Khóa luận Tìm hiểu công nghệ design by contract và xây dựng công cụ hỗ trợ cho c#

SV ne t.vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM LÊ TRẦN HOÀNG NGUYÊN – 0112103 NGUYỄN BÁCH KHOA - 0112140 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ DESIGN BY CONTRACT VÀ XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ CHO C# KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Th.s: NGUYỄN ĐÔNG HÀ NIÊN KHÓA 2001 – 2005 SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 2 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Đông Hà đã trực tiếp hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu để chúng em có thể tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ Design By Contract hữu ích này. Bên cạnh đó, xin đồng gửi lời cảm ơn đến các thầy cô của bộ môn Công nghệ Phần mềm Nâng cao đã tạo điều kiện cho chúng em dành nhiều thời gian nghiên cứu đề tài này. Cuối cùng, quả là một điều thiếu sót nếu không kể đến sự ủng hộ to lớn về mặt tinh thần cũng như sự giúp đỡ tận tình của gia đình, bạn bè, đặc biệt là bạn Nguyễn Lương Ngọc Minh và Nguyễn Ngọc Khánh. Xin chân thành cảm ơn tất cả, những người đã góp phần giúp cho luận văn này được hoàn thành. Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 7, 2005. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 7 TỔNG QUAN 8 Chương 1: Giới thiệu về Eiffel 9 1.1. Giới thiệu 9 1.2. Design By Contract trong Eiffel 10 1.3. EiffelStudio 10 1.3.1. Giao diện 11 1.3.2. Các thao tác căn bản trên EiffelStudio 11 Chương 2: Một số cơ chế mang lại tính đáng tin cậy cho phần mềm 17 Chương 3: Tính đúng đắn của phần mềm 18 Chương 4: Biểu diễn một đặc tả 20 4.1. Những công thức của tính đúng đắn 20 4.2. Những điều kiện yếu và mạnh 22 Chương 5: Giới thiệu về sự xác nhận trong văn bản của phần mềm 24 Chương 6: Tiền điều kiện và hậu điều kiện 25 6.1. Lớp ngăn xếp 25 6.2. Tiền điều kiện 28 6.3. Hậu điều kiện 28 Chương 7: Giao ước cho tính đáng tin cậy của phần mềm 29 7.1. Quyền lợi và nghĩa vụ 29 7.1.1. Những quyền lợi 30 7.1.2. Những nghĩa vụ 30 7.2. Nghệ thuật của sự tin cậy phần mềm: kiểm tra ít hơn, bảo đảm nhiều hơn 31 7.3. Những xác nhận không phải là một cơ chế kiểm tra đầu vào 33 SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 4 Chương 8: Làm việc với những xác nhận 35 8.1. Lớp stack 35 8.2. Mệnh lệnh và yêu cầu 38 8.3. Lưu ý về những cấu trúc rỗng 41 8.4. Thiết kế tiền điều kiện: tolerant hay demanding? 42 8.5. Một môđun tolerant 43 Chương 9: Những điều kiện bất biến của lớp 47 9.1. Định nghĩa và ví dụ 48 9.2. Định dạng và các thuộc tính của điều kiện bất biến của lớp 49 9.3. Điều kiện bất biến thay đổi 51 9.4. Ai phải bảo quản điều kiện bất biến? 52 9.5. Vai trò của những điều kiện bất biến của lớp trong kỹ thuật xây dựng phần mềm 53 9.6. Những điều kiện bất biến và hợp đồng 54 Chương 10: Khi nào một lớp là đúng? 56 10.1. Tính đúng đắn của một lớp 57 10.2. Vai trò của những thủ tục khởi tạo 60 10.3. Xem lại về mảng 60 Chương 11: Kết nối với kiểu dữ liệu trừu tượng 62 11.1. So sánh đặc tính của lớp với những hàm ADT 63 11.2. Biểu diễn những tiên đề 64 11.3. Hàm trừu tượng 65 11.4. Cài đặt những điều kiện bất biến 66 Chương 12: Một chỉ thị xác nhận 68 Chương 13: Vòng lặp có điều kiện bất biến và điều kiện biến đổi 71 13.1. Vấn đề vòng lặp 71 13.2. Những vòng lặp đúng 71 13.3. Những thành phần của một vòng lặp đúng 72 13.4. Cú pháp của vòng lặp 74 SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 5 Chương 14: Sử dụng những xác nhận 77 14.1. Những xác nhận như một công cụ để viết phần mềm chính xác 77 14.2. Sử dụng những xác nhận cho việc viết tài liệu: thể rút gọn của một lớp đối tượng 78 Chương 15: Giới thiệu công cụ XC# 81 15.1. Giới thiệu 81 15.2. XC# hoạt động như thế nào 82 15.3. Khai báo các xác nhận 82 15.3.1. Tiền điều kiện 82 15.3.2. Hậu điều kiện 83 15.3.3. Một số thuộc tính mà XC# qui ước sẵn 83 15.4. Ví dụ lớp Stack 86 Chương 16: Kết quả thực nghiệm: công cụ DCS 88 16.1. Nguyên lý làm việc 88 16.2. Thiết kế 94 16.2.1. Tổng thể 94 16.2.2. Chi tiết các lớp đối tượng 95 16.2.2.1 Màn hình Configuration 95 16.2.2.2 Lớp Connect 98 16.2.2.3 Lớp ProjectInfo 99 16.2.2.4 Lớp ClassInfo 101 16.2.2.5 Lớp FunctionInfo 104 16.2.2.6 Lớp Assertion 106 16.2.2.7 Lớp Extra 109 KẾT LUẬN 111 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 Ý KIẾN CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 114 SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 6 BẢNG CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Giao diện EiffelStudio ---------------------------------------------------------- 11 Hình 1-2: Thông báo khi lỗi xảy ra ở tiền điều kiện ------------------------------------ 14 Hình 1-3: Code gây ra lỗi ở tiền điều kiện ----------------------------------------------- 14 Hình 1-4: Thông báo khi lỗi xảy ra ở hậu điều kiện ------------------------------------ 15 Hình 1-5: Code gây ra lỗi ở hậu điều kiện ----------------------------------------------- 15 Hình 1-6: Thông báo khi lỗi xảy ra ở điều kiện bất biến ------------------------------- 16 Hình 1-7: Code gây ra lỗi ở điều kiện bất biến ------------------------------------------ 16 Hình 7-1: Sử dụng bộ lọc các module ---------------------------------------------------- 34 Hình 8-1: Stack được cài đặt bằng mảng ------------------------------------------------- 35 Hình 9-1: Thời gian tồn tại của một đối tượng ------------------------------------------ 50 Hình 10-1: Thời gian tồn tại của một đối tượng----------------------------------------- 58 Hình 11-1: Sự biến đổi giữa những đối tượng trừu tượng và cụ thể------------------ 65 Hình 11-2: Hai cài đặt của cùng một đối tượng trừu tượng---------------------------- 67 Hình 13-1: Một vòng lặp tính toán -------------------------------------------------------- 73 Hình 16-1: Sơ đồ thiết kế tổng thể -------------------------------------------------------- 94 Hình 16-2: Màn hình Configuration ------------------------------------------------------ 95 Hình 16-3: Chi tiết màn hình Configuration --------------------------------------------- 96 Hình 16-4: Lớp Connect -------------------------------------------------------------------- 98 Hình 16-5: Lớp ProjectInfo ---------------------------------------------------------------- 99 Hình 16-6: Lớp ClassInfo -----------------------------------------------------------------101 Hình 16-7: Lớp FunctionInfo -------------------------------------------------------------104 Hình 16-8: Lớp Assertion -----------------------------------------------------------------106 Hình 16-9: Lớp Extra ----------------------------------------------------------------------109 SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 7 LỜI NÓI ĐẦU Trong ngành công nghệ thông tin, thay đổi là một tất yếu diễn ra hết sức thường xuyên mà ta phải chấp nhận và cố gắng điều chỉnh nó. Phần mềm này ra đời thay thế phần mềm khác là một điều vô cùng bình thường, dễ hiểu. Tại sao lại như thế? Bởi vì người sử dụng luôn mong muốn có được một phần mềm hữu ích. Tuy nhiên, dù phần mềm có thể đáp ứng những nhu cầu của người sử dụng trong thời gian hiện tại thì cũng không thể đảm bảo nó sẽ luôn được ưa chuộng. Để có thể tồn tại lâu dài, phần mềm phải thật sự chất lượng. Điều này đồng nghĩa với việc nó phải không ngừng được cập nhật. Mà ta cũng biết, phần mềm càng đúng đắn, đáng tin cậy và rõ ràng bao nhiêu thì công việc nâng cấp và phát triển nó càng dễ dàng bấy nhiêu. Do đó, có thể nói, một trong những tiêu chí của ngành công nghệ phần mềm mà bất kỳ thời đại nào, bất kỳ sản phẩm phần mềm nào cũng đều hướng đến là tính đáng tin cậy và đúng đắn. Xuất phát từ nhu cầu ấy, công nghệ Design By Contract đã ra đời nhằm giúp đảm bảo cho tính đáng tin cậy của phần mềm. Đó cũng chính là lý do mà chúng em đã chọn đề tài này. Với mục đích tìm hiểu công nghệ Design By Contract một cách khá kỹ lưỡng, chúng em đã tiếp cận nó bằng các tài liệu lý thuyết cũng như qua các công cụ có khả năng hỗ trợ Design By Contract cho các ngôn ngữ lập trình hiện đại. Không dừng ở đó, chúng em còn xây dựng một công cụ hỗ trợ công nghệ này cho C# với tên gọi là DCS (Design By Contract for C Sharp). Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ý tưởng chính của Design By Contract là lập một “hợp đồng” giữa một lớp đối tượng (supplier) và những khách hàng (client) của nó, tức là những lớp đối tượng khác gọi đến các phương thức của lớp này. Những client này phải bảo đảm một số điều kiện nhất định khi gọi một phương thức của một supplier gọi là tiền điều kiện (precondition); đáp lại, sau khi thực thi thủ tục, supplier phải đáp ứng một số điều kiện tương ứng gọi là hậu điều kiện (postcondition). Những điều kiện của hợp đồng sẽ được kiểm tra bởi trình biên dịch, và bất cứ sự vi phạm nào của phần mềm cũng sẽ được phát hiện. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 8 TỔNG QUAN Các hướng nghiên cứu đã có của một số tác giả: - Bertrand Meyer, tác giả của công nghệ Design By Contract và ngôn ngữ Eiffel, ngôn ngữ hỗ trợ hoàn toàn Design By Contract. Vấn đề tồn tại: Bởi vì đây là ngôn ngữ lập trình do chính tác giả của Design By Contract tạo ra nên hỗ trợ rất đầy đủ và rõ ràng cho công nghệ này, nhưng vấn đề ở đây là ngôn ngữ Eiffel còn xa lạ với người lập trình dù đã ra đời gần 10 năm, được ít người sử dụng ngôn ngữ này để phát triển phần mềm. - ResolveCorp và eXtensible C# (XC#), một Add-In hỗ trợ Design By Contract cho C#. Đây là một công cụ rất tốt, hỗ trợ đầy đủ Design By Contract cho C#. Tuy nhiên, công cụ này chỉ được sử dụng miễn phí một vài DLL và source code không mở. - Man Machine Systems và JMSAssert, công cụ hỗ trợ Design By Contract cho Java. Đây cũng là một công cụ tốt. Tuy nhiên, JMSAssert chỉ hỗ trợ biên dịch command line và sử dụng cho JDK từ 1.2 trở xuống, không thể tích hợp vào các môi trường hỗ trợ lập trình Java như JBuilder, Sun One Studio hay Eclipse. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 9 Chương 1: Giới thiệu về Eiffel 1.1. Giới thiệu Đầu tiên, chúng ta sẽ làm quen với phần mềm Eiffel trước khi tìm hiểu về công nghệ Design By Contract. Vì sao lại như vậy? Vì tất cả ví dụ dùng trong luận văn đều sử dụng cấu trúc của ngôn ngữ Eiffel. Còn những khái niệm nào mới được đề cập trong chương này sẽ được giải thích kỹ hơn trong các phần sau khi giới thiệu về Design By Contract Qua hơn 10 năm tồn tại, Eiffel hiện nay được coi là một trong những môi trường phát triển phần mềm tốt nhất. Trước sức mạnh to lớn của Eiffel trong lĩnh vực phần mềm thì dù muốn dù không, bạn cũng nên biết qua về nó. Vậy thực chất Eiffel là gì? Eiffel là khung làm việc trợ giúp cho việc suy nghĩ, thiết kế và thực thi phần mềm hướng đối tượng. Eiffel là một phương pháp, một ngôn ngữ hỗ trợ mô tả một cách hiệu quả và phát triển những hệ thống có chất lượng. Eiffel là ngôn ngữ thiết kế Vai trò của Eiffel còn hơn một ngôn ngữ lập trình. Những gì nó đem lại không chỉ giới hạn trong ngữ cảnh lập trình mà trải rộng khắp công việc phát triển phần mềm: phân tích, lên mô hình, viết đặc tả, thiết kế kiến trúc, thực hiện, bảo trì, làm tài liệu. Eiffel là một phương pháp. Eiffel dẫn đường các nhà phân tích và những nhà phát triển xuyên suốt tiến trình xây dựng một phần mềm. Phương pháp Eiffel tập trung cả về yếu tố sản phẩm và chất lượng, với những điểm nhấn: tính đáng tin cậy, tính tái sử dụng, tính mở rộng, tính khả dụng, tính bền vững. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 10 1.2. Design By Contract trong Eiffel Eiffel hỗ trợ rất nhiều tính năng: tiếp cận hướng đối tượng hoàn thiện, khả năng giao tiếp bên ngoài (có thể giao tiếp với các ngôn ngữ C, C++, Java,…), hỗ trợ vòng đời phần mềm bao gồm việc phân tích, thiết kế, thực thi và bảo trì, hỗ trợ Design By Contract, viết xác nhận, quản lý ngoại lệ… Design By Contract hầu như là vấn đề luôn được nhắc đến khi đề cập về Eiffel. Trong Eiffel, mỗi thành phần của hệ thống đều có thể được thực hiện theo một đặc tả tiên quyết về các thuộc tính trừu tượng của nó, liên quan đến những thao tác nội tại và những giao tác của nó với các thành phần khác. Eiffel thực thi một cách trực tiếp ý tưởng Design By Contract, một phương pháp làm nâng cao tính đáng tin cậy của phần mềm, cung cấp một nền tảng cho việc đặc tả, làm tài liệu và kiểm nghiệm phần mềm, cũng như việc quản lý các ngoại lệ và cách sử dụng kế thừa thích hợp. 1.3. EiffelStudio EiffelStudio là trình biên dịch của Eiffel. Ngoài ra, nó còn là một IDE rất mạnh với những tính năng độc nhất như: công cụ công nghệ đảo tích hợp, bộ máy phân tích mã nguồn định lượng. Tùy vào nhu cầu của mình, bạn có thể sử dụng EiffelStudio như một môi trường lập trình hoặc chỉ như một công cụ giúp mô hình hóa, xây dựng các mô tả hệ thống bao gồm các lớp trừu tượng mà không thực thi bằng công cụ Diagram hoặc kết hợp cả 2 khả năng để đạt đến hiệu quả cao nhất. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 11 1.3.1. Giao diện Hình 1-1: Giao diện EiffelStudio Giao diện làm việc của EiffelStudio có 4 khung chính: Features, Class, Clusters, Context. Để thuận tiện cho việc lập trình, các bạn có thể đóng bớt các khung cửa sổ đi. Tất cả các khung cửa sổ này đều có thể đóng lại ngọai trừ Class. 1.3.2. Các thao tác căn bản trên EiffelStudio Khởi động chương trình: Programs --> EiffelStudio Version --> EiffelStudio Chọn "Create a new project" > OK. Class view là khung làm việc chính của bạn. Sau khi lập trình xong, bạn có thể biên dịch và cho chạy chương trình bằng công cụ Compile (F7). Debug chương trình: F10, F11. Lưu project: File > Save. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 12 Biểu diễn Design By Contract trong Eiffel: Precondition: require boolean expressions Postcondition: ensure boolean expressions Class invariant: invariant boolean expressions Chỉ thị Check: check assertion_clause1 assertion_clause2 … assertion_clausen end Loop invariant, loop variant: from initialization until exit invariant inv variant SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 13 var loop body end Demo: Project stack STACK_CLASS: lớp stack chính, chứa các định nghĩa các thao tác trên stack. make: Hàm khởi tạo của stack. item: hàm lấy phần tử trên cùng stack. get(t): hàm lấy phần tử thứ t empty: kiểm tra stack có rỗng. full: kiểm tra stack có đầy put(x): thêm phần tử x vào stack remove: bỏ phần tử trên cùng stack TEST_CLASS: lớp chính(main), lớp gọi các hàm của lớp STACK_CLASS. Ta sẽ thử vài trường hợp cho thấy khả năng bắt lỗi của Eiffel. Lưu ý: Sau mỗi trường hợp hãy sửa lại code như ban đầu rồi mới thử tiếp trường hợp khác. Mở tập tin test_class.e. Chạy thử chương trình (F5). Chương trình khởi tạo stack gồm 8 phần tử từ 0 đến 7 và xuất stack. Stack được xuất ra màn hình. TH1: Lỗi xảy ra ở tiền điều kiện Sửa n:=8 thành n:=-8. Tại dòng if (n >= 0) then nhấn tổ hợp phím Ctrl-K. Tại dòng end --end if , nhấn tổ hợp phím Ctrl-K. Recompile (Shift-F7) và cho chạy lại chương trình (F5). SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 14 Xuất hiện thông báo ngoại lệ sau: Hình 1-2: Thông báo khi lỗi xảy ra ở tiền điều kiện và con trỏ dừng lại ở câu lệnh Hình 1-3: Code gây ra lỗi ở tiền điều kiện Nguyên nhân: Khi bạn gọi thủ tục a.make(n), do trước đó khởi tạo n là một số âm (=-8), client không đảm bảo contract, nên trong thủ tục make của lớp STACK_CLASS, thủ tục make kiểm tra không thỏa tiền điều kiện positive_capacity: n>=0, nó dừng lại và thông báo cho người lập trình biết. TH2: Lỗi xảy ra ở hậu điều kiện Trong lớp TEST_CLASS, tại thủ tục make, sửa như sau: SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 15 Capacity := n capacity := n-1 Recompile (Shift-F7) và cho chạy lại chương trình (F5). Xuất hiện thông báo ngoại lệ sau: Hình 1-4: Thông báo khi lỗi xảy ra ở hậu điều kiện và con trỏ dừng lại ở câu lệnh Hình 1-5: Code gây ra lỗi ở hậu điều kiện Nguyên nhân: Trước đó, ta gán capacity := n-1, hậu điều kiện lại yêu cầu capacity = n. TH3: Lỗi xảy ra ở điều kiện bất biến. Trong lớp TEST_CLASS, tại thủ tục make, thêm vào dòng sau: count:=-1 SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 16 Chọn menu Project > Project Setting… Bỏ dấu check ở ensure. Đánh dấu check ở invariant. Hành động này nhằm bỏ qua chế độ kiểm lỗi ở hậu điều kiện. Ở đây chỉ muốn minh họa cho việc phát hiện lỗi ở điều kiện bất biến. Recompile (Shift-F7) và cho chạy lại chương trình (F5). Xuất hiện thông báo ngoại lệ sau: Hình 1-6: Thông báo khi lỗi xảy ra ở điều kiện bất biến và con trỏ dừng lại ở câu lệnh Hình 1-7: Code gây ra lỗi ở điều kiện bất biến Nguyên nhân: Trước đó, ta gán count := -1, điều kiện bất biến yêu cầu count>=0. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 17 Chương 2: Một số cơ chế mang lại tính đáng tin cậy cho phần mềm Trước hết, phải nói rằng kỹ thuật định nghĩa thuộc tính của một đối tượng gần như là có liên quan với cấu trúc của những hệ thống phần mềm. Những kiến trúc đơn giản, riêng biệt và có khả năng mở rộng sẽ giúp chúng ta đảm bảo tính đáng tin cậy của phần mềm dễ dàng hơn so với những cấu trúc vặn vẹo. Đặc biệt, cố gắng giới hạn sự liên quan giữa các môđun với nhau đến mức tối thiểu nhất sẽ là tiêu điểm cho việc thảo luận về tính riêng biệt. Điều này giúp ngăn chặn những rủi ro thông thường của tính đáng tin cậy, ví dụ như những biến toàn cục và việc định nghĩa những cơ chế liên lạc bị giới hạn, client và những mối quan hệ kế thừa. Nói đến chất lượng phần mềm thì không thể bỏ qua tính đáng tin cậy. Chúng ta cố gắng giữ cho những cấu trúc càng đơn giản càng tốt. Tuy rằng điều này vẫn chưa đủ đảm bảo cho tính đáng tin cậy của phần mềm, nhưng dù sao, nó cũng là một điều kiện cần thiết. Một điều kiện khác cũng cần thiết nữa là làm cho phần mềm của chúng ta tối ưu và dễ đọc. Văn bản phần mềm không những được viết một lần mà nó còn phải được đọc đi đọc lại và viết đi viết lại nhiều lần. Sự trong sáng và tính đơn giản của các câu chú thích là những yêu cầu cơ bản để nâng cao tính đáng tin cậy của phần mềm. Một vũ khí khác cũng rất cần thiết là việc quản lý bộ nhớ một cách tự động, đặc biệt là bộ thu gom rác (garbage collection). Bất kỳ hệ thống nào có khởi tạo và thao tác với cấu trúc dữ liệu động mà lại thực hiện thu hồi bộ nhớ bằng tay (tức là do người lập trình điều khiển) hoặc bộ nhớ không hề được thu hồi thì thật là nguy hiểm. Bộ thu gom rác không hề là một sự xa xỉ mà nó là thành phần thiết yếu để mở rộng tính đáng tin cậy cho bất kỳ một môi trường hướng đối tượng nào. Một kỹ thuật khác nữa mà cũng có thể là thiết yếu mà có liên quan đến genericity là static typing. Nếu không có những luật như thế thì chúng ta sẽ không kiểm soát được những lỗi xảy ra lúc run-time do quá trình gõ code gây nên. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 18 Tóm lại, tất cả những kỹ thuật này cung cấp một nền tảng cần thiết để ta có cái nhìn gần hơn về một hệ thống phần mềm đúng đắn và bền vững. Chương 3: Tính đúng đắn của phần mềm Giả sử có một người đưa cho bạn một chương trình C với 300 000 dòng lệnh và hỏi rằng nó có đúng không. Tôi nghĩ rằng rất có khả năng bạn thấy khó và thậm chí là không thể trả lời được. Tuy nhiên, nếu là một cố vấn viên, bạn hãy trả lời “Không” và sau đó tính một giá thật cao vì rất có thể bạn đúng. Thật sự, để có thể trả lời câu hỏi trên một cách đúng nghĩa, bạn không những cần phải lấy chương trình đó mà còn phải lấy cả lời diễn giải về những gì mà chương trình đó làm được hay ta gọi chúng là những đặc tả của chương trình. Có những chú thích giống nhau cũng chẳng sao, dĩ nhiên, khi đó ta không để ý đến kích thước của chương trình. Ví dụ, câu lệnh x := y+1 không đúng cũng không sai. Vì đúng hay sai chỉ có ý nghĩa khi xét trong quan hệ của nó với một lời chú dẫn, tức là cái mà người ta mong đợi có được sau khi thực hiện câu lệnh hay ít ra thì cũng là sự ảnh hưởng đến trạng thái của các biến trong chương trình. Do đó, câu lệnh trên sẽ đúng với đặc tả: “Điều này đảm bảo cho x và y có giá trị khác nhau” nhưng nó sẽ sai với đặc tả: “Điều này đảm bảo rằng x có giá trị âm” (giả sử các thực thể có kiểu số nguyên. Như vậy, x có thể có kết quả không âm sau khi gán. Điều đó tùy thuộc vào giá trị của y). Ví dụ này nhằm minh họa cho khái niệm “tính đúng đắn” được trình bày bên dưới: SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 19 Tính đúng đắn của phần mềm Tính đúng đắn là một khái niệm quan hệ Một hệ thống phần mềm hay một thành phần phần mềm thì không đúng cũng không sai. Nó chỉ đúng hay sai khi có liên quan với một đặc tả nào đó. Nói một cách chính xác, ta không thảo luận những thành phần phần mềm có đúng hay không, mà là thảo luận chúng có phù hợp với những đặc tả của chúng hay không. Do đó, thuật ngữ “tính đúng đắn” không được dùng cho những thành phần phần mềm, mà nó được dùng cho từng cặp, mỗi cặp bao gồm một thành phần phần mềm và một đặc tả. Trong phần này, ta sẽ biết cách biểu diễn những đặc tả thông qua một xác nhận (assertion) để giúp ta xác nhận tính đúng đắn của phần mềm. Điều này cho thấy kết quả của việc viết những đặc tả là một bước đầu tiên quan trọng để đảm bảo rằng phần mềm thật sự đúng. Việc viết những xác nhận cùng lúc hoặc đúng ra là trước khi viết phần mềm sẽ mang lại những lợi ích tuyệt vời như sau: − Sản xuất được phần mềm đúng với khi bắt đầu vì nó được thiết kế đúng. Ích lợi này đã được Harlan D.Mills (một trong những người khởi đầu đề xướng việc lập trình có cấu trúc “Structured Programming”) trình bày vào năm 1970 trong quyển sách “How to write correct programs and know it” (có nghĩa là “Làm thế nào để viết được những chương trình đúng và biết được nó đúng”). “Biết” ở đây có nghĩa là trang bị cho phần mềm những đối số khi ta viết nó nhằm hiển thị tính đúng đắn của nó. − Có được sự hiểu biết tốt hơn về vấn đề và những cách giải quyết cuối cùng của nó. − Việc thực hiện các tài liệu cho phần mềm dễ dàng. Chúng ta sẽ thấy được ở phần sau rằng những xác nhận sẽ đóng một vai trò trung tâm trong việc hướng đối tượng đến gần tài liệu. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 20 − Cung cấp một căn bản cho việc kiểm tra và debug hệ thống. Trong những phần còn lại chúng ta sẽ tìm hiểu những ứng dụng này. Trong C, C++ và một số ngôn ngữ khác (dưới sự chỉ đạo của Algol W), ta có thể viết một câu lệnh đóng vai trò một xác nhận để kiểm tra một tình trạng nào đó có được giữ ở một trạng thái nào đó như mong muốn hay không khi thực thi phần mềm, và chương trình sẽ không được thực thi nếu nó không thoả. Mặc dù như thế cũng có thể làm được những gì mà ta muốn, nhưng việc làm vậy chỉ tượng trưng cho một phần nhỏ của việc sử dụng những lời xác nhận trong phương pháp hướng đối tượng. Do đó, nếu giống như nhiều người phát triển phần mềm khác thì bạn sẽ quen với những câu lệnh như thế nhưng lại không thấy được bức tranh toàn cảnh. Hầu hết tất cả những khái niệm được bàn ở đây đều sẽ mới lạ với bạn. Chương 4: Biểu diễn một đặc tả Chúng ta có thể trở lại nhận xét trước với hình ảnh một ký hiệu toán học đơn giản được mượn từ lý thuyết của việc kiểm tra một chương trình hình thức và những lý do quý giá để lập luận về tính đúng đắn của các thành phần phần mềm. 4.1. Những công thức của tính đúng đắn Giả sử A thực hiện một vài thao tác (ví dụ A là một câu lệnh hay thân của một thủ tục). Một công thức của tính đúng đắn là một cách biểu diễn theo dạng sau: {P} A {Q} Ý nghĩa của công thức tính đúng đắn {P} A {Q} Bất kỳ thi hành nào của A, bắt đầu ở trạng thái P thì sẽ kết thúc với trạng thái Q Những công thức của tính đúng đắn (còn được gọi là bộ ba Hoare) là một ký hiệu toán học, không phải là một khái niệm lập trình; chúng không phải là một trong SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 21 số những ngôn ngữ phần mềm mà chỉ được thiết kế nhằm giúp cho việc thể hiện những thuộc tính của các thành phần phần mềm. Trong {P} A {Q}, A biểu thị cho một thao tác, P và Q là những thuộc tính của những thực thể khác nhau có liên quan hay còn được gọi là những xác nhận (chúng ta sẽ định nghĩa từ “xác nhận” (“assertion”) một cách chính xác hơn ở phần sau). Trong hai xác nhận này, P được gọi là tiền điều kiện (precondition) và Q được gọi là hậu điều kiện (postcondition). Ví dụ, ta có một công thức bình thường của tính đúng đắn như sau với giả sử rằng x là một số nguyên: {x>=9} x := x+5 {x>=13} Công thức tính đúng đắn được sử dụng để đánh giá tính đúng đắn của phần mềm. Điều đó cũng có nghĩa là tính đúng đắn chỉ được xét đến khi nó gắn với một đặc tả nào đó. Như vậy, khi thảo luận về tính đúng đắn của phần mềm, ta không nói đến những thành phần phần mềm riêng lẻ A, mà nó là bộ ba bao gồm một thành phần phần mềm A, một tiền điều kiện P và một hậu điều kiện Q. Mục đích duy nhất của việc này là thiết lập kết quả cho những công thức tính đúng đắn {P} A {Q}. Trong ví dụ trên, con số 13 ở hậu điều kiện không phải là lỗi do in ấn hay gõ phím! Giả sử thực hiện đúng phép tính trên số nguyên ở công thức trên: với điều kiện x>=9 là đúng trước câu lệnh, x>=13 sẽ đúng sau khi thực hiện câu lệnh. Tuy nhiên, ta thấy được nhiều điều thú vị hơn: − Với một tiền điều kiện như vậy, hậu điều kiện hay nhất phải là điều kiện mạnh nhất, và trong trường hợp này là x>=14. − Còn với hậu điều kiện đã đưa ra thì tiền điều kiện hay nhất phải là tiền điều kiện yếu nhất, ở đây là x>=8. Từ một công thức đã cho, ta luôn có thể có được một công thức khác bằng cách mở rộng tiền điều kiện hay nới lỏng đi hậu điều kiện. Bây giờ, ta sẽ cùng nhau xem xét nhiều hơn về những khái niệm “mạnh hơn” và “yếu hơn” là thế nào. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 22 4.2. Những điều kiện yếu và mạnh Một cách để xem xét đặc tả theo dạng {P} A {Q} là xem nó như một mô tả các công việc cho A. Điều này cũng giống như có một mục quảng cáo tuyển người trên báo đăng rằng “Cần tuyển một người có khả năng thực hiện công việc A khi A có trạng thái bắt đầu là P, và sau khi A được hoàn tất thì nó phải thỏa mãn Q”. Giả sử, một người bạn của bạn đang kiếm việc và tình cờ đọc được những quảng cáo tương tự như thế này, tất cả lương và lợi ích của chúng đều như nhau, chỉ có điều là chúng khác nhau ở những cái P và Q. Cũng giống như nhiều người, bạn của bạn thì lười nhác, có thể nói rằng, anh ta muốn có một công việc dễ nhất. Và anh ta hỏi ý kiến bạn là nên chọn công việc nào. Trong trường hợp này, bạn sẽ khuyên anh ấy thế nào? Trước hết, với P: bạn khuyên anh ta nên chọn một công việc với tiền điều kiện yếu hay mạnh? Câu hỏi tương tự cho hậu điều kiện Q. Bạn hãy suy nghĩ và chọn cho mình một quyết định trước khi xem câu trả lời ở phần dưới. Trước hết, ta nói về tiền điều kiện. Từ quan điểm của người làm công tương lai, tức là người sẽ thực hiện công việc A, tiền điều kiện P định nghĩa những trường hợp mà ta sẽ phải thực hiện công việc. Do đó, một P mạnh là tốt, vì P càng mạnh thì các trường hợp bạn phải thực hiện A càng được giới hạn. Như vậy, P càng mạnh thì càng dễ cho người làm công. Và tuyệt vời nhất là khi kẻ làm công chẳng phải làm gì cả tức là hắn ta là kẻ ăn không ngồi rồi. Điều này xảy ra khi công việc A được định nghĩa bởi: Công thức 1 {False} A {…} Trong trường hợp này, hậu điều kiện không cần thiết phải đề cập bởi dù nó có là gì thì cũng không có ảnh hưởng. Nếu có bao giờ bạn thấy một mục tuyển người như vậy thì đừng mất công đọc hậu điều kiện mà hãy chớp lấy công việc đó SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 23 ngay lập tức. Tiền điều kiện False là sự xác nhận mạnh nhất có thể vì nó không bao giờ thỏa mãn một trạng thái nào cả. Bất cứ yêu cầu nào để thực thi A cũng sẽ không đúng, và lỗi không nằm ở trách nhiệm của A mà là ở người yêu cầu hay khách hàng (client) bởi nó đã không xem xét bất cứ tiền điều kiện nào cần đến. Dù cho A có làm hay không làm gì đi nữa thì nó cũng luôn đúng với đặc tả. Còn với hậu điều kiện Q, tình trạng bị đảo ngược. Một hậu điều kiện mạnh là một tin xấu: nó chỉ ra rằng bạn phải mang lại nhiều kết quả hơn. Q càng yếu, càng tốt cho người làm thuê. Thực tế, công việc ăn không ngồi rồi tốt nhì trên thế giới là công việc được định nghĩa mà không chú ý đến tiền điều kiện: Công thức 2 {…} A {True} Hậu điều kiện True là một xác nhận yếu nhất vì nó thỏa mãn mọi trường hợp. Khái niệm “mạnh hơn” hay “yếu hơn” được định nghĩa một cách hình thức từ logic: P1 được gọi là mạnh hơn P2, và P2 yếu hơn P1 nếu P1 bao hàm P2 và chúng không bằng nhau. Khi mọi lời xác nhận bao hàm True, và False bao hàm mọi xác nhận thì thật là hợp lý để nói rằng True như là yếu nhất và False như là mạnh nhất với tất cả xác nhận có thể. Đến đây, có một câu hỏi được đặt ra: “Tại sao công thức 2 là công việc tốt nhì trên thế giới?” Câu trả lời chính là một điểm tinh tế trong phần định nghĩa ý nghĩa của công thức {P}A{Q}: sự kết thúc. Định nghĩa nói rằng sự thực thi phải kết thúc trong tình trạng thoả Q miễn là khi bắt đầu nó thoả P. Với công thức 1, không có trường hợp nào thoả P. Do đó, A là gì cũng không thành vấn đề, ngay cả nó là một đoạn code mà khi thi hành, chương trình sẽ bị rơi vào một vòng lặp không điểm dừng hay là sẽ gây hỏng máy cũng chẳng sao. Vì dù A là gì thì cũng đúng với đặc tả của nó. Tuy nhiên, với công thức 2, vấn đề là ở trạng thái kết thúc, nó không cần thoả mãn bất kỳ thuộc tính đặc biệt nào nhưng trạng thái kết thúc phải được đảm bảo là có tồn tại. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 24 Những đọc giả mà đã quen với lý thuyết khoa học máy tính hay những kỹ thuật chứng minh lập trình sẽ thấy rằng công thức {P} A {Q} dùng ở đây ám chỉ toàn bộ tính đúng đắn, bao gồm cả sự kết thúc cũng như việc phù hợp với đặc tả. (Tính chất mà một chương trình sẽ thoả mãn với đặc tả của nó lúc kết thúc là một phần của tính đúng đắn). Nãy giờ, ta thảo luận một xác nhận mạnh hơn hay yếu hơn là những “tin tốt” hay “tin xấu” là dựa trên quan điểm của một người làm công trong tương lai. Nếu bây giờ thay đổi cách nhìn, đứng trên cương vị của một người chủ, ta thấy mọi thứ sẽ thay đổi: một tiền điều kiện yếu sẽ là những tin tốt nếu ta muốn các trường hợp thực thi công việc được tăng lên, và một hậu điều kiện mạnh sẽ là tốt nếu ta muốn những kết quả của công việc thật sự có ý nghĩa. Sự đảo ngược của những tiêu chuẩn này là đặc trưng của việc thảo luận về tính đúng đắn của phần mềm, và sẽ xuất hiện lại như khái niệm chính trong luận văn này: hợp đồng giữa những khách hàng và những môđun cung cấp là một sự ràng buộc giữa hai bên. Để sản xuất ra một phần mềm hiệu quả và đáng tin cậy thì cần phải có một hợp đồng đại diện cho sự thoả hiệp tốt nhất của tất cả mối liên hệ giữa những nhà cung cấp và khách hàng. Chương 5: Giới thiệu về sự xác nhận trong văn bản của phần mềm Để biểu diễn một đặc tả, chúng ta sẽ tin cậy vào những xác nhận. Một xác nhận là một biểu thức bao gồm những thực thể của phần mềm và phát biểu một thuộc tính rằng các thực thể này có thể thoả mãn ở những giai đoạn xác định khi thực thi phần mềm. Một xác nhận tiêu biểu có thể biểu diễn một số nguyên có giá trị dương hoặc một tham chiếu không phải rỗng. Về mặt cú pháp, khái niệm xác nhận đơn giản là một biểu thức logic. Ví dụ như: SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 25 n>0; x/=Void Lưu ý cách dùng dấu chấm phẩy (“;”). Ý nghĩa của dấu chấm phẩy ở đây tương đương với phép and. Dấu chấm phẩy có thể đặt giữa phần khai báo và chỉ thị. Khi những mệnh đề của xác nhận nằm trên những dòng khác nhau, ta không cần dùng dấu chấm phẩy (xem như có một phép and mặc định giữa các dòng liên tiếp). Những quy ước này giúp ta có thể nhận biết các thành phần riêng biệt của một xác nhận. Trong thực tế, ta thường dán nhãn (label) cho những thành phần này, ví dụ như: Positive: n>0 Not_void: x/=Void Các nhãn như trên có vai trò nhất định trong lúc thực thi xác nhận. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng ở đây là nhằm làm cho văn bản của ta rõ ràng và tường minh hơn. Chương 6: Tiền điều kiện và hậu điều kiện Ứng dụng đầu tiên của xác nhận là đặc tả ngữ nghĩa của thủ tục. Một thủ tục không chỉ là một đoạn mã chương trình mà nó là cài đặt của một hàm nào đó từ đặc tả của một kiểu dữ liệu trừu tượng, nó sẽ thực hiện một công việc hữu ích. Việc biểu diễn công việc này một cách chính xác là vô cùng cần thiết. Ta có thể đặc tả công việc cần thực thi của một thủ tục bằng 2 xác nhận liên quan với nó là tiền điều kiện (preconditions) và hậu điều kiện (postconditions). Tiền điều kiện chỉ ra những thuộc tính cần được thoả mãn bất cứ khi nào thủ tục được gọi; còn hậu điều kiện chỉ ra những thuộc tính chắc chắn có sau khi thủ tục thực thi xong. 6.1. Lớp ngăn xếp Một ví dụ sẽ giúp ta làm quen với cách sử dụng các xác nhận: SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 26 class STACK [G] feature …Declaration of the features: count, empty, full, put, remove, item end Trước khi xem phần cài đặt, cần chú ý rằng những thủ tục được đặc trưng bởi những thuộc tính ngữ nghĩa mạnh mẽ và độc lập với cách biểu diễn nó. Ví dụ như: − remove và item chỉ thực thi được khi có số phần tử lớn hơn 0. − put tăng số phần tử lên 1, remove giảm số phần tử đi 1. Những thuộc tính như thế là một phần trong đặc tả của kiểu dữ liệu trừu tượng, ngay cả những người chưa bao giờ sử dụng đến kiểu dữ liệu trừu tượng cũng phải hiểu như vậy. Nhưng trong các cách tiếp cận thông thường của việc xây dựng phần mềm, những văn bản phần mềm thường không đề cập đến chúng. Thông qua những tiền điều kiện và hậu điều kiện của thủ tục, ta có thể đưa chúng vào những thành phần tường minh của phần mềm. Ta sẽ biểu diễn những tiền điều kiện và hậu điều kiện như là mệnh đề được giới thiệu qua hai từ khóa require và ensure. Lưu ý rằng những phần cài đặt của những thủ tục được chừa trống, ta sẽ tìm hiểu trong phần sau. indexing description: "Stacks: Cấu trúc dữ liệu với quy tắc truy xuất LIFO” class STACK1 [G] feature – Access count: INTEGER -- Số phần tử của Stack item: G is -- Phần tử trên cùng require not empty SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 27 do … end feature – Status report empty: BOOLEAN is -- Kiểm tra Stack rỗng? do ... end full: BOOLEAN is -- Kiểm tra Stack đầy? do … end feature -- Element change put (x: G) is -- Thêm phần tử x vào Stack. require not full do … ensure not empty item = x count = old count + 1 end remove is -- Xóa phần tử trên cùng của Stack. require not empty do … ensure not full SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 28 count = old count – 1 end end Cả 2 mệnh đề require và ensure đều là tùy chọn. Nếu có thì require phải nằm trước mệnh đề local. Những phần tiếp theo giải thích chi tiết hơn ý nghĩa của tiền điều kiện và hậu điều kiện. 6.2. Tiền điều kiện Tiền điều kiện biểu diễn những ràng buộc mà một thủ tục sẽ thực hiện một cách chính xác. Ví dụ như: − put sẽ không được gọi nếu ngăn xếp đã đầy. − remove và item sẽ không thực hiện trên một ngăn xếp rỗng. Tiền điều kiện vào có hiệu lực đến tất cả những lời gọi của thủ tục, cả trong lớp và từ những lớp liên quan. Một hệ thống chính xác sẽ không bao giờ thực thi một lời gọi không thỏa mãn tiền điều kiện. 6.3. Hậu điều kiện Hậu điều kiện biểu diễn những thuộc tính của trạng thái kết quả có được sau khi thực thi thủ tục. Ví dụ như: − Sau thủ tục put, ngăn xếp sẽ không thể rỗng, phần tử trên cùng là phần tử mới được thêm vào, và số lượng phần tử sẽ tăng lên 1. − Sau thủ tục remove, ngăn xếp không thể đầy, số phần tử giảm đi 1. Sự có mặt của mệnh đề hậu điều kiện trong thủ tục bảo đảm kết quả của thủ tục sẽ thoả mãn các thuộc tính (giả sử rằng thủ tục đã thỏa mãn tiền điều kiện để được gọi). Một từ khóa đặc biệt, old, xuất hiện trong hậu điều kiện. put và remove dùng từ khóa này để biểu diễn sự thay đổi của