Pochuvstvuy klass

776 Pages·2011·8.392 MB·Russian

by  Мейер Б.

ПОЧУВСТВУЙ
КЛАСС
Bertrand Meyer
TOUCH OF CLASS
Learning to Programm Well
with Objects and Contracts
Бертран Мейер
ПОЧУВСТВУЙ
КЛАСС
Учимся программировать хорошо
с объектами и контрактами
Перевод с английского
под редакцией к.т.н. В.А. Биллига
Национальный Открытый БИНОМ.
Университет «ИНТУИТ» Лаборатория знаний
www.intuit.ru www.lbz.ru
Москва
2011
УДК 004.42(07)
ББК 32.973.26-018я7
М45
Мейер Б.
М45 Почувствуй класс / Мейер Б.; пер. с англ. под ред. В.А. Биллига.—М.:
Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ»: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2011. —775 с.: ил., табл.
ISBN 978-5-9963-0573-5
В книге обобщен многолетний опыт обучения программированию в ETH, Цюрих. В ней
удачно сочетаются три грани, характерные для профессионального программирования, – наука,
искусство и инженерия. Она в первую очередь ориентирована на студентов, обучающихся в обла-
сти информационных технологий, и их преподавателей, но представляет несомненный интерес
для всех программистов, создающих программный продукт высокого качества.
В книге излагаются основы объектно-ориентированного программирования (ООП). Осо-
бое внимание уделяется корректности программ за счет введения контрактов – предусловий, по-
стусловий методов класса, инвариантов классов. Глубоко и подробно рассматриваются такие меха-
низмы ООП, как наследование и универсальность. Изучаются алгоритмы и структуры данных –
массивы, кортежи, списки, хэш-таблицы, различные виды распределителей, деревья. Подробно
рассматриваются рекурсивные алгоритмы и рекурсивные структуры данных. Даются основы
лямбда-исчисления и вводятся агенты, поддерживающие функциональный тип данных.
Язык Eiffel используется как рабочий язык программирования.
Книга содержит предисловие и шесть частей. Шестая часть содержит пять приложений, в
которых дается сравнительный анализ языков программирования – Java, C#, C++, C.
УДК 004.42(07)
ББК 32.973.26-018я7
Полное или частичное воспроизведение или размножение каким-либо способом, в том числе
и публикация в Сети, настоящего издания допускается только с письменного разрешения
Национального Открытого Университета «ИНТУИТ».
По вопросам приобретения обращаться:
«БИНОМ. Лаборатория знаний»
Телефон [phone],
e-mail: [email protected], http://www.Lbz.ru
© Springer Verlag, 2009
© Мейер Б., 2011
© Русский перевод.
Национальный Открытый
ISBN 978-5-9963-0573-5 Университет «ИНТУИТ», 2011
Об авторе
Бертран Мейер, став преемником Николаса Вирта, с 2003 года возглавляет знаменитую кафе-
дру Software Engineering в ETH, Цюрих, – в одном из старейших университетов Европы. Он
автор языка Eiffel, основатель и научный руководитель фирмы Eiffel Software (www.eiffel.com).
Бертран Мейер внес неоценимый вклад в развитие теории, практики и технологии объ-
ектно-ориентированного программирования. За свою книгу Object-Oriented Software
Construction, которая по праву считается библией ОО-программирования, он получил пре-
мию JOLT. За заслуги в этой области стал первым лауреатом престижной премии Дала-Ни-
гарда (авторов первого ОО языка – Симулы).
Технология «проектирования по контракту» (Design by Contract), предложенная Бертра-
ном Мейером и в полной мере реализованная в языке Eiffel и в среде разработки EiffelStudio,
оказала серьезное влияние на повышение общего качества программных продуктов в совре-
менной индустрии ПО.
Бертран Мейер – автор многочисленных научных работ, серии книг (три его книги пере-
ведены на русский язык), организатор конференций, редактор журнала по ООП, лауреат
премий ACM, Mills и других.
Давняя дружба связывает его с Российским программистским сообществом. В молодые
годы он проходил стажировку в Академгородке у А.П. Ершова, является почетным доктором
Санкт-Петербургского государственного университета ИТМО.
