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
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.
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
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).
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:
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
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.
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.
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:
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.
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
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.
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
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.
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:
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:
