Инструкция которая говорит что определенные утверждения должны удовлетворяться в определенных точках

Инструкции

ОО-нотация, разработанная в этой книге, императивна: вычисления специфицируются через команды (commands), также называемые инструкциями (instructions). (Мы избегаем обычно применимого термина оператор (предложение) (statement), поскольку в слове есть оттенок выражения, описывающего факты, а хотелось подчеркнуть императивный характер команды.)

Для имеющих опыт работы с современными языками инструкции выглядят как хорошие знакомые. Исключение составляют некоторые специальные свойства циклов, облегчающие их верификацию. Вот список инструкций: Вызов процедуры, Присваивание, Условие, Множественный выбор, Цикл, Проверка, Отладка, Повторное выполнение, Попытка присваивания.

Вызов процедуры

При вызове указывается имя подпрограммы, возможно, с фактическими аргументами. В инструкции вызова подпрограмма должна быть процедурой. Вызов функции является выражением. Хотя сейчас нас интересуют инструкции, следующие правила применимы в обоих случаях.

Вызов может быть квалифицированным или неквалифицированным. Для неквалифицированного вызова подпрограммы из включающего класса в качестве цели используется текущий экземпляр класса. Этот вызов имеет вид:

r (без аргументов), или

r (x, y, …) (с аргументами)

Квалифицированный вызов явно называет свою цель, заданную некоторым выражением. Если a — выражение некоторого типа, C — базовый класс этого типа, а — q одна из программ C, то квалифицированный вызов имеет форму a.q. Опять же, за q может следовать список фактических аргументов; a может быть неквалифицированным вызовом функции с аргументами, как в p (m).q (n), где p(m) — это цель. В качестве цели можно также использовать более сложное выражение при условии заключения его в скобки, как в (vector1 + vector2).count.

Также разрешаются квалифицированные вызовы с многоточием в форме: a.q₁q₂ …q_n, где a, так же, как и q_i, может включать список фактических аргументов.

Экспорт управляет применением квалифицированных вызовов. Напомним, что компонент f, объявленный в классе B, доступен в классе A ( экспортирован классу ), если предложение feature, объявляющее f, начинается с feature (без дальнейшего уточнения) или feature {X, Y,… }, где один из элементов списка {X, Y,…} является A или предком A. Имеет место:

Правило Квалифицированного Вызова

Квалифицированный вызов вида b.q₁. q₂…. q_n, появляющийся в классе C корректен, только если он удовлетворяет следующим условиям:

1. Компонент, стоящий после первой точки, q₁, должен быть доступен в классе C.
2. В вызове с многоточием, каждый компонент после второй точки, то есть каждое q_i для i > 1, должен быть доступен в классе C.

Чтобы понять причину существования второго правила, отметим, что a.q.r.s — краткая запись для

которая верна только, если q, r и s доступны классу C, в котором появляется этот фрагмент. Не имеет значения, доступно ли r базовому классу типа q, и доступно ли s базовому классу типа r.

Присваивание (Assignment)

Инструкция присваивания записывается в виде:

где x — сущность, допускающая запись (writable), а e — выражение совместимого типа. Такая сущность может быть:

• неконстантным атрибутом включающего класса;
• локальной сущностью включающей подпрограммы. Для функции допустима сущность Result.

Сущности, не допускающие запись, включают константные атрибуты и формальные аргументы программы — которым, как мы видели, подпрограмма не может присваивать новое значение.

Создание (Creation)

Инструкция создания изучалась в предыдущих лекциях^{3См. «Инструкция создания» и «Процедуры создания»,
«Динамические структуры: объекты»
. Один из вариантов рассмотрен в «Полиморфное создание»,
«Введение в наследование»
.}
в двух ее формах: без процедуры создания, как в create x, и с процедурой создания, как в create x.p (…). В обоих случаях x должна быть сущностью, допускающей запись.

