OO第三单元总结

OO第三单元总结

利用JML规格准备测试数据

• 前置条件

  • 构造不满足前置条件的数据测试异常处理

  • 构造满足前置条件的数据测试正确性

• 后置条件和约束条件

  • 用于判断输出结果的正确性

利用JML规格的前置条件构造数据便于对所有可能的情况进行分类讨论，保障了测试数据的覆盖率。但仅用后置条件和约束条件对结果进行判断无法保证结果完全正确，仍需要对拍。此外，对于代码性能的检测也需要额外构造数据。

图模型构建和维护策略

• 构建Edge类，用于表示一条边，包含以下3个属性

  private final int value;  //边的权重
  private final int id1;    //顶点1
  private final int id2;    //顶点2

• 构建Block类，用于表示一个连通块，包含以下2个属性

  private final ArrayList<Integer> people = new ArrayList<>();  //连通块内所有人的id
  private final ArrayList<Edge> edges = new ArrayList<>();      //连通块内所有边

• 在Network中添加属性fatherMap，用于表示每个人的父节点（自身以及所有邻接点中id最小的点）

  HashMap<Integer, Integer> fatherMap = new HashMap<>(); //personId -> fatherId

• 可以通过findRoot找到根节点，每一个Block中所有点具有相同的根节点，因此可以构建HashMap通过根节点找到对应的Block

  private int findRoot(int id) {
      int cur = id;
      while (cur != fatherMap.get(cur)) {
          cur = fatherMap.get(cur);
      }
      return cur;
  }
  ​
  private final HashMap<Integer, Block> blocks = new HashMap<>(); //root -> block

• 每当addPerson时，新建一个Block，将（id, id）添加到fatherMap中

• addRelation时，比较并更新fatherMap，向Block中添加新的Egde，并判断是否需要合并Block

queryLeastConnection

先找到节点所在的Block，然后采用kruskal算法计算最小生成树

public int queryLeastConnection() {
    if (changed) {
        Collections.sort(edges);       //对所有边按权重从小到大排序
        HashMap<Integer, Integer> fatherMap = new HashMap<>();
        leastConnection = 0;
        int edgeNum = 0;   //已经加入的边的数量，最大为people.size - 1
        for (Edge edge : edges) {    //遍历所有边
            int root1 = findRoot(fatherMap, edge.getId1());  //找到两个顶点的根节点
            int root2 = findRoot(fatherMap, edge.getId2());
            if (root1 != root2) {      //保证不构成回路
                if (root1 > root2) {
                    fatherMap.put(root1, root2);
                } else {
                    fatherMap.put(root2, root1);
                }
                leastConnection += edge.getValue();
                edgeNum++;
                if (edgeNum == people.size() - 1) {   //已经构成最小生成树
                    break;
                }
            }
        }
        changed = false;
    }
    return leastConnection;
}

sendIndirectMessage

通过findRoot找到对应的Block，并调用getStep采用Dijkstra算法计算最短路径

public int getStep(PersonClass person1, PersonClass person2) {
    HashMap<Person, Integer> net = new HashMap<>(person1.getAcquaintance());
    //person1所有能到达的节点，以及对应的路径长度
    HashMap<Person, Integer> queue = new HashMap<>(person1.getAcquaintance());
    //未找到最短路径的节点的队列，以及当前到达person1的路径长度
    for (int layer = 0;layer < people.size();layer++) {
        Integer min = null;
        PersonClass target = null;
        for (Person i : queue.keySet()) {    //从queue中寻找离person1最近的节点
            if ((min == null) || (queue.get(i) < min)) {
                min = queue.get(i);
                target = (PersonClass) i;
            }
        }
        assert target != null;
        assert min != null;
        if (target.equals(person2)) {   //找到person2，可以返回
            return net.get(person2);
        }
        queue.remove(target);   //从queue中删除已经找到最短路径的节点
        for (Person i : target.getAcquaintance().keySet()) {
            if ((net.get(i) == null) || (net.get(i) > min + i.queryValue(target))) {
            //需要更新路径长度的节点
                net.put(i, min + i.queryValue(target));    //更新路径
                queue.put(i, min + i.queryValue(target));  //加入队列
            }
        }
    }
    return net.get(person2);
}

