Типизация

Корректность систем и классов

Для обсуждения проблем ковариантности и скрытия потомком нам понадобится несколько новых терминов. Будем называть классово-корректной (class-valid) систему, удовлетворяющую трем правилам описания типов, приведенным в начале лекции. Напомним их: каждая сущность имеет свой тип; тип фактического аргумента должен быть совместимым с типом формального, аналогичная ситуация с присваиванием; вызываемый компонент должен быть объявлен в своем классе и экспортирован классу, содержащему вызов.

Система называется системно-корректной (system-valid), если при ее выполнении не происходит нарушения типов.

В идеале оба понятия должны совпадать. Однако мы уже видели, что классово-корректная система в условиях наследования, ковариантности и скрытия потомком может не быть системно-корректной. Назовем такую ошибку нарушением системной корректности (system validity error).

Практический аспект

Простота проблемы создает своеобразный парадокс: пытливый новичок построит контрпример за считанные минуты, в реальной практике изо дня в день возникают ошибки классовой корректности систем, но нарушения системной корректности даже в больших, многолетних проектах возникают исключительно редко.

Однако это не позволяет игнорировать их, а потому мы приступаем к изучению трех возможных путей решения данной проблемы.

Далее мы будем затрагивать весьма тонкие и не столь часто дающие о себе знать аспекты объектного подхода. Читая книгу впервые, вы можете пропустить оставшиеся разделы этой лекции. Если вы лишь недавно занялись вопросами ОО-технологии, то лучше усвоите этот материал после изучения лекций 1-11 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", посвященной методологии наследования, и в особенности лекции 6 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования".

Корректность систем: первое приближение

Давайте сконцентрируемся вначале на проблеме ковариантности, более важной из двух рассматриваемых. Этой теме посвящена обширная литература, предлагающая ряд разнообразных решений.

Контравариантность и безвариантность

Контравариантность устраняет теоретические проблемы, связанные с нарушением системной корректности. Однако при этом теряется реалистичность системы типов, по этой причине рассматривать этот подход в дальнейшем нет никакой необходимости.

Оригинальность языка C++ в том, что он использует стратегию безвариантности (novariance), не позволяя менять тип аргументов в переопределяемых подпрограммах! Если бы язык C++ был строго типизированным языком, его системой типов было бы трудно пользоваться. Простейшее решение проблемы в этом языке, как и обход иных ограничений C++ (скажем, отсутствия ограниченной универсальности), состоит в использовании кастинга - приведения типа, что позволяет полностью игнорировать имеющийся механизм типизации. Это решение не кажется привлекательным. Заметим, однако, что ряд предложений, обсуждаемых ниже, будет опираться на безвариантность, смысл которой придаст введение новых механизмов работы с типами взамен ковариантного переопределения.

Использование родовых параметров

Универсальность лежит в основе интересной идеи, впервые высказанной Францем Вебером (Franz Weber). Объявим класс SKIER1, ограничив универсализацию родового параметра классом ROOM:

class SKIER1 [G -> ROOM] feature
         accommodation: G
         accommodate (r: G) is ... require ... do accommodation := r end
end

Тогда класс GIRL1 будет наследником SKIER1 [GIRL_ROOM] и т. д. Тем же приемом, каким бы странным он не казался на первый взгляд, можно воспользоваться и при отсутствии параллельной иерархии: class SKIER [G -> SKIER].

Этот подход позволяет решить проблему ковариантности. При любом использовании класса необходимо задать фактический родовой параметр ROOM или GIRL_ROOM, так что неверная комбинация просто становится невозможной. Язык становится безвариантным, а система полностью отвечает потребностям ковариантности благодаря родовым параметрам.

К сожалению, эта техника неприемлема как общее решение, поскольку ведет к разрастанию списка родовых параметров, по одному на каждый тип возможного ковариантного аргумента. Хуже того, добавление ковариантной подпрограммы с аргументом, тип которого отсутствует в списке, потребует добавления родового параметра класса, а, следовательно, изменит интерфейс класса, повлечет изменения у всех клиентов класса, что недопустимо.

Типовые переменные

Ряд авторов, среди которых Ким Брюс (Kim Bruce), Дэвид Шенг (David Shang) и Тони Саймонс (Tony Simons), предложили решение на основе типовых переменных (type variables), значениями которых являются типы. Их идея проста:

• взамен ковариантных переопределений разрешить объявление типов, использующее типовые переменные;
• расширить правила совместимости типов для управления такими переменными;
• считать язык (в остальном) безвариантным;
• обеспечить возможность присваивания типовым переменным в качестве значений типы языка.

Подробное изложение этих идей читатели могут найти в ряде статей по данной тематике, а также в публикациях Карделли (Cardelli), Кастаньи (Castagna), Вебера (Weber) и др. Начать изучение вопроса можно с источников, указанных в библиографических заметках к этой лекции. Мы же не будем заниматься этой проблемой, и вот почему.

• Надлежаще реализованный механизм типовых переменных относится к категории, позволяющей использовать тип без полной его спецификации. Эта же категория включает универсальность и закрепление объявлений. Этот механизм мог бы заменить другие механизмы этой категории. Вначале это можно истолковать в пользу типовых переменных, но результат может оказаться плачевным, так как не ясно, сможет ли этот всеобъемлющий механизм справиться со всеми задачами с той легкостью и простотой, которая присуща универсальности и закреплению типов.
• Предположим, что разработан механизм типовых переменных, способный преодолеть проблемы объединения ковариантности и полиморфизма (все еще игнорируя проблему скрытия потомком). Тогда от разработчика классов потребуется незаурядная интуиция для того, чтобы заранее решить, какие из компонентов будут доступны для переопределения типов в порожденных классах, а какие - нет. Ниже мы обсудим эту проблему, имеющую место в практике создания программ и, увы, ставящую под сомнение применимость многих теоретических схем.

Это заставляет нас вернуться к уже рассмотренным механизмам: ограниченной и неограниченной универсальности, закреплению типов и, конечно, наследованию.

Полагаясь на закрепление типов

Почти готовое решение проблемы ковариантности мы найдем, присмотревшись к известному нам механизму закрепленных объявлений.

При описании классов SKIER и SKIER1 вас не могло не посетить желание, воспользовавшись закрепленными объявлениями, избавиться от многих переопределений. Закрепление - это типичный ковариантный механизм. Вот как будет выглядеть наш пример (все изменения подчеркнуты):

class SKIER feature
         roommate: like Current
         share (other: like Current) is ... require ... do
                           roommate := other
                  end
         ...
end
class SKIER1 feature
         accommodation: ROOM
         accommodate (r: like accommodation) is ... require ... do
                           accommodation := r
                  end
end

Теперь потомки могут оставить класс SKIER без изменений, а в SKIER1 им понадобится переопределить только атрибут accommodation. Закрепленные сущности: атрибут roommate и аргументы подпрограмм share и accommodate - будут изменяться автоматически. Это значительно упрощает работу и подтверждает тот факт, что при отсутствии закрепления (или другого подобного механизма, например, типовых переменных) написать ОО-программный продукт с реалистичной типизацией невозможно.

Но удалось ли устранить нарушения корректности системы? Нет! Мы, как и раньше, можем перехитрить проверку типов, выполнив полиморфные присваивания, вызывающие нарушения системной корректности.

Правда, исходные варианты примеров будут отклонены. Пусть:

s: SKIER; b: BOY; g: GIRL
...
create b;create g;-- Создание объектов BOY и GIRL.
s := b;                -- Полиморфное присваивание.
sl.share (g)

Аргумент g, передаваемый share, теперь неверен, так как здесь требуется объект типа like s, а класс GIRL не совместим с этим типом, поскольку по правилу закрепленных типов ни один тип не совместим с like s, кроме него самого.

Впрочем, радоваться нам не долго. В другую сторону это правило говорит о том, что like s совместим с типом s. А значит, используя полиморфизм не только объекта s, но и параметра g, мы можем снова обойти систему проверки типов:

s: SKIER; b: BOY; g: like s; actual_g: GIRL;
...
create b; create actual_g          -- Создание объектов BOY и GIRL.
s := actual_g; g := s            -- Через s присоединить g к GIRL.
s := b                              -- Полиморфное присваивание.
s.share (g)

В результате незаконный вызов проходит.

Выход из положения есть. Если мы всерьез готовы использовать закрепление объявлений как единственный механизм ковариантности, то избавиться от нарушений системной корректности можно, полностью запретив полиморфизм закрепленных сущностей. Это потребует изменения в языке: введем новое ключевое слово anchor (эта гипотетическая конструкция нужна нам исключительно для того, чтобы использовать ее в данном обсуждении):

anchor s: SKIER

Разрешим объявления вида like s лишь тогда, когда s описано как anchor. Изменим правила совместимости так, чтобы гарантировать: s и элементы типа like s могут присоединяться (в присваиваниях или передаче аргумента) только друг к другу.

При таком подходе мы устраняем из языка возможность переопределения типа любых аргументов подпрограммы. Помимо этого, мы могли запретить переопределять тип результата, но в этом нет необходимости. Возможность переопределения типа атрибутов, конечно же, сохраняется. Все переопределения типов аргументов теперь будут выполняться неявно через механизм закрепления, инициируемый ковариантностью. Там, где при прежнем подходе класс D переопределял наследуемый компонент как:

r (u: Y) ...