biến count. Cú pháp: old e, trong đó e là SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 29 một biểu thức, thường là một thuộc tính, biểu thị giá trị của e trong đầu vào của thủ tục. Hậu điều kiện của put có mệnh đề count = old count + 1 để thể hiện rằng put, khi được gọi bởi bất kỳ đối tượng nào, sẽ tăng giá trị biến count của đối tượng đó lên 1. Chương 7: Giao ước cho tính đáng tin cậy của phần mềm Định nghĩa tiền điều kiện và hậu điều kiện cho một thủ tục là một cách định nghĩa một hợp đồng (contract) giữa thủ tục và những lớp gọi nó. 7.1. Quyền lợi và nghĩa vụ Bằng cách kết hợp những mệnh đề require pre và ensure post trong thủ tục r, lớp đối tượng “tuyên bố” với những khách hàng của nó: Nếu các bạn hứa gọi r thỏa mãn pre, tôi hứa sẽ trả về kết quả thỏa mãn post Trong mối liên hệ giữa người và người hoặc giữa các công ty với nhau, hợp đồng là một văn bản làm cho những điều khoản của mối quan hệ trở nên trong sáng, rõ ràng. Thật đáng ngạc nhiên khi trong lĩnh vực phần mềm, nơi mà sự đúng đắn, rõ ràng có vai trò sống còn, ý tưởng hợp đồng này lại phải mất quá nhiều thời gian để thể hiện mình. Tiền điều kiện và hậu điều kiện mô tả một hợp đồng giữa thủ tục (đóng vai trò nhà cung cấp) và những đối tượng gọi đến nó (vai trò khách hàng). Đặc tính quan trọng nhất của hợp đồng trong công việc của con người là sự đòi hỏi về “nghĩa vụ” (obligation) và “quyền lợi” (right) cho cả 2 bên – thường là nghĩa vụ của bên này sẽ trở thành quyền lợi của bên kia. Điều này cũng đúng đối với hợp đồng giữa các lớp đối tượng: SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 30 − Tiền điều kiện ràng buộc khách hàng: nó định nghĩa những điều kiện để một lời gọi đến thủ tục trở nên hợp pháp. Đây là nghĩa vụ của khách hàng và là quyền lợi của nhà cung cấp. − Hậu điều kiện ràng buộc lớp đối tượng: nó định nghĩa những điều kiện cần phải được đảm bảo bởi thủ tục khi trả về. Đây là quyền lợi của khách hàng và là nghĩa vụ của nhà cung cấp. 7.1.1. Những quyền lợi − Đối với khách hàng, đó là sự đảm bảo những thuộc tính phải có được sau khi gọi thủ tục. − Đối với nhà cung cấp, đó là sự đảm bảo những tính chất phải được thỏa mãn ở bất cứ nơi nào thủ tục được gọi. 7.1.2. Những nghĩa vụ − Đối với khách hàng, đó là sự đáp ứng những yêu cầu được phát biểu trong tiền điều kiện. − Đối với nhà cung cấp, đó là những gì phải làm mà hậu điều kiện đã định ra. Đây là hợp đồng cho thủ tục put của ví dụ trên: put Nghĩa vụ Quyền lợi Khách hàng Đáp ứng tiền điều kiện: Chỉ gọi put(x) khi ngăn xếp chưa đầy. Kết quả hậu điều kiện: Thông tin ngăn xếp được cập nhật: không rỗng, x nằm trên cùng, count tăng 1. Nhà cung cấp Đáp ứng hậu điều kiện: Cập nhật thông tin ngăn xếp: không rỗng, x nằm trên cùng, count tăng 1. Kết quả tiền điều kiện: Được bảo đảm là ngăn xếp chưa đầy khi put được gọi. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 31 7.2. Nghệ thuật của sự tin cậy phần mềm: kiểm tra ít hơn, bảo đảm nhiều hơn Mặc dù bạn có thể chưa để ý, một trong những nguyên tắc của hợp đồng có xu hướng đi ngược lại những kiến thức tổng quát đã được công nhận trong ngành công nghiệp phần mềm; gặp nhiều sự phản ứng ngay từ đầu, nhưng Design by Contract đã là một trong số những đóng góp chính vào sự tin cậy của phần mềm và đạt được tầm quan trọng xứng đáng. Một quy tắc tương phản với sự quan sát đã nêu trên: tiền điều kiện là quyền lợi của nhà cung cấp và được biểu diễn ở góc dưới bên phải trong bảng trên: nếu phần khách hàng của hợp đồng không được thõa mãn, nói cách khác nếu lời gọi không đáp ứng tiền điều kiện, sau đó lớp đối tượng không được bao bọc bởi hậu điều kiện. Trong trường hợp này thủ tục có thể làm bất cứ chuyện gì: trả ra giá trị bất kỳ, lặp vô hạn, không trả về giá trị, thậm chí làm hỏng sự thực thi bằng một cách nào đó. Đây là trường hợp “khách hàng sai”. Lợi ích đầu tiên của thỏa thuận này là sự đơn giản hóa đáng kể phong cách lập trình. Tiền điều kiện được xem như những ràng buộc mà một lời gọi đến một thủ tục phải tuân theo, còn nếu bạn là người phát triển lớp đối tượng, bạn sẽ giả sử rằng những ràng buộc này được thỏa mãn khi viết những thủ tục; bạn sẽ không cần phải kiểm tra những ràng buộc đó trong thủ tục. Xét hàm căn bậc 2 như sau: sqrt (x: REAL): REAL is -- Căn bậc 2 của x require x >= 0 do … end Bạn sẽ chỉ viết thuật toán tính căn bậc 2 mà không cần quan tâm đến trường hợp x < 0, điều này đã được kiểm tra bởi tiền điều kiện và trở thành trách nhiệm của những khách hàng – những lớp sẽ gọi tới hàm này. Thực tế phương pháp của Design by Contract còn đi xa hơn nữa. Viết đoạn chương trình này vào sau do SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 32 if x < 0 then “Handle the error, somehow” else “Proceed with normal square root computation” end không chỉ là không cần thiết mà là không thể chấp nhận được. Điều này có thể biểu diễn như một nguyên tắc: Nguyên tắc không dư thừa Không được kiểm tra tiền điều kiện trong thân của thủ tục trong bất kỳ trường hợp nào Nguyên tắc này đã đi ngược với chủ trương của rất nhiều sách giáo khoa về công nghệ phần mềm hay phương pháp lập trình, thường được biết đến như là phương pháp lập trình phòng thủ - với ý tưởng: để thu được một phần mềm đáng tin cậy, bạn nên thiết kế mỗi thành phần của hệ thống sao cho nó có khả năng tự bảo vệ cao nhất. Thà dư còn hơn thiếu, một người không bao giờ là quá cẩn thận khi tiếp xúc với người lạ. Sự kiểm tra dư thừa có thể vô ích, nhưng ít nhất là nó không gây tác hại. Design By Contract đi theo một hướng ngược lại: những kiểm tra dư thừa có thể và thật sự gây ra tác hại. Điều này mới nghe có vẻ lạ, mọi người sẽ nghĩ rằng sự kiểm tra dư thừa có thể là vô ích, nhưng không thể nào gây ra tác hại. Tuy nhiên chỉ những người có sự hiểu biết chưa sâu về tính tin cậy của phần mềm và chỉ tập trung vào những phần riêng biệt của phần mềm mới có suy nghĩ như vậy. Nếu hạn chế tầm nhìn trong một phạm vi hẹp của một thành phần cụ thể, ví dụ như thủ tục sqrt ở trên, ta sẽ thấy rằng thủ tục có vẻ chặt chẽ hơn nếu có phần kiểm tra thêm trong thân thủ tục. Nhưng một hệ thống không chỉ giới hạn trong một thủ tục cụ thể mà nó bao gồm nhiều thủ tục trong nhiều lớp đối tượng khác nhau. Để đạt được một hệ thống SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 33 đáng tin cậy, ta phải từ bỏ cái nhìn hạn chế để có một tầm nhìn vĩ mô, bao hàm trên kiến trúc tổng thể. Nếu ta có được cái nhìn như thế thì tính đơn giản sẽ trở thành một tiêu chuẩn quyết định. Như ta đã nói từ đầu, sự phức tạp là kẻ thù chính của chất lượng. Khi quan tâm đến điều này, ta sẽ thấy rằng những kiểm tra dư thừa không còn là vô hại nữa. Thử hình dung một hệ thống thông thường, với hàng ngàn thủ tục, những kiểm tra dư thừa này sẽ trở thành một sự phức tạp không cần thiết khổng lồ. Nếu chúng ta bắt đầu bằng con đường này, có thể chắc chắn một điều là: không bao giờ đạt được một hệ thống đáng tin cậy. Với Design By Contract, bạn sẽ nhận ra những điều kiện chắc chắn và cần thiết để thực hiện các chức năng của một liên hiệp khách hàng – nhà cung cấp (hay gọi là một hợp đồng); và để cho rõ ràng, đối với mỗi điền kiện, cần xác định rõ trách nhiệm là của ai: khách hàng hay nhà cung cấp. Có thể có nhiều câu trả lời, theo một chừng mực nào đó, điều này là những phong cách thiết kế khác nhau. Nhưng một khi bạn đã quyết định thì bạn cần phải bám vào nó. Nếu bạn có yêu cầu về sự chính xác của tiền điều kiện, xác định rõ rằng yêu cầu là một phần trách nhiệm của khách hàng (những lời gọi đến thủ tục) thì không được kiểm tra trong thân của thủ tục; còn nếu yêu cầu này không nằm trong tiền điều kiện thì thủ tục cần phải kiểm tra nó. Đối với một hệ thống phần mềm, dù lớn hay nhỏ, chất lượng riêng của từng thành phần là chưa đủ. Cái giá trị nhất chính là sự bảo đảm rằng mỗi tương tác giữa hai thành phần bất kỳ đều phải có một sự phân công rõ ràng về quyền lợi và nghĩa vụ, tức là cần phải có một bản hợp đồng. 7.3. Những xác nhận không phải là một cơ chế kiểm tra đầu vào Để tránh hiểu lầm, lưu ý rằng những hợp đồng ta đang bàn là giữa một thủ tục (nhà cung cấp) và những thủ tục khác (khách hàng – những thủ tục gọi đến thủ tục đó). Chúng ta đang quan tâm đến mối quan hệ phần mềm – phần mềm, không SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 34 phải là phần mềm – con người hay phần mềm – ngoại cảnh. Vì vậy, tiền điều kiện sẽ không quan tâm đến sự đúng sai của dữ liệu người dùng nhập vào, ví dụ xét thủ tục read_positive_integer đòi hỏi người dùng nhập vào một số dương, một tiền điều kiện: require input > 0 không phải là một kỹ thuật đáng tin cậy. Trong trường hợp này không thể có sự thay thế cho một điều kiện if … then thông thường. Sự xác nhận không phải là một giải pháp kiểm tra sự đúng đắn của dữ liệu nhập. Tiêu chuẩn của Modular Protection (bảo vệ tính môđun cho phần mềm) khuyến khích rằng cần xác nhận tính hợp lệ của dữ liệu nhập từ các đối tượng ngoài hệ thống sao cho càng gần với mã nguồn càng tốt, có thể sử dụng “bộ lọc” nếu cần thiết: Hình 7-1: Sử dụng bộ lọc các module Để nhận dữ liệu từ ngoài hệ thống (đường màu xanh nhạt), bạn không thể dựa vào tiền điều kiện. Nhưng với những môđun màu vàng, dữ liệu phải thỏa mãn SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 35 tiền điều kiện mới có thể đi vào những môđun xử lý (màu xanh đậm). Vậy trong trường hợp này, ta chỉ có thể sử dụng xác nhận cho đường màu xanh đậm, thể hiện sự tương tác phần mềm – phần mềm. Và hậu điều kiện mà những môđun nhập nhận được sẽ phải phù hợp với tiền điều kiện của những thủ tục xử lý. Chương 8: Làm việc với những xác nhận Trong phần này chúng sẽ tìm hiểu chi tiết hơn về cách dùng tiền điều kiện và hậu điều kiện thông qua những ví dụ cơ bản. Những vấn đề đơn giản và phức tạp của xác nhận sẽ được minh họa rõ ràng qua những ví dụ dưới đây. 8.1. Lớp stack Lớp STACK được trang bị xác nhận có dạng chung như STACK1. Bây giờ, ta có thể nghĩ ra một phiên bản đầy đủ cùng với một cài đặt được giải thích rõ ràng. Để một lớp có thể sử dụng trực tiếp được, ta phải chọn một cài đặt. Hãy xem một cài đặt của ngăn xếp bằng cách dùng mảng. Hình 8-1: Stack được cài đặt bằng mảng Mảng được gọi là representation, có phạm vi từ 1 đến capacity. Thuộc tính count có kiểu số nguyên (integer) cho biết số phần tử trong ngăn xếp. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 36 Gọi a là một đối tượng của lớp này, phương thức a.put(x,i) gán giá trị x cho phần tử thứ i của stack; để lấy giá trị tại phần tử thứ i, ta dùng phương thức a.item(i) hoặc a @ i. Lưu ý rằng phạm vi của mảng là từ 1 đến capacity, vì vậy i phải nằm giữa 1 và capacity. indexing description: “Stacks: Cấu trúc dữ liệu với quy tắc truy xuất LIFO, và có độ lớn cố định.” class STACK2 [G] creation make feature -- Initialization make (n: INTEGER) is --Cấp phát cho Stack độ lớn n phần tử require positive_capacity: n >= 0 do capacity := n !! representation . make (1, capacity) ensure capacity_set: capacity = n array_allocated: representation /= Void stack_empty: empty end feature -- Access capacity: INTEGER -- Số phần tử tối đa của Stack count: INTEGER -- Số phần tử của Stack item: G is -- Phần tử trên cùng SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 37 require not_empty: not empty -- i.e. count > 0 do Result := representation @ count end feature – Status report empty: BOOLEAN is -- Kiểm tra Stack rỗng? do Result := (count = 0) ensure empty_definition: Result = (count = 0) end full: BOOLEAN is -- Kiểm tra Stack đầy? do Result := (count = capacity) ensure full_definition: Result = (count = capacity) end feature – Element change put (x: G) is -- Thêm phần tử x vào Stack. require not_full: not full --i.e. count < capacity in this representation do count := count + 1 representation . put (count, x) ensure not_empty: not empty added_to_top: item = x SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 38 one_more_item: count = old count + 1 in_top_array_entry: representation @ count = x end remove is -- Xóa phần tử trên cùng của Stack. require not_empty: not empty -- i.e. count > 0 do count := count – 1 ensure not_full: not full one_fewer: count = old count – 1 end feature {NONE} -- Implementation representation: ARRAY [G] -- Mảng dùng để chứa các phần tử của Stack invariant … Sẽ tìm hiểu trong phần sau end -- class STACK2 Phần biểu diễn về lớp ở trên cho ta thấy sự đơn giản khi làm việc với những xác nhận. Ngoại trừ mệnh đề invariant còn thiếu sẽ được bổ sung trong phần sau, chúng ta hãy cùng nhau xem xét tỉ mỉ những thuộc tính khác nhau của nó. 8.2. Mệnh lệnh và yêu cầu Những xác nhận trong lớp STACK2 minh họa một khái niệm cơ bản mà ta đã có cái nhìn lướt qua về sự chuyển tiếp từ những kiểu dữ liệu trừu tượng sang những lớp: sự khác nhau giữa những khung nhìn “imperative” và “applicative”. Những xác nhận trong empty và full có thể làm bạn băn khoăn. Xét thủ tục full trong lớp trên: SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 39 full: BOOLEAN is -- Stack có đầy không? do Result := (count = capacity) ensure full_definition: Result = (count = capacity) end Hậu điều kiện yêu cầu rằng thực thể Result có giá trị luận lý bằng với giá trị của biểu thức count = capacity. Điều đó có nghĩa là Result có giá trị true nếu count bằng với capacity và nó có giá trị false nếu ngược lại. Result = (count = capacity) (1) Bởi vì trong thân thủ tục đã gán Result := (count = capacity) (2) Vậy thì liệu hậu điều kiện ở đây có dư thừa không? Có sự khác biệt rất lớn giữa (1) và (2), vì vậy không hề có sự dư thừa. (2) là một câu lệnh, thể hiện một hành động, gán giá trị true hay false của biểu thức count = capacity cho biến Result. Trong khi đó, (1) chỉ là một xác nhận, không làm gì hết. Nó chỉ đặc tả thuộc tính của trạng thái cuối cùng được mong đợi Một câu lệnh, tức (2), thì mang tính chất ra lệnh, còn một xác nhận, tức (1), thì chỉ mang tính chất mô tả. Câu lệnh mô tả cho câu hỏi “như thế nào”, còn xác nhận mô tả cho câu hỏi “cái gì”. Một câu lệnh là một phần của cài đặt, còn một xác nhận chỉ là một thành phần của đặc tả. Câu lệnh thì mang tính mệnh lệnh, bắt buộc, còn xác nhận thì chỉ mang tính yêu cầu. Hai thuật ngữ này nhấn mạnh sự khác nhau cơ bản giữa tin học và toán học. − Những thao tác của tin học có thể làm thay đổi trạng thái của máy tính. Những chỉ thị của các ngôn ngữ lập trình thông thường là những câu lệnh tác động trực tiếp đến máy tính. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 40 − Những lý luận toán học không thể thay đổi bất cứ gì. Ví dụ như khi ta lấy căn bậc hai của 2 thì số 2 trước khi lấy căn và sau khi lấy căn vẫn như nhau. Tóm lại, xác nhận là mô tả một kết quả được mong đợi, còn chỉ thị (thân vòng lặp) là ra lệnh bằng cách nào đó đạt được kết quả. Ta không được nhằm lẫn giữa hai khái niệm này cũng như giữa hai khái niệm “:=” và “=”. Những người sử dụng một lớp nào đó để tạo ra một môđun của riêng mình sẽ quan tâm đến các xác nhận hơn là các chỉ thị. Nguyên nhân của sự gần giống nhau giữa dấu gán (:=) và dấu bằng (=) là việc gán trong nhiều trường hợp là một cách đơn giản để đạt đến sự ngang bằng. Cài đặt Result := (count = capacity) thật sự là một ví dụ rõ ràng dễ nhầm lẫn. Nhưng trong những ví dụ cao hơn thì sự khác nhau giữa đặc tả và cài đặt sẽ lớn hơn, ngay cả trong một ví dụ đơn giản là hàm tính căn của số thực x có hậu điều kiện là abs(Result^2-x)<=tolerance (với abs là trị tuyệt đối, còn tolerance là dung sai). Các chỉ thị trong thân hàm sẽ có tầm quan trọng thấp hơn vì chúng là những cài đặt cho thuật toán chung của việc tính căn bậc hai. Thậm chí đối với thủ tục put trong STACK2, có cùng đặc tả nhưng có thể có sự thực thi khác nhau, mặc dù sự khác biệt có thể là rất nhỏ. Chẳng hạn nếu thân thủ tục như sau: if count=capacity then Result:=True else Result:=False end có thể được đơn giản (nhờ những quy tắc khởi tạo mặc định) thành: if count = capacity then Result:=True end Do đó, sự hiện diện của những thành tố giống nhau trong thủ tục và hậu điều kiện không phải là bằng chứng của sự dư thừa. Nó là bằng chứng của tính bền vững giữa cài đặt và đặc tả - có thể nói là của tính đúng đắn. Qua đây, ta thấy một đặc tính của những xác nhận mà sẽ được phát triển cao hơn: sự thích hợp của chúng đối với tác giả của các lớp client, người mà chúng ta không nên thắc mắc khi đọc những cài đặt thủ tục, nhưng là người cần một mô tả trừu tượng hơn về vai trò của thủ tục. Ý tưởng này đưa đến ý niệm về một dạng thức ngắn gọn (short form) sẽ được thảo luận sau. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 41 Vì nguyên nhân thực tiễn, ta sẽ cho phép các xác nhận bao hàm một vài thành tố mệnh lệnh (các hàm). Để tóm tắt cho chương này, ta có bảng sau được chia thành 2 cột để thấy sự tương phản giữa 2 hạng mục của các thành tố phần mềm: Cài đặt Đặc tả Câu lệnh Biểu thức Như thế nào Cái gì Mệnh lệnh, bắt buộc Yêu cầu Ra lệnh Mô tả 8.3. Lưu ý về những cấu trúc rỗng Tiền điều kiện của thủ tục khởi tạo make trong lớp STACK1 yêu cầu một lời chú giải. Nó đưa ra n>=0, theo sau là một stack rỗng. Nếu n bằng 0, make sẽ gọi thủ tục khởi tạo mảng, cũng có tên là make, với đối số 1 và 0 cho khoảng tiệm cận dưới và trên. Đây không phải là một lỗi, mà là xuất phát từ quy ước trong thủ tục khởi tạo ARRAY: dùng đối số đầu tiên lớn hơn đối số thứ hai đưa ra một mảng rỗng. n có giá trị là 0, hoặc là đối số đầu tiên lớn hơn đối số thứ hai của mảng không hề sai mà đơn giản là stack hay mảng này rỗng. Lỗi chỉ xảy ra khi có lời gọi muốn truy xuất đến một phần tử trong cấu trúc, chẳng hạn một lời gọi put cho stack hay item cho mảng, cả hai tiền điều kiện của 2 thủ tục này sẽ luôn luôn sai vì cấu trúc rỗng (“Khách hàng luôn luôn sai.”). Khi định nghĩa một cấu trúc dữ liệu nói chung như stack hay mảng, bạn nên xác định trường hợp một cấu trúc rỗng là có nghĩa hay không. Trong một số trường hợp thì không: Ví dụ: hầu hết định nghĩa của khái niệm tree bắt đầu từ sự giả định rằng có ít nhất một node (là node gốc). Nhưng trường hợp rỗng đưa ra không phải là không có khả năng hợp lý, cũng như mảng và stack, bạn nên lên kế hoạch thiết kế SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 42 cấu trúc dữ liệu của bạn, thừa nhận rằng mỗi lần khách hàng tạo ra những thể hiện rỗng thì không chấp nhận nó. Một hệ thống ứng dụng, ví dụ cần một stack có n phần tử, với n là tiệm cận trên của số phần tử được chứa trong stack, sẽ được tính toán bởi ứng dụng ngay trước khi nó tạo ra stack. Trong một số lần chạy, con số có thể có giá trị 0. Đây không phải là lỗi mà nó là một trường hợp vô cùng. 8.4. Thiết kế tiền điều kiện: tolerant hay demanding? Ta chỉ có thể gắn những điều kiện cho một trong hai đối tác của hợp đồng: khách hàng (client) hay nhà cung cấp (supplier). Có 2 khả năng: − Nếu gán trách nhiệm cho khách hàng, điều kiện sẽ là một phần của tiền điều kiện. − Nếu đặt ở nhà cung cấp, những điều kiện này sẽ xuất hiện trong cấu trúc if...then của mã lệnh. Ta gọi trường hợp thứ nhất là demanding và thứ hai là tolerant. Lớp stack ở trên là một minh hoạ cho kiểu demanding, phiên bản tolerant không có sự hiện diện của tiền điều kiện: remove is -- Xóa phần tử trên cùng của Stack do if empty then print ("Error: attempt to pop an empty stack") else count := count – 1 end end Dùng kiểu nào thì tốt hơn? Thoáng nhìn thì tolerant có vẻ tốt hơn (cả tính đáng tin cậy và tính tái sử dụng), nếu có nhiều khách hàng mà chỉ có một nhà cung cấp, tính tái sử dụng được SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 43 thể hiện rõ. Nhà cung cấp sẽ thực hiện việc kiểm tra chung chứ không cần mỗi khách hàng phải có sự kiểm tra riêng. Nhưng nếu chúng ta xem xét vấn đề gần hơn, lập luận trên sẽ không còn đúng. Điều kiện ở đây mô tả những gì cần thiết để thủ tục có thể làm công việc của nó. Trong ví dụ trên, nếu stack là rỗng, một thông báo lỗi sẽ được đưa ra, điều này không thích hợp. Bởi vì chỉ có khách hàng – mođun dùng stack trong ứng dụng cụ thể mới quyết định được việc xoá phần tử của một chuỗi rỗng như trên có ý nghĩa gì. 8.5. Một môđun tolerant Mặc dù ta đã thấy được rằng tolerant không phải là một sự tiếp cận đúng, nhưng cũng nên nghiên cứu xem lớp đối tượng sẽ trông như thế nào nếu ta quyết định tiếp cận theo cách này indexing description: " Stacks: Cấu trúc dữ liệu với quy tắc truy xuất LIFO, và có độ lớn cố định; phiên bản tolerant, đưa những dòng lệnh kiểm tra vào thẳng mã nguồn." class STACK3 [G] creation make feature -- Initialization make (n: INTEGER) is -- Cấp phát cho stack độ lớn n phần tử nếu n>0; -- Nếu không thì gán error = Negative_size. -- Không có tiền điều kiện! do if capacity >= 0 then capacity := n !! representation.make (capacity) SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 44 else error := Negative_size end ensure error_code_if_impossible: (n<0)=(error =Negative_size) no_error_if_possible: (n >= 0) = (error = 0) capacity_set_if_no_error:(error = 0) implies (capacity = n) allocated_if_no_error: (error=0) implies (representation/= Void) end feature -- Access item: G is -- là phần tử trên cùng của stack (nếu stack không rỗng). -- Nếu Stack rỗng thì gán error = Underflow. -- Không có tiền điều kiện! do if not empty then check representation /= Void end Result := representation.item error := 0 else error := Underflow -- Trong trường hợp này, Result có giá trị mặc định end ensure error_code_if_impossible: (old empty) = (error = Underflow) SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 45 no_error_if_ possible: (not (old empty)) = (error = 0) end feature -- Status report empty: BOOLEAN is -- Số phần tử của Stack do Result := (capacity = 0) or else representation.empty end error: INTEGER -- Xác định lỗi full: BOOLEAN is -- Số phần tử của Stack do Result := (capacity = 0) or else representation.full end Overflow, Underflow, Negative_size: INTEGER is unique -- Những lỗi có thể xảy ra feature -- Element change put (x: G) is -- Thêm vào phần tử x; nếu không được thì gán giá trị cho error. -- Không có tiền điều kiện! SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 46 do if full then error := Overflow else check representation /= Void end representation.put (x); error := 0 end ensure error_code_if_impossible: (old full) = (error = Overflow) no_error_if_possible: (not old full) = (error = 0) not_empty_if_no_error: (error = 0) implies not empty added_to_top_if_no_error: (error = 0) implies item = x one_more_item_if_no_error: (error = 0) implies count = old count + 1 end remove is -- Xóa phần tử trên cùng của Stack; nếu không được thì gán giá trị cho error. -- Không có tiền điều kiện! do if empty then error := Underflow else check representation /= Void end representation.remove error := 0 end SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 47 ensure error_code_if_impossible: (old empty) = (error = Underflow) no_error_if_possible: (not old empty) = (error = 0) not_full_if_no_error: (error = 0) implies not full one_fewer_item_if_no_error: (error = 0) implies count = old count – 1 end feature {NONE} – Cài đặt representation: STACK2 [G] -- Cài đặt của stack (không được bảo vệ) capacity: INTEGER -- Số phần tử tối đa của stack end -- class STACK3 Ví dụ trên đã cho ta thấy sự nặng nề của một lớp dùng cách tiếp cận tolerant. Đây là một minh chứng cho thấy tolerant sẽ dẫn đến một phần mềm phức tạp và không cần thiết. Ngược lại, với demanding, theo tinh thần của Design By Contract, sẽ giúp những client trong phát hiện lỗi trong tất cả các trường hợp theo cách tốt nhất. Chương 9: Những điều kiện bất biến của lớp Tiền điều kiện và hậu điều kiện mô tả những thuộc tính của những thủ tục riêng biệt. Điều này cũng cần thiết cho việc biểu diễn những thuộc tính toàn cục của những thể hiện (instance) của một lớp vì chúng phải được lưu