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深入解析Java的新特性assertion

2019-11-18 14:47:33
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來源:轉載
供稿:網友

內容:

assertion的語法和語義
assertion的設計問題
assertion與繼續
assertion的使用
結論
參考資料
關于作者

歐陽辰(yeekee@sina.com)
周欣(zhouxin@sei.pku.edu.cn)

一assertion的語法和語義

J2SE 1.4在語言上提供了一個新特性,就是assertion(斷言)功能,它是該版本在java語言方面最大的革新。在軟件開發中,assertion是一種經典的調試、測試方式,本文將深入解析assertion功能的使用以及其設計理念,并給出相關的例子 。

assertion(斷言)在軟件開發中是一種常用的調試方式,很多開發語言中都支持這種機制,如C,C++和Eiffel等,但是支持的形式不盡相同,有的是通過語言本身、有的是通過庫函數等。另外,從理論上來說,通過assertion方式可以證實程序的正確性,但是這是一項相當復雜的工作,目前還沒有太多的實踐意義。

在實現中,assertion就是在程序中的一條語句,它對一個boolean表達式進行檢查,一個正確程序必須保證這個boolean表達式的值為true;假如該值為false,說明程序已經處于不正確的狀態下,系統將給出警告或退出。一般來說,assertion用于保證程序最基本、要害的正確性。assertion檢查通常在開發和測試時開啟。為了提高性能,在軟件發布后,assertion檢查通常是關閉的。下面簡單介紹一下Java中assertion的實現。

1.1) 語法表示

在語法上,為了支持assertion,Java增加了一個要害字assert。它包括兩種表達式,分別如下:

assert eXPRession1;
assert expression1: expression2;
在兩種表達式中,expression1表示一個boolean表達式,expression2表示一個基本類型或者是一個對象(Object) ,基本類型包括boolean,char,double,float,int和long。由于所有類都為Object的子類,因此這個參數可以用于所有對象。

1.2) 語義含義

在運行時,假如關閉了assertion功能,這些語句將不起任何作用。假如打開了assertion功能,那么expression1的值將被計算,假如它的值為false,該語句強拋出一個AssertionError對象。假如assertion語句包括expression2參數,程序將計算出expression2的結果,然后將這個結果作為AssertionError的構造函數的參數,來創建AssertionError對象,并拋出該對象;假如expression1值為true,expression2將不被計算。

一種非凡情況是,假如在計算表達式時,表達式本身拋出Exception,那么assert將停止運行,而拋出這個Exception。

1.3) 一些assertion例子

下面是一些Assert的例子。

assert  0 < value;
assert  0 < value:"value="+value;
assert  ref != null:"ref doesn′t equal null";
assert  isBalanced();
1.4) 編譯

由于assert是一個新要害字,使用老版本的JDK是無法編譯帶有assert的源程序。因此,我們必須使用JDK1.4(或者更新)的Java編譯器,在使用Javac命令時,我們必須加上-source 1.4作為參數。-source 1.4表示使用JDK 1.4版本的方式來編譯源代碼,否則編譯就不能通過,因為缺省的Javac編譯器使用JDK1.3的語法規則。

一個簡單的例子如下:

javac -source 1.4 test.java
1.5) 運行

由于帶有assert語句的程序運行時,使用了新的ClassLoader和Class類,因此,這種程序必須在JDK1.4(或者更高版本)的JRE下運行,而不能在老版本的JRE下運行。

由于我們可以選擇開啟assertion功能,或者不開啟,另外我們還可以開啟一部分類或包的assertion功能,所以運行選項變得有些復雜。通過這些選項,我們可以過濾所有我們不關心的類,只選擇我們關心的類或包來觀察。下面介紹兩類參數:

