OO第三单元总结-JML

综述

“人生而自由，却无往不在枷锁之中。”

Java建模语言（JML）是一种行为接口规范语言，可用于指定Java模块的行为。

基于规格来实现程序，能够形式化验证程序的正确性，在检查各个模块时，也可以通过本模块的约束进行检查和验证。

设计策略

首先是关于JML一些语法的理解。行注释的表示方式为 //@annotation，块注释的方式为 /* @ annotation @*/。

requires 子句定义该方法的前置条件(pre-condition)
副作用范围限定，assignable 列出这个方法能够修改的类成员属性，\nothing 是个关键词，表示这个方法不对任何成员属性进行修改
ensures 子句定义了后置条件

以及其他例如任意、存在等表达式。

作业中，构建社交网络。关于如何合理存储相关的信息，由于输入信息中有个一个很重要的唯一的ID，注意到这一点，HashMap具有独特的优势。整体结构如下

Network

需要实现几个比较核心的方法，以及相关数据的存储。正如上文所说，由于独特的ID，所以这里大量使用到HashMap。

people
groups
messages
emojis

均使用HashMap进行管理。

isCircle()

判断两点之间是否连通，关于这个方法，由于第一次作业中数据量不是特别大，采用dfs深度优先搜索进行判断。后续作业中指令条数较大，修改为并查集。

@Override
public /*@pure@*/ boolean isCircle(int id1, int id2) throws PersonIdNotFoundException {
    if (!contains(id1)) {
        throw new MyPersonIdNotFoundException(id1);
    }
    if (!contains(id2)) {
        throw new MyPersonIdNotFoundException(id2);
    }
    if (id1 == id2) {
        return true;
    }
    return isConnected(id1, id2);
}

isConnected抽离出来，主要是为了qbs重复使用，在第二次修改为并查集时也变得更加方便。

queryBlockSum()

查询块数，在判断连通分量时第一次作业也采用dfs，同时记录visited已访问结点，避免重复遍历。（如果没有任何优化，在互测中发现dfs超时的情况），在后两次作业中，通过查找并查集即可得到，时间复杂度迅速下降。

sendIndirectMessage()

间接消息，寻找最短路径算法。

使用迪杰斯特拉算法，并进行堆优化。
新增一个Node类，用于实现Comparable接口。
利用HashSet记录已经访问过的结点，避免重复运算。

Group群聊

这里在记录Person[]数组时，采用冗余存储，分别存储在HahsMap和ArrayList中，以空间换时间，适用于不同方法。

private final HashMap<Integer, Person> people;
private final ArrayList<Person> personArrayList;

不过不同的实现有些不同，这里采用ArrayList主要是为了配合Network里面的一些方法，否则的话使用价值不大。

qureyValueSum()

这个方法需要仔细思考，如果直接把JML翻译过来，实际上是一个二重循环，有很高的风险，在极坏的情况下（稠密），有很高的时间复杂度。

@Override
/*@ ensures \result == (\sum int i; 0 <= i && i < people.length;
@          (\sum int j; 0 <= j && j < people.length &&
@           people[i].isLinked(people[j]); people[i].queryValue(people[j])));
@*/
public /*@pure@*/ int getValueSum() {
    return valueSum;
}

于是采取另一种设计，将valueSum作为一个属性，每一次权值发生改变时进行维护，具体在什么地方呢？由于Network中没有删人的操作，所以只有有人加入群聊、退出群聊、加好友时需要维护。这样一来，虽然有的方法变成了O(n)，但是避免了二重循环。

基于JML规格的测试方法

JML规格实际上也给模块化测试提供了便利，在进行测试时，检查满足前置条件时，整个方法能不能按照规格实现变量assignable，后置条件ensures以及抛出相关异常等。

