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OO第三单元总结

时间:2020-05-23 10:05:24      阅读:54      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:参考   提高   针对   不能   values   总结   返回   重点   副作用   

OO第三单元总结

一、JML理论基础与工具链

1.JML简介

JML,即Java Modeling Language,是一种对Java程序进行规格化设计的表示语言。其用处主要有:1.开发时做出规格化设计,以便代码编写者实现;2.方便根据规格化描述开展对应的测试;3.针对已经实现的代码,编写对应规格以提高代码可维护性。

2.JML语法介绍

JML主要以javadoc的方式来表示规格,每行以@起头,分为行注释//@xxxxx和块注释/*@ xxxxx @*/两种。

  • 原子表达式
    • \result:表示一个非void的方法执行后的返回值
    • \old(expr):表示一个表达式expr在执行相应方法前的取值
    • \not_assigned(x, y, ...):表示括号内的变量在方法执行过程中是否被赋值。没有被赋值则返回true;否则返回false
    • \not_modified(x, y, ...):类似not_assigned,区别是表示变量取值是否变化
    • \type(type):返回类型type对应的Class
  • 量化表达式
    • \forall:全称量词修饰的表达式,表示对于给定范围内的元素,每个元素都满足相应约束
    • \exists:存在量词修饰的表达式,表达对于给定范围内的元素,存在某个元素满足相应的约束
    • \sum:返回给定范围内的表达式的和
    • \maxmin:分别返回给定范围内表达式的最大和最小值
  • 操作符
    • E1 <: E2:子类型关系操作符,如果类型E1是类型E2的子类型或同类型(sub type),则该表达式的结果为真,否则为假
    • b_expr1<==>b_expr2:等价关系操作符
    • b_expr1==>b_expr2:推理操作符
    • 变量引用操作符:\nothing指示一个空集;\everything指示一个全集
  • 方法规格
    • 前置条件:前置条件通过requires子句来表示:requires P,即要求确保条件P为真
    • 后置条件:后置条件通过ensures子句来表示:ensures P,即要求确保方法执行返回结果一定满足谓词P
    • 副作用限定:通过assignablemodifiable,分别表示可赋值、可修改
  • 类型规格
    • 不变式invariant:是要求在所有可见状态下都必须满足的特性,invariant P
    • 状态变化约束constraint:对前序可见状态和当前可见状态的关系进行约束

3.JML相关工具链

  • OpenJML:对JML进行语法检查、代码检查等功能
  • JMLUnitNG:根据JML自动生成测试文件

具体部署过程见下

二、OpenJML和JMLUnitNG部署和使用

1.OpenJML

OpenJML主要是用于对JML进行检查的。这一工具的使用参考了一位学长的博客(十分感激这位学长,看了博客以后省去了不少时间)。下载了OpenJML工具后,编写一个脚本,添加到环境变量里就可以直接使用命令行操作。先随便写一个有语法错误的JML规格来进行检测:

public class test {
	/*@
	  @ requires a >= 0 && b >= 0 2333;
	  @ ensures \result == (a + b);
	  @*/
	public int add(int a, int b) {
		return a + b;
	}
	public static void main(String[] args) {
		add(2333, 23333);
	}
}

结果如下:
技术图片
可以看出,JML中的错误和调用非静态方法的错误都检查了出来,改正之后则不会出现这些。下面对第三次作业中的Group和Person方法进行检验,结果如下:
技术图片
其他地方倒没什么错误,除了三目运算符...想起之前checkstyle的时候三目运算符也不给过,百度一番也没找到结果。可能OpenJML只是单纯不支持这个。

2.JMLUnitNG

JMLUnitNG是一种针对类自动生成测试文件的工具。听起来很方便,很自动化,但部署过程实在一言难尽...耗时又耗力,其中总是报各种错误,好在最后还是能勉强使用了

  • 官网上下载jmlnitng的jar包
  • 创建文件夹test,将待检测的java文件放在test文件夹下,以一个简单的比较函数为例:
package test;

public class Test {
    /*@ public normal_behaviour
    @ ensures \result == num1 - num2;
    */

    public static int compare(int num1, int num2) {
        return num1 - num2;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        compare(233333, 2333);
    }   
}
  • java -jar jmlunitng.jar test/Test.java生成测试文件,这一步之后文件夹中会生成如下文件:

技术图片

  • javac -cp jmlunitng.jar test/Test_JML_Test.java编译测试文件,这一步后文件夹变成下面的样子:

技术图片

  • javac -cp jmlunitng.jar test/Test.java编译源文件

  • java -cp jmlunitng.jar test/Test_JML_Test进行测试,结果如下:

技术图片

一些使用注意事项:

