貓頭鷹的深夜翻譯：在JVM上根據合約編程

whatsns 發布于2019-08-15 14:40 / 2216人閱讀

摘要：前言這周我準備介紹一個有趣的但是很少使用的方法按照合約編程，又稱為合約編程，是一種軟件設計的方法。這些規則被稱為合約，可以比擬為商業合同中的條件和義務。通過將檢查和異常拋出指令包裝到方法中，人們可以很容易地實現合約式編程。

前言

這周我準備介紹一個有趣的但是很少使用的方法

按照合約編程，又稱為合約編程，是一種軟件設計的方法。它規定了軟件設計師應該為軟件組件定義正式，精確和可驗證的接口規范，將常規的抽象數據類型擴展為前置條件，后置條件和不變量。這些規則被稱為合約，可以比擬為商業合同中的條件和義務。
— Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki...

本質上它使得計算盡快的因為錯誤而失敗。如果從假設條件開始就不滿足，那么沒有必要繼續運行代碼。

讓我們使用兩個銀行之間的轉賬操作作為例子說明。以下是一些條件：

前置條件：

轉賬的數額必須大于0

不變量：

轉出的銀行賬號的余額必須為正

轉賬之后：

源銀行賬戶余額必須等于初始余額減去轉賬金額

目標銀行賬戶余額必須等于初始余額加轉移金額

簡單的實現

可以手動實現前置條件后置條件：

public void transfer(Account source, Account target, BigDecimal amount) {
    if (amount.compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0) {
        throw new IllegalArgument("Amount transferred must be higher than zero (" + amount + ")";
    }
    if (source.getBalance().compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0) {
        throw new IllegalArgument("Source account balance must be higher than zero (" + source.getBalance() + ")";
    }
    source.transfer(target, amount);
    if (source.getBalance().compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0) {
        throw new IllegalState("Source account balance must be higher than zero (" + source.getBalance() + ")";
    }
    // Other post-conditions...
}

寫起來非常麻煩，而且很難閱讀。

檢查不變式翻譯為既檢查前提條件又檢查后置條件

Java語言實現

你可能已經通過assert關鍵字熟悉了前置條件和后置條件：

public void transfer(Account source, Account target, BigDecimal amount) {
    assert (amount.compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0);
    assert (source.getBalance().compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0);
    source.transfer(target, amount);
    assert (source.getBalance().compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0);
    // Other post-conditions...
}

Java語言實現有幾個問題：

前置條件和后置條件沒有區別

需要使用-ea標記啟動

Oracle的文檔明確說明：

雖然assert構造不是一個完整的合約編程工具，但它可以幫助支持非正式的按照合約設計的編程風格。

其它的Java語言實現

自從Java 8之后，Objects類的三個方法提供了對合約式編程的部分支持：

public static T requireNonNull(T obj)

public static T requireNonNull(T obj, String message)

public static T requireNonNull(T obj, Supplier messageSupplier)

最后一個方法中的Supplier參數返回錯誤信息

所有的3個方法都會在obj為null的時候拋出NullPointerException。更有意思的是，他們都會在obj不是null的時候返回該對象。從而導致了以下風格的代碼：

public void transfer(Account source, Account target, BigDecimal amount) {
    if (requireNonNull(amount).compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0) {
        throw new IllegalArgument("Amount transferred must be higher than zero (" + amount + ")";
    }
    if (requireNonNull(source).getBalance().compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0) {
        throw new IllegalArgument("Source account balance must be higher than zero (" + source.getBalance() + ")";
    }
    source.transfer(target, amount);
    if (requireNonNull(source).getBalance().compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0) {
        throw new IllegalState("Source account balance must be higher than zero (" + source.getBalance() + ")";
    }
    // Other post-conditions...
}

不僅功能有限，而且并不能真正提高可讀性，特別是如果添加錯誤消息參數的時候。

特定框架的實現

Spring框架提供了Assert類并支持大量的條件驗證方法。

根據我們自己簡單的實現，前置條件不符合會拋出IllegalArgumentException，而后置條件不符合會拋出IllegalStateException。

維基百科頁面還列出了幾個專用于按合同進行編程的框架：

OVal

Contracts for Java

Java Modeling Language

Bean Validation

valid4j

上面的框架大多數基于注解。

注解的優點和缺點

讓我們從優點開始：注釋使條件更加明顯。

而另一方面，它們也有以下缺陷：

它們需要在編譯時或運行時進行字節碼操作

它們要么：

范圍有限（比如@email）

或者委托給一個外部的語言，該語言被配置為注釋字符串屬性，違背了類型安全

Kotlin的方法

Kotlin的合約編程基于簡單的方法調用，位于Preconditions.kt文件中

require類型的方法會判斷前置條件并且在不符合時拋出IllegalArgumentException

type類型的方法會判斷后置條件并且在不符合時拋出IllegalStateException

使用Kotlin重寫后的方法如下：

fun transfer(source: Account, target: Account, amount: BigDecimal) {
    require(amount <= BigDecimal.ZERO)
    require(source.getBalance() <= BigDecimal.ZERO)
    source.transfer(target, amount);
    check(source.getBalance() <= BigDecimal.ZERO)
    // Other post-conditions...
}

總結

在通常情況下，越簡單越好。通過將檢查和異常拋出指令包裝到方法中，人們可以很容易地實現合約式編程。盡管在Java中沒有這種即拆即用的封裝，valid4j和Kotlin都提供了這種實現。

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