性能问题

getAgeVar

计算AgeVar时，可以根据每个人年龄的平方和以及平均数得到，在addPerson和delPerson的时候对ageVarSum和ageMeanSum进行更新，降低了getAgeVar的复杂度。但需要注意/表示整除，除法和加法的顺序不同可能会导致结果不同。

public int getAgeVar() {
    if (people.size() == 0) {
        return 0;
    } else {
        int mean = getAgeMean();
        return (ageVarSum - 2 * ageMeanSum * mean + mean * mean * people.size())
                / people.size();
    }
}

queryGroupValueSum

在addPerson和depPerson时，更新group中的valueSum

for (Person i : people) {   //addPerson
    valueSum += i.queryValue(person);
}
for (Person i : people) {   //delPerson
    valueSum -= i.queryValue(person);
}

并在addRelation时遍历所有group，更新valueSum

for (Group group : groups.values()) {
    if (group.hasPerson(people.get(id1)) && group.hasPerson(people.get(id2))) {
    //group中同时包含person1和person2
        ((GroupClass) group).addValue(value);
    }
}

Network扩展

• Advertiser，Producer和Customer接口都继承Person；广告和购买消息继承Message，假设他们为AdMessage和BuyMessage

• 构建Product类，表示一种产品，包含属性id，price（定价）和sales（销量）并保证每种产品的id不同。在Network中增加Product[] products表示各种产品。

• Producer包含Product[] products和int[] number，分别表示生产商生产的产品种类和对应的数量。生产之前需要将Network中对应的产品种类添加到products

• Advertiser只能给acquaintance list中的Producer做广告商，发送特定的广告。且只能发送给acquaintance list中的Customer，AdMessage中包括产品种类product和相应的Producer

• Customer中包含属性Product[] prefer表示顾客偏好的产品种类，顾客购买产品会根据收到的AdMessage，选择匹配prefer的产品种类，向对应的Producer发送BuyMessage，BuyMessage中包含产品种类product和购买数量number

Advertiser发送AdMessage

/*@ public normal_behavior
  @ requires containsMessage(id) && getMessage(id) instanceof AdMessage) &&
  @          getMessage(id).getType() == 0 &&
  @          getMessage(id).getPerson1().isLinked(getMessage(id).getPerson2()) &&
  @          getMessage(id).getPerson1() != getMessage(id).getPerson2() &&
  @          getMessage(id).getPerson1().isLinked(getMessage(id).producer) &&
  @          getMessage(id).producer.contains(getMessage(id).product);
  @ assignable messages;
  @ assignable getMessage(id).getPerson1().socialValue;
  @ assignable getMessage(id).getPerson2().messages, 
  @            getMessage(id).getPerson2().socialValue;
  @ ensures !containsMessage(id) && messages.length == \old(messages.length) - 1 &&
  @         (\forall int i; 0 <= i && i < \old(messages.length) && 
  @             \old(messages[i].getId()) != id;
  @         (\exists int j; 0 <= j && j < messages.length; 
  @             messages[j].equals(\old(messages[i]))));
  @ ensures \old(getMessage(id)).getPerson1().getSocialValue() ==
  @         \old(getMessage(id).getPerson1().getSocialValue()) + 
  @             \old(getMessage(id)).getSocialValue() &&
  @         \old(getMessage(id)).getPerson2().getSocialValue() ==
  @         \old(getMessage(id).getPerson2().getSocialValue()) + 
  @             \old(getMessage(id)).getSocialValue();
  @ also
  @ public exceptional_behavior
  @ signals (MessageIdNotFoundException e) !containsMessage(id) || 
  @          !(getMessage(id) instanceof AdMessage) || 
  @          !(getMessage(id).getType() == 0);
  @ signals (RelationNotFoundException e) containsMessage(id) && 
  @          (getMessage(id) instanceof AdMessage) &&
  @          getMessage(id).getType() == 0 &&
  @          (!getMessage(id).getPerson1().isLinked(getMessage(id).getPerson2()) ||
  @          !getMessage(id).getPerson1().isLinked(getMessage(id).producer))
  @ signals (ProductIdNotFoundException e) containsMessage(id) && 
  @          (getMessage(id) instanceof AdMessage) &&
  @          getMessage(id).getType() == 0 &&
  @          getMessage(id).getPerson1().isLinked(getMessage(id).getPerson2()) &&
  @          getMessage(id).getPerson1() != getMessage(id).getPerson2() &&
  @          getMessage(id).getPerson1().isLinked(getMessage(id).producer) &&
  @          !getMessage(id).producer.contains(getMessage(id).product);
  @*/
public void sendAdMessage(int id) throws
        RelationNotFoundException, MessageIdNotFoundException, 
        ProductIdNotFoundException;