В предлагаемой читателю книге обобщен опыт восьмилетнего обучения программирова-
нию в ETH. Как сформулировал автор, цель этой книги – не просто дать основы инженерии
программ и получить опыт создания работающих программ, но показать красоту принци-
пов, методов, алгоритмов, структур данных и других определяющих дисциплину
инструментов. И, может быть, самая главная цель – привить чувство, заставляющее вас де-
лать не просто хорошее ПО, а выдающееся, и стремление создавать программы высочай-
шего качества.
Оглавление
Доступные ресурсы 13
Предисловие редактора перевода 15
Так учат в ETH 15
Предисловие автора к русскому изданию 18
Предисловия 20
Предисловие для студентов 21
Программное обеспечение (ПО, software) повсюду 21
Любительская и профессиональная разработка ПО 22
Предшествующий опыт 22
Современная технология ПО 23
Объектно-ориентированное конструирование ПО 24
Формальные методы 24
Учимся, создавая 24
От потребителя к поставщику 25
Абстракция 26
Цель: качество 26
Предисловие для преподавателей 28
Вызовы первого курса 28
Извне – Внутрь: Обращенный учебный план 31
Выборы технологий 34
Насколько формально? 40
Другие подходы 41
Покрытие тем 42
Благодарности 44
Литература 47
Заметки для преподавателей: что читать студентам? 48
Оглавление 7
Часть I Основы 51
1 Индустрия чистых идей 51
1.1. Их машины и наши 51
1.2. Общие установки 53
1.3. Ключевые концепции, изученные в этой главе 59
2 Работа с объектами 62
2.1. Текст класса 62
2.2. Объекты и вызовы 64
2.3. Что такое объект? 70
2.4. Методы с аргументами 74
2.5. Ключевые концепции, изученные в этой главе 76
3 Основы структуры программ 79
3.1. Операторы (instructions) и выражения 79
3.2. Синтаксис и семантика 80
3.3. Языки программирования, естественные языки 81
3.4. Грамматика, категории, образцы 82
3.5. Вложенность и структура синтаксиса 83
3.6. Абстрактные синтаксические деревья 84
3.7. Лексемы и лексическая структура 86
3.8. Ключевые концепции, изученные в этой главе 88
4 Интерфейс класса 90
4.1. Интерфейсы 90
4.2. Классы 92
4.3. Использование класса 93
4.4. Запросы 97
4.5. Команды 101
4.6. Контракты 102
4.7. Ключевые концепции, изученные в этой главе 108
5 Немного логики 111
5.1. Булевские операции 112
5.2. Импликация 120
5.3. Полустрогие булевские операции 124
5.4. Исчисление предикатов 128
5.5. Дальнейшее чтение 133
5.6. Ключевые концепции, изучаемые в этой главе 133
6 Создание объектов и выполняемых систем 138
6.1. Общие установки 138
6.2. Сущности и объекты 140
6.3. VOID-ссылки 141
6.4. Создание простых объектов 147
6.5. Процедуры создания 151
6.6. Корректность оператора создания 155
8 Почувствуй класс
6.7. Управление памятью и сборка мусора 157
6.8. Выполнение системы 158
6.9. Приложение: Избавление от void-вызовов 164
6.10. Ключевые концепции, изучаемые в этой главе 165
7 Структуры управления 167
7.1 Структуры для решения задач 167
7.2. Понятие алгоритма 168
7.3. Основы структур управления 172
7.4. Последовательность (составной оператор) 174
7.5. Циклы 178
7.6. Условные операторы 196
7.7. Низкий уровень: операторы перехода 203
7.8. Исключение GOTO и структурное
программирование 206
7.9. Вариации базисных структур управления 211
7.10. Введение в обработку исключений 218
7.11. Приложение: Пример удаления GOTO 223
7.12. Дальнейшее чтение 225
7.13. Ключевые концепции, изучаемые в этой главе 226
8 Подпрограммы, функциональная абстракция,
скрытие информации 229
8.1. Выводимость «снизу вверх» и «сверху вниз» 229
8.2. Подпрограммы как методы (routines as features) 230
8.3. Инкапсуляция (скрытие) функциональной
абстракции 231
8.4. Анатомия объявления метода 232
8.5. Скрытие информации 234
8.6. Процедуры против функций 236
8.7. Функциональная абстракция 236