Условная Инструкция (Conditional)

Эта инструкция задает различные формы обработки в зависимости от выполнения определенных условий. Основная форма:

if boolean_expression then
   instruction; instruction; ...
else
   instruction; instruction; ...
end

где каждая ветвь может иметь произвольное число инструкций (а возможно и не иметь их).

Будут выполняться инструкции первой ветви, если boolean_expression верно, а иначе — второй ветви. Можно опустить часть else, если второй список инструкций пуст, что дает:

if boolean_expression then
   instruction; instruction; ...
end

Когда есть более двух возможных случаев, можно избежать вложения (nesting) условных команд в частях else, используя одну или более ветвей elseif, как в:

if c1 then
   instruction; instruction; ...
elseif c2 then
   instruction; instruction; ...
elseif c3 then
   instruction; instruction; ...
...
else
   instruction; instruction; ...
end

где часть else остается факультативной. Это дает возможность избежать вложения

if c1 then
   instruction; instruction; ...
else
   if c2 then
      instruction; instruction; ...
   else
      if c3 then
         instruction; instruction; ...
...
      else
         instruction; instruction; ...
      end
   end
end

Когда необходим множественный разбор случаев, более удобна инструкция множественного выбора inspect, обсуждаемая ниже.

ОО-метод, благодаря полиморфизму и динамическому связыванию, уменьшает необходимость явных условных инструкций и множественного выбора, поддерживая неявную форму выбора. Когда объект применяет некоторый компонент, имеющий несколько вариантов, то во время выполнения нужный вариант выбирается автоматически в соответствии с типом объекта. Этот неявный стиль выбора обычно предпочтительнее, но, конечно, инструкции явного выбора остаются необходимыми.

Множественный выбор

Инструкция множественного выбора (также известная, как инструкция Case ) производит разбор вариантов, имеющих форму: e = v_i, где e — выражение, а v_i — константы того же типа. Хотя условная инструкция (if e = v₁ then …elseif e = v₂ then…) работает, есть две причины, оправдывающие применение специальной инструкции, что является исключением из обычного правила: «если нотация дает хороший способ сделать что-то, нет необходимости вводить другой способ». Вот эти причины:

• Разбор случаев настолько распространен, что заслуживает особого синтаксиса, увеличивающего ясность, позволяя избежать бесполезного повторения » e = «.
• Компиляторы могут использовать особенно эффективную технику реализации, — таблицу переходов ( jump table ), — неприменимую к общим условным инструкциям и избегающую явных проверок.

Что касается типа анализируемых величин (тип e и v_i ), то инструкции множественного выбора достаточно поддерживать только целые и булевы значения. Согласно правилу, они фактически должны объявляться либо все как INTEGER, либо как CHARACTER. Общая форма инструкции такова:

inspect
   e
when v1 then
   instruction; instruction; ...
when v2 then
   instruction; instruction; ...
...
else
   instruction; instruction; ...
end

Все значения v_i должны быть различными; часть else факультативна; каждая из ветвей может иметь произвольное число инструкций или не иметь их.

Инструкция действует так: если значение e равно значению v_i (это может быть только для одного из них), выполняются инструкции соответствующей ветви; иначе, выполняются инструкции в ветви else, если они есть.

Если отсутствует else, и значение e не соответствует ни одному v_i, то возникает исключительная ситуация («Некорректно проверяемое значение»). Это решение может вызвать удивление, поскольку соответствующая условная инструкция в этом случае ничего не делает. Но оно характеризует специфику инструкции множественного выбора. Когда вы пишете inspect с набором значений v_i, нужно включить ветвь else, даже пустую, если вы понимаете, что во время выполнения значения e могут не соответствовать никаким v_i. Если вы не включаете else, то это эквивалентно явному утверждению: «значение e всегда является одним из v_i «. Проверяя это утверждение и создавая исключительную ситуацию при его нарушении, реализация оказывает нам услугу. Бездействие в данной ситуации — означает ошибку — в любом случае, ее необходимо устранить как можно раньше.