giữ trong tất cả thủ tục. Những thuộc tính như thế sẽ tạo nên điều kiện bất biến của lớp (class invariant). SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 48 Chúng giữ những thuộc tính ngữ nghĩa sâu hơn và mô tả những ràng buộc toàn vẹn của một lớp. 9.1. Định nghĩa và ví dụ Xem lại phần cài đặt ngăn xếp (stack) bằng cách sử dụng mảng mà không có sự bảo đảm (STACK2) class STACK2 [G] creation make feature … make, empty, full, item, put, remove … capacity: INTEGER count: INTEGER feature {NONE} –- Cài đặt representation: ARRAY [G] end Những thuộc tính của lớp bao gồm: representation kiểu mảng, capacity và count kiểu số nguyên tạo nên một stack tượng trưng. Mặc dù những tiền điều kiện và hậu điều kiện của thủ tục được đưa ra trước đây có thể biểu diễn một vài thuộc tính ngữ nghĩa của stack nhưng chúng thất bại trong việc biểu diễn tính nhất quán khi các thuộc tính liên kết với nhau. Ví dụ, count luôn luôn có giá trị từ 0 đến capacity: 0 <= count; count <= capacity (điều này cũng hàm ý rằng capacity >= 0), và capacity là kích thước của mảng: capacity = representation.capacity Một điều kiện bất biến của lớp (class invariant) cũng như là một xác nhận, biểu diễn những ràng buộc nhất quán chung được dùng cho mọi thể hiện của lớp. Nó khác với tiền điều kiện và hậu điều kiện là những cái chỉ mô tả cho những thủ tục riêng biệt. Sự xác nhận ở trên chỉ liên quan đến những thuộc tính. Những điều kiện bất biến cũng có thể biểu diễn mối quan hệ ngữ nghĩa giữa những hàm với nhau hay SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 49 giữa những hàm với những thuộc tính. Ví dụ, điều kiện bất biến của STACK2 có thể mô tả sự liên quan giữa thuộc tính empty và count như sau: empty = (count = 0) Trong ví dụ này, xác nhận về điều kiện bất biến liên quan đến một thuộc tính và một hàm. Nó không riêng là việc lặp lại xác nhận ở hậu điều kiện của hàm (empty). Một xác nhận sẽ trở nên hữu ích hơn nếu nó có liên quan đến nhiều thuộc tính như ví dụ trên hoặc nhiều hơn một hàm. Tiếp theo, ta có một ví dụ tiêu biểu khác. Liên quan đến khái niệm tài khoản ngân hàng, ta giả sử có một lớp là BANK_ACCOUNT có các đặc tính như deposits_list, withdrawals_list và balance. Lúc đó, điều kiện bất biến của lớp này có thể là một mệnh đề như sau: consistent_balance: deposits_list.total – withdrawals_list.total = balance Hàm total cho biết giá trị tích lũy của danh sách những hoạt động (số tiền gửi hay số tiền rút). Ví dụ trên cho thấy tình trạng nhất quán giữa những giá trị có thể truy cập thông qua các thuộc tính deposits_list, withdrawals_list và balance. 9.2. Định dạng và các thuộc tính của điều kiện bất biến của lớp Về mặt cú pháp, một điều kiện bất biến của lớp là một xác nhận, nằm trong phần invariant, sau phần feature và trước end. class STACK4[G] creation …As in STACK2 ... feature ... As in STACK2 ... invariant count_non_negative: 0 <= count count_bounded: count <= capacity SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 50 consistent_with_array_size: capacity = representation.capacity empty_if_no_elements: empty = (count = 0) item_at_top: (count > 0) implies (representation item (count) = item) end Một điều kiện bất biến của lớp C là một bộ những xác nhận mà mỗi thể hiện của C sẽ thoả mãn tất cả những thời điểm bền vững (stable times). Những thời điểm bền vững là những thời điểm mà tại đây, thể hiện của lớp trong tình trạng có thể quan sát được: + Khi khởi tạo thể hiện, tức là sau khi thực thi !!a hoặc là !!a.make(…), a có kiểu là lớp C. + Trước và sau mỗi khi yêu cầu một thủ tục r của lớp thông qua lời gọi a.r(…). Hình vẽ sau sẽ chỉ ra thời gian tồn tại của một đối tượng Hình 9-1: Thời gian tồn tại của một đối tượng SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 51 Vào lúc bắt đầu, tức là bên trái hình Hình 8-1, đối tượng không tồn tại. Đối tượng được sinh ra bởi câu lệnh !!a hay !!a.make(…) hoặc là do một clone. Sau đó, client sử dụng đối tượng thông qua các tham chiếu đến a có dạng a.f(…) với f là một tính năng của lớp sinh ra đối tượng. Và từ đó, đối tượng tồn tại ít nhất là cho đến khi việc thi hành kết thúc. Điều kiện bất biến là một thuộc tính đặc thù của những trạng thái được biểu diễn bởi những ô vuông màu xám trong hình Hình 8-1 (Ví dụ: S1). Những thời điểm bền vững (stable times) trong hình trên là những chỗ mà đối tượng có thể thấy được từ bên ngoài, nghĩa là client có thể áp dụng một tính năng nào đó cho nó, bao gồm: + Trạng thái kết quả của việc tạo một đối tượng (trong hình là S1). + Những trạng thái ngay trước và sau khi client thực hiện một lời gọi có dạng a.some_routine(…). 9.3. Điều kiện bất biến thay đổi Tuy có tên là điều kiện bất biến nhưng nó cũng không cần phải thoả mãn hết tại mọi thời điểm mặc dù trong ví dụ STACK4, nó vẫn đúng sau khi được khởi tạo. Trong những trường hợp tổng quát hơn, việc một thủ tục g vào lúc ban đầu vì cố thực hiện những mục đích của mình - tức là cố đạt được hậu điều kiện – mà có thể làm hủy đi điều kiện bất biến trong quá trình này (cũng như con người, việc cố gắng làm một cái gì đó hữu ích có thể phá vỡ trật tự đã được thiết lập của mọi thứ); nhưng sau đó, ở giai đoạn thực thi tiếp theo, thủ tục này không vi phạm quá nhiều điều kiện bất biến vốn có là hoàn toàn được chấp nhận. Trong vài tình trạng tức thời, ví dụ như trong những tình trạng được đánh dấu trên hình Hình 8-1, điều kiện bất biến sẽ không thể giữ được. Tuy nhiên, điều này vẫn có thể chấp nhận được miễn là thủ tục sẽ thiết lập lại điều kiện bất biến trước khi kết thúc việc thực thi của nó. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 52 9.4. Ai phải bảo quản điều kiện bất biến? Những lời gọi đủ điều kiện, có dạng là a.f(…), thực hiện nhân danh cho một client, là những cái duy nhất luôn phải được bắt đầu và rời khỏi trong trạng thái thoả mãn điều kiện bất biến; không có quy định nào cho những lời gọi không đủ điều kiện có dạng f(…) thực thi trực tiếp bởi những client nhưng chỉ phục vụ như những công cụ hỗ trợ cho việc tiến hành những cái cần thiết của một lời gọi đủ điều kiện. Do đó, việc bắt buộc duy trì điều kiện bất biến chỉ được áp dụng cho những tính năng được xuất khẩu (export) ra ngoài hoặc là theo cách chung chung hoặc là có sự lựa chọn; một tính năng bí mật mà không client nào được sử dụng là tính năng mà không bị điều kiện bất biến nào ảnh hưởng. Sau đây là quy định định nghĩa chính xác khi nào một xác nhận được coi là một điều kiện bất biến đúng của một lớp: Quy định của điều kiện bất biến Một xác nhận I sẽ là một điều kiện bất biến đúng của một lớp C nếu và chỉ nếu nó thoả 2 điều kiện: + E1: Mọi thủ tục khởi tạo của C , khi được áp dụng cho những đối số thoả mãn tiền điều kiện của nó trong trạng thái những thuộc tính có giá trị mặc định, đều sẽ dẫn đến trạng thái thoả mãn I. + E2: Mọi thủ tục được export ra khỏi lớp, khi được áp dụng cho những đối số và một trạng thái thoả mãn cả I lẫn tiền điều kiện của thủ tục, đều sẽ dẫn đến trạng thái thoả mãn I. Chú ý, trong luật này: + Mọi lớp được coi như có một thủ tục khởi tạo, và được định nghĩa là null nếu nó không được chỉ định tường minh. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 53 + Trạng thái của một đối tượng được định nghĩa bởi tất cả những trường của nó (tức là những giá trị của các thuộc tính của lớp ứng với một thể hiện cụ thể). + Tiền điều kiện của thủ tục có thể liên quan đến trạng thái đầu tiên và những đối số. + Hậu điều kiện có thể liên quan đến trạng thái cuối, trạng thái đầu (thông qua khái niệm old) và trong trường hợp là hàm thì giá trị trả về (nếu có) được định nghĩa trước bởi thực thể Result. + Điều kiện bất biến có thể chỉ liên quan đến trạng thái. Những xác nhận có thể là những hàm nhưng những hàm như vậy là một tham chiếu gián tiếp đến các thuộc tính tức các trạng thái. Ta có thể dùng quy định về điều kiện bất biến như một cơ sở để trả lời câu hỏi: “Sẽ có ý nghĩa gì nếu điều kiện bất biến gây xâm phạm trong tiến trình thực thi của hệ thống?” Trước đây, chúng ta đã thấy rằng những dấu hiệu xâm phạm của một tiền điều kiện là một lỗi (một “bug”) ở khách hàng, còn xâm phạm ở hậu điều kiện là do lỗi ở người cung cấp. Thật ra, những điều kiện bất biến cũng là những hậu điều kiện. Chính thuộc tính này giúp ta biết được những gì sẽ nhận được. 9.5. Vai trò của những điều kiện bất biến của lớp trong kỹ thuật xây dựng phần mềm Thuộc tính E2 chỉ ra rằng chúng ta có thể xem điều kiện bất biến là phần được thêm vào một cách không tường minh cho cả tiền và hậu điều kiện của mỗi thủ tục được export ra ngoài. Do đó, về nguyên tắc, khái niệm điều kiện bất biến là không cần thiết vì không có nó ta vẫn làm việc tốt hoặc là chỉ việc mở rộng tiền và hậu điều kiện của tất cả thủ tục trong lớp là được. Tuy nhiên, không phải vậy. Dù việc có thêm điều kiện bất biến làm phức tạp những văn bản thủ tục, nhưng quan trọng hơn, ý nghĩa sâu xa của điều kiện bất biến là nó vượt khỏi những thủ tục riêng và được áp dụng cho cả một lớp. Thật sự, điều kiện bất biến không chỉ dùng để phục vụ cho những thủ tục viết trong lớp mà còn có thể sử dụng được khi ta có nhu cầu thêm mới sau đó. Vì vậy, điều kiện bất biến có SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 54 thể kiểm soát được cả những phần mở rộng của lớp. Điều này sẽ được thể hiện rõ trong những quy định về việc kế thừa. Trong phát triển phần mềm, sự thay đổi là một điều tất yếu mà chúng ta phải chấp nhận, chỉ là ta phải cố gắng điều chỉnh nó. Một vài lĩnh vực của hệ thống phần mềm như những thành phần riêng biệt, những lớp có thể thay đổi nhanh hơn những cái khác. Đặc biệt, việc thêm vào, bớt đi hay thay đổi những đặc tính là một hiện tượng thường xuyên và bình thường. Trong quá trình dễ thay đổi này, việc cứ bám mãi vào những thuộc tính mặc dù nó có thể thay đổi sẽ gây khó khăn cho việc đảm bảo toàn bộ hệ thống được duy trì vĩnh viễn. Nhưng với điều kiện bất biến, nó không gây khó khăn cho ta khi muốn thay đổi vì chúng giữ những ràng buộc ngữ nghĩa cơ bản được áp dụng cho một lớp. Ví dụ STACK2 đã minh họa được những ý kiến cơ bản, nhưng để đánh giá được toàn bộ những ích lợi của điều kiện bất biến thì ta phải theo dõi thêm những ví dụ tiếp theo. Khái niệm về điều kiện bất biến là một trong số những khái niệm nổi trội nhất mà ta học được từ phương pháp hướng đối tượng. Chỉ khi nào ta kế thừa những điều kiện bất biến (của một lớp do chính mình viết) hay đọc và hiểu nó (từ một lớp của người khác) thì ta mới có thể thực sự cảm nhận được lớp đó là gì. 9.6. Những điều kiện bất biến và hợp đồng Những điều kiện bất biến sẽ được hiểu rõ hơn khi đưa nó vào ngữ cảnh hợp đồng. Những hợp đồng giữa người với nhau thường liên quan đến những quy tắc chung được áp dụng cho mọi khế ước của một mục nào đó; ví dụ như những quy định về việc phân chia vùng của thành phố được áp dụng cho tất cả hợp đồng xây dựng nhà. Những điều kiện bất biến cũng đóng vai trò như thế trong hợp đồng phần mềm: điều kiện bất biến của một lớp ảnh hưởng đến tất cả hợp đồng giữa một thủ tục của một lớp và một đối tượng sử dụng lớp đó. Trong phần trên, ta xem những điều kiện bất biến như một cái gì đó được thêm vào cho tiền và hậu điều kiện của mọi thủ tục được export ra ngoài. Coi body là phần thân của thủ tục (là tập hợp những câu lệnh trong phần do), pre là tiền điều SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 55 kiện, post là hậu điều kiện và INV là điều kiện bất biến của lớp. Khi ấy, yêu cầu về tính đúng đắn trong thủ tục có thể được biểu diễn thông qua những khái niệm đã được giới thiệu trước đây là: {INV and pre} body {INV and post} (Câu lệnh trên có nghĩa là: bất cứ sự thi hành nào trong phần body, bắt đầu với bất kỳ trạng thái nào của INV và pre thì sẽ kết thúc trong trạng thái thoả mãn INV và post) Như vậy, có một câu hỏi dành cho người cung cấp tức người đã viết phần body: điều kiện bất biến là những tin tốt hay xấu, nó làm