Компоненты-операции
Компоненты-операции
Рассмотрение выражения:
x + a
приводит к важному понятию компонента-операции (operator feature). Это понятие может восприниматься как чисто косметическое, имеющее только синтаксическую значимость, и реально не вносящее ничего нового в ОО-метод. Но именно такие синтаксические свойства способны существенно облегчить жизнь разработчика, если они существуют, и сделать ее убогой, если их нет. Компоненты-операции являются хорошим примером успешного использования ОО-парадигмы в давно известных областях.
Для реализации этой идеи нужно догадаться, что выражение x + a содержит не один вызов (компонента x), а два. В вычислениях, не использующих объектный подход, + рассматривается как операция сложения двух значений x и a типа REAL. Как уже отмечалось, в чистой ОО-модели единственным механизмом вычислений является вызов компонентов. Следовательно, можно считать, по крайней мере теоретически, что и сложение является вызовом соответствующего компонента.
Для лучшего понимания необходимо обсудить определение типа REAL. Сформулированное ранее объектное правило (лекция 7) подразумевает, что каждый тип основан на каком-то классе. Это в равной мере относится к предопределенным классам, аналогичным REAL, и к классам, определенным разработчиком, таким как POINT. Предположим, что необходимо описать REAL как класс. Нетрудно определить набор существенных компонентов: арифметические операции (сложение, вычитание, изменение знака...), операции сравнения (меньше чем, больше чем...). Итак, первый набросок будет выглядеть так:
indexing
description: "Действительные числа (не окончательная версия!)"
class REAL feature
plus (other: REAL): REAL is
-- Сумма текущего значения и other
do
...
end
minus (other: REAL) REAL is
-- Разность между текущим значением и other
do
...
end
negated: REAL is
-- Текущее значение, взятое с противоположным знаком
do
...
end
less_than (other: REAL): BOOLEAN is
-- Текущее значение меньше чем other?
do
...
end
... Другие компоненты ...
end
При использовании такого описания класса уже нельзя более записывать арифметическое выражение в виде: x + a. Вместо этого надо использовать следующий вызов:
x.plus (a)
По аналогии, вместо привычного -x следует теперь писать x.negated.
Можно попытаться оправдать такой отход от привычной математической нотации стремлением к последовательной реализации ОО-модели и призвать в качестве примера Lisp для обоснования возможности отхода от стандартной нотации в сообществе разработчиков ПО. Но такой аргумент нельзя считать убедительным: использование Lisp было всегда весьма ограниченным. Отход от нотации, существующей уже много столетий и знакомой всем с начальной школы, чрезвычайно опасен. Тем более что в этой нотации нет ничего неправильного.
Простой синтаксический прием позволяет сохранить последовательность подхода (требование унификации вычислительного механизма, основанного на вызове компонент) и обеспечивает совместимость с традиционной нотацией. Достаточно рассматривать выражение вида
x + a
как вызов дополнительного компонента класса REAL. Для реализации такого подхода необходимо переписать компоненту plus таким образом, чтобы для ее вызовов использовать знак операции, а не точечную нотацию. Вот описание класса, реализующее эту цель:
indexing
description: "Real numbers"
class REAL feature
infix "+" (other: REAL): REAL is
-- Сумма текущего значения и other
do
...
end
infix "-" (other: REAL) REAL is
-- Разность между текущим значением и other
do
...
end
prefix "-": REAL is
-- Текущее значение, взятое с противоположным знаком
do
...
end
infix "<" (other: REAL): BOOLEAN is
-- Текущее значение меньше чем other?
do
...
end
... Other features ...
end
Введены два новых ключевых слова - infix и prefix. Единственное синтаксическое новшество заключается в том, что имена компонент не являются идентификаторами (такими как distance или plus), а записываются в одной из двух форм (В следующей лекции будет показано, как определить "развернутый класс". См. "Роль развернутых типов".)
infix "§"
prefix "§"
где § заменяется конкретным знаком операции (+, -, *, <, <= и др.). Компонент может иметь имя в инфиксной форме только если является функцией с одним аргументом, примерами могут служить plus, minus и less_than в первоначальной версии класса REAL. Префиксная форма может использоваться только для функций без аргументов или атрибутов.
Инфиксные и префиксные компоненты, называемые далее компоненты-операции (operator features), используются аналогично именованным компонентам (identifier features). Существуют лишь два синтаксических различия. Для имен компонентов-операций при их объявлении используются формы infix "§" или prefix "§", а не идентификаторы. Вызов компонентов-операций в случае инфиксных компонент имеет вид:
u § v
для префиксных:
§ u
Компоненты-операции поддерживают только квалифицированные вызовы. Неквалифицированный вызов plus (y) в подпрограмме первой версии класса REAL во второй версии должен быть записан в виде Current + y. Для именованных компонентов аналогичная нотация Current.plus (y) допустима, но обычно не используется.
Кроме указанных отличий во всем остальном компоненты-операции полностью синтаксически эквиваленты именованным компонентам, в частности могут наследоваться обычным образом. Не только базовые классы аналогичные REAL, но и любые другие, могут использовать компоненты-операции, например для функции сложения двух векторов в классе VECTOR вполне допустимо использовать инфиксную компоненту "+".
Операции, используемые в компонентах-операциях, должны подчиняться следующим правилам. Знак операции - последовательность из одного или более отображаемых символов, не содержащая пробелов и переводов строки, причем первым символом может быть только один из ниже перечисленных:
+ - a / < > = ^ @ # | &
Ограничения, налагаемые на первый символ, облегчают распознавание инфиксных и префиксных операций.
Кроме того, для совместимости с традиционной нотацией для булевых выражений следующие ключевые слова используются для обозначения операций:
not and or xor and then or else implies
Базовые классы (INTEGER и другие) используют так называемые стандартные операции:
[x]. префиксные: + - not
[x]. инфиксные: + - a / < > <= >= = // \ ^ and or xor and then or else implies .
Здесь // обозначает целочисленное деление, \ - остаток при целочисленном делении, ^ - операцию возведения в степень, xor - исключающее "или". В классе BOOLEAN and then и or else являются вариантами and и or (отличия обсуждаются далее), implies обозначает импликацию: выражение a implies b эквивалентно ( not a ) or else b .Операции, не входящие в число "стандартных", называют свободными операциями. Приведем два примера свободных операций.
[x]. Далее в классе ARRAY будет использован инфиксный компонент-операция "@" для функции, возвращающей указанный элемент массива. Обращение к i-ому элементу массива будет выглядеть как a @ i.
[x]. В класс POINT вместо функции distance можно ввести компонент-операцию "|-|" и расстояние между точками p1 and p2 будет записываться в виде p1 |-| p2, а не как p1.distance(p2).
Все операции имеют фиксированный приоритет, стандартные операции имеют свой обычный приоритет, а все свободные операции обладают более высоким приоритетом.
Использование компонентов-операций позволяет использовать общепринятую нотацию для выражений и одновременно отвечает требованиям полной унификации системы типов. Реализация арифметических и булевых операций как компонентов класса INTEGER вовсе не должна быть причиной снижения производительности. Концептуально a + x является вызовом компонента, но хороший компилятор может создать в результате обработки такого вызова код не менее эффективный, чем компиляторы C, Pascal, Ada или других языков, в которых "+" это жестко зафиксированная языковая конструкция.
В большинстве случаев мы можем забыть о том, что использование операций в выражениях фактически является вызовом процедур, поскольку конечный эффект будет таким же, как и при традиционном подходе. В то же время приятно сознавать, что и в этом случае не допущено отхода от принципов ОО-подхода.