Текст книги "Программист-прагматик. Путь от подмастерья к мастеру"

Автор книги: Эндрю Хант

Соавторы: Дэвид Томас
сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 28 страниц)

20
Генераторы текстов программ

Если столярам приходится снова и снова изготавливать одну и ту же деталь, они идут на хитрость. Они делают для себя шаблон. Если они сделают шаблон один раз, то время от времени они могут воссоздавать некоторый фрагмент работы. Шаблон избавляет столяров от излишней сложности и снижает вероятность ошибки, позволяя мастеру сосредоточиться на качестве работы.

Программисты часто оказываются в аналогичном положении. От них требуется достижения той же функциональности, но в различных контекстах. Информация должна быть воспроизведена в различных местах. А иногда, экономя на повторном наборе текста, мы просто защищаем самих себя от болей в запястье.

Подобно столяру, вкладывающему свое время в шаблон, программист может построить генератор текста. Его можно использовать всю оставшуюся жизнь проекта практически бесплатно.

Подсказка 29: Пишите текст программы, которая пишет текст программы

Существует два основных типа генераторов текста:

1. Пассивные генераторы текста запускаются один раз для достижения результата. Начиная с этого момента результат становится независимым – он отделяется от генератора текста. Мастера, обсуждаемые в разделе "Злые волшебники", вместе с некоторыми средствами CASE являются примерами пассивных генераторов текста.

2. Активные генераторы текста используются всякий раз, когда возникает необходимость в результатах их работы. Этот результат создается по принципу "выбросить и забыть" – он всегда может быть воспроизведен с помощью генератора текста. Зачастую активные генераторы считывают некоторую форму сценария или управляющего файла для получения конечного результата.

Пассивные генераторы

Пассивные генераторы текста экономят время, необходимое на набор текста. Как только результат получен, он становится полностью приспособленным для использования в качестве исходного файла в данном проекте; он должен быть отредактирован, скомпилирован и передан системе управления исходным текстом, как и любой другой файл. О его происхождении никто и не вспомнит. Пассивные генераторы текста применяются во многих случаях:

• Создание новых исходных файлов. Пассивный генератор текста может создавать шаблоны, директивы управления исходным текстом, сведения об авторских правах и стандартные блоки комментариев для каждого нового файла в некотором проекте. Мы настроили наши редакторы на выполнение этого действия всякий раз при создании нового файла: при редактировании новой программы на языке Java в новом буфере редактора автоматически окажутся уже заполненные блок комментариев, директива пакета и описание структурного класса.

• Осуществление двоичных преобразований в языках программирования. Мы начали писать эту книгу, используя систему troff, но после пятнадцатого раздела перешли на LaTeX. Мы написали генератор текста, который считывал исходный текст из troff и преобразовывали его в формат LATЈX. Точность составила 90 %; остальное мы делали вручную. Это является интересной особенностью пассивных генераторов текста: они не должны отличаться абсолютной точностью. Вы выбираете, какое усилие необходимо вложить в генератор, в сравнении с энергией, которую вы тратите на устранение ошибок в выходной информации.

• Создание таблиц поиска и других ресурсов, вычисление которых является дорогой операцией. Вместо того, чтобы вычислять тригонометрические функции, во многих старых графических системах использовались таблицы синусов и косинусов. Обычно эти таблицы создавались пассивным генератором текста и затем копировались в исходный текст программы.

Активные генераторы текста

Пассивные генераторы текста являются не более чем удобством, но их активные родственники являются необходимостью, если вы хотите следовать принципу DRY. С помощью активного генератора текста вы можете использовать представление некоторого фрагмента знания и преобразовать его во все формы, необходимые вашему приложению. Это не является дублированием, поскольку эти формы являются расходным материалом и создаются генератором текста по мере необходимости (отсюда термин «активный»).

Когда бы вам ни приходилось организовывать совместную работу двух совершенно разных сред, стоит подумать об использовании активных генераторов текста.

Допустим, вы разрабатываете приложение БД. В этом случае вы имеете дело с двумя средами – базой данных и языком программирования, который используется для доступа к БД. У вас есть схема, и вам необходимо определить низкоуровневые конструкции, отражающие компоновку определенных таблиц БД. Вы могли бы просто запрограммировать их напрямую, но при этом нарушается принцип DRY: знание схемы было бы выражено дважды. Если схема меняется, вам необходимо помнить и о соответствующем изменении текста программы. Если из таблицы удаляется столбец, а база текста программы не меняется, то может статься, что ошибка не проявится даже при компиляции. Первый раз вы узнаете об этом во время тестирования, когда начнутся сбои (или же от пользователя).

