Техника наследования

Следствия красоты базисных идей:

• Связь наследования с утверждениями и Проектированием по Контракту.
• Глобальная структура наследования, где все классы согласованы.
• Замороженные компоненты, для которых не применим принцип Открыт-Закрыт.
• Ограниченная универсальность: как задавать требования на родовые параметры.
• Попытка присваивания: как безопасно приводить к типу.
• Как и когда изменять свойства типа при повторных объявлениях.
• Закрепленные объявления, помогающие избежать лавины переобъявлений.
• Непростые отношения между наследованием и скрытием информации.

Вопросам наследования будут посвящены еще две лекции: обзор проблем типизации представлен в "Типизация" , а подробное обсуждение методологии наследования - в лекции 6 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".

Большинство разделов этой лекции строится по единому принципу: экзаменуются следствия идей предыдущих двух лекций, обнаруживаются проблемы, они подробно анализируются, предлагается обоснованное решение. Ключевым является шаг анализа - как только проблема становится ясной, зачастую решение ее находится сразу же.

Наследование и утверждения

Обладая изрядной мощью, наследование может быть и опасным. Не будь механизма утверждений, создатели классов могли бы весьма "вероломно" пользоваться повторными объявлениями и динамическим связыванием для изменения семантики операций без возможности контроля со стороны клиента. Утверждения способны на большее: они дают нам более глубокое понимание природы наследования. Не будет преувеличением сказать, что лишь понимание принципов Проектирования по Контракту позволяет в полной мере постичь сущность концепции наследования.

Вкратце мы уже очертили основные правила, управляющие взаимосвязью наследования и утверждений: все утверждения (предусловие и постусловия подпрограмм, инварианты классов), заданные в классах-родителях, остаются в силе и для их потомков. В этом разделе мы уточним эти правила и используем полученные результаты, чтобы дать новый взгляд на наследование как на субподряды (subcontracts).

Инварианты

С правилом об инвариантах класса мы встречались и прежде:

Правило родительских инвариантов

Инварианты всех родителей применимы и к самому классу.

Инварианты родителей добавляются к классу. Инварианты соединяются логической операцией and then. (Если у класса нет явного инварианта, то инвариант True играет эту роль.) По индукции в классе действуют инварианты всех его предков, как прямых, так и косвенных.

Как следствие, выписывать инварианты родителей в инварианте потомка еще раз не нужно (хотя семантически такая избыточность не вредит: a and then a есть то же самое, что a ).

Полностью восстановленный инвариант класса можно найти в плоской и краткой плоской форме последнего (см. "Множественное наследование" ).

Предусловия и постусловия при наличии динамического связывания

В случае с предусловиями и постусловиями ситуация чуть сложнее. Общая идея, как отмечалось, состоит в том, что любое повторное объявление должно удовлетворять утверждениям оригинальной подпрограммы. Это особенно важно, если подпрограмма отложена: без такого ограничения на будущую реализацию, задание предусловие и постусловий для отложенных подпрограмм было бы бесполезным или, хуже того, привело бы к нежелательному результату. Те же требования к предусловию и постусловию остаются и при переопределении эффективных подпрограмм.

Анализируя механизмы повторного объявления, полиморфизма и динамического связывания, можно дать точную формулировку искомого правила. Но для начала представим типичный случай.

Рассмотрим класс и его подпрограммы, имеющие как предусловие, так и постусловие:

Рис. 16.1. Подпрограмма, клиент и контракт

На рис. 16.1 показан клиент C класса A. Чтобы быть клиентом, класс C, как правило, включает в одну из своих подпрограмм объявление и вызов вида:

a1: A
...
a1.r

Для простоты мы проигнорируем все аргументы, которые может требовать r, и положим, что r является процедурой, хотя наши рассуждения в равной мере применимы и к функциям.

Вызов будет корректен лишь тогда, когда он удовлетворяет предусловию. Гарантировать, что C соблюдает свою часть контракта, можно, к примеру, предварив вызов проверкой предусловия, написав вместо a1.r конструкцию:

(Как отмечалось при обсуждении утверждений, не всегда требуется проверка: достаточно, с помощью if или без него, гарантировать выполнение условия a перед вызовом r. Для простоты будем использовать if -форму, игнорируя предложение else.)

Обеспечив соблюдение предусловия, клиент C рассчитывает на выполнение постусловия при возврате из r.

Все это является основой Проектирования по Контракту: в момент вызова подпрограммы клиент должен обеспечить соблюдение предусловия, а в ответ при возврате из подпрограммы он полагается на выполнение постусловия.

Что происходит, когда вводится наследование?

Рис. 16.2. Подпрограмма, клиент, контракт и потомок

Пусть новый класс A' порожден от A и содержит повторное объявление r. Как он может, если вообще может, заменить прежнее предусловие новым а прежнее постусловие - новым

Чтобы найти ответ, рассмотрим обязательства клиента. В вызове a1.r цель a1 может - в силу полиморфизма - иметь тип A'. Однако C об этом не знает! Единственным объявлением a1 остается исходная строка

a1: A

где упоминается A, но не A'. На деле C может использовать A', даже если его автор не знает о наличии такого класса. Вызов подпрограммы r может произойти, например, в процедуре C вида:

some_routine_of_C (a1: A) is
         do
                 ...; a1.r;...
         end

Тогда при вызове some_routine_of_C из другого класса в нем может использоваться фактический параметр типа A', даже если в тексте клиента C класс A' нигде не упоминается. Динамическое связывание как раз и означает тот факт, что обращение к r приведет в этом случае к использованию переопределенной версии A'.

Итак, может сложиться ситуация, в которой C, являясь только клиентом A, фактически во время выполнения использует версии компонентов класса A'. (Можно сказать, что C - "динамический клиент" A', хотя в тексте C об этом и не говорится.)

Что это значит для C? Только одно - проблемы, которые возникнут, если не предпринять никаких действий. Клиент C может добросовестно выполнять свою часть контракта, и все же в результате он будет обманут. Например,

если a1 полиморфно присоединена к объекту типа A', инструкция вызовет подпрограмму, ожидающую выполнения и гарантирующую выполнение в то время как клиент получил указание соблюдать и ожидать выполнения Налицо возможное расхождение во взглядах клиента и поставщика на контракт.