Одно из частых приложений инструкции множественного выбора — анализ символа, введенного пользователем^{4Это элементарная схема. О более сложных технических приемах обработки пользовательских команд см. лекцию 3 курса «Основы объектно-ориентированного проектирования«.}
:

inspect
   first_input_letter
when 'D' then
   "Удалить строку"
when 'I' then
   "Вставить строку"
...
else
   message ("Неопознанная команда; введите H для получения справки")
end

Когда значения v_i целые, то они могут быть определены как уникальные (unique values), концепция которых рассмотрена в следующей лекции. Это делает возможным в объявлении определить несколько абстрактных констант, например, Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si: INTEGER is unique, и затем анализировать их в инструкции: inspect note when Do then…when Re then…end.

Как и условные инструкции, инструкции множественного выбора не должны использоваться для замены неявного выбора, основанного на динамическом связывании.

Циклы

Синтаксис циклов описан при обсуждении Проектирования по Контракту (
«Проектирование по контракту: построение надежного ПО»
):

from
   initialization_instructions
invariant
   invariant
variant
   variant
until
   exit_condition
loop
   loop_instructions
end

Предложения invariant и variant факультативны. Предложение from требуется, хотя и может быть пустым. Оно задает инициализацию параметров цикла. Не рассматривая сейчас факультативные предложения, выполнение цикла можно описать следующим образом. Вначале происходит инициализация, и выполняются initialization_instructions. Затем следует «циклический процесс», определяемый так: если exit_condition верно, то циклический процесс — пустая инструкция ( null instruction ); если условие неверно, то циклический процесс — это выполнение loop_instructions, затем следует (рекурсивно) повторение циклического процесса.

Проверка

Инструкция проверки рассматривалась при обсуждении утверждений (
«Проектирование по контракту: построение надежного ПО»
). Она говорит, что определенные утверждения должны удовлетворяться в определенных точках:

check
   assertion -- Одно или больше предложений
end

Отладка

Инструкция отладки является средством условной компиляции. Она записывается так:

debug instruction; instruction; ... end

В файле управления (Ace-файле) для каждого класса можно включить или отключить параметр debug. При его включении все инструкции отладки данного класса выполняются, при отключении — они не влияют на выполнение.

Эту инструкцию можно использовать для включения специальных действий, выполняющихся только в режиме отладки, например, печати некоторых величин.

Повторение вычислений

Инструкция повторного выполнения рассматривалась при обсуждении исключительных ситуаций (
«Когда контракт нарушается: обработка исключений»
). Она появляется только в предложении rescue, повторно запуская тело подпрограммы, работа которой была прервана.

Нестрогие булевы операторы

Операторы and then и or else (названия заимствованы из языка Ada), а также implies не коммутативны и называются нестрогими (non-strict) булевыми операторами. Их семантика следующая:

Нестрогие булевы операторы

[x]. a and then b ложно, если a ложно, иначе имеет значение b.

[x]. a or else b истинно, если a истинно, иначе имеет значение b.

[x]. a implies b имеет то же значение, что и: (not a) or else b.

Первые два определения, как может показаться, дают ту же семантику, что и and и or. Но разница выявляется, когда b не определено. В этом случае выражения, использующие стандартные булевы операторы, математически не определены, но данные выше определения дают результат: если a ложно, то a and then b ложно независимо от b; а если a истинно, то a and then b истинно независимо от b. Аналогично, a implies b истинно, если a ложно, даже если b не определено.

Итак, нестрогие операторы могут давать результат, когда стандартные не дают его. Типичный пример:

(i /= 0) and then (j // i = k)

которое, согласно определению, ложно, если i равно 0. Если бы в выражении использовался and, а не and then, то из-за неопределенности второго операнда при i равном 0 статус выражения неясен. Эта неопределенность скажется во время выполнения:

1 Если компилятор создает код, вычисляющий оба операнда, то во время выполнения произойдет деление на ноль, и возникнет исключительная ситуация.

