоритму необходимо перемещать курсор поочередно ко всем элементам, так что функция, вызывающая такие процедуры, как start, forth и go, полна побочными эффектами, но, начиная свою работу с курсором в позиции original_index, она и заканчивает свою работу в этой же позиции, благодаря вызову процедуры go. Но ни один компилятор в мире не может обнаруживать, что подобные побочные эффекты только кажущиеся, а не реальные.

Побочные эффекты второго приемлемого типа могут реально изменять состояние объектов, воздействуя на невидимые клиентам свойства. Для более глубокого понимания концепции полезно вернуться к обсуждению понятий абстрактной функции и инвариантов реализации, рассматриваемых в лекции 11 курса "Основы объектно-ориентированного программирования", в частности стоит взглянуть на рисунки, соответствующие этим понятиям.

Мы видели, что программный (конкретный) объект является реализацией абстрактного объекта и что два конкретных объекта могут быть реализациями одного и того же абстрактного объекта. Например, два различных представления стека могут задавать один и тот же стек. Конкретные стеки могут использовать массивы с маркером вершины count и одинаковыми элементами ниже count. Но они могут быть массивами разной размерности и иметь разные элементы, расположенные за count. С точки зрения математика каждый конкретный объект принадлежит области определения абстрактной функции a, и мы можем иметь c1 \ne  c2 хотя a(c1) = a(c2).

Для нас это означает, что функция, модифицирующая конкретный объект, безвредна, если соответствующий абстрактный объект при этом не изменился. Предположим, например, что функция над стеками содержит операцию:

representation.put (some_value, count + 1)

(с гарантией, что емкость массива, по меньшей мере, равна count + 1 ). Тогда побочный эффект затронет область выше той, что отведена стеку, и в этом нет ничего плохого.

Конкретный побочный эффект, изменяющий конкретное состояние объекта c, является абстрактным побочным эффектом, если он также изменяет абстрактное состояние, другими словами, изменяет значение a(c) (другое определение, непосредственно используемое, появится чуть позже). Если побочный эффект не затрагивает абстрактного состояния - он безвреден.

Функции, производящие безвредный конкретный эффект, при рассмотрении объекта как машины соответствуют кнопкам запросов, изменяющих внутреннее состояние. Эти изменения, однако, не затрагивают ответы. Например, машина может выключать энергию в перерыве между обращениями. Подобные изменения легитимны.

ОО-подход хорош тем, что допускает "умные" реализации, допускающие изменения состояния "за сценой". Ниже мы увидим разумный и полезный пример применения этой техники.

Так как не для каждого класса определение основывается на полностью специфицированном АТД, то необходимо рабочее определение абстрактного побочного эффекта. Сделать это нетрудно. На практике АТД определяется интерфейсом, предлагаемым классом своим клиентам (отраженным, например, в краткой форме класса). Побочный эффект будет действовать на абстрактный объект, если он изменяет результат какого-либо из запросов, доступных клиентам. Вот определение:

Определение: абстрактный побочный эффект

Абстрактным побочным эффектом является такой конкретный эффект, который может изменить значение несекретного запроса.

Это и есть то понятие, которое используется в Принципе Разделения - принципе, запрещающем абстрактные побочные эффекты в функциях.

Определение ссылается на "несекретные", а не на экспортируемые запросы. Причина в том, что между статусами "секретный" (закрытый) и "экспортируемый" допускается статус выборочно экспортируемых запросов. Как только запрос "несекретный" - экспортируемый какому-либо из клиентов за исключением NONE, - мы полагаем, что изменение его результата является абстрактным побочным эффектом.

Екатерина Дедкова
Екатерина Дедкова
Россия, Барнаул, РАНХиГС, 2017
Алексей Чапцев
Алексей Чапцев
Россия, Майкоп