面向对象第三单元总结

面向对象第三单元总结

第三单元的重点是JML语言和规格。三次作业都采用了形式化的语言进行描述。

1.JML语言的理论基础、应用工具链

• 理论基础

  ​ 定义：JML(Java Modeling Language)是用于对Java程序进行规格化设计的一种表示语言。JML是一种行为接口规格语言（Behavior Interface Specification Language，BISL），基于Larch方法构建。BISL提供了对方法和类型的规格定义手段。所谓接口即一个方法或类型外部可见的内容。

• 基本语法及关键词

关键词	含义	例子
\result	表示一个非 void 类型的方法执行所获得的结果，即方法执行后的返回值	ensures \result == false；
\old(expr)	表示一个表达式expr在相应方法执行前的取值，该表达式涉及到评估expr中的对象是否发生变化	ensures \old(getGroup(id2).people.length) == getGroup(id2).people.length + 1;
\not_assigned(x,y,...)	用来表示括号中的变量是否在方法执行过程中被赋值。如果没有被赋值，返回为true ，否则返回 false	(\forall int i; 0 <= i < groups.length; \not_assigned(groups[i]));
\not_modified(x,y,...)	该表达式限制括号中的变量在方法执行期间的取值未发生变化
\nonnullelements(container)	表示container对象中存储的对象不会有null	public instance model non_null Person[] people;
\type(type)	返回类型type对应的类型(Class)
\typeof(expr)	该表达式返回expr对应的准确类型
\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的约束。	(\forall int i; 0 <= i && i < acquaintance.length; acquaintance[i].getId() != person.getId());
\exists	存在量词修饰的表达式，表示对于给定范围内的元素，存在某个元素满足相应的约束。	(\exists int i; 0 <= i && i < acquaintance.length; acquaintance[i].getId() == person.getId());
\sum	返回给定范围内的表达式的和	(\sum int j; 0 <= j && j < people.length && people[i].isLinked(people[j]); people[i].queryValue(people[j])));
\product	返回给定范围内的表达式的连乘结果
\max	返回给定范围内的表达式的最大值
\min	返回给定范围内的表达式的最小值
requires	前置条件，对方法输入参数的限制	requires contains(id1) && contains(id2) && id1 == id2;
ensures	后置条件	ensures \result == true;
public normal_behavior	正常行为
public exception_behavior	异常行为
signals (Exception e) b_expr	强调满足某个条件抛出相应异常	signals (PersonIdNotFoundException e) !contains(id1) || !contains(id2);

• 工具链

  openjml：使用SMT Solver来对检查程序实现是否满足所设计的规格。
  jmlunitng：根据规格自动化生成测试样例，进行单元测试。

2.部署openjml并验证

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​ 在本地运行了openjml后出现了一些版本问题，最后没有解决，只是出现了报错的现象。

3.部署jmlunitng并验证

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​ 可以看出，jmlunitng主要是对各个方法参数的边界情况进行测试，如int型参数的最大值和最小值，以及其他引用的null值等等。

4.架构设计

• 第一次作业
  第一次作业我完全按照规格进行书写，但是对于复杂度的计算出现了错误，在iscircle方法中没有采用数组标记的方法，导致超时。这次作业的容器基本都是采用Arraylist。

• 第二次作业
  第二次作业我修改了很多模块的代码，但是对于复杂度的掌握还是没有达标。首先我将容器全部改为Hashmap，减少查询所需的时间，其次优化了iscircle方法。但是我没有设计关于grouprelationsum和groupConflictSum等的暂存变量，所以每次查询都需要遍历，相当耗费时间，以致超时。

• 第三次作业
  第三次作业在保证代码正确性的情况下，我尽量提高了性能。我把iscircle方法调整为采用并查集的方式进行查询。对于queryMinPath方法，我采用了优化的dijkstra算法。对于queryStrongLinked方法，我采用了每次mask一个点寻找路径，以此查看是否有关键点的方法。

5.bug以及修复

• 第一次作业
  在找出bug所在后，在iscircle方法中加入了Hashset以进行标记，解决了超时的问题。

• 第二次作业
  将group类中getConflictSum、getValueSum、getAgeMean、getAgeVar方法改为查询已经计算好的暂存值。在addperson方法中加入计算的过程。

• 第三次作业
  虽然强测没有错误，但是在完成作业时，queryStrongLinked方法出现了很多问题。最开始采用的tarjan算法，由于我理解不透彻，得出了错误的答案。然后我改为了双dfs，发现算法本身有问题，最后才改为寻找关键点的算法。

6.心得体会

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​ jml规格非常适用于需求方向程序员提供要求。形式化的语言可以精准描述出类或者函数的作用。良好的契约性使得设计和实现恰当地分离，同时，形式化语言也为形式化验证提供了非常好的基础。在出现bug时，可以比较容易分辨出到底是设计的问题还是实现的问题。
​ jml规格只是提供了一种方式或者是所要达成的目的，而不是唯一途径。所以在书写代码时，要先理解其意图，再通过好的手段进行实现。
​ jml的格式比较严格，在书写时稍显不便，而且对于复杂逻辑的描述很容易出现问题。因此，我认为自动化辅助书写jml工具是必要的。
​ 我更倾向于使用jml规格、解释性注释和说明文档结合的方式说明代码目的和意图。