2 Если же генерируется код, вычисляющий второй операнд только тогда, когда первый истинен, то при i равном 0 возвратится значение ложь.

Для гарантии интерпретации (2), используйте and then. Аналогично,

(i = 0) or else (j // i /= k)

истинно, если i равно 0, а вариант or может дать ошибку во время выполнения.

Можно недоумевать, почему необходимы два новых оператора — не проще и не надежнее ли просто поддерживать стандарт операторов and и or и принимать, что они означают and then и or else? Это не изменило бы значение булева выражения, когда оба оператора определены, но расширило бы круг случаев, где выражения могут получить непротиворечивое значение. Именно так некоторые языки программирования, в частности, ALGOL, W и C, интерпретируют булевы операторы. Однако есть теоретические и практические причины сохранять два набора различных операторов.

[x]. С точки зрения теории, стандартные математические булевы операторы коммутативны: a and b всегда имеет значение такое же, как b and a, в то время как a and then b может быть определенным, когда b and then a не определено. Когда порядок операндов не имеет значения, предпочтительно использовать коммутативный оператор.

[x]. С точки зрения практики, некоторые оптимизации компилятора становятся невозможными, если требуется, чтобы компилятор вычислял операнды в заданном выражением порядке, как в случае с некоммутативными операторами. Поэтому лучше использовать стандартные операторы, если известно, что оба операнда определены.

Отметим, что можно смоделировать нестрогие операторы посредством условных команд на языке, не включающем такие операторы. Например, вместо

b := ((i /= 0) and then (j // i = k))

можно написать

if i = 0 then b := false else b := (j // i = k) end

Нестрогая форма, конечно, проще. Это особенно ясно, когда она используется как условие выхода из цикла:

from

i := a.lower

invariant

— Для всех элементов из интервала [a.lower .. i — 1], (a @ i) /= x

variant

a.upper — i

until

i > a.upper or else (a @ i = x)

loop

i := i + 1

end;

Result := (i <= a.upper)

Цель — сделать Result верным, если и только если значение x находится в массиве a. Использование or здесь будет неверным. В этом случае всегда могут вычисляться два операнда, так что при истинности первого операнда (i > a.upper) произойдет попытка доступа к несуществующему элементу массива a @(aupper+1), что приведет к ошибке во время выполнения (нарушение предусловия при включенной проверке утверждений).

Решение без нестрогих операторов будет неэлегантным.

Другой пример — утверждение, например, инварианта класса, выражающее, что первое значение списка l целых неотрицательно, при условии, что список непустой:

l.empty or else l.first >= 0

При использовании or инвариант был бы некорректен. Здесь нет способа написать условие без нестрогих операторов (кроме написания специальной функции и вызова ее в утверждении). Базовые библиотеки алгоритмов и структур данных содержат много таких случаев.

Оператор implies, описывающий включения, также нестрогий. Форма implies менее привычна, но часто более ясна, например, последний пример выглядит лучше в записи:

(not l.empty) implies (l.first >= 0)

[x]. Компиляторы могут использовать особенно эффективную технику реализации, — таблицу переходов (jump table), — неприменимую к общим условным инструкциям и избегающую явных проверок.

Что касается типа анализируемых величин (тип e и vi), то инструкции множественного выбора достаточно поддерживать только целые и булевы значения. Согласно правилу, они фактически должны объявляться либо все как INTEGER, либо как CHARACTER. Общая форма инструкции такова:

inspect

e

when v1 then

instruction; instruction; …

when v2 then

instruction; instruction; …

…

else

instruction; instruction; …

end

Все значения vi должны быть различными; часть else факультативна; каждая из ветвей может иметь произвольное число инструкций или не иметь их.

Инструкция действует так: если значение e равно значению vi (это может быть только для одного из них), выполняются инструкции соответствующей ветви; иначе, выполняются инструкции в ветви else, если они есть.