Рис. 3.3. Активный генератор создает текст программы из схемы базы данных

Альтернативой этому является использование активного генератора текста – берется схема и используется для генерации исходного текста конструкций, как показано на рисунке 3.3. Теперь при любом изменении схемы будет происходить и автоматическое изменение программы, используемой для доступа к ней. При удалении столбца исчезает и соответствующее поле в конструкции, и любая высокоуровневая программа, использующая этот столбец, не пройдет компиляцию. Ошибку удалось заметить во время компиляции, а не в процессе сборки. Конечно, эта схема работает только в том случае, если вы сделаете генерацию текста частью самого процесса сборки [24].

Другим примером слияния сред с помощью генераторов текста является случай, когда в одном и том же приложении использованы различные языки программирования. Для того чтобы общаться, каждой программной базе необходима некоторая общая информация – например, структуры данных, форматы сообщений и имена полей. Вместо того, чтобы дублировать эту информацию, используйте генератор текста. В ряде случаев можно проводить синтаксический анализ информации из исходных файлов на одном языке и использовать ее для генерации текста на другом. Хотя зачастую легче выразить ее более простым, независимым от языка представлением и сгенерировать программу для обоих языков, как показано на рисунке 3.4. Также можно посмотреть ответ к упражнению 13 (см. Приложение В) в качестве примера того, как отделить синтаксический анализ представления плоского файла от генерации текста.

Генераторы текста не должны быть слишком сложными

Весь этот разговор об активном «этом» и пассивном «том», может создать у вас впечатление, что генераторы текста – сложные звери. Им не надо быть сложными. Обычно самой сложной частью является синтаксический анализатор, который обрабатывает входной файл. Не усложняйте входной формат, и генератор текста станет простым. Обратите внимание на ответ к упражнению 13 (см. Приложение В): в реальности генерация текста представляет собой в основном операторы print.

Рис. 3.4. Генерирование теиста из представления, независимого от языка. Строки во входном файле, начинающиеся с буквы М, означают начало определения сообщения, буква F означает строки с определениями полей, а буква Е – конец сообщения.

Генераторы текста не всегда генерируют тексты программ

Хотя многие и примеров, приведенных в данном разделе, демонстрируют тексты программ, которые производят исходные тексты программ, на практике это не всегда так. Вы можете применять генераторы текстов для создания выходного файла в любом формате (HTML, XML, простой текст) – любого текста, который является входной информацией в какой-либо части вашего проекта.

Другие разделы, относящиеся к данной теме:

• Пороки дублирования

• Преимущество простого текста

• Злые волшебники

• Вездесущая автоматизация

Упражнения

13. Напишите генератор текста, который обрабатывает входной файл, изображенный на рисунке 3.4, и генерирует выходной файл на двух языках по вашему выбору. Попытайтесь упростить добавление новых языков. (Ответ см. в Приложении В.)

Глава 4
Прагматическая паранойя

Подсказка 30: Невозможно написать совершенную программу

Ваши чувства задеты? Не стоит принимать эту подсказку близко к сердцу. Примите ее как жизненную аксиому. Заключите ее в объятья. Восславьте ее. Поскольку совершенных программ в природе не существует. За всю краткую историю информатики никому не удалось написать ни одного совершенного фрагмента программы. Маловероятно, что вы станете первым. И когда вы примете это как существующий факт, то перестанете тратить время и энергию впустую в погоне за призрачной мечтой.

Каким же образом, учитывая эту гнетущую реальность, может прагматик обратить ее себе на пользу? Это и является темой данной главы.

Каждый знает, что лично он – лучший водитель на планете Земля. Остальному человечеству далеко до него, проезжающего под запрещающие знаки, мотающегося из ряда в ряд, не подающего сигналы поворота, разговаривающего по телефону, читающего за рулем газету и просто не живущего по общепринятым нормам. Так что мы ездим осторожно. Мы обнаруживаем неприятность до того, как она происходит, ожидаем непредвиденное и никогда не оказываемся в положении, из которого не сможем выпутаться сами.

Аналогия с написанием программ весьма очевидна. Мы постоянно взаимодействуем с программами, написанными другими людьми, программами, которые не отвечают нашим высоким требованиям, и имеем дело с входными параметрами, которые являются или не являются допустимыми. Нас учат программировать с осторожностью. При наличии любого рода сомнений мы проверяем правильность всей поступающей к нам информации. Мы используем утверждения для обнаружения неверных данных. Мы проверяем непротиворечивость, устанавливаем ограничения на столбцы базы данных и вообще высоко ценим самих себя.

Но прагматики идут дальше. Они не доверяют даже самим себе. Зная, что никто не пишет совершенных программ, включая их самих, прагматики пишут программы, защищаясь от собственных ошибок. Первый рубеж обороны описан в разделе "Проектирование по контракту": клиенты и поставщики должны договориться о правах и обязанностях.