在验证时，可以利用不变式书写repOK方法进行测试。在验证时调用该方法，检查不变式是否满足。

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    assertEquals(mySet.size(), size);
    assertFalse(mySet.isIn(i));
    mySet.insert(i);
    size++;
    assertTrue(mySet.repOK());
    assertTrue(mySet.isIn(i));
    assertEquals(mySet.size(), size);
}

检查完各个模块之后，尤其是对于比较复杂的结构，还需要看模块之间是否正确。例如在Network中错误使用Group或Person，虽然检查时Network执行正确，但其他结构可能发生错误。

容器选择和使用

正如上文所说，由于Person，Group等具有独特的ID，所以在选择容器时考虑使用HashMap，在数量较大时相对容易管理，查找速度快。然而因为笔者在Network中写了一些操作需要数组形式的配合才更有效率，所以在Group中实际上是冗余存储，备份了ArrayList，变相空间换时间。

其他的例如在记录Visited访问列表时，同样可以利用ID这个属性，使用HashSet存储以缩短查找的时间。

性能问题

没出现性能问题，核心策略是有一些复杂的函数能否降为几个相对简单的小函数，或者改变为更新时维护。

第一次作业

主要性能点在qbs，但由于数据量不是特别大，带visited记录的dfs也能通过。

private boolean dfs(int id1, int id2) {
    Stack<Integer> stack = new Stack<>();
    HashSet<Integer> visited = new HashSet<>();
    int now;
    MyPerson myPerson;

    stack.push(id1);
    while (!stack.isEmpty()) {
        now = stack.pop();
        visited.add(now);
        if (now == id2) {
            return true;
        }
        myPerson = (MyPerson) (people.get(now));
        if (myPerson.getAcquaintance().containsKey(people.get(id2))) {
            return true;
        }
        for (Map.Entry<Person, Integer> entry : myPerson.getAcquaintance().entrySet()) {
            if (!visited.contains(entry.getKey().getId())) {
                stack.push(entry.getKey().getId());
                visited.add(entry.getKey().getId());
            }
        }
    }
    return false;
}

在设计中采用Visited记录已经访问的结点，避免重复搜索以降低复杂度，由于第一次的数据量比较小，所以没有出现性能的问题。

第二次作业

数据量增大，修改qbs方法。去掉原来的dfs，改为并查集，并在加入新的人、关系时维护并查集。这样qbs方法变为O(1)，加人、加关系的复杂度受到维护并查集的时间影响。

另一个比较复杂的是qgvs，如果照搬JML，互测会被hack。还是采取更新时维护的方法，去掉二重循环遍历，在加人、加关系、删人时维护value值，qgvs的性能有极大提升，这三个操作的复杂度上升，但相对来讲可以接受。

第三次作业

sendIndirectMessage，采用堆优化的迪杰斯特拉算法，可以勉强过线。这里如果不用堆优化，或许就有超时的风险。新增类实现Comparable接口，重写compareTo方法。

@Override
public int compareTo(Node o) {
    return distance - o.getDistance();
}

另外再记录已经访问的结点

while (!que.isEmpty()) {
    int uid = que.poll().getId();
    if (visit.contains(uid)) {
        continue;
    }
    // 没访问过，进行...操作，并标记
}

架构设计

MyNetwork，实现Network接口，最外层的结构，实现对外访问的方法。储信息
- Person[]信息
- father[]连通分量信息
- group[]群聊信息
- message[]消息
- emoji[]表情
MyPerson，实现Person接口，进行人员信息的简单管理，内部有一些简单关于属性的访问和修改方法。
MyGroup，实现Group接口，群聊信息的简单管理可以增删改查，年龄的平均值、方差，每次访问时计算。valueSum由于每次计算的复杂度较高，所以作为属性，在每次更新MyGroup时维护该变量。人员的信息采用冗余存储，用HashMap和ArrayList同时存储。

图模型主要由上述三个类就可以构建出来，为了最短路径的效率，新增的配合堆优化的Node类。

posted @ 2021-05-31 12:15 Jareth 阅读(96) 评论(0) 收藏举报

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Jareth