Основы объектно-ориентированного программирования - Бертран Мейер

Традиционно есть две точки зрения на исключения. Первая признает исключения необходимым свойством. Она присуща большинству практикующих программистов, знающих как важно сохранить управление во время выполнения программы при возникновении ненормальных условий - аппаратных или программных ошибок. Вторая точка зрения присуща ученым, озабоченным корректностью и систематическим конструированием программ. Они с подозрением относятся к исключениям, рассматривая их как нечто нечистое, старающееся обойти стандартные правила управления программными структурами. Надеюсь, выше разработанный механизм способен примирить обе стороны.

Должны ли исключения быть объектами?

Фанатики объектной ориентации (многие ли из тех, кто открыл красоту этого подхода, не рискуют стать его фанатиками?) могут критиковать представленный механизм за то, что исключения не являются гражданами первого сорта в программном сообществе. Почему исключения не являются объектами?

В ОО-расширении Pascal в среде Delphi исключения действительно представлены объектами.

Не очень понятны преимущества такого решения. Некоторое обоснование можно будет найти в лекции 4 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", посвященной ответу на вопрос, каким должен быть класс. Объект является экземпляром абстрактно определенного типа данных, характеризуемого его компонентами. Исключение, конечно, как мы видели в классе EXCEPTIONS, имеет компоненты, заданные целочисленным кодом, текстовым сообщением. Но эти компоненты являются запросами, в то время, как истинные объекты имеют команды, изменяющие состояние объекта. Исключения не находятся под управлением программной системы; они результат событий, находящихся вне пределов ее достижимости.

Доступность их свойств через запросы и команды класса EXCEPTIONS достаточна для удовлетворения потребностей разработчиков, которые хотят обрабатывать исключения конкретного вида.

Методологическая перспектива

Финальное замечание и обзор. Обработка исключений, имеющая дело со специальными и нежелательными случаями, - не единственный ответ на общую проблему устойчивости. Мы уже приобрели некоторую методологическую интуицию, но более полный ответ появится в лекции, обсуждающей проектирование интерфейсов модулей, позволяя нам понять место обработки исключений в широком арсенале методов устойчивости и расширения.

Ключевые концепции

[x]. Обработка исключений - это механизм, позволяющий справиться с неожиданными условиями, возникшими в период выполнения.

[x]. Отказ - это невозможность во время выполнения программы выполнить свой контракт.

[x]. Программа получает исключение в результате: отказа вызванной ею программы, нарушения утверждений, сигналов аппаратуры или операционной системы об аномалиях, возникших в ходе их работы.

[x]. Программная система может включать также исключения, спроектированные разработчиком.

[x]. Программа имеет два способа справиться с исключениями - Повторение вычислений (Retry) и Организованная Паника. При Повторении тело программы выполняется заново. Организованная Паника означает отказ и формирование исключения у вызывающей программы.

[x]. Формальная роль обработчика исключений, не заканчивающегося retry, состоит в восстановлении инварианта, но не в обеспечении контракта программы. Последнее всегда является делом тела программы (предложения do). Формальная роль ветви, заканчивающейся retry, состоит в восстановлении инварианта и предусловия, так чтобы тело программы могло попытаться в новой попытке выполнить контракт.

[x]. Базисный механизм обработки исключений, включаемый в язык, должен оставаться простым, если только поощрять прямую цель обработки исключений - Организованную Панику или Повторение. Для приложений, нуждающихся в более тонком контроле над исключениями, доступен класс EXCEPTIONS, позволяющий добраться до свойств каждого вида исключений и провести их обработку. Этот класс позволяет создавать и обрабатывать исключения разработчика.

Библиографические замечания

[Liskov 1979] и [Cristian 1985] предлагали другие точки зрения на исключения. Многие из работ по ПО, толерантному к отказам, ведут начало от понятия "восстанавливающий блок" [Randell 1975]. Такой блок используется в задаче, когда основной алгоритм отказывается выдавать решение. Этим "восстанавливающий блок" отличается от предложения rescue, которое никогда не пытается достичь основной цели, хотя и может повторно запустить выполнение, предварительно "залатав" все повреждения.

[Hoare 1981] содержит критику механизма исключений Ada.

Подход к обработке исключений, разработанный в этой лекции, был впервые представлен в [M 1988e] и [M 1988].

Упражнения

У12.1 Наибольшее целое

Предположим, компьютер генерирует исключение, когда сложение целых дает переполнение. Используя обработку исключений, напишите приемлемую по эффективности функцию, возвращающую наибольшее положительное целое, представимое на этой машине.

У12.2 Объект Exception

Несмотря на скептицизм, высказанный в разделе "Обсуждение" этой лекции по поводу рассматривания исключений как объектов, займитесь развитием этой идеи и обсудите, как мог бы выглядеть класс EXCEPTION, полагая, что экземпляры этого класса обозначают исключения, появившиеся при выполнении. Не путайте его с классом EXCEPTIONS, который доступен благодаря наследованию и обеспечивает общие свойства исключений. Попытайтесь, в частности, наряду с запросами, включить команды в разрабатываемый вами класс.

Лекция 13. Поддерживающие механизмы

Выше рассмотрены все основные методы создания ОО-программного продукта, кроме одного важнейшего набора механизмов. Недостающий раздел - наследование и все, что к нему относится. Перед тем как перейти к этой последней составляющей подхода, опишем несколько механизмов, важных для создания систем: внешние программы и инкапсуляцию не ОО-программного продукта; передачу аргументов; структуры управления; выражения; действия со строками; ввод и вывод. Эти технические аспекты существенны для понимания дальнейших примеров. Они хорошо сочетаются с основными концепциями.

Взаимодействие с не объектным ПО

До сих пор, элементы ПО выражались полностью в ОО-нотации. Но программы появились задолго до распространения ОО-технологии. Часто возникает необходимость соединить объектное ПО с элементами, написанными, например, на языках С, Fortran или Pascal. Нотация должна поддерживать этот процесс.

Сначала следует рассмотреть языковой механизм, а затем поразмышлять над его более широким значением как части процесса разработки ОО-продукта.

Внешние программы

ОО-системы состоят из классов, образованных компонентами (features), в частности, подпрограммами, содержащими инструкции. Что же является правильным уровнем модульности (granularity) для интегрирования внешнего программного продукта?

Конструкция должна быть общей - это исключает классы, существующие только в ОО-языках. Инструкции - слишком низкий уровень. Последовательность, в которой две ОО-инструкции окаймляют инструкцию на языке С:

-- только в целях иллюстрации

create x l make (clone (a))

(struct A) *x = &y; /* A piece of C */

x.display

трудно было бы понять, проверить, сопровождать.

Остается уровень компонентов. Он разумен и допустим, поскольку инкапсуляция компонентов совместима с ОО-принципами. Класс является реализацией типа данных, защищенных скрытием информации. Компоненты - единицы взаимодействия класса с остальной частью ПО. Поскольку клиенты полагаются на официальную спецификацию компонентов (краткую форму) независящую от их реализации, внешнему миру не важно, как написан компонент - в ОО-нотации или нет.

Отсюда вытекает понятие внешней программы. Внешняя программа имеет большинство признаков нормальной программы: имя, список аргументов, тип результата, если это функция, предусловие и постусловие, если они уместны. Вместо предложения do она имеет предложение external, определяющее язык реализации. Следующий пример взят из класса, описывающего символьные файлы:

put (c: CHARACTER) is