  • 需要用jdk8,否则各种报错
  • 注意java文件中包名

由上述结果可以看出,JMLUnitNG主要是通过构造一些边界数据,比如0、+-231-1和null这种数据,来检验方法是否正确。不可否认的是对于一些简易的数值处理类方法,JMLUnitNG可以在短时间内对于边界情况进行排查检验,但说实话,这个工具用起来还是有些鸡肋(也有一部分原因可能是自己没钻研透),就本次作业而言,数据大都是限定在一定范围内,检查边界数据可能用处不是特别明显,而且面对一些复杂的方法使用起来可能不是那么便利。除此之外,部署麻烦也从第一步开始就劝退了不少人使用。不过本人目前对这个工具也只是一知半解,如果日后还能接触JML的话还是有继续学习使用它的必要(下次一定)

三、三次作业构架设计

1、第一次作业

第一次作业是对JML规格的一个入门,目标为实现一个社交关系模拟系统。需要实现的是Person和Network两个类,根据JML实现相应的方法。

  • 由于第一次接触JML,看到规格变量中使用静态数组实现,不太敢使用map之类的容器,最终使用了最简单朴素的ArrayList
  • 添加关系存放acquaintance和value时成对存放,保证同一索引对应的人和value数值是一对的
  • 一些查询类的方法实现基本依照JML来写,即从头遍历
  • 稍微复杂点的函数isCircle通过BFS实现,从id1开始,搜索到id2立即返回true

类图:
技术图片

整体结构并不复杂,三个类即可实现

2、第二次作业

第二次作业增加了一个Group类,同时Network增加了几个与group交互的方法。

  • 为了防止TLE,废弃了之前ArrayList,改用HashMap,存放id-xxxxx键值对,可以省去不少遍历开销
  • 对于一些JML规格描述中需要双层遍历的方法,如getRealationSumgetValueSum,设置缓存,每次向group中添加人或者添加关系时更新这些缓存,调用时直接返回

类图:
技术图片

总体来说比上一次内容多了一点,但实现并不困难。在做第二次作业的过程中发现方法的具体实现不能过于依赖JML的描述,否则有超时的风险,只要保证JML的前置、后置条件和相关的约束,实现方式与JML描述不同也可以。

3、第三次作业

第三次作业增加了求最短路径、连通分量个数以及其他一些方法,最大的不同在于与离散数学知识联系了起来,对于算法的要求提高了不少

  • 对于queryMinPath方法,采用堆优化的dijkstra算法。为此新创建了一个edge类,重写了compareTo方法,存入优先队列保证队首是最短的边
  • 对于queryStrongLinked,方法很暴力,使用dfs,第一次dfs找出所有路径,记录路径上的所有点;第二次枚举这些点,检验将其删去是否影响连通性。虽然实现容易,但最终效率也不高
  • 对于queryBlockSum,采取dfs,标记在同一连通子图中的点

类图:
技术图片

四、Bug及其修复

本单元第一、二次作业平安度过,但第三次作业中由于几个方法算法过于暴力、复杂度较高,导致强测和互测爆炸。
对于这种tle类型的错误,修复起来感觉尤其棘手,因为优化算法绝对不是5行代码能解决的事,不知道大规模改动审核会不会通过。针对超时的问题,目前打算从两方面优化:1.queryMinPath:原本的方法中是找到了所有的距离后才结束,实际上dijkstra算法某一点出列后算出的距离就是最短路径,也就是说找到目标点后即可退出;2.queryStrongLinked:这个方法原本写得我自己都有些看不下去,修复bug使用tarjan是一个方向。

五、心得体会

????本单元我个人对JML的理解是不断变化的。第一次作业的JML规格很容易理解,实际上即使不细想规格的内容照着描述也能写出函数,颇有一种os看着注释补函数的感觉,那时我以为JML就是对java实现过程的一个规格化,即将实现过程用一个标准的语言描述出来,有了JML就能照着写出程序。后来的作业中发现,其实JML对于具体的实现方法限制很小,具体编写主要看自己,这时JML给我编写程序(具体实现过程)的帮助就不那么大了,甚至直接照着JML写有超时风险。感觉它更多的是一种限制作用,即要求编写出来的程序应该满足什么前提、过程和结果满足什么条件等等。这样的话理解JML就十分重要。有了JML的话对于程序的测试也可以依照规格进行,检验执行方法后是否满足各种条件。
????除此之外,感觉最深的就是体验到了真正的离散和数据结构课程。不过还是想吐槽一句作业的重点是不是偏离了。因为即使是后两次作业中,要想理解JML的意图还是较容易的,大家几乎都能理解方法作用和满足条件,倒是在算法方面讨论比较激烈,个人感觉这对于JML的学习帮助不是很明显。感觉作业可以从一些比较复杂的JML规格入手,或者是进行JML规格编写的作业练习(在书写这方面确实感觉还有不足之处)。不过依然要感谢课程组,这单元个人收获还是很大的,不仅学到了JML,也明白了离散数学和算法对于编写程序的重要意义,日后的学习中会更加重视基础,脚踏实地。

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