cho công việc dễ hơn hay khó hơn? Để trả lời được điều này thì bạn phải hiểu được ý nghĩa của cuộc thảo luận đầu tiên về ý nghĩa của tiền và hậu điều kiện đối với người làm công và người làm chủ. Thực chất, điều kiện bất biến cũng vậy. Nó có thể là tin tốt mà cũng có thể là tin xấu. Đối với người xin việc lười biếng, họ muốn có một tiền điều kiện mạnh và một hậu điều kiện yếu. Ở đây, thêm INV vào làm cho tiền và hậu điều kiện mạnh hơn hoặc ít nhất cũng là bằng với ban đầu. Cái này xuất phát từ quy tắc logic: a và b luôn luôn hàm ý a, điều này có thể nói là nó mạnh hơn hay bằng a. Vì vậy, nếu bạn chịu trách nhiệm thực hiện phần body, thì điều kiện bất biến sẽ: + Làm cho công việc của bạn dễ hơn nếu thêm vào tiền điều kiện pre vì trạng thái đầu tiên còn phải thỏa mãn thêm INV. Như vậy, sẽ giới hạn hơn những trường hợp có thể gặp phải. + Làm cho công việc của bạn khó hơn nếu thêm vào hậu điều kiện chính thức post vì bạn phải bảo đảm trạng thái cuối còn phải thoả mãn thêm INV. Những ý kiến này là đáng tin với cách nhìn điều kiện bất biến là một tình trạng nhất quán chung được dùng cho lớp như một tổng thể. Do đó, nó cũng được dùng cho tất cả các thủ tục của lớp. Khi là tác giả của một thủ tục như thế, bạn sẽ thấy có lợi khi điều kiện này đúng vào lúc bắt đầu thủ tục, nhưng bạn phải bảo đảm SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 56 rằng thủ tục sẽ thoả mãn điều kiện này một lần nữa lúc kết thúc để thủ tục tiếp theo thực thi trên cùng một đối tượng lại thấy việc này là có lợi lần nữa. Trong lớp BANK_ACCOUNT ở trên, mệnh đề điều kiện bất biến: deposits_list.total – withdrawals_list.total = balance là một ví dụ tốt. Nếu bạn phải thêm một thủ tục vào lớp, mệnh đề này đảm bảo những đặc tính deposits_list, withdrawals_list và balance có những giá trị nhất quán. Vì vậy, bạn không cần kiểm tra thuộc tính này (và như thế, sau khi xem, chúng ta cũng không phải kiểm tra nó). Nhưng nó cũng có nghĩa là bạn phải viết thủ tục, để mà, với bất cứ cái gì khác nó làm, nó cũng sẽ rời khỏi đối tượng trong trạng thái thỏa mãn thuộc tính này lần nữa . Do thế, thủ tục withdraw dùng để ghi một thao tác rút tiền sẽ không chỉ cập nhật withdrawals_list mà nó cũng phải cập nhật giá trị của balance nếu balance là một thuộc tính để lấy số tiền gửi vào tài khoản và khôi phục lại điều kiện bất biến, bảo đảm bất kỳ thủ tục nào khác được gọi sau đó của cùng một đối tượng cũng sẽ có thể thi hành dễ dàng. Không chỉ là một thuộc tính mà balance còn có thể là một hàm mà trong đó nó sẽ tính toán và trả về giá trị của: deposits_list.total – withdrawals_list.total Trong trường hợp này, thủ tục withdraw không cần làm bất cứ gì đặc biệt để có thể duy trì điều kiện bất biến. Khả năng chuyển đổi giữa hai khả năng này mà không làm ảnh hưởng đến khách hàng là một minh họa của nguyên tắc truy cập đồng bộ (uniform access). Ví dụ này chỉ ra rằng những điều kiện bất biến của lớp như một phương tiện vận chuyển đối với phần mềm một cách lịch thiệp cũng như nếu bạn sử dụng một loại tài nguyên chia sẻ thì bạn phải đưa nó lại cho người khác sau mỗi lần sử dụng. Chương 10: Khi nào một lớp là đúng? Phần này giúp chúng ta tiếp cận với những lý thuyết cơ bản. Ngay cả là đọc lần đầu tiên thì bạn cũng có thể tiếp cận được với những ý tưởng sẽ được trình bày SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 57 sắp tới vì nó tập trung vào những điểm chính yếu và rất quý báu khi sử dụng phương pháp kế thừa. 10.1. Tính đúng đắn của một lớp Với những tiền điều kiện, hậu điều kiện và điều kiện bất biến, ta có thể định nghĩa một cách chính xác một lớp đúng đắn là thế nào. Thật ra, cơ sở để định nghĩa tính đúng đắn của một lớp đã được trình bày ngay từ đầu luận văn: một lớp, giống như bất kỳ một thành phần phần mềm nào khác, chỉ có thể được đánh giá là đúng hay không đúng khi nó gắn liền với một đặc tả nào đó. Như vậy, những tiền điều kiện, hậu điều kiện và điều kiện bất biến chính là những thông tin mà ta có thể thêm vào phần đặc tả của lớp. Điều này cung cấp một cơ sở mà dựa vào đó, ta có thể đánh giá tính đúng đắn: một lớp là đúng nếu và chỉ nếu những cài đặt của nó trong thân của thường trình phù hợp với những tiền điều kiện, hậu điều kiện và điều kiện bất biến. Khái niệm {P}A{Q} được giới thiệu từ đầu giúp cho việc biểu diễn điều này được chính xác. Hãy nhớ ý nghĩa của một công thức đúng đắn là: bất cứ khi nào A được thực thi trong trạng thái thỏa P thì sự thực thi này sẽ kết thúc trong trạng thái thỏa Q. Coi C là một lớp, INV là những điều kiện bất biến của lớp. Với mọi thường trình r của lớp, gọi prer(xr) và postr(xr) là tiền điều kiện và hậu điều kiện của nó, xr là những tham số có thể của r, mà cả tiền điều kiện và hậu điều kiện đều có thể trỏ đến. (Nếu trong phần thường trình, cả tiền điều kiện hoặc hậu điều kiện đều thiếu thì prer hoặc postr là True). Gọi Bodyr là thân của thường trình r. Cuối cùng, DefaultC biểu diễn cho việc xác nhận những thuộc tính của C có giá trị mặc định cùng với kiểu của chúng. Ví dụ, DefaultSTACK2 được nói đến trong lớp ngăn xếp trước là một xác nhận: representation = Void capacity = 0 count = 0 SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 58 Những khái niệm này cho phép ta có một định nghĩa chung về tính đúng đắn của lớp: Định nghĩa: tính đúng đắn của lớp Một lớp là đúng với những xác nhận của nó nếu và chỉ nếu: + C1: Với bất kỳ bộ tham số hợp lệ xp nào của thủ tục khởi tạo p thì: {DefaultC and prepp(xp)} Bodyp {postp(xp) and INV} + C2: Với mọi thường trình r được export ra ngoài và bất kỳ bộ tham số hợp lệ xr nào thì: {prepr(xr) and INV} Bodyr {postr(xr) and INV} Quy định này thật sự là một khai báo toán học của lược đồ thông tin trước đây biểu diễn chu kỳ sống của một đối tượng điển hình. Ta hãy cùng xem lại ví dụ về BANK_ACCOUNT: Hình 10-1: Thời gian tồn tại của một đối tượng SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 59 Điều kiện C1 nghĩa là: bất kỳ thủ tục khởi tạo nào (ứng với hình Hình 9-1 trên là make), khi được gọi với những tiền điều kiện được thỏa mãn của nó thì phải trả về được một trạng thái khởi đầu (trong hình trên là S1) thỏa mãn điều kiện bất biến và hậu điều kiện của thủ tục đó. Điều kiện C2 diễn tả rằng bất kỳ thường trình r nào được export (ứng với hình trên là f và g), nếu được gọi trong trạng thái (S1, S2 hay S3) thỏa mãn cả tiền điều kiện và điều kiện bất biến của nó, thì phải kết thúc trong trạng thái thỏa mãn cả hậu điều kiện và điều kiện bất biến của nó. Như vậy, luật C1 là một bước cơ bản của việc dẫn nhập, nói rằng điều kiện bất biến giữ tất cả những đối tượng mới sinh ra là kết quả trực tiếp của một câu lệnh khởi tạo. Luật C2 là một bước dẫn nhập mà thông qua đó, ta quyết định nếu có một thế hệ những thể hiện nào đó thỏa mãn điều kiện bất biến thì thế hệ kế tiếp - tức là một bộ những thể hiện thu được do áp dụng những đặc tính được export của những thành viên trong thế hệ hiện tại – cũng sẽ thỏa mãn nó. Việc bắt đầu từ những đối tượng mới sinh ra và đi từ thế hệ này qua thế hệ khác thông qua những đặc tính được export, ta thu được toàn bộ những thể hiện có thể của một lớp cho phép ta quyết định rằng tất cả thể hiện đó có thỏa mãn điều kiện bất biến hay không. Có 2 ý kiến về mặt thực tiễn như sau: + Nếu một lớp không có mệnh đề creation, ta có thể xem như nó có một thủ tục khởi tạo không tường minh là nothing với một thân rỗng. Áp dụng luật C1 cho Bnothing với ý nghĩa là DefaultC phải bao gồm INV: những giá trị mặc định phải thỏa mãn điều kiện bất biến. + Một yêu cầu có dạng {P}A{Q} không thực thi A trong bất kỳ trường hợp nào mà P không thoả mãn lúc ban đầu. Do đó, hợp đồng sẽ không bị ràng buộc với thường trình nếu client không đáp ứng được những yêu cầu có liên quan với giao tác. Theo đó, định nghĩa tính đúng đắn của lớp không cho phép những thường trình thực thi khi nó vi phạm tiền điều kiện hay điều kiện bất biến. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 60 10.2. Vai trò của những thủ tục khởi tạo Thảo luận về điều kiện bất biến sẽ cho ta cái nhìn sâu hơn về khái niệm của thủ tục khởi tạo. Một điều kiện bất biến của lớp biểu diễn một bộ những thuộc tính mà những đối tượng (những thể hiện của lớp) phải thỏa mãn tại những thời điểm ổn định trong thời gian sống của chúng. Đặc biệt, những thuộc tính này phải được giữ trước khi thể hiện được khởi tạo. Cơ cấu cấp phát đối tượng chuẩn khởi tạo những trường với những giá trị mặc định của những kiểu thuộc tính tương ứng; những giá trị này có thể thỏa mãn hay không điều kiện bất biến. Nếu không, một thủ tục khởi tạo đặc biệt sẽ được yêu cầu để gán giá trị cho những thuộc tính này để chúng thoả mãn điều kiện bất biến. Vì vậy, khởi tạo có thể xem như là một thao tác đảm bảo cho tất cả thể hiện của một lớp được bắt đầu cuộc sống của chúng với một chế độ đúng – tức là thỏa mãn được điều kiện bất biến. Việc biểu diễn đầu tiên của những thủ tục khởi tạo được giới thiệu như một cách để trả lời cho câu hỏi hết sức tầm thường là: làm sao để viết đè những quy luật khởi tạo mặc định khi chúng không thích hợp cho một lớp đặc biệt nào đó, hoặc là trong trường hợp ta muốn cung cấp cho những client nhiều hơn một cơ cấu khởi tạo? Nhưng chỉ với sự giới thiệu về những điều kiện bất biến và những thảo luận một cách lý thuyết cùng với áp dụng luật C1 thì ta chỉ có thể kết luận về vai trò sâu hơn của những thủ tục khởi tạo là: chúng đảm bảo cho bất kỳ thể hiện nào của lớp khi bắt đầu thời gian sống phải thỏa mãn những quy định cơ bản thuộc về lớp đó - tức là thoả mãn những điều kiện bất biến của lớp đó. 10.3. Xem lại về mảng Thư viện lớp ARRAY đã được tóm tắt trong chương trước. Tuy nhiên, bây giờ là lúc đưa ra định nghĩa chính xác cho nó. Khái niệm mảng luôn đòi hỏi phải có tiền điều kiện, hậu điều kiện và một điều kiện bất biến. Đây là một bản phác thảo cùng với những xác nhận. Những tiền điều kiện là cần thiết trong việc truy cập và điều chỉnh mảng với quy định là chỉ số mảng phải SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 61 trong giới hạn cho phép. Điều kiện bất biến biểu diễn mối quan hệ giữa count, lower và upper; nó cho phép count được cài đặt như một hàm chứ không phải một thuộc tính. indexing description: "Mảng giá trị cùng kiểu, truy xuất các phần tử thông qua các chỉ số mảng" class ARRAY [G] creation make feature -- Khởi tạo make (minindex, maxindex: INTEGER) is -- Xác định 2 biên của mảng với minidex và maxindex -- Mảng rỗng nếu minindex > maxindex. require meaningful_bounds: maxindex >= minindex - 1 do … ensure exact_bounds_if_non_empty: (maxindex >= minindex) implies ((lower = minindex) and (upper = maxindex)) conventions_if_empty: (maxindex < minindex) implies ((lower = 1) and (upper = 0)) end feature – Truy cập lower, upper, count: INTEGER -- Chỉ số cao nhất vào thấp nhất hợp lệ; kích thước mảng. infix "@", item (i: INTEGER): G is -- Giá trị mảng tại chỉ số i SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 62 require index_not_too_small: lower <= i index_not_too_large: i <= upper do … end feature -– Thay đổi thành phần put (v: G; i: INTEGER) is -- Gán giá trị v cho phần tử có chỉ số require index_not_too_small: lower <= i index_not_too_large: i <= upper do … ensure element_replaced: item (i) = v end invariant consistent_count: count = upper – lower + 1 non_negative_count: count >= 0 end -- class ARRAY Phần trống duy nhất còn lại là phần cài đặt của thân những thường trình item và put. Chương 11: Kết nối với kiểu dữ liệu trừu tượng Trong phần này, ta sẽ củng cố thêm khái niệm “xác nhận” bằng việc tìm hiểu về sự kết nối giữa các xác nhận và những thành phần của một đặc tả của một kiểu dữ liệu trừu tượng (ADT – Abstract Data Type). Một ADT được tạo bởi 4 thành phần: − Tên kiểu, có thể cùng với những tham số chung (phần TYPES) SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 63 − Danh sách các hàm với những ký hiệu của chúng (phần FUNCTIONS) − Tiên đề (AXIOMS) mô tả những thuộc tính của kết quả − Những quy định để sử dụng được hàm (phần PRECONDITIONS) Ví dụ: ADT của lớp STACK TYPES • STACK [G] FUNCTIONS • put: STACK [G] × G → STACK [G] • remove: STACK [G] →STACK [G] • item: STACK [G] → G • empty: STACK [G] → BOOLEAN • new: STACK [G] AXIOMS For any x: G, s: STACK [G] A1 • item (put (s, x)) = x A2 • remove (put (s, x)) = s A3 • empty (new) A4 • not empty (put (s, x)) PRECONDITIONS • remove (s: STACK [G]) require not empty (s) • item (s: STACK [G]) require not empty (s) 11.1. So sánh đặc tính của lớp với những hàm ADT Để hiểu được mối liên hệ giữa những xác nhận và ADT, trước tiên ta cần tìm hiểu mối liên hệ giữa những đặc tính của lớp và phần tương ứng của ADT – những hàm của ADT. Những hàm này gồm 3 loại: creator, query và command. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 64 Sự phân loại của một hàm f: A × B × … Æ X phụ thuộc vào vị trí xuất hiện của ADT (A, B, …, X) so với mũi tên , gọi là T . Nếu T chỉ xuất hiện ở bên phải của mũi tên thì f là hàm creator. Trong lớp đối tượng, nó là phương thức khởi tạo. Ví dụ: hàm new Nếu T chỉ có mặt ở bên trái của mũi tên thì f là hàm query. Trong lớp đối tượng, nó là những phương thức truy xuất đến những thuộc tính của các thể hiện của một lớp. Ví dụ: hàm item và empty. Nếu T xuất hiện ở cả 2 bên mũi tên thì f là hàm command. Những hàm này tạo ra những đối tượng mới từ những đối tượng đã có. Trong lớp đối tượng, những hàm này thường được biểu diễn như một phương thức để làm thay đổi một đối tượng hơn là tạo ra một đối tượng mới. Ví dụ hàm put và remove. 11.2. Biểu diễn những tiên đề Từ sự tương ứng giữa những hàm ADT và những đặc tính của lớp, ta có thể suy ra sự tương ứng giữa ngữ nghĩa thuộc tính ADT và những xác nhận. Tiền điều kiện của ADT xuất hiện lại như những mệnh đề tiền điều kiện (precondition clauses) của các thủ tục tương ứng. Một tiên đề, bao gồm một hàm command và một hay nhiều hàm query, xuất hiện lại như những mệnh đề hậu điều kiện (postcondition clauses) trong những thủ tục tương ứng. Những tiên đề chỉ bao gồm những hàm query xuất hiện lại như những hậu điều kiện của những hàm tương ứng hoặc những mệnh đề của điều kiện bất biến. Tiên đề bao gồm những hàm khởi tạo xuất hiện lại trong hậu điều kiện của những thủ tục khởi tạo tương ứng. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 65 11.3. Hàm trừu tượng Hình 11-1: Sự biến đổi giữa những đối tượng trừu tượng và cụ thể A là một ADT và C là một lớp được cài đặt từ A. Lúc này tương ứng với hàm trừu tượng af của A sẽ có hàm cụ thể cf trong lớp C. Mũi tên a mô tả cho sự trừu tượng hóa hàm, với mỗi đối tượng cụ thể (thể hiện của lớp), sự trừu tượng hoá này sẽ sinh ta một đối tượng trừu tượng (thể hiện của ADT). Những hàm trừu tượng này thường là từng phần. Sự tương ứng giữa lớp và ADT (cf ; a) = (a ; af) Trong đó dấu “;” là toán tử kết hợp giữa các hàm. Nói cách khác, nếu ta có hai hàm f và g thì f;g là hàm h sao cho h(x) = g(f(x)) với mọi x (f;g còn được viết dưới dạng g o f ) SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 66 Hai đường đứt khúc cùng chỉ đến đối tượng trừu tượng ABST_2. Kết quả vẫn như nhau ngay cả khi bạn: - Áp dụng sự biến đối cụ thể cf, sau đó trừu tượng hóa kết quả, sinh ra a(cf(CONC_1)). - Trừu tượng hóa trước, sau đó áp dụng sự biến đổi trừu tượng af, sinh ra af(a(CONC_1)). 11.4. Cài đặt những điều kiện bất biến Một số xác nhận xuất hiện trong những điều kiện bất biến nhưng chúng lại không là bản sao trực tiếp trong đặc tả ADT. Những xác nhận này bao hàm những thuộc tính, một số là thuộc tính ẩn mà lúc định nghĩa thì chúng sẽ không có ý nghĩa trong ADT. Một ví dụ đơn giản là những thuộc tính dưới đây xuất hiện trong điều kiện bất biến của lớp STACK4 count_non_negative: 0<=count count_bounded: count<=capacity Những xác nhận như thế này là những điều kiện bất biến của lớp, gọi là cài đặt của điều kiện bất biến (implementation invariant). Chúng đáp ứng cho việc biểu diễn tính vững chắc của những đại diện được chọn trong lớp (ở đây là count, capacity và representation) có quan hệ với những ADT tương ứng. Hình 10-1 đã giúp ta hiểu rõ về cài đặt của điều kiện bất biến. Nó minh họa cho những thuộc tính đặc trưng của hàm trừu tượng a (biểu diễn bằng những mũi tên dọc). Gọi hàm a sẽ nối mỗi thành phần nguồn với nhiều nhất một thành phần đích. Nếu ta đi theo chiều ngược lại của mũi tên để xét nghịch đảo của a (có thể gọi là quan hệ biểu diễn) , ta sẽ thấy rằng đó không phải là một hàm, bởi vì có thể có nhiều biểu diễn của một đối tượng trừu tượng. Xét mảng thể hiện cho STACK thông qua cặp <representation, count>, một STACK trừu tượng có nhiều biểu diễn khác nhau, tất cả đều có giá trị count và các phần tử từ 1 đến count của mảng representation giống nhau, nhưng giá trị capacity thể hiện kích thước mảng có thể là bất kỳ giá trị nào lớn SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 67 hơn hoặc bằng count, và những phần tử có chỉ số vượt quá count có thể có giá trị tùy ý. Quan hệ cài đặt thường không phải là một hàm, nhưng sự nghịch đảo của nó (mũi tên hướng lên) là một hàm thật sự vì mỗi đối tượng cụ thể biểu diễn cho nhiều nhất một đối tượng trừu tượng. Trong ví dụ về lớp STACK của chúng ta, mỗi cặp hợp lệ chỉ biểu diễn cho một STACK trừu tượng. Hình 11-2: Hai cài đặt của cùng một đối tượng trừu tượng Cả hai stack cụ thể trên đây đều là cài đặt (implementation) của stack trừu tượng bao gồm 3 phần tử 342, -133 và 5. Việc a là một hàm là một yêu cầu chung: nếu một đối tượng cụ thể là cài đặt của nhiều đối tượng trừu tượng, đại diện được chọn sẽ trở nên mơ hồ và không thích hợp. Vì vậy mũi tên a nên vẽ theo chiều như trên để mô tả cho sự kết nối giữa kiểu cụ thể và trừu tượng. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 68 Cài đặt những điều kiện bất biến là một phần của những xác nhận không có bản đối chiếu trong đặc tả ADT. Nó không liên hệ với ADT mà là với những biểu diễn của nó. Nó định rõ khi một đối tượng cụ thể thật sự là cài đặt của một (và chỉ một) đối tượng trừu tượng. Chương 12: Một chỉ thị xác nhận Những tiền điều kiện, hậu điều kiện và điều kiện bất biến của lớp là những thành phần trung tâm của phương pháp sử dụng chỉ thị xác nhận (assertion instruction). Chúng tạo nên sự kết nối giữa việc xây dựng phần mềm hướng đối tượng và những lý thuyết bên dưới về kiểu dữ liệu trừu tượng (Abstract Data Type). Có những xác nhận mặc dù ít đặc thù hơn nhưng cũng có vai trò quan trọng trong quy trình phát triển phần mềm. Trong đó có chỉ thị check và những vòng lặp có bất biến và điều kiện biến đổi (loop invariant và variant) Chỉ thị check được sử dụng để thể hiện sự tin chắc của người viết phần mềm rằng một thuộc tính nào đó sẽ thỏa mãn những tình huống nào đó trong việc tính toán. Cú pháp: check assertion_clause1 assertion_clause2 … assertion_clausen end Khi chương trình thực thi thì những xác nhận assertion_clauseX sẽ được bảo đảm. Đây là cách để chắc chắn một lần nữa rằng những thuộc tính nhất định được thỏa mãn, và quan trọng hơn, nó giúp những người đọc phần mềm hiểu được những giả thuyết mà ta dựa vào. Việc viết phần mềm đòi hỏi sự xác nhận thường xuyên những thuộc tính của đối tượng. Xét ví dụ về hàm sqrt(x), bất cứ hàm nào gọi SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 69 đến sqrt(x) đều dựa vào xác nhận rằng x không âm. Xác nhận này có thể hiển hiện trong ngữ cảnh, ví dụ như một câu lệnh if...then... if x >= 0 then y := sqrt (x) end nhưng nó cũng có thể không trực tiếp như trên, ví dụ như x đã được gán trước đó: x := a^2 + b^2 Chỉ thị check sẽ giúp biểu diễn xác nhận đó nếu nó không hiển hiện trong câu lệnh x := a ^2 + b^2 … Other instructions … check x >= 0 -- Because x was computed above as a sum of squares end y := sqrt (x) Không cần điều kiện if...then... cho lời gọi hàm sqrt trong trường hợp này, check đã xác nhận rằng lời gọi hàm là đúng. Lưu ý rằng chỉ thị check này không làm ảnh hưởng đến thuật toán của thủ tục. Ví dụ trên đã cho ta thấy sự hữu ích của check, nó đóng vai trò một tiền điều kiện của một lời gọi hàm. Một trường hợp khác cần lưu ý, khi ta viết một lời gọi hàm có dạng x.f, ta đã chắc chắn rằng x không rỗng, cho nên ta sẽ không viết if x != Void then... nhưng sự không rỗng của x lại không hiển hiện trong ngữ cảnh này. Ta đã gặp trường hợp này trong hàm put và remove lớp STACK3. Thân hàm put gọi đến hàm tương ứng trong lớp STACK2: SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 70 if full then error := Overflow else check representation /= Void end representation.put (x); error := 0 end Ở đây người đọc sẽ nghĩ rằng không an toàn khi gọi representation.put(x); như vậy, bởi vì không có một sự kiểm tra nào trước đó về sự không rỗng của representation. Nhưng nếu để ý kỹ, bạn sẽ thấy rằng nếu full sai thì capacity phải là số dương. Vì vậy, representation không thể là rỗng. Đây là một điều rất quan trọng và sẽ là một phần trong cài đặt các ràng buộc của lớp. Trong thực tế, với cài đặt đầy đủ của một ràng buộc được định trước, ta nên viết chỉ thị check như sau: check representation_exists: representation /= Void -- Because of clause representation_exists_if_not_full of the -- cài đặt điều kiện bất biến. end Trong những sự tiếp cận thông thường của việc xây dựng phần mềm, mặc dù những lời gọi hàm và những phương thức khác thường tin tưởng vào sự đúng đắn của chúng nhờ những xác nhận khác nhau, nhưng chúng vẫn là những xác nhận không tường minh. Lập trình viên sẽ tự thuyết phục mình rằng một thuộc tính luôn luôn được giữ ở một thời điểm nào đó, và đưa phân tích này vào trong mã nguồn; nhưng sau một thời gian, chỉ còn lại mã nguồn, không còn những phân tích đó nữa. Vài tháng sau, một người nào đó (có thể là chính tác giả), muốn tìm hiểu lại phần mềm, sẽ không thể biết được những thừa nhận không tường minh đó, và sẽ phải mất nhiều công sức để hình dung lại được nó. Chỉ thị check sẽ giúp ta tránh khỏi trường hợp đó. SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 71 Chương 13: Vòng lặp có điều kiện bất biến và điều kiện biến đổi 13.1. Vấn đề vòng lặp Khả năng lặp lại một tính toán với một số lần tùy ý một cách dễ dàng là một khả năng vượt xa con người của máy tính. Vì thế, vòng lặp có vai trò rất quan trọng trong ngôn ngữ lập trình. Nhưng vòng lặp cũng chứa đựng nhiều rủi ro vì rất khó khăn để có một vòng lặp chính xác. Những vấn đề hay gặp là: − Lỗi “off-by-one” (biểu diễn sự lặp lại quá nhiều hay quá ít). − Kiểm soát không tốt ở biên, ví dụ như một vòng lặp làm việc tốt trên một mảng nhiều phần tử nhưng lại bị lỗi khi mảng rỗng hay chỉ có một phần tử). − Vòng lặp vô tận. 13.2. Những vòng lặp đúng Việc sử dụng khôn ngoan xác nhận sẽ giúp ta giải quyết những vấn đề này. Một vòng lặp có thể có một xác nhận liên kết, gọi là vòng lặp có điều kiện bất biến (loop invariant). Cũng có khái niệm “loop variant (vòng lặp có điều kiện biến đổi)”. Đây không phải là một xác nhận mà là một biểu thức nguyên. Hai khái niệm này sẽ giúp ta bảo đảm sự chính xác của vòng lặp. Xét ví dụ tính giá trị lớn nhất của một mảng số nguyên: maxarray (t: ARRAY [INTEGER]): INTEGER is -- Giá trị lớn nhất của mảng t require t.capacity >= 1 local i: INTEGER do from i := t.lower SV ne t.vn Tìm hiểu công nghệ Design By Contract và Xây dựng công cụ hỗ trợ cho C# 72 Result := t @ lower until i = t.upper loop i := i + 1 Result := Result.max (t @ i) end end Ta thấy rằng ở đây ta có thể gán i := t.lower và Result := t@lower mà không cần bận tâm đến việc mảng t tại vị trí lower có phần tử nào không, có được điều này là nhờ vào việc sử dụng xác nhận, chính là tiền điều kiện: require t.capacity >= 1 Đặc điểm của điều kiện bất biến này là mỗi lần lặp, Result luôn là giá trị lớn nhất của phần mảng số nguyên đã được xét. 13.3. Những thành phần của một vòng lặp đúng Ví dụ trên minh họa cho một