Основы объектно-ориентированного программирования - Бертран Мейер

Эти наблюдения могут показаться странными тому, кто познакомился с ОО-технологией через линзу представлений об ОО-анализе и проектировании, в которых реализация и эффективность рассматриваются как приземленные предметы, которыми следует заниматься после того, как решено все остальное. Эффективность является одним из ключевых факторов, который должен рассматриваться на всех шагах, когда речь идет о реальной разработке промышленного ПО, о реальной увязке инженерных решений. Как отмечалось в одной из предыдущих лекций, если вы откажетесь от эффективности, то эффективность откажется от вас. Конечно, ОО-технология это нечто большее, чем динамическое связывание за константное время, но без этого не могло бы быть никакой успешной ОО-технологии.

Оценка накладных расходов

Оказывается, можно грубо оценить потери на накладные расходы для описанных выше методов динамического связывания. Следующие цифры взяты из опытов ISE по использованию динамического связывания (данные получены при отключении объясняемой ниже оптимизации статического связывания).

Для процедуры, которая ничего не делает, т. е. описана как p1 is do end, превышение времени динамического связывания над временем статического связывания (например, над эквивалентной процедурой на C) составляет около 30%.

Это, конечно, оценка сверху, поскольку реальные процедуры что-нибудь да делают. Цена динамического связывания одинакова для всех процедур независимо от времени их выполнения, поэтому, чем больший объем вычислений выполняет процедура, тем меньше относительная доля накладных расходов. Если вместо p1 использовать процедуру, которая выполняет некоторые типичные операции, такую как

p2 (a, b, c: INTEGER) is

local

x, y

do

x := a; y := b + c + 1; x := x * y; p2

if x > y then x := x + 1 else x := x - 1 end

end

то накладные расходы падают до 15%. Для программы, выполняющей нечто более существенное (например, некоторый цикл) их доля совсем мала.

Статическое связывание как оптимизация

В некоторых случаях главным требованием является эффективность, и даже указанные выше небольшие накладные расходы нежелательны. В этом случае можно заметить, что они не всегда обоснованы. Вызов x.f (a, b, c...) не нуждается в динамическом связывании в следующих случаях:

1 f нигде в системе не переопределяется (имеет только одно объявление);

2 x не является полиморфной, иначе говоря, не является целью никакого присоединения, источник которого имеет другой тип.

В любом из таких случаев, выявляемых хорошим компилятором, сгенерированный для x.f (a, b, c...) код может быть таким же, как и код, генерируемый компиляторами C, Pascal, Ada или Fortran для вызова f (x, a, b, c...). Никакие накладные расходы не потребуются.

Компилятор ISE, являющийся частью окружения, описанного в последней лекции, сейчас выполняет оптимизацию (1), планируется добавить и (2) (анализ (2) является, фактически, следствием механизмов анализа типов, описанных в лекции о типизации).

Хотя (1) интересно и само по себе, непосредственная его польза ограничивается сравнительно низкой стоимостью динамического связывания (см. приведенную выше статистику). Настоящий выигрыш от него непрямой, поскольку (1) дает возможность третьей оптимизации:

4. При любой возможности применять автоматическую подстановку кода процедуры.

Такая подстановка означает расширение тела программы текстом вызываемой процедуры в месте ее вызова. Например, для процедуры

set_a (x: SOME_TYPE) is

-- Сделать x новым значением атрибута a.

do

a := x

end

компилятор может сгенерировать для вызова s.set_a (some_value) такой же код, какой компилятор Pascal сгенерирует для присваивания s.a := some_value (недопустимое для нас обозначение, поскольку оно нарушает скрытие информации). В этом случае вообще нет накладных расходов, поскольку сгенерированный код не содержит вызова процедуры.

Подстановка кода традиционно рассматривается как оптимизация, которую должны задавать программисты. Ada включает прагму (указание транслятору) inline, C и С++ предлагают аналогичные механизмы. Но этому подходу присущи внутренние ограничения. Хотя для небольшой, статичной программы компетентный программист может сам определить, какие процедуры можно подставлять, для больших развивающихся проектов это сделать невозможно. В этом случае компилятор с приличным алгоритмом определения подстановок будет намного превосходить догадки программистов.