Customer发送BuyMessage

/*@ public normal_behavior
  @ requires containsMessage(id) && getMessage(id).getType() == 0 &&
  @         getMessage(id) instance of BuyMessage &&
  @         getMessage(id).getPerson1 instance of Customer &&
  @         (\exist int i;0 <= i && i < getMessage(id).getPerson1.prefer.length;
  @           getMessage(id).getPerson1.prefer[i] == getMessage(id).product) &&
  @         getMessage(id).getPerson2 instance of Producer &&
  @         (\exist int i;0 <= i && i < getMessage(id).getPerson2.products.length;
  @           getMessage(id).getPerson2.products[i] == getMessage(id).product) &&
  @         (!(\exist Person i; i instance of Advertiser &&
  @           (\exist int j;0 <= j && j < getMessage(id).getPerson1.acquaintance.length;
  @             getMessage(id).getPerson1.acquaintance[j] == i) &&
  @           (\exist int k;0 <= k && k < getMessage(id).getPerson2.acquaintance.length;
  @             getMessage(id).getPerson2.acquaintance[k] == i)) ||
  @         getMessage(id).getPerson2.getProductNum(getMessage(id).product) < 
  @           getMessage(id).num ||
  @         getMessage(id).getPerson1.money < getMessage(id).product.price);
  @ ensures \result == -1;
  @ also
  @ public normal_behavior
  @ requires containsMessage(id) && getMessage(id).getType() == 0 &&
  @         getMessage(id) instance of BuyMessage &&
  @         getMessage(id).getPerson1 instance of Customer &&
  @         (\exist int i;0 <= i && i < getMessage(id).getPerson1.prefer.length;
  @           getMessage(id).getPerson1.prefer[i] == getMessage(id).product) &&
  @         getMessage(id).getPerson2 instance of Producer &&
  @         (\exist int i;0 <= i && i < getMessage(id).getPerson2.products.length;
  @           getMessage(id).getPerson2.products[i] == getMessage(id).product) &&
  @         (\exist Person i; i instance of Advertiser &&
  @           (\exist int j;0 <= j && j < getMessage(id).getPerson1.acquaintance.length;
  @             getMessage(id).getPerson1.acquaintance[j] == i) &&
  @           (\exist int k;0 <= k && k < getMessage(id).getPerson2.acquaintance.length;
  @             getMessage(id).getPerson2.acquaintance[k] == i)) &&
  @         getMessage(id).getPerson2.getProductNum(getMessage(id).product) >=
  @           getMessage(id).num &&
  @         getMessage(id).getPerson1.money >= getMessage(id).product.price;
  @ assignable messages, getMessage(id).product;
  @ assignable getMessage(id).getPerson1().socialValue, 
  @            getMessage(id).getPerson1().money;
  @ assignable getMessage(id).getPerson2().messages, getMessage(id).getPerson2().money,
  @            getMessage(id).getPerson2().socialValue;
  @ ensures !containsMessage(id) && messages.length == \old(messages.length) - 1 &&
  @         (\forall int i; 0 <= i && i < \old(messages.length) && 
  @             \old(messages[i].getId()) != id;
  @         (\exists int j; 0 <= j && j < messages.length; 
  @             messages[j].equals(\old(messages[i]))));
  @ ensures \old(getMessage(id)).getPerson1().getSocialValue() ==
  @         \old(getMessage(id).getPerson1().getSocialValue()) + 
  @             \old(getMessage(id)).getSocialValue() &&
  @         \old(getMessage(id)).getPerson2().getSocialValue() ==
  @         \old(getMessage(id).getPerson2().getSocialValue()) + 
  @             \old(getMessage(id)).getSocialValue();
  @ ensures (\forall int i; 0 <= i && i < 
  @          \old(getMessage(id).getPerson2().getMessages().size());
  @          \old(getMessage(id)).getPerson2().getMessages().get(i+1) == 
  @             \old(getMessage(id).getPerson2().getMessages().get(i)));
  @ ensures 
  @ \old(getMessage(id)).getPerson2().getMessages().get(0).equals(\old(getMessage(id)));
  @ ensures \old(getMessage(id)).getPerson2().getMessages().size() == 
  @             \old(getMessage(id).getPerson2().getMessages().size()) + 1;
  @ ensures (\old(getMessage(id)).getPerson1().getMoney() ==
  @             \old(getMessage(id).getPerson1().getMoney()) - 
  @                 \old(getMessage(id)).product.price * \old(getMessage(id).num);
  @ ensures (\old(getMessage(id)).getPerson2().getMoney() ==
  @             \old(getMessage(id).getPerson2().getMoney()) + 
  @                 \old(getMessage(id)).product.price * \old(getMessage(id).num);
  @ ensures \old(getMessage(id)).product.sales += \old(getMessage(id).num;
  @ also
  @ public exceptional_behavior
  @ signals (MessageIdNotFoundException e) !containsMessage(id) ||
  @         getMessage(id).getType() != 0 ||
  @         !getMessage(id) instance of BuyMessage ||
  @         !getMessage(id).getPerson1 instance of Customer ||
  @         !(\exist int i;0 <= i && i < getMessage(id).getPerson1.prefer.length;
  @           getMessage(id).getPerson1.prefer[i] == getMessage(id).product) ||
  @         !getMessage(id).getPerson2 instance of Producer
  @ signals (ProductIdNotFoundException e) containsMessage(id) && 
  @         getMessage(id).getType() == 0 &&
  @         getMessage(id) instance of BuyMessage &&
  @         getMessage(id).getPerson1 instance of Customer &&
  @         (\exist int i;0 <= i && i < getMessage(id).getPerson1.prefer.length;
  @           getMessage(id).getPerson1.prefer[i] == getMessage(id).product) &&
  @         getMessage(id).getPerson2 instance of Producer &&
  @         !(\exist int i;0 <= i && i < getMessage(id).getPerson2.products.length;
  @           getMessage(id).getPerson2.products[i] == getMessage(id).product)
  @*/
public int sendIndirectMessage(int id) throws
        MessageIdNotFoundException, ProductIdNotFoundException;

