Основы объектно-ориентированного программирования - Бертран Мейер

Индукционный шаг: предположим, что оба правила выполняются для всех выражений с уровнем вложенности не более n. Нужно доказать, что тогда они выполняются и для любого выражения e с уровнем вложенности n+1. Поскольку наши выражения сейчас не содержат функций-запросов, то e должно иметь один из следующих двух видов:

E1 · e = put (s, x)

E2 · e = remove (s)

где x имеет тип G, а уровень вложенности у s равен n. Пусть ws - это вес s.

В случае E1, поскольку put - всюду определенная функция, e корректно тогда и только тогда, когда s корректно, т. е. (по предположению индукции) тогда и только тогда, когда s и все его подвыражения имеют неотрицательные веса. Но это эквивалентно тому, что e и все его подвыражения имеют неотрицательные веса, что и доказывает правило корректного веса в этом случае. Кроме того, e имеет положительный вес ws+1, и (по аксиоме A4) является непустым, что доказывает правило нулевого веса.

В случае E2 выражение e корректно тогда и только тогда, когда выполняются два следующих условия:

EB1 _ s и все его подвыражения являются корректными.

EB2 _ not empty (s) (это предусловие для функции remove).

По предположению индукции условие EB2 означает, что вес s ws положителен или, что эквивалентно, вес e, равный ws - 1, является неотрицательным. Следовательно, e удовлетворяет Правилу корректного веса. Чтобы доказать, что оно также удовлетворяет правилу нулевого веса, нужно показать, что e пусто тогда и только тогда, когда его вес равен 0. Так как вес s положителен, то s должно содержать по крайней мере одно вхождение put, которое также входит и в e. Рассмотрим самое внешнее вхождение put в e, это вхождение находится непосредственно внутри remove (так как remove находится на самом внешнем уровне у e). Это означает, что у e имеется подвыражение (быть может, совпадающее с самим e) вида

remove (put (stack_expression, g_expression)),

которое по аксиоме A2 можно сократить просто до stack_expression. После выполнения этой замены вес e уменьшится на 2, и получившееся выражение, имеющее то же значение, что и e, удовлетворяет по предположению индукции правилу нулевого веса. Это доказывает утверждение индукции в случае E2.

Это доказательство попутно показывает, что во всяком правильно построенном выражении, не содержащем функций-запросов item и empty, можно устранить все вхождения remove, т.е. получить, применяя всюду, где это возможно, аксиому A2, некоторую каноническую форму, в которую будут входить только put и new. Например, выражение:

put (remove (remove (put (put (remove (put (put (new, x1), x2)), x3), x4))), x5)

имеет то же значение, что и каноническая форма:

put (put (new, x1), x5).

Давайте дадим этому механизму имя и приведем его определение:

Правило канонического сокращения

Всякое правильно построенное и корректное стековое выражение, не содержащее функций-запросов item и empty, имеет эквивалентную каноническую форму, которая не содержит функции remove (т.е. состоит только из функций put и new>). Эта каноническая форма получается путем применения аксиомы стека A2 всегда, пока это возможно.

Таким образом, мы завершили доказательство достаточной полноты, но только для выражений, не содержащих функции-запросы, и, следовательно, только свойства S1 (проверка корректности выражения). Для завершения доказательства нужно рассмотреть выражения, включающие функции-запросы, и обсудить задачу S2 (нахождение значений для выражений-запросов). Это означает, что нам нужно некоторое правило для определения корректности и значения всякого правильно построенного выражения вида f(s), где s - это правильно построенное выражение, а f - это либо item, либо empty.

Это правило и доказательство его корректности также используют индукцию по уровню вложенности. Пусть n - это уровень вложенности s. Если n=0, то s может быть только new, поскольку остальные функции требуют аргументов и, следовательно, содержат хоть одну пару скобок. Тогда для обеих функций-запросов ситуация ясна:

[x]. empty (new) корректно и имеет значение истина (true) (по аксиоме A3);

[x]. item (new) некорректно, так как предусловие item требует выполнения not empty (s) .

Индукционный шаг: предположим, что s имеет уровень вложенности n не менее 1. Если у какого-либо подвыражения u выражения s внешняя функция есть item или empty, то уровень вложенности u не превосходит n-1, что по предположению индукции позволяет определить корректность u и, если u корректно, получить его значение, применяя аксиомы. Выполнив замены всех таких подвыражений, получим для s эквивалентную форму, в которую входят только функции put, remove и new.

Далее используем идею введенной выше канонической формы, чтобы избавиться от всех вхождений remove, так что результирующая форма для s будет включать только функции put и new. Случай, когда s это просто new уже был рассмотрен, остался случай, когда s имеет вид put(s', x) . В этом случае для двух рассматриваемых выражений имеем:

[x]. empty (s) корректно и по аксиоме A3 значение этого выражения есть ложь (false);

[x]. item (s) корректно, так как предусловие not empty (s) для item выполнено; из аксиомы A1 следует, что значение этого выражения равно x.

Это завершает доказательство достаточной полноты, так как мы показали справедливость множества правил - правила корректного веса и правила канонического сокращения, позволяющего нам выяснять корректность заданного стекового выражения, а для корректного выражения-запроса - определять его значение в терминах значений типов BOOLEAN и G.

Ключевые концепции

[x]. Теория абстрактных типов данных (АТД) примиряет необходимость в точности и полноте спецификаций с желанием избежать лишних деталей в спецификации.

[x]. Спецификация абстрактного типа данных является формальным математическим описанием, а не текстом программы. Она аппликативна, т.е. не включает в явном виде изменений.

[x]. АТД может быть родовым, и он задается функциями, аксиомами и предусловиями. Аксиомы и предусловия выражают семантику данного типа и важны для полного и однозначного его описания.

[x]. Частичные функции образуют удобную математическую модель для описания не всюду определенных операций. У каждой частичной функции имеется предусловие, задающее условие, при котором она будет выдавать результат для заданного конкретного аргумента.

[x]. ОО-система - это совокупность классов. Каждый класс основан на некотором абстрактном типе данных и задает частичную или полную реализацию этого АТД.

[x]. Класс является эффективным, если он полностью реализован, в противном случае он называется отложенным.

[x]. Классы должны разрабатываться в наиболее общем виде, допускающем повторное использование; процесс их объединения в систему часто идет снизу-вверх.

[x]. Абстрактные типы данных являются скорее неявными, чем явными описаниями. Эта неявность, которая также означает открытость, переносится на весь ОО-метод.

[x]. Не существует формального определения интуитивно ясного понятия "полноты" спецификации абстрактного типа данных. Строго определяемое понятие достаточной полноты как правило обеспечивает удовлетворительный ответ. Хотя не существует метода, устанавливающего достаточную полноту произвольной спецификации, часто удается ее доказать для конкретных спецификаций; приведенное в этой лекции доказательство достаточной полноты для спецификации стеков может служить образцом и для других случаев.

Библиографические замечания

Несколько работ, опубликованных в начале 1970-х, сделали возможным появление абстрактных типов данных. Среди них наиболее известны статья Хоара о "доказательстве корректности представлений данных" [Hoare 1972a], в которой было введено понятие абстракции функций, и работа Парнаса по скрытию информации, отмеченная в библиографических заметках к лекции 3.