Для каждого вызова, к которому применимо автоматическое статическое связывание (1), ОО-компилятор может определить, основываясь на анализе соотношения между временем и памятью, стоит ли применять автоматическую подстановку кода процедуры (3). Это одна из самых поразительных оптимизаций - одна из причин, по которой можно достичь эффективности произведенного вручную кода Си или Фортрана, а иногда, на больших системах и превзойти ее.

К улучшению эффективности, растущему с увеличением размера и сложности программ, автоматическая подстановка кода добавляет преимущество большей надежности и гибкости. Как уже отмечалось, подстановка кода семантически корректна только для процедуры, которую можно статически ограничить, например, как в случаях (1) и (2). Это не только допустимо, но также вполне согласуется с ОО-методом, в частности, с принципом Открыт-Закрыт, если разработчик на полпути разработки большой системы добавит переопределение некоторого компонента, имевшего к этому моменту только одну реализацию. Если же код процедуры вставляется вручную, то в результате может получиться программа с ошибочной семантикой (поскольку в данном случае требуется динамическое связывание, а вставка кода, конечно, означает статическое связывание). Разработчики должны сосредотачиваться на построении корректных программ, не занимаясь утомительными оптимизациями, которые при выполнении вручную приводят к ошибкам, а на деле могут быть автоматизированы.

Имеются и некоторые другие требования для того, чтобы подстановка кода была корректной, в частности, она применима только к нерекурсивным вызовам. Даже корректную подстановку следует применять при разумном соотношении между временем и памятью: подставляемая процедура должна быть небольшой и должна вызываться небольшое число раз.

Последнее замечание об эффективности. Опубликованная статистика для ОО-языков показывает, что где-то от 30% до 60% вызовов на самом деле используют динамическое связывание. Это зависит от того, насколько интенсивно разработчики используют специфические свойства методов. В системе ISE это соотношение близко к 60%. С использованием только что описанных оптимизаций платить придется только за динамическое связывание только тех вызовов, которые действительно в нем нуждаются. Для оставшихся динамических вызовов накладные расходы не только малы (ограничены константой), но и логически необходимы, - в большинстве случаев для достижения результата, эквивалентного динамическому связыванию, придется использовать условные операторы (if ... then ... или case ... of ...), которые могут оказаться дороже приведенного выше простого механизма, основанного на доступе к массивам. Поэтому неудивительно, что ОО-программы, откомпилированные хорошим компилятором, могут соревноваться с написанным вручную кодом на C.

Кнопка под другим именем: когда статическое связывание ошибочно

К этому моменту должен стать понятным главный вывод из изложенных в этой лекции принципов наследования:

Принцип динамического связывания

Если результат статического связывания не совпадает с результатом динамического связывания, то такое статическое связывание семантически некорректно.

Рассмотрим вызов x.r. Если x объявлена типа A, но в процессе вычисления была присоединена к объекту типа B, а в классе B компонент r переопределен, то использование в этом вызове исходной версии r из класса A - это не вопрос выбора, это просто ошибка!

Безусловно, имелись причины для переопределения r. Одной из них могла быть оптимизация, как в случае с компонентом perimeter в классе RECTANGLE, но могло также оказаться, что исходная версия r просто некорректно работает для объектов из B. Рассмотрим, например, эскизно описанный класс BUTTON (КНОПКА), являющийся наследником класса WINDOW (ОКНО) в некоторой оконной системе (кнопки являются специальным видом окон). В этом классе переопределена процедура display, так как изображение кнопки немного отличается от изображения обычного окна (например, нужно показать ее рамку). В этом случае, если w имеет объявленный тип WINDOW, но динамически связана, благодаря полиморфизму, с объектом типа BUTTON, то вызов w.display должен исполняться для "кнопочной" версии! Использование display из класса WINDOW приведет к искажению изображения на экране.