查询销售额

/*@ public normal_behavior
  @ requires (\exists int i; 0 <= i && i < productIdList.length; productIdList[i] == id);
  @ ensures (\exists int i; 0 <= i && i < productIdList.length; productIdList[i] == id &&
  @          \result == productIdList[i].price * productIdList[i].sales);
  @ also
  @ public exceptional_behavior
  @ requires !(\exists int i; 0 <= i && i < productIdList.length; 
  @             productIdList[i] == id);
  @ signals_only ProductIdNotFoundException;
  @*/
public /*@ pure @*/ int querySales(int id) throws ProductIdNotFoundException;

 

学习体会

本单元主要学习了基本的JML规格，JML准确地定义了数据和方法的设计要求，从而可以通过逻辑方式来验证代码的正确性。数据的规格与数据的具体实现方式无关，因此仍然需要选择合适的容器存数据。JML在表示某些复杂的情况时，可能会比较繁琐，例如queryLestConnection中求最小生成树，需要花很长时间理解，同时编写这类JML时也需要思路非常清晰。其中为了便于表述，定义了subgroup和connection来描述最小生成树的特征，而非从直观的角度表示最小生成树。queryBlockSum的情况也类似。自然语言中对连通块和最小生成树的定义使用了很多已经定义过的概念，而JML语言中不支持定义，因此自然语言和JML表示有所不同。此时，使用自然语言更加便于理解。

但在写第四单元的作业时，我也认识到了JML的好处。自然语言中对方法的表述可能有歧义，通常也不会覆盖所有情况，可能导致理解有误。这种时候就需要JML对方法的正确性进行准确的定义。