В разделе "Мертвые программы не лгут" говорится о гарантиях того, что процедура устранения ошибок не нанесет вреда. Поэтому мы попытаемся чаще проверять нашу программу и завершать ее аварийно, если она работает не так, как надо.

В разделе "Программирование с применением утверждений" описан простой метод проверки "на ходу" – программа, которая активно проверяет ваши предположения.

Исключения, как и любая другая методика, может причинить больше вреда, чем пользы, если ее применять неправильно. Мы обсудим эти аспекты в разделе "Случаи, когда необходимо использовать исключения".

По мере того как ваши программы приобретают большую динамику, вы начинаете жонглировать системными ресурсами – памятью, файлами, устройствами и т. п. В разделе "Балансировка ресурсов" предлагаются способы того, как не ронять те предметы, которыми вы жонглируете.

Поэтому будем осторожными в этом мире несовершенных систем, устаревших временных масштабов, смешных инструментальных средств и невыполнимых требований.

Если все общество отклоняется от нормы, чтобы понять вас, скорее всего это паранойя.

Вуди Аллен

21
Проектирование по контракту

Ничто не ошеломляет людей так сильно, как здравый смысл и честная сделка.

Ральф Уолдо Эмерсон, Эссе

Работать с компьютерными системами всегда непросто. Работать с людьми еще сложнее. И поскольку мы (как биологический вид) развиваемся достаточно долго, то у нас явно было больше времени на выяснение природы человеческих взаимоотношений. Некоторые из тех решений, к которым мы пришли в течение нескольких последних тысячелетий, могут быть применены и к созданию программного обеспечения. Одним из лучших способов, с помощью которого можно удостовериться в честности заключаемой сделки, является контракт.

В контракте определены ваши права и обязанности, а также права и обязанности другой стороны. В дополнение к этому существует соглашение, касающееся юридических последствий, возникающих в том случае, если какая-либо из сторон окажется не в состоянии соблюдать условий контракта.

Допустим, у вас есть контракт на работу, где определены количество отрабатываемых часов и правила поведения, которым вы обязаны следовать. В ответ фирма платит вам заработную плату и предоставляет другие льготы. Каждая из сторон выполняет свои обязательства, а в результате выигрывают все.

Эта идея используется во всем мире – и формальным, и неформальным образом – для того, чтобы помочь людям во взаимодействии. Можем ли мы применить этот же принцип, чтобы способствовать взаимодействию программных модулей? Ответ на этот вопрос положительный.

Проектирование по контракту

Бертран Мейер [Меу97b] разработал концепцию проектирования по контракту для языка Eiffel [25]. Это простая, но мощная методика, сосредоточенная на документировании (и согласовании) прав и обязанностей программных модулей в целях обеспечения корректности программы. Так что же означает «корректная программа»? Это та программа, которая делает не более и не менее того, на что она претендует. Документирование и подтверждение указанных претензий лежит в основе принципа проектирования по контракту (в дальнейшем, для краткости, будем называть его ППК).

Каждая функция и метод в программной системе осуществляет некоторое действие. До того как подпрограмма начнет выполнять это действие, она может иметь некие виды на состояние окружающего мира, а также может констатировать состояние окружающего мира на момент завершения работы. Б. Мейер описывает эти виды и претензии следующим образом:

• Предусловия. Требования подпрограммы – то, что обязано быть истинным для того, чтобы подпрограмма могла вызываться. Если предусловия нарушены, программа не должна вызываться ни в коем случае. Ответственность за передачу качественных данных лежит на вызывающей программе (см. врезку ниже «Кто несет ответственность?»).

• Постусловия. Состояние окружающего мира на момент завершения работы подпрограммы – то, что гарантируется подпрограммой. Сам факт того, что в ней имеется постусловие, подразумевает, что подпрограмма завершит свою работу: бесконечные циклы не допускаются.

• Инварианты класса. Класс гарантирует, что данное условие всегда истинно с точки зрения вызывающей программы. Во время внутренней обработки подпрограммы инвариант может и не выполняться, но к моменту выхода из подпрограммы и передачи управления обратно к вызывающей программе инвариант обязан быть истинным. (Следует заметить, что класс не может давать неограниченное право доступа для записи к любому элементу данных, участвующему в инварианте.)

Рассмотрим контракт на создание программы, которая осуществляет вставку значения данных в упорядоченный список уникальных данных. При работе с iContract (препроцессором для языка Java, который можно загрузить с [URL 17]) этот контракт может быть реализован следующим образом:

/**г

* ©invariant forall Node n in elements() |

*   n.prev() != null

*     implies

*       n.value().compareTo(n.prev().value()) > 0

 */

public class DBC_list {

/**

* @pre contains(aNode) == false

* @post contains(aNode) == true

*/

public void insertNode(final Node aNode) {

//…

Здесь стоит сказать, что элементы в списке всегда должны располагаться в порядке возрастания. При вставке нового элемента этот порядок уже может быть нарушен, и мы гарантируем, что элемент будет обнаружен после того, как он был вставлен в список.