參數 -esa 和 -dsa:
它們含義為開啟(關閉)系統類的assertion功能。由于新版本的Java的系統類中,也使了assertion語句,因此假如用戶需要觀察它們的運行情況,就需要打開系統類的assertion功能 ,我們可使用-esa參數打開,使用 -dsa參數關閉。
-esa和-dsa的全名為-enablesystemassertions和-disenablesystemassertions,全名和縮寫名有同樣的功能。
參數 -ea和-ea:
它們含義為開啟(關閉)用戶類的assertion功能:通過這個參數,用戶可以打開某些類或包的assertion功能,同樣用戶也可以關閉某些類和包的assertion功能。打開assertion功能參數為-ea;假如不帶任何參數,表示打開所有用戶類;假如帶有包名稱或者類名稱,表示打開這些類或包;假如包名稱后面跟有三個點,代表這個包及其子包;假如只有三個點,代表無名包。關閉assertion功能參數為-da,使用方法與-ea類似。
-ea和-da的全名為-enableassertions和-disenableassertions,全名和縮寫名有同樣的功能。
下面表格表示了參數及其含義,并有例子說明如何使用。
參數 例子 說明
-ea java -ea 打開所有用戶類的assertion
-da java -da 關閉所有用戶類的assertion
-ea:<classname> java -ea:MyClass1 打開MyClass1的assertion
-da:<classname> java -da: MyClass1 關閉MyClass1的assertion
-ea:<packagename> java -ea:pkg1 打開pkg1包的assertion
-da:<packagename> java -da:pkg1 關閉pkg1包的assertion
-ea:... java -ea:... 打開缺省包(無名包)的assertion
-da:... java -da:... 關閉缺省包(無名包)的assertion
-ea:<packagename>... java -ea:pkg1... 打開pkg1包和其子包的assertion
-da:<packagename>... java -da:pkg1... 關閉pkg1包和其子包的assertion
-esa java -esa 打開系統類的assertion
-dsa java -dsa 關閉系統類的assertion
綜合使用 java -dsa:MyClass1:pkg1 關閉MyClass1和pkg1包的assertion

其中...代表,此包和其子包的含義。例如我們有兩個包為pkg1和pkg1.subpkg。那么pkg1...就代表pkg1和pkg1.subpkg兩個包。
另外,Java為了讓程序也能夠動態開啟和關閉某些類和包的assertion功能,Java修該了Class和ClassLoader的實現,增加了幾個用于操作assert的API。下面簡單說明一下幾個API的作用。
ClassLoader類中的幾個相關的API:
  setDefaultAssertionStatus:用于開啟/關閉assertion功能
  setPackageAssertionStatus:用于開啟/關閉某些包的assertion功能
  setClassAssertionStatus: 用于開啟/關閉某些類的assertion功能
  clearAssertionStatus:用于關閉assertion功能

二assertion的設計問題

首先,我們認為assertion是必要的。因為,假如沒有統一的assertion機制,Java程序通常使用if-then-else或者switch-case語句進行assertion檢查,而且檢查的數據類型也不完全相同。assertion機制讓Java程序員用統一的方式處理assertion問題,而不是按自己的方式處理。另外,假如用戶使用自己的方式進行檢查,那么這些代碼在發布以后仍然將起作用,這可能會影響程序的性能。而從語言言層次支持assertion功能,這將把assertion對性能帶來的負面影響降到最小。

Java是通過增強一個要害字assert實現支持assertion,而不是使用一個庫函數支持,這說明Java認為assertion對于語言本身來說是非常重要的。實際上,在Java的早期的規范中,Java是能夠支持assert的,但是由于一些實現的限制,這些特性從規范中除去了。因此,assert的再次引入應該是恢復了Java對assert的支持。C語言就是通過Assert.h函數庫實現斷言的支持。

Java的assertion的開啟也和C語言不太一樣,我們都知道在C語言中,assertion的開啟是在編譯時候決定的。當我們使用debug方式編譯程序時候,assertion被開啟,而使用release方式編譯時候,assertion自動被關閉。而Java的assertion卻是在運行的時候進行決定的。其實,這兩種方式是各有優缺點。假如采用編譯時決定方式,開發人員將處理兩種類型的目標碼,debug版本和release版本,這加大了文檔治理的難度,但是提高了代碼的運行效率。Java采用運行時決定的方式,這樣所有的assertion信息將置于目標代碼中,同一目標代碼可以選擇不同方式運行,增強目標代碼的靈活性,但是它將犧牲因為assertion而引起一部分性能損失。Java專家小組認為,所犧牲的性能相當小,因此java采用了運行時決定方式。

另外,我們注重到AssertionError作為Error的一個子類,而不是RuntimeException。關于這一點,專家組也進行了長期的討論。Error代表一些異常的錯誤,通常是不可以恢復的,而RuntimeException強調該錯誤在運行時才發生的特點。AssertionError通常為非常要害的錯誤,這些錯誤往往是不輕易恢復的,而且assertion機制也不鼓勵程序員對這種錯誤進行恢復。因此,為了強調assertion的含義,Java專家小組選擇了讓AssertError為Error的子類。

三assertion與繼續

在本節,我們將考慮assertion與繼續的關系,研究assert是如何定位的。假如開啟一個子類的assertion,那么它的父類的assertion是否執行?

下面的例子將顯示假如一個assert語句在父類,而當它的子類調用它時,該assert為false。我們看看在不同的情況下,該assertion是否被處理。

class Base
{
public void baseMethod()
{
assert false : "Assertion failed:This is base ";// 總是assertion失敗
System.out.println("Base Method");
}
}

class Derived
extends Base
{
public void derivedMethod()
{
assert false: "Assertion failed:This is derive";// 總是assertion失敗
System.out.println( "Derived Method" );
}

public static void main( String[] args )
{
try
{
Derived derived = new Derived();

derived.baseMethod( );

derived.derivedMethod();
}
catch( AssertionError ae )
{
System.out.println(ae);
}
}
}

運行命令 含義 結果
Java Derived 不啟用assertion Base Method
Derived Method
Java -ea Derived 開啟所有assertion Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is base
Java -da Derived 關閉所有assertion Base Method
Derived Method
Java -ea:Base Derived 僅打開Base的assertion Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is base
Java -ea:Derived Derived 僅打開Derived的assertion Base Method
Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is derived

從這個例子我們可以看出,父類的assert語句將只有在父類的assert開啟才起作用,假如僅僅開啟子類的assert,父類的assert仍然不運行。例如,我們執行java -ea:Derived Derived的時候,Base類的assert語句并不執行。因此,我們可以認為,assert語句不具有繼續功能。

四assertion的使用

assertion的使用是一個復雜的問題,因為這將涉及到程序的風格,assertion運用的目標,程序的性質等問題。通常來說,assertion用于檢查一些要害的值,并且這些值對整個程序,或者局部功能的完成有很大的影響,并且這種錯誤不輕易恢復的。assertion表達式應該短小、易懂,假如需要評估復雜的表達式,應該使用函數計算。以下是一些使用assertion的情況的例子,這些方式可以讓java程序的可靠性更高。

檢查控制流; 在if-then-else和swith-case語句中,我們可以在不應該發生的控制支流上加上assert false語句。假如這種情況發生了,assert能夠檢查出來。
例如:x取值只能使1,2,3,我們的程序可以如下表示

switch (x)
{ case 1: …;
case 2: …;
case 3: …
default: assert false:"x value is invalid: "+x;
}

在私有函數計算前,檢查輸入參數是否有效;對于一私有些函數,要求輸入滿足一些特定的條件,那么我們可以在函數開始處使用assert進行參數檢查。對于公共函數,我們通常不使用assertion檢查,因為一般來說,公共函數必須對無效的參數進行檢查和處理。而私有函數往往是直接使用的。
例如:某函數可能要求輸入的參數必須不為null。那么我們可以在函數的一開始加上 assert parameter1!=null : "paramerter is null in test method";
在函數計算后,檢查函數結果是否有效;對于一些計算函數,函數運行完成后,某些值需要保證一定的性質,因此我們可以通過assert檢查該值。
例如,我們有一個計算絕對值的函數,那么我們就可以在函數的結果處,加上一個語句:

assert value>=0:"Value should be bigger than 0:"+value;
通過這種方式,我們可以對函數計算完的結果進行檢查。
檢查程序不變量;有些程序中,存在一些不變量,在程序的運行生命周期,這些不變量的值都是不變的。這些不變量可能是一個簡單表達式,也可能是一個復雜的表達式。對于一些要害的不變量,我們可以通過assert進行檢查。
例如,在一個財會系統中,公司的支出和收入必須保持一定的平衡關系,因此我們可以編寫一個表達式檢查這種平衡關系,如下表示。

private boolean isBalance() {
……
}

在這個系統中,在一些可能影響這種平衡關系的方法的前后,我們都可以加上assert驗證:assert isBalance():"balance is destoried";

五結論

assertion為開發人員提供了一種靈活地調試和測試機制,它的使用也非常簡單、方便。但是,如何規范、系統地使用assertion(非凡是在Java語言中)仍然是一個亟待研究的問題。

參考資料:

JSR 41 A Simple Assertion Facility
http://jcp.org/jsr/detail/41.jsp
Wm. Paul Rogers, J2SE 1.4 premieres Java′s assertion capabilities
http://www.javaworld.com/javaworld/jw-11-2001/jw-1109-assert.Html?
J2SE 1.4 Documents, Programming With Assertions
http://java.sun.com/j2se/1.4/docs/guide/lang/assert.html
John Zukowski, Mastering Java 2, J2SE 1.4

關于作者
歐陽辰,北京大學計算機系碩士畢業,98年起開始研究基于java的軟件開發、測試,參與開發、測試過多個基于Java的應用程序和Web服務項目。聯系方式 yeekee@sina.com
周欣,北京大學計算機系在讀博士生,主要研究方向:程序理解、逆向工程及軟件度量,聯系方式 zhouxin@sei.pku.edu.cn。


--摘自IBM網站
http://www-900.ibm.com/developerWorks/cn/java/l-javaassertion/index.shtml

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