Основы объектно-ориентированного программирования - Бертран Мейер

Особый интерес с точки зрения полноты представляют выражения-запросы, у которых самая внешняя функция является запросом. Вот примеры таких выражений:

empty (put (put (new, x1), x2))

item (put (put (new, x1), x2))

stackexp

Выражение-запрос задает значение, которое (если оно определено) принадлежит не определяемому АТД, а некоторому другому ранее определенному типу. Так, первое приведенное выше выражение имеет значение типа BOOLEAN, а второе и третье - тип G формального параметра для элементов стека, например если мы рассматриваем АТД STACK [INTEGER], то это будет тип INTEGER.

Выражения-запросы представляют внешние наблюдения, которые можно сделать о результатах некоторого вычисления, использующего экземпляры нового АТД. Если спецификация этого АТД хорошая, то она должна позволить нам установить определены ли эти результаты, и если да, то каковы они. Представляется, что спецификация стека обладает этим свойством, по крайней мере, для трех представленных в примере выражений, поскольку она позволяет установить, что все эти выражения определены, и с помощью аксиом можно получить их значения:

empty (put (put (new, x1), x2)) = False

item (put (put (new, x1), x2)) = x2

stackexp = x4

Эти наблюдения, перенесенные на произвольные спецификации АТД, приводят к прагматическому понятию полноты, известному как достаточная полнота, она означает, что спецификация содержит достаточно сильные аксиомы, которые позволяют находить для любого выражения-запроса его результат в виде некоторого простого значения.

Приведем точное определение достаточной полноты. (Не расположенные к математике читатели могут пропустить остаток этого раздела).

Определение: достаточная полнота

Спецификация АТД T является достаточно полной тогда и только тогда, когда аксиомы ее теории позволяют для каждого выражения expr решить следующие задачи:

[x]. (S1) Определить, является ли expr корректным.

[x]. (S2) Если expr - выражение-запрос и в пункте S1 установлена его корректность, то представить значение expr в виде, не включающем никаких значений типа T.

В S2 выражение expr имеет вид f(x1 , ..., xn), где f - функция вида запрос такая, как empty и item для стеков. S1 говорит о том, что у expr есть значение, но этого недостаточно, нам хотелось бы знать, каково это значение, представленное в терминах значений других типов (в примере со стеком это значения типов BOOLEAN и G). Если аксиомы настолько сильны, что всегда позволяют ответить на этот вопрос, то спецификация является достаточно полной.

Достаточная полнота свидетельствует о том, что никакое важное свойство не осталось вне нашей спецификации. Поэтому ее можно считать ответом на поставленный выше вопрос: как понять, что можно прекратить поиски новых свойств при построении спецификации? На практике хорошо бы проводить такую проверку, по крайней мере неформально, для любой спецификации АТД, которую вы пишете - начните с решений упражнений, приведенных в этой лекции. Часто, можно получить формальное доказательство достаточной полноты; приведенное ниже доказательство для спецификации STACK является образцом, которому во многих случаях можно следовать.

Пункт S2 оптимистически говорит об одном значении expr, а что, если аксиомы приводят к двум или более значениям? Это сделало бы спецификацию бесполезной. Чтобы устранить такую ситуацию нам нужно еще одно свойство, называемое в математической логике непротиворечивостью:

Определение: непротиворечивость АТД

Спецификация АТД является непротиворечивой тогда и только тогда, когда для всякого правильно построенного выражения expr ее аксиомы позволяют вывести не более одного значения.

Эти два свойства являются взаимно дополнительными. Нам хотелось бы для каждого выражения-запроса выводить ровно одно значение: хотя бы одно (достаточная полнота), но не более одного (непротиворечивость).

Доказательство достаточной полноты

(Этот раздел и остаток этой лекции содержат дополнительный материал и их результаты не нужны для остальной части книги).

Достаточная полнота спецификаций АТД является, в общем случае, алгоритмически неразрешимой проблемой. Иными словами, не существует общего метода доказательства, который мог бы по заданной спецификации АТД выяснить за конечное время ее достаточную полноту. Непротиворечивость также в общем случае неразрешима.

Несмотря на это, часто удается доказать достаточную полноту и непротиворечивость конкретной спецификации АТД. Чтобы удовлетворить любопытство читателей-любителей математики, в заключение этой лекции мы приведем доказательство того, что спецификация STACK на самом деле является достаточно полной. Доказательство ее непротиворечивости будет оставлено в качестве упражнения.

Для доказательства достаточной полноты спецификации стека нужно придумать эффективное правило для решения указанных выше задач S1 и S2, другими словами, такое правило, которое позволит нам для любого стекового выражения e:

[x]. (S1) Определить, является ли e корректным.

[x]. (S2) Если в пункте S1 установлена корректность e и его внешними функциями являются item или empty (т.е. функции-запросы), то представить значение e с помощью значений типов BOOLEAN и G без ссылок на значения типа STACK [G] или на функции из спецификации STACK.

Для начала мы рассмотрим только правильно построенные выражения, не включающие ни одну из двух функций-запросов item и empty, т. е. выражения, построенные только из функций new, put и remove. Таким образом, на этом этапе нас будет интересовать лишь задача S1 (установить определено ли выражение). Функции-запросы и S2 будут рассмотрены далее.

Правило для решения задачи S1 задается следующим свойством:

Правило корректного веса

Правильно построенное стековое выражение e, не содержащее ни item, ни empty, является корректным тогда и только тогда, когда его вес неотрицателен и каждое его подвыражение является (по индукции) корректным.

Здесь "вес" выражения представляет число элементов в соответствующем стеке, это значение также совпадает с разностью между числом вложенных вхождений функций put и remove. Приведем точное определение этого понятия:

Определение: вес

Вес правильно построенного стекового выражения, не содержащего ни item, ни empty, определяется по индукции следующим образом:

[x]. (W1) Вес выражения new равен 0.

[x]. (W2) Вес выражения put (s, x) равен ws + 1, где ws - это вес s.

[x]. (W3) Вес выражения remove (s) равен ws- 1, где ws - это вес s.

Содержательно, правило корректного веса утверждает, что стековое выражение корректно тогда и только тогда, когда в нем самом и в каждом из его подвыражений имеется не меньше операций put (вставляющих элементы в стек), чем операций remove (выталкивающих элементы с вершины стека). Если рассмотреть такое выражение как представление некоторого вычисления над стеком, то это означает, что мы никогда не будем пытаться вытолкнуть больше элементов, чем втолкнули. Напомним, что на этом этапе мы сосредоточились на функциях put и remove, оставив в стороне запросы item и empty.

Интуитивно сформулированное правило выглядит верным, но нам следует все же доказать, что оно имеет место. Удобно ввести еще одно вспомогательное правило и одновременно доказывать справедливость обоих этих правил:

Правило нулевого веса

Пусть e - это правильно построенное и корректное стековое выражение, не содержащее item или empty. Тогда empty (e) истинно тогда и только тогда, когда вес e равен 0.

Доказательство использует индукцию по уровню вложенности (максимальному числу вложенных пар скобок) выражения. Для удобства ссылок напомним аксиомы, относящиеся к функции empty:

Аксиомы стека

Для всех x: G, s: STACK [G]

[x]. (A3) empty (new)

[x]. (A4) not empty (put (s, x))

При уровне вложенности 0 (без скобок) выражение e должно совпадать с new, поэтому его вес равен 0 и оно корректно, так как у new нет никаких предусловий. Аксиома A3 утверждает, что empty (new) истинно. Это обеспечивает базис индукции как для правила корректного веса, так и для правила нулевого веса.