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哈工大软件构造课程知识点总结（一）
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文章目录

系列文章目录
简介
Chapter 5:Designing Specification
- 规约简要介绍
- 行为等价性
- 规约的设计
- 规约的比较
- 规约画图
- 如何设计好的规约
Chapter 6:Abstract Data Type
- 抽象数据类型相关概念
- 设计抽象数据类型
- 测试抽象数据类型
- 表示独立性
- 表示不变性
- 抽象函数
- 表示不变性(RI)与抽象函数(AF)之间的关系
- - 表示泄露
- 有益的可变性

简介

此文章是2021春哈工大软件构造课程Chapter 5、Chapter 6的知识点总结。

Chapter 5:Designing Specification

规约简要介绍

“方法”是程序的积木，可以被独立开发、测试、复用。使用“方法”的客户端，无需了解内部的具体实现，这就是“抽象” 的思想。
一个完整的方法应包含规约和实现两大部分，如下图示例：

代码本身就蕴含着“设计决策”（如使用final关键字说明此变量不可变），但这远远不够。我们需要注释形式的“设计决策”（规约）以供自己和他人阅读。

规约(spec)给程序员和用户双方都确定了责任，调用时双方都要遵守。

规约的作用：

隔离“变化”，无需通知客户端——“防火墙”
解耦，客户端不需了解具体实现
提高代码效率

规约的内容：

输入/输出的数据类型
方法的功能和正确性
性能

只讲“能做什么”，不讲“如何实现”！

行为等价性

根据代码的规约，站在客户端视角看行为等价性。
例：有以下两个方法：

static int findFirst(int[] arr, int val) {for (int i = 0; i < arr.length; i++) {if (arr[i] == val)return i;}return arr.length;
}static int findLast(int[] arr, int val) {for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {if (arr[i] == val)return i;}return -1;
}

对于以下规约：

由于两个函数都符合此规约，故此情况下它们等价。

规约的设计

前置条件(precondition)：对客户端的约束，客户端使用方法时必须满足的条件，使用关键词requires表明。
后置条件(postcondition)：对开发者的约束，方法结束时必须满足的条件，使用关键词effects表明。

静态类型声明是一种规约，可据此进行静态类型检查(static checking)
方法前的注释也是一种规约，但需人工判定其是否满足

契约：如果前置条件满足了，后置条件必须满足；前置条件不满足，则方法可做任何事情（最好还是处理一下，通过failing fast让客户端发现这一问题）。

规约具体设计规则：

参数使用@param描述，结果使用@return、@throws描述
如果可能，将前置条件写入@param中，后置条件写入@return和@throws中
除非在后置条件中声明过，否则方法内部不应该改变输入参数
尽量不设计修改输入参数的规约，减少使用可变对象
描述的功能要单一、简单、易理解
如果规约中需要提到“值”，只能使用抽象空间中的“值”（关联Chapter 6）

一个具体的规约：

补充Chapter 2 黑盒测试部分：
测试用例不能依赖于具体实现，而必须同客户端一样，遵守规约
出处：Chapter 5 课件 P46

规约的比较

可从规约的确定性、陈述性及强度入手进行比较。
假如规约强度S2 >= S1，则有：

前置条件S2比S1更弱或相同
后置条件S2比S1更强或相同

较强的规约具有更放松的前置条件 + 更严格的后置条件

例：
（1）以下三个规约依次增强：

（2）以下两个规约无法比较强度

相较于第一个规约，第二个的前置条件更弱了；但在满足第一个规约的前置条件的情况下，第二个规约相较于第一个其后置条件也弱化了（没有返回最低索引值）。

当规约被增强时：

可满足规约的实现方式更少
更多的用户端可以使用
实现者（开发者）的自由度更小，责任更重
客户端（使用者）责任更轻

规约画图

以find为例：

可以得到以下结论：

某个具体实现，若满足规约，则落在其范围内，否则，在其之外
程序员可以在规约的范围内自由选择实现方式，客户端无需了解具体使用了哪个实现
规约越强，对应的区域越小

如何设计好的规约

规约不应太弱，也不能太强（权衡用户使用与实现难度）
在规约里使用抽象类型，可以给方法的实现体与客户端更大的自由度
是否使用前置条件取决于check的代价和方法的使用范围

Chapter 6:Abstract Data Type

抽象数据类型相关概念

抽象数据类型(ADT)强调“作用于数据上的操作”，程序员和客户端无需关心数据如何具体存储的，只需设计/使用操作即可。

抽象数据类型的特性：

可能发生表示泄露
抽象函数(abstraction function) [AF]
表示独立性(representation independence) [RI]
表示不变性(representation invariant)

抽象数据类型的操作分类：

构造器(creator)：t* → T，可能实现为构造函数或静态函数（工厂方法）
生产器(producer)：T+, t* → T
观察器(observer)：T+, t* → t
变值器(mutator)：T+, t* → void | t | T，通常返回void，也可返回非空（如本身、修改结果等）
注：T代表抽象类型自身，t是其他类型，+表示类型出现一次或多次，*表示类型出现零次或多次。

例：

Integer.valueOf() – Creator
new ArrayList() – Creator
Arrays.asList() – Creator
String.concat() – Producer
BigInteger.mod() – Producer
String.toUpperCase() – Producer
List.size() – Observer
String.length() – Observer
Map.keySet() – Observer
List.addAll() – Mutator
BufferedReader.readline() – Mutator

设计抽象数据类型

规则：

设计简洁、一致的操作
要足以支持客户端的需要，且用操作满足需要的难度要低
选择表示空间与抽象空间，并在代码中写明选择及AF和RI
表示泄露的安全声明(safety from rep exposure)

注：AF、RI应在代码中以注释形式写出，而不能在Javadoc文档中，防止被外部看到而破坏表示独立性/信息隐藏。

后两条规则具体示例：
Chapter 6 课件 P82 ~ P84

测试抽象数据类型

测试creators, producers, and mutators：调用observers来观察结果是否满足规约
测试observers：调用creators, producers, and mutators等方法产生或改变对象，来看结果是否正确

风险：如果被依赖的其他方法有错误，可能导致被测试方法的测试结果失效!

表示独立性

client使用ADT时无需考虑其内部如何实现，ADT内部表示的变化不应影响外部规约和客户端。

违反表示独立性的一个示例：

违反原因：ADT修改后客户端代码受影响（无法再使用get方法）

保持表示独立性的一个示例：

表示不变性

表示不变性(represetation invariant, RI)可以看作：

某个具体的“表示”是否是“合法的”
所有表示值的一个子集，包含了所有合法的表示值
一个条件，描述了什么是“合法”的表示值

精确记录RI——rep中所有fields何为有效

使用checkrep()私有方法检查RI：

在所有可能改变表示的方法内都要检查
Observer方法不改变表示，但以防万一建议也要检查

如何建立表示不变性：

构造器和生产器在创建对象时要确保不变量为true
变值器和观察器执行时必须保持不变性
每个方法返回前，用checkRep()检查不变量是否保持

用ADT不变量可取代复杂的前置条件，相当于将复杂的前置条件封装到了ADT内部。

抽象函数

首先引入表示空间与抽象空间的概念：

抽象空间(A空间)：客户端看到和使用的值
表示空间(R空间)：ADT对于数据的内部表示
ADT开发者要同时关注抽象空间和表示空间，客户端只需关注抽象空间。

表示空间 → 抽象空间的映射关系：

抽象空间的每个值一定有表示空间的值与其对应——满射
一些抽象空间的值可能有多个表示空间的值与之对应——未必单射
表示空间中某些值可能没有对应的抽象空间的值——未必双射

抽象函数(abstraction function, AF)：表示空间和抽象空间之间映射关系的函数，即如何去解释表示空间中的每一个值为抽象空间中的每一个值。

精准记录AF——如何解释每一个表示空间的值（映射关系）

表示不变性(RI)与抽象函数(AF)之间的关系

不同的内部表示，需要设计不同的AF和RI
选择某种特定的表示方式R，进而指定某个子集是“合法”的(RI)，并为该子集中的每个值做出“解释”(AF)——即如何映射到抽象空间中的值
即使是相同的R、RI，也可能有不同的AF，即“解释不同”

例：
选择字符串作为字符集合的表示方式，一种可能的对应RI、AF如下：

public class CharSet {private String s;// Rep invariant:// s.length() is even// s[0] <= s[1] <= ... <= s[s.length()-1]// Abstraction function:// AF(s) = union of {s[2i], ..., s[2i+1]} for 0 <= i < s.length()/2

则有：

“ad”、“eeee”、"abcd"满足RI，“adad”、"abc"不满足RI
AF(“acfg”) = {a, b, c, f, g}
AF(“tv”) = AF(“ttuv”) = AF(“ttuuvv”)

表示泄露

“表示泄露”不仅影响表示不变性，也影响了表示独立性。
一旦发生，ADT内部表示可能在程序任何位置发生改变（而不是限制在ADT内部）。
除非迫不得已，否则不要把希望寄托于客户端上，ADT有责任保证自己的不变性，并避免“表示泄露”。
最好的办法就是使用immutable的类型，彻底避免表示泄露！

表示泄露的安全声明——给出理由，证明代码并未对外泄露其内部表示。

有益的可变性

对于不可变的抽象数据类型，它在抽象空间内的抽象值应是不变的，但其内部表示的表示空间取值是可以变化的。

例：一个使用两个int型变量来表示分数（AF、RI略，表示的分数为numerator / denominator）的ADT，其toString()方法可以修改其内部表示（化简分数）：

/*** @return 分数的可读字符串表示*/
@override
public String toString() {int g = gcd(numerator, denominator);/* 化简分数，以便输出人更易读的值 */numerator /= g;denominator /= g;if (denominator < 0) {numerator = -numerator;denominator = -denominator;}checkRep();return (denominator > 1) ? (numerator + "/" + denominator): (numerator + "");
}

注意： 这种mutation仅改变了表示空间的值，并未改变抽象空间的值，对于客户端来说是利用了”AF未必单射“，从一个表示空间值变成了另一个表示空间值，但这并不代表不可变的类中可以随意出现mutator方法！

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