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深入解析Java的新特性assertion

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深入解析Java的新特性assertion bruce 转贴 更新:2002-06-30 11:40:57 版本: 1.0 来源:IBM dW 欧阳辰(yeekee@sina.com) 周欣(zhouxin@sei.pku.edu.cn) 2002 年 6 月 一、assertion的语法和语义 J2SE 1.4在语言上提供了一个新特性,就是assertion(断言)功能,它是该版本在Java语言方面最大的革新。在软件开发中,assertion是一种经典的调试、测试方式,本文将深入解析assertion功能的使用以及其设计理念,并给出相关的例子 。 assertion(断言)在软件开发中是一种常用的调试方式,很多开发语言中都支持这种机制,如C,C++和Eiffel等,但是支持的形式不尽相同,有的是通过语言本身、有的是通过库函数等。另外,从理论上来说,通过assertion方式可以证明程序的正确性,但是这是一项相当复杂的工作,目前还没有太多的实践意义。 在实现中,assertion就是在程序中的一条语句,它对一个boolean表达式进行检查,一个正确程序必须保证这个boolean表达式的值为true;如果该值为false,说明程序已经处于不正确的状态下,系统将给出警告或退出。一般来说,assertion用于保证程序最基本、关键的正确性。assertion检查通常在开发和测试时开启。为了提高性能,在软件发布后,assertion检查通常是关闭的。下面简单介绍一下Java中assertion的实现。 1.语法表示 在语法上,为了支持assertion,Java增加了一个关键字assert。它包括两种表达式,分别如下: assert expression1; assert expression1: expression2; 在两种表达式中,expression1表示一个boolean表达式,expression2表示一个基本类型或者是一个对象(Object) ,基本类型包括boolean,char,double,float,int和long。由于所有类都为Object的子类,因此这个参数可以用于所有对象。 2.语义含义 在运行时,如果关闭了assertion功能,这些语句将不起任何作用。如果打开了assertion功能,那么expression1的值将被计算,如果它的值为false,该语句强抛出一个AssertionError对象。如果assertion语句包括expression2参数,程序将计算出expression2的结果,然后将这个结果作为AssertionError的构造函数的参数,来创建AssertionError对象,并抛出该对象;如果expression1值为true,expression2将不被计算。 一种特殊情况是,如果在计算表达式时,表达式本身抛出Exception,那么assert将停止运行,而抛出这个Exception。 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(); 3.编译 由于assert是一个新关键字,使用老版本的JDK是无法编译带有assert的源程序。因此,我们必须使用JDK1.4(或者更新)的Java编译器,在使用Javac命令时,我们必须加上-source 1.4作为参数。-source 1.4表示使用JDK 1.4版本的方式来编译源代码,否则编译就不能通过,因为缺省的Javac编译器使用JDK1.3的语法规则。 一个简单的例子如下: javac -source 1.4 test.java 5.运行 由于带有assert语句的程序运行时,使用了新的ClassLoader和Class类,因此,这种程序必须在JDK1.4(或者更高版本)的JRE下运行,而不能在老版本的JRE下运行。 由于我们可以选择开启assertion功能,或者不开启,另外我们还可以开启一部分类或包的assertion功能,所以运行选项变得有些复杂。通过这些选项,我们可以过滤所有我们不关心的类,只选择我们关心的类或包来观察。下面介绍两类参数: 参数 -esa 和 -dsa: 它们含义为开启(关闭)系统类的assertion功能。由于新版本的Java的系统类中,也使了assertion语句,因此如果用户需要观察它们的运行情况,就需要打开系统类的assertion功能 ,我们可使用-esa参数打开,使用 -dsa参数关闭。 -esa和-dsa的全名为-enablesystemassertions和-disenablesystemassertions,全名和缩写名有同样的功能。 参数 -ea和-ea: 它们含义为开启(关闭)用户类的assertion功能:通过这个参数,用户可以打开某些类或包的assertion功能,同样用户也可以关闭某些类和包的assertion功能。打开assertion功能参数为-ea;如果不带任何参数,表示打开所有用户类;如果带有包名称或者类名称,表示打开这些类或包;如果包名称后面跟有三个点,代表这个包及其子包;如果只有三个点,代表无名包。关闭assertion功能参数为-da,使用方法与-ea类似。 -ea和-da的全名为-enableassertions和-disenableassertions,全名和缩写名有同样的功能。 下面表示了参数及其含义,并有例子说明如何使用。 参数 例子 说明 -ea java -ea 打开所有用户类的assertion -da java -da 关闭所有用户类的assertion -ea: -da: java -da: MyClass1 关闭MyClass1的assertion -ea: java -ea:pkg1 打开pkg1包的assertion -da: java -da:pkg1 关闭pkg1包的assertion -ea:... java -ea:... 打开缺省包(无名包)的assertion -da:... java -da:... 关闭缺省包(无名包)的assertion -ea: ... java -ea:pkg1... 打开pkg1包和其子包的assertion -da: ... java -da:pkg1... 关闭pkg1包和其子包的assertion -esa java -esa 打开系统类的assertion -dsa java -dsa 关闭系统类的assertion 综合使用 java -dsa:MyClass1:pkg1 关闭MyClass1和pkg1包的assertion 其中...代表,此包和其子包的含义。例如我们有两个包为pkg1和pkg1.subpkg。那么pkg1...就代表pkg1和pkg1.subpkg两个包。 另外,Java为了让程序也能够动态开启和关闭某些类和包的assertion功能,Java修该了Class和ClassLoader的实现,增加了几个用于操作assert的API。下面简单说明一下几个API的作用。 ClassLoader类中的几个相关的API:   setDefaultAssertionStatus:用于开启/关闭assertion功能   setPackageAssertionStatus:用于开启/关闭某些包的assertion功能   setClassAssertionStatus: 用于开启/关闭某些类的assertion功能   clearAssertionStatus:用于关闭assertion功能 二、assertion的设计问题 首先,我们认为assertion是必要的。因为,如果没有统一的assertion机制,Java程序通常使用if-then-else或者switch-case语句进行assertion检查,而且检查的数据类型也不完全相同。assertion机制让Java程序员用统一的方式处理assertion问题,而不是按自己的方式处理。另外,如果用户使用自己的方式进行检查,那么这些代码在发布以后仍然将起作用,这可能会影响程序的性能。而从语言言层次支持assertion功能,这将把assertion对性能带来的负面影响降到最小。 Java是通过增强一个关键字assert实现支持assertion,而不是使用一个库函数支持,这说明Java认为assertion对于语言本身来说是非常重要的。实际上,在Java的早期的规范中,Java是能够支持assert的,但是由于一些实现的限制,这些特性从规范中除去了。因此,assert的再次引入应该是恢复了Java对assert的支持。C语言就是通过Assert.h函数库实现断言的支持。 Java的assertion的开启也和C语言不太一样,我们都知道在C语言中,assertion的开启是在编译时候决定的。当我们使用debug方式编译程序时候,assertion被开启,而使用release方式编译时候,assertion自动被关闭。而Java的assertion却是在运行的时候进行决定的。其实,这两种方式是各有优缺点。如果采用编译时决定方式,开发人员将处理两种类型的目标码,debug版本和release版本,这加大了文档管理的难度,但是提高了代码的运行效率。Java采用运行时决定的方式,这样所有的assertion信息将置于目标代码中,同一目标代码可以选择不同方式运行,增强目标代码的灵活性,但是它将牺牲因为assertion而引起一部分性能损失。Java专家小组认为,所牺牲的性能相当小,因此java采用了运行时决定方式。 另外,我们注意到AssertionError作为Error的一个子类,而不是RuntimeException。关于这一点,专家组也进行了长期的讨论。Error代表一些异常的错误,通常是不可以恢复的,而RuntimeException强调该错误在运行时才发生的特点。AssertionError通常为非常关键的错误,这些错误往往是不容易恢复的,而且assertion机制也不鼓励程序员对这种错误进行恢复。因此,为了强调assertion的含义,Java专家小组选择了让AssertError为Error的子类。 三、assertion与继承 在本节,我们将考虑assertion与继承的关系,研究assert是如何定位的。如果开启一个子类的assertion,那么它的父类的assertion是否执行? 下面的例子将显示如果一个assert语句在父类,而当它的子类调用它时,该assert为false。我们看看在不同的情况下,该assertion是否被处理。 class Base { public void baseMethod() { assert false : "Assertion failed:This is base ";// 总是assertion失败 System.out.println("Base Method"); } } class Derived extends Base { public void derivedMethod() { assert false: "Assertion failed:This is derive";// 总是assertion失败 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); } } } 运行命令 含义 结果 Java Derived 不启用assertion Base Method Derived Method Java -ea Derived 开启所有assertion Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is base Java -da Derived 关闭所有assertion Base Method Derived Method Java -ea:Base Derived 仅打开Base的assertion Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is base Java -ea:Derived Derived 仅打开Derived的assertion Base Method Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is derived 从这个例子我们可以看出,父类的assert语句将只有在父类的assert开启才起作用,如果仅仅开启子类的assert,父类的assert仍然不运行。例如,我们执行java -ea:Derived Derived的时候,Base类的assert语句并不执行。因此,我们可以认为,assert语句不具有继承功能。 四、assertion的使用 assertion的使用是一个复杂的问题,因为这将涉及到程序的风格,assertion运用的目标,程序的性质等问题。通常来说,assertion用于检查一些关键的值,并且这些值对整个程序,或者局部功能的完成有很大的影响,并且这种错误不容易恢复的。assertion表达式应该短小、易懂,如果需要评估复杂的表达式,应该使用函数计算。以下是一些使用assertion的情况的例子,这些方式可以让java程序的可靠性更高。 检查控制流; 在if-then-else和swith-case语句中,我们可以在不应该发生的控制支流上加上assert false语句。如果这种情况发生了,assert能够检查出来。 例如:x取值只能使1,2,3,我们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; } 在私有函数计算前,检查输入参数是否有效;对于一私有些函数,要求输入满足一些特定的条件,那么我们可以在函数开始处使用assert进行参数检查。对于公共函数,我们通常不使用assertion检查,因为一般来说,公共函数必须对无效的参数进行检查和处理。而私有函数往往是直接使用的。 例如:某函数可能要求输入的参数必须不为null。那么我们可以在函数的一开始加上 assert parameter1!=null : "paramerter is null in test method"; 在函数计算后,检查函数结果是否有效;对于一些计算函数,函数运行完成后,某些值需要保证一定的性质,因此我们可以通过assert检查该值。 例如,我们有一个计算绝对值的函数,那么我们就可以在函数的结果处,加上一个语句: assert value>=0:"Value should be bigger than 0:"+value; 通过这种方式,我们可以对函数计算完的结果进行检查。 检查程序不变量;有些程序中,存在一些不变量,在程序的运行生命周期,这些不变量的值都是不变的。这些不变量可能是一个简单表达式,也可能是一个复杂的表达式。对于一些关键的不变量,我们可以通过assert进行检查。 例如,在一个财会系统中,公司的支出和收入必须保持一定的平衡关系,因此我们可以编写一个表达式检查这种平衡关系,如下表示。 private boolean isBalance() { …… } 在这个系统中,在一些可能影响这种平衡关系的方法的前后,我们都可以加上assert验证:assert isBalance():"balance is destoried"; 五、结论 assertion为开发人员提供了一种灵活地调试和测试机制,它的使用也非常简单、方便。但是,如何规范、系统地使用assertion(特别是在Java语言中)仍然是一个亟待研究的问题。 参考资料: 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 关于作者 欧阳辰,北京大学计算机系硕士毕业,98年起开始研究基于java的软件开发、测试,参与开发、测试过多个基于Java的应用程序和Web服务项目。联系方式 yeekee@sina.com 周欣,北京大学计算机系在读博士生,主要研究方向:程序理解、逆向工程及软件度量,联系方式 zhouxin@sei.pku.edu.cn。 本文转自 http://www.javaresearch.org/article/736.htm

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