тогда как у класса C - родителя D это выглядело

r (u: X) ...

где Y соответствовало X, то теперь переопределение компонента r будет выглядеть так:

r (u: like your_anchor) ...

Остается только в классе D переопределить тип your_anchor.

Это решение проблемы ковариантности - полиморфизма будем называть подходом Закрепления (Anchoring). Более аккуратно следовало бы говорить: "Ковариация только через Закрепление". Свойства подхода привлекательны:

• Закрепление основано на идее строгого разделения ковариантных и потенциально полиморфных (или, для краткости, полиморфных) элементов. Все сущности, объявленные как anchor или like some_anchor ковариантны; прочие-полиморфны. В каждой из двух категорий допустимы любые присоединения, но нет сущности или выражения, нарушающих границу. Нельзя, например, присвоить полиморфный источник ковариантной цели.
• Это простое и элегантное решение нетрудно объяснить даже начинающим.
• Оно полностью устраняет возможность нарушения системной корректности в ковариантно построенных системах.
• Оно сохраняет заложенную выше концептуальную основу, в том числе понятия ограниченной и неограниченной универсальности. (В итоге это решение, по-моему, предпочтительнее типовых переменных, подменяющих собой механизмы ковариантности и универсальности, предназначенных для решения разных практических задач.)
• Оно требует незначительного изменения языка, - добавляя одно ключевое слово, отраженное в правиле соответствия, - и не связано с ощутимыми трудностями в реализации.
• Оно реалистично (по крайней мере, теоретически): любую ранее возможную систему можно переписать, заменив ковариантные переопределения закрепленными повторными объявлениями. Правда, некоторые присоединения в результате станут неверными, но они соответствуют случаям, которые могут привести к нарушениям типов, а потому их следует заменить попытками присваивания и разобраться в ситуации во время выполнения.

Казалось бы, дискуссию можно на этом закончить. Так почему же подход Закрепления не полностью нас устраивает? Прежде всего, мы еще не касались проблемы скрытия потомком. Кроме этого, основной причиной продолжения дискуссии является проблема, уже высказанная при кратком упоминании типовых переменных. Раздел сфер влияния на полиморфную и ковариантную часть, чем-то похож на результат Ялтинской конференции. Он предполагает, что разработчик класса обладает незаурядной интуицией, что он в состоянии для каждой введенной им сущности, в частности для каждого аргумента раз и навсегда выбрать одну из двух возможностей:

• Сущность является потенциально полиморфной: сейчас или позднее она (посредством передачи параметров или путем присваивания) может быть присоединена к объекту, чей тип отличается от объявленного. Исходный тип сущности не сможет изменить ни один потомок класса.
• Сущность является субъектом переопределения типов, то есть она либо закреплена, либо сама является опорным элементом.

Но как разработчик может все это предвидеть? Вся привлекательность ОО-метода во многом выраженная в принципе Открыт-Закрыт как раз и связана с возможностью изменений, которые мы вправе внести в ранее сделанную работу, а также с тем, что разработчик универсальных решений не должен обладать бесконечной мудростью, понимая, как его продукт смогут адаптировать к своим нуждам потомки.

При таком подходе переопределение типов и скрытие потомком - своего рода "предохранительный клапан", дающий возможность повторно использовать существующий класс, почти пригодный для достижения наших целей:

• Прибегнув к переопределению типов, мы можем менять объявления в порожденном классе, не затрагивая оригинал. При этом чисто ковариантное решение потребует правки оригинала путем описанных преобразований.
• Скрытие потомком защита от многих неудач при создании класса. Можно критиковать проект, в котором RECTANGLE, используя тот факт, что он является потомком POLYGON, пытается добавить вершину. Взамен можно было бы предложить структуру наследования, в которой фигуры с фиксированным числом вершин отделены от всех прочих, и проблемы не возникало бы. Однако при разработке структур наследования предпочтительнее всегда те, в которых нет таксономических исключений. Но можно ли их полностью устранить? Обсуждая ограничение экспорта в одной из следующих лекций, мы увидим, что подобное невозможно по двум причинам. Во-первых, это наличие конкурирующих критериев классификации. Во-вторых, вероятность того, что разработчик не найдет идеального решения, даже если оно существует.

Желая сохранить гибкость адаптации порожденных классов для наших нужд, мы должны разрешить и ковариантное переопределение типов, и скрытие потомком. Далее мы узнаем, как этого добиться.