Если отсутствует else, и значение e не соответствует ни одному vi, то возникает исключительная ситуация («Некорректно проверяемое значение»). Это решение может вызвать удивление, поскольку соответствующая условная инструкция в этом случае ничего не делает. Но оно характеризует специфику инструкции множественного выбора. Когда вы пишете inspect с набором значений vi, нужно включить ветвь else, даже пустую, если вы понимаете, что во время выполнения значения e могут не соответствовать никаким vi. Если вы не включаете else, то это эквивалентно явному утверждению: «значение e всегда является одним из vi«. Проверяя это утверждение и создавая исключительную ситуацию при его нарушении, реализация оказывает нам услугу. Бездействие в данной ситуации — означает ошибку — в любом случае, ее необходимо устранить как можно раньше.

Одно из частых приложений инструкции множественного выбора — анализ символа, введенного пользователем13.4):

inspect

first_input_letter

when ‘D’ then

«Удалить строку»

when ‘I’ then

«Вставить строку»

…

else

message («Неопознанная команда; введите H для получения справки»)

end

Когда значения vi целые, то они могут быть определены как уникальные (unique values), концепция которых рассмотрена в следующей лекции. Это делает возможным в объявлении определить несколько абстрактных констант, например, Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si: INTEGER is unique, и затем анализировать их в инструкции: inspect note when Do then…when Re then…end.

Как и условные инструкции, инструкции множественного выбора не должны использоваться для замены неявного выбора, основанного на динамическом связывании.

Циклы

Синтаксис циклов описан при обсуждении Проектирования по Контракту (лекция 11):

from

initialization_instructions

invariant

invariant

variant

variant

until

exit_condition

loop

loop_instructions

end

Предложения invariant и variant факультативны. Предложение from требуется, хотя и может быть пустым. Оно задает инициализацию параметров цикла. Не рассматривая сейчас факультативные предложения, выполнение цикла можно описать следующим образом. Вначале происходит инициализация, и выполняются initialization_instructions. Затем следует «циклический процесс», определяемый так: если exit_condition верно, то циклический процесс — пустая инструкция (null instruction); если условие неверно, то циклический процесс — это выполнение loop_instructions, затем следует (рекурсивно) повторение циклического процесса.

Проверка

Инструкция проверки рассматривалась при обсуждении утверждений (лекция 11). Она говорит, что определенные утверждения должны удовлетворяться в определенных точках:

check

assertion — Одно или больше предложений

end

Отладка

Инструкция отладки является средством условной компиляции. Она записывается так:

debug instruction; instruction; … end

В файле управления (Ace-файле) для каждого класса можно включить или отключить параметр debug. При его включении все инструкции отладки данного класса выполняются, при отключении — они не влияют на выполнение.

Эту инструкцию можно использовать для включения специальных действий, выполняющихся только в режиме отладки, например, печати некоторых величин.

Повторение вычислений

Инструкция повторного выполнения рассматривалась при обсуждении исключительных ситуаций (лекция 12). Она появляется только в предложении rescue, повторно запуская тело подпрограммы, работа которой была прервана.

Выражения

Выражение задает вычисление, вырабатывающее значение, — объект или ссылку на объект. Выражениями являются:

[x]. неименованные (манифестные) константы;

[x]. сущности (атрибуты, локальные сущности, формальные аргументы, Result);

[x]. вызовы функций;

[x]. выражения с операторами (технически — это специальный случай вызова функций);

[x]. Current.

Манифестные константы

Неименованная или манифестная константа задается значением, синтаксис которого позволяет определить и тип этого значения, например, целое 0. Этим она отличается от символьной константы, чье имя не зависит от значения.

Булевых констант две, — True и False. Целые константы имеют обычную форму, например:

453 -678 +66623

В записи вещественных (real) констант присутствует десятичная точка. Целая, либо дробная часть может отсутствовать. Может присутствовать знак и экспонента, например:

Читать дальше