Метод Флойда и утверждения Assert

Лет двадцать назад большие надежды возлагались на формальные методы доказательства правильности программ, позволяющие доказывать корректность программ аналогично доказательству теорем. Реальные успехи формальных доказательств невелики. Построение такого доказательства не проще написания корректной программы, а ошибки столь же возможны и часты, как и ошибки программирования. Тем не менее, эти методы оказали серьезное влияние на культуру проектирования корректных программ, появление в практике программирования понятий предусловия и постусловия, инвариантов и других важных понятий.

Одним из методов доказательства правильности программ был метод Флойда, при котором программа разбивалась на участки, окаймленные утверждениями - булевскими выражениями (предикатами). Истинность начального предиката должна была следовать из входных данных программы. Затем для каждого участка доказывалось, что из истинности предиката, стоящего в начале участка, после завершения выполнения соответствующего участка программы гарантируется истинность следующего утверждения - предиката в конце участка. Конечный предикат описывал постусловие программы.

Схема Флойда используется на практике, по крайней мере, программистами, имеющими вкус к строгим методам доказательства. Утверждения становятся частью программного текста. Само доказательство может и не проводиться: чаще всего у программиста есть уверенность в справедливости расставленных утверждений и убежденность, что при желании он мог бы провести и строгое доказательство. В C# эта схема поддерживается тем, что классы Debug и Trace имеют метод Assert, аргументом которого является утверждение. Что происходит, когда вычисление достигает соответствующей точки и вызывается метод Assert? Если истинно булево выражение в Assert, то вычисления продолжаются, не оказывая никакого влияния на нормальный ход вычислений. Если оно ложно, то корректность вычислений под сомнением, их выполнение

приостанавливается и появляется окно с уведомлением о произошедшем событии, что показано на рис. 23.3.

Рис. 23.3. Нарушение утверждения Assert

В этой ситуации у программиста есть несколько возможностей:

1. • прервать выполнение, нажав кнопку Abort;

2. • перейти в режим отладки (Retry);

3. • продолжить вычисления, проигнорировав уведомление.

В последнем случае сообщение о возникшей ошибке будет послано всем слушателям коллекции TraceListenerCollection.

Рассмотрим простой пример, демонстрирующий нарушение утверждения:

public void WriteToFile()

{

Stream myFile = new

FileStream("TestFile.txt",FileMode.Create,FileAccess.Write);

TextWriterTraceListener myTextListener =

new TextWriterTraceListener(myFile);

int y = Debug.Listeners.Add(myTextListener);

TextWriterTraceListener myWriter =

new TextWriterTraceListener(System.Console.Out);

Trace.Listeners.Add(myWriter);

Trace.AutoFlush = true;

Trace.WriteLine("автоматический вывод из буфера:"

+ Trace.AutoFlush);

int x = 22;

Trace.Assert(x<=21, "Перебор");

myWriter.WriteLine("Вывод только на консоль");

//Trace.Flush();

//Вывод только в файл

byte[] buf = {(byte)'B',(byte)'y'};

myFile.Write(buf,0, 2);

myFile.Close();

}

Как и в предыдущем примере, здесь создаются два слушателя, направляющие вывод отладочных сообщений на консоль и в файл. Когда произошло нарушение утверждения Assert, оно было проигнорировано, но сообщение о нем автоматически было направлено всем слушателям. Метод также демонстрирует возможность параллельной работы с консолью и файлом. На рис. 23.4 показаны результаты записи в файл:

Рис. 23.4. Файл с записью сообщения о нарушении утверждения Assert

Вариацией метода Assert является метод Fail, всегда приводящий к появлению окна с сообщением о нарушении утверждения, проверка которого осуществляется обычным программным путем.

Классы StackTrace и BooleanSwitch

В библиотеке FCL имеются и другие классы, полезные при отладке. Класс StackTrace позволяет получить программный доступ к стеку вызовов. Класс BooleanSwitch предоставляет механизм, аналогичный константам условной компиляции. Он разрешает определять константы, используемые позже в методе условной печати WriteIf классов Debug и Trace. Мощь этого механизма в том, что константы можно менять в файле конфигурации проекта, не изменяя код проекта и не требуя его перекомпиляции.

Отладка и инструментальная среда Visual Studio .Net

Инструментальная среда студии предоставляет программисту самый широкий спектр возможностей слежения за ходом вычислений и отслеживания состояний, в котором находится процесс вычислений. Поскольку все современные инструментальные среды организованы сходным образом и хорошо известны работающим программистам, я позволю себе не останавливаться на описании возможностей среды.

Обработка исключительных ситуаций

Какой бы надежный код ни был написан, сколь бы тщательной ни была отладка, в версии, переданной в эксплуатацию и на сопровождение, при запусках будут встречаться нарушения спецификаций. Причиной этого являются выше упомянутые законы программотехники. В системе остается последняя ошибка, находятся пользователи, не знающие спецификаций, и если спецификацию можно нарушить, то это событие когда-нибудь да произойдет. В таких исключительных ситуациях продолжение выполнения программы либо становится невозможным (попытка выполнить неразрешенную операцию деления на ноль, попытки записи в защищенную область памяти, попытка открытия несуществующего файла, попытка получить несуществующую запись базы данных), либо в возникшей ситуации применение алгоритма приведет к ошибочным результатам.

Что делать при возникновении исключительной ситуации? Конечно, всегда есть стандартный способ - сообщить о возникшей ошибке и прервать выполнение программы. Понятно, что это приемлемо лишь для безобидных приложений; даже для компьютерных игр этот способ не годится, что уж говорить о критически важных приложениях!

В языках программирования для обработки исключительных ситуаций предлагались самые разные подходы.

Обработка исключений в языках C/C++

Для стиля программирования на языке C характерно описание методов класса как булевых функций, возвращающих true в случае нормального завершения метода и

catch (T1 e1) {...}

false - при возникновении исключительной ситуации. Вызов метода встраивался в If-оператор, обрабатывающий ошибку в случае неуспеха завершения метода:

...

catch(Tk ek) {...}

finally {...}

Всюду в тексте модуля, где синтаксически допускается использование блока, этот блок можно сделать охраняемым, добавив ключевое слово try. Вслед за try-блоком могут следовать catch-блоки, называемые блоками-обработчиками исключительных ситуаций, их может быть несколько, они могут и отсутствовать. Завершает эту последовательность finally-блок - блок финализации, который также может отсутствовать. Вся эта конструкция может быть вложенной - в состав try-блока может входить конструкция try-catch-finally.