Вы формулируете эти предусловия, постусловия и инварианты на целевом языке программирования, возможно, с некоторыми расширениями. Например, iContract предоставляет операторы логики предикатов – forall, exists и implies, дополняя обычные конструкции языка Java. Ваши утверждения могут сделать запрос о состоянии любого объекта, к которому имеется доступ со стороны метода, но удостоверьтесь, что запрос не окажет никакого побочного воздействия (см. ниже врезку "Утверждения и побочные условия").

ППК и параметры-константы

Во многих случаях постусловие будет использовать параметры, переданные в метод, для проверки правильности поведения. Но если подпрограмме разрешено изменять переданный параметр, то у вас есть возможность обойти условия контракта. В отличие от языка Java, язык Eiffel не позволяет подобных действий. В данном случае для указания наших намерений, сводящихся к неизменяемости параметра в пределах метода, используется ключевое слово final (из языка Java). Это не является «защитой от дурака» – подклассы не имеют ограничений при повторном определении параметра как не являющегося окончательным. В качестве альтернативы можно использовать синтаксис variable@pre (принятый в iContract), чтобы получить исходное значение переменной, существовавшее на момент входа в метод.

Следовательно, в контракте между подпрограммой и любой потенциально вызывающей ее программой может быть записано следующее:

«Если вызывающая программа выполняет все предусловия подпрограммы, то подпрограмма гарантирует, что по завершении ее работы все постусловия и инварианты будут истинными».

Если одна из сторон нарушает условия контракта, то применяется предварительно согласованная мера, например, возбуждается исключение или происходит завершение работы программы. Что бы ни происходило, вы не ошибетесь, утверждая, что нарушение условий контракта есть ошибка. Это происходит далеко не всегда, и поэтому предусловия не должны использоваться для осуществления таких процедур, как проверка правильности данных, вводимых пользователем.

Подсказка 31: Проектируйте в соответствии с контрактами

В разделе «Ортогональность» рекомендуется создавать «скромные» программы. В данном случае упор делается на «ленивую» программу: проявите строгость в том, что вы принимаете до начала работы, и обещайте как можно меньше взамен. Следует помнить, что если в контракте указано, что вы принимаете все условия, а взамен обещаете весь мир, то вам придется написать… ну очень большую программу!

Наследование и полиморфизм являются краеугольными камнями объектно-ориентированных языков программирования и представляют собой область, в которой принцип программирования по контракту может проявиться особенно ярко. Предположим, что вы используете наследование при создании связи типа «это-схоже-с-тем», где один класс «схож-с-тем» (другим) классом. Вероятно, вы действуете в соответствии с принципом замещения, изложенным в книге "Liskov Substitution Principle" [Lis88]:

«Использование подклассов должно осуществляться через интерфейс базового класса, но при этом пользователь не обязан знать, в чем состоит различие между ними».

Другими словами, вы хотите убедиться в том, что вновь созданный подтип действительно «схож-с тем» (базовым) типом – что он поддерживает те же самые методы и эти методы имеют тот же смысл. Этого можно добиться при помощи контрактов. Контракт необходимо определить единожды (в базовом классе) с тем, чтобы он применялся к вновь создаваемым подклассам автоматически. Подкласс может (необязательно) использовать более широкий диапазон входных значений или же предоставлять более жесткие гарантии. Но, по крайней мере, подкласс должен использовать тот же интервал и предоставлять те же гарантии, что и родительский класс.

Рассмотрим базовый класс Java, именуемый java.awt.Component. Вы можете обрабатывать любой визуальный элемент в AWT или Swing как тип Component и не знать, чем является подкласс в действительности – кнопкой, подложкой, меню или чем-то другим. Каждый отдельный элемент может предоставлять дополнительные, специфические функциональные возможности, но, по крайней мере, он должен предоставлять базовые средства, определенные типом Component. Однако ничто не может помешать вам создать для типа Component подтип, который предоставляет методы с правильными названиями, приводящие к неправильным результатам. Вы легко можете создать метод paint, который ничего не закрашивает, или же метод setFont, который не устанавливает шрифт. AWT не обладает контрактами, которые способны обнаружить факт нарушения вами соглашения.

При отсутствии контракта все, на что способен компилятор, – это дать гарантию того, что подкласс соответствует определенной сигнатуре метода. Но если мы составим контракт для базового класса, то можем гарантировать, что любой будущий подкласс не сможет изменять значения наших методов. Например, вы составляете контракт для метода setFont (подобный приведенному ниже), гарантирующий, что вы получите именно тот шрифт, который установили:

/**

* @pre f != null

* @post getFont() == f

 */

public void setFont(final Font f) {

//…