8.8. Использование методов 237
8.9. Приложение: Доказательство неразрешимости
проблемы остановки 238
8.10. Дальнейшее чтение 240
8.11. Ключевые концепции, изученные в этой главе 240
9 Переменные, присваивание и ссылки 242
9.1. Присваивание 243
9.2. Атрибуты 250
9.3. Виды компонентов класса (features) 256
9.4. Сущности и переменные 260
9.5. Ссылочное присваивание 262
9.6. Программирование со ссылками 265
9.7. Ключевые концепции, изучаемые в этой главе 276
Часть II Как все устроено 279
10 Немного об аппаратуре 279
10.1. Кодирование данных 280
10.2. О памяти 287
Оглавление 9
10.3. Команды компьютера 292
10.4. Закон Мура и эволюция компьютеров 294
10.5. Дальнейшее чтение 294
10.6. Ключевые концепции, изученные в этой главе 295
11 Описание синтаксиса 298
11.1. Роль БНФ 298
11.2. Продукции 302
11.3. Использование БНФ 306
11.4. Описание абстрактного синтаксиса 309
11.5. Превращение грамматики в анализатор 311
11.6. Лексический уровень и регулярные автоматы 311
11.7. Дальнейшее чтение 318
11.8. Ключевые концепции, изучаемые в этой главе 318
12 Языки программирования и инструментарий 320
12.1. Стили языков программирования 321
12.2. Компиляция против интерпретации 329
12.3. Основы компиляции 334
12.4. Верификация и проверка правильности 340
12.5. Текстовые редакторы на этапах проектирования
и программирования 340
12.6. Управление конфигурацией 342
12.7. Репозиторий проекта «в целом» 349
12.8. Просмотр и документирование 349
12.9. Метрики 350
12.10. Интегрированная среда разработки 350
12.11. IDE: EiffelStudio 351
12.12. Ключевые концепции, введенные в этой главе 356
Часть III Алгоритмы и структуры данных 358
13 Фундаментальные структуры данных,
универсальность и сложность алгоритмов 358
13.1. Статическая типизация и универсальность 359
13.2. Контейнерные операции 365
13.3. Оценка алгоритмической сложности 370
13.4. Массивы 373
13.5. Кортежи 381
13.6. Списки 383
13.7. Связные списки 391
13.8. Другие варианты списков 398
13.9. Хеш-таблицы 401
13.10. Распределители 407
13.11. Стеки 409
13.12. Очереди 416
13.13. Итерирование структуры данных 418
13.14. Другие структуры 420
13.15. Дальнейшее чтение 420
10 Почувствуй класс
13.16. Ключевые концепции этой главы 421
14 Рекурсия и деревья 423
14.1. Основные примеры 424
14.2. Ханойская башня 429
14.3. Рекурсия как стратегия решения задач 433
14.4. Бинарные деревья 434
14.5. Перебор с возвратами и альфа-бета 446
14.6. От циклов к рекурсии 455
14.7. Понимание рекурсии 457
14.8. Контракты рекурсивных программ 466
14.9. Реализация рекурсивных программ 468
14.10. Ключевые концепции, рассмотренные
в этой главе 479
15 Проектирование и инженерия алгоритма:
топологическая сортировка 484
15.1. Постановка задачи 484
15.2. Основы топологической сортировки 487
15.3. Практические соображения 495
15.4. Базисный алгоритм 502
15.5. Уроки 515
15.6. Ключевые концепции этой главы 518
15.7. Приложение. Терминологические замечания
об отношениях порядка 519
Часть IV Объектно-ориентированные приемы
программирования 522
16 Наследование 522
16.1. Такси и транспортные средства 524
16.2. Полиморфизм 528
16.3. Динамическое связывание 532
16.4. Типизация и наследование 533
16.5. Отложенные классы и компоненты 535
16.6. Переопределение 540
16.7. За пределами скрытия информации 543
16.8. Беглый взгляд на реализацию 544
16.9. Что происходит с контрактами? 549
16.10. Общая структура наследования 554
16.11. Множественное наследование 555
16.12. Универсальность плюс наследование 561
16.13. Обнаружение фактического типа 565
16.14. Обращение структуры: посетители и агенты 571
16.15. Дальнейшее чтение 578
16.16. Ключевые концепции этой главы 578
17 Операции как объекты: агенты и лямбда-исчисление 583
17.1. За пределами двойственности 583