Основы объектно-ориентированного программирования - Бертран Мейер

Проблема типизации - избегать таких ситуаций:

Проблема типизации ОО-систем

Когда мы обнаруживаем, что при выполнении ОО-системы может произойти нарушение типа?

Ключевым является слово когда. Рано или поздно вы поймете, что имеет место нарушение типа. Например, попытка выполнить компонент "Пуск торпеды" для объекта "Служащий" не будет работать и при выполнении произойдет отказ. Однако возможно вы предпочитаете находить ошибки как можно раньше, а не позже.

Статическая и динамическая типизация

Хотя возможны и промежуточные варианты, здесь представлены два главных подхода:

[x]. Динамическая типизация: ждать момента выполнения каждого вызова и тогда принимать решение.

[x]. Статическая типизация: с учетом набора правил определить по исходному тексту, возможны ли нарушения типов при выполнении. Система выполняется, если правила гарантируют отсутствие ошибок.

Эти термины легко объяснимы: при динамической типизации проверка типов происходит во время работы системы (динамически), а при статической типизации проверка выполняется над текстом статически (до выполнения).

Термины типизированный и нетипизированный (typed/untyped) нередко используют вместо статически типизированный и динамически типизированный (statically/dynamically typed). Во избежание любых недоразумений мы будем придерживаться полных именований.

Статическая типизация предполагает автоматическую проверку, возлагаемую, как правило, на компилятор. В итоге имеем простое определение:

Определение: статически типизированный язык

ОО-язык статически типизирован, если он поставляется с набором согласованных правил, проверяемых компилятором, соблюдение которых гарантирует, что выполнение системы не приведет к нарушению типов.

В литературе встречается термин "сильная типизация" (strong). Он соответствует ультимативной природе определения, требующей полного отсутствия нарушения типов. Возможны и слабые (weak) формы статической типизации, при которых правила устраняют определенные нарушения, не ликвидируя их целиком. В этом смысле некоторые ОО-языки являются статически слабо типизированными. Мы будем бороться за наиболее сильную типизацию.

В динамически типизированных языках, известных как нетипизированные, отсутствуют объявления типов, а к сущностям в период выполнения могут присоединяться любые значения. Статическая проверка типов в них невозможна.

Правила типизации

Наша ОО-нотация является статически типизированной. Ее правила типов были введены в предыдущих лекциях и сводятся к трем простым требованиям.

[x]. При объявлении каждой сущности или функции должен задаваться ее тип, например, acc: ACCOUNT. Каждая подпрограмма имеет 0 или более формальных аргументов, тип которых должен быть задан, например: put (x: G; i: INTEGER).

[x]. В любом присваивании x := y и при любом вызове подпрограммы, в котором y - это фактический аргумент для формального аргумента x, тип источника y должен быть совместим с типом цели x. Определение совместимости основано на наследовании: B совместим с A, если является его потомком, - дополненное правилами для родовых параметров (см. лекцию 14).

[x]. Вызов x.f (arg) требует, чтобы f был компонентом базового класса для типа цели x, и f должен быть экспортирован классу, в котором появляется вызов (см. 14.3).

Реализм

Хотя определение статически типизированного языка дано совершенно точно, его недостаточно, - необходимы неформальные критерии при создании правил типизации. Рассмотрим два крайних случая.

[x]. Совершенно корректный язык, в котором каждая синтаксически правильная система корректна и в отношении типов. Правила описания типов не нужны. Такие языки существуют (представьте себе польскую запись выражения со сложением и вычитанием целых чисел). К сожалению, ни один реальный универсальный язык не отвечает этому критерию.

[x]. Совершенно некорректный язык, который легко создать, взяв любой существующий язык и добавив правило типизации, делающее любую систему некорректной. По определению, этот язык типизирован: так как нет систем, соответствующих правилам, то ни одна система не вызовет нарушения типов.

Можно сказать, что языки первого типа пригодны, но бесполезны, вторые, возможно, полезны, но не пригодны.

На практике необходима система типов, пригодная и полезная одновременно: достаточно мощная для реализации потребностей вычислений и достаточно удобная, не заставляющая нас идти на усложнения для удовлетворения правил типизации.

Будем говорить, что язык реалистичен, если он пригоден к применению и полезен на практике. В отличие от определения статической типизации, дающего безапелляционный ответ на вопрос: "Типизирован ли язык X статически?", определение реализма отчасти субъективно.

В этой лекции мы убедимся, что предлагаемая нами нотация реалистична.

Пессимизм

Статическая типизация приводит по своей природе к "пессимистической" политике. Попытка дать гарантию, что все вычисления не приводят к отказам, отвергает вычисления, которые могли бы закончиться без ошибок.

Рассмотрим обычный, необъектный, Pascal-подобный язык с различными типами REAL и INTEGER. При описании n: INTEGER; r: Real оператор n := r будет отклонен, как нарушающий правила. Так, компилятор отвергнет все нижеследующие операторы:

n := 0.0 [A]

n := 1.0 [B]

n := -3.67 [C]

n := 3.67 - 3.67 [D]

Если мы разрешим их выполнение, то увидим, что [A] будет работать всегда, так как любая система счисления имеет точное представление вещественного числа 0,0, недвусмысленно переводимое в 0 целых. [B] почти наверняка также будет работать. Результат действия [C] не очевиден (хотим ли мы получить итог округлением или отбрасыванием дробной части?). [D] справится со своей задачей, как и оператор:

if n ^ 2 < 0 then n := 3.67 end [E]

куда входит недостижимое присваивание (n ^ 2 - это квадрат числа n). После замены n ^ 2 на n правильный результат даст только ряд запусков. Присваивание n большого вещественного значения, не представимого целым, приведет к отказу.

В типизированных языках все эти примеры (работающие, неработающие, иногда работающие) безжалостно трактуются как нарушения правил описания типов и отклоняются любым компилятором.

Вопрос не в том, будем ли мы пессимистами, а в том, насколько пессимистичными мы можем позволить себе быть. Вернемся к требованию реализма: если правила типов настолько пессимистичны, что препятствуют простоте записи вычислений, мы их отвергнем. Но если достижение безопасности типов достигается небольшой потерей выразительной силы, мы примем их. Например, в среде разработки, предоставляющей функции округления и выделения целой части - round и truncate, оператор n := r считается некорректным справедливо, поскольку заставляет вас явно записать преобразование вещественного числа в целое, вместо использования двусмысленных преобразований по умолчанию.

Статическая типизация: как и почему

Хотя преимущества статической типизации очевидны, неплохо поговорить о них еще раз.

Преимущества

Причины применения статической типизации в объектной технологии мы перечислили в начале лекции. Это надежность, простота понимания и эффективность.

Надежность обусловлена обнаружением ошибок, которые иначе могли проявить себя лишь во время работы, и только в некоторых случаях. Первое из правил, заставляющее объявлять сущности, как, впрочем, и функции, вносит в программный текст избыточность, что позволяет компилятору, используя два других правила, обнаруживать несоответствия между задуманным и реальным применением сущностей, компонентов и выражений.

Раннее выявление ошибок важно еще и потому, что чем дольше мы будем откладывать их поиск, тем сильнее вырастут издержки на исправление. Это свойство, интуитивно понятное всем программистам-профессионалам, количественно подтверждают широко известные работы Бема (Boehm). Зависимость издержек на исправление от времени отыскания ошибок приведена на графике, построенном по данным ряда больших промышленных проектов и проведенных экспериментов с небольшим управляемым проектом: