§1.1.1 assertion的語(yǔ)法和語(yǔ)義
J2SE 1.4在語(yǔ)言上提供了一個(gè)新特性，就是assertion(斷言)功能，它是該版本在Java語(yǔ)言方面最大的革新。在軟件開(kāi)發(fā)中，assertion是一種經(jīng)典的調(diào)試、測(cè)試方式，本文將深入解析assertion功能的使用以及其設(shè)計(jì)理念，并給出相關(guān)的例子 。
assertion(斷言)在軟件開(kāi)發(fā)中是一種常用的調(diào)試方式，很多開(kāi)發(fā)語(yǔ)言中都支持這種機(jī)制，如C，C++和Eiffel等，但是支持的形式不盡相同，有的是通過(guò)語(yǔ)言本身、有的是通過(guò)庫(kù)函數(shù)等。另外，從理論上來(lái)說(shuō)，通過(guò)assertion方式可以證明程序的正確性，但是這是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，目前還沒(méi)有太多的實(shí)踐意義。
在實(shí)現(xiàn)中，assertion就是在程序中的一條語(yǔ)句，它對(duì)一個(gè)boolean表達(dá)式進(jìn)行檢查，一個(gè)正確程序必須保證這個(gè)boolean表達(dá)式的值為true；如果該值為false，說(shuō)明程序已經(jīng)處于不正確的狀態(tài)下，系統(tǒng)將給出警告或退出。一般來(lái)說(shuō)，assertion用于保證程序最基本、關(guān)鍵的正確性。assertion檢查通常在開(kāi)發(fā)和測(cè)試時(shí)開(kāi)啟。為了提高性能，在軟件發(fā)布后，assertion檢查通常是關(guān)閉的。下面簡(jiǎn)單介紹一下Java中assertion的實(shí)現(xiàn)。
1．1) 語(yǔ)法表示
在語(yǔ)法上，為了支持assertion，Java增加了一個(gè)關(guān)鍵字assert。它包括兩種表達(dá)式，分別如下：
1. assert expression1;
2. assert expression1: expression2;
在兩種表達(dá)式中，expression1表示一個(gè)boolean表達(dá)式，expression2表示一個(gè)基本類(lèi)型或者是一個(gè)對(duì)象(Object) ，基本類(lèi)型包括boolean,char,double,float,int和long。由于所有類(lèi)都為Object的子類(lèi)，因此這個(gè)參數(shù)可以用于所有對(duì)象。
1．2) 語(yǔ)義含義
在運(yùn)行時(shí)，如果關(guān)閉了assertion功能，這些語(yǔ)句將不起任何作用。如果打開(kāi)了assertion功能，那么expression1的值將被計(jì)算，如果它的值為false，該語(yǔ)句強(qiáng)拋出一個(gè)AssertionError對(duì)象。如果assertion語(yǔ)句包括expression2參數(shù)，程序?qū)⒂?jì)算出expression2的結(jié)果，然后將這個(gè)結(jié)果作為AssertionError的構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)，來(lái)創(chuàng)建AssertionError對(duì)象，并拋出該對(duì)象；如果expression1值為true，expression2將不被計(jì)算。
一種特殊情況是，如果在計(jì)算表達(dá)式時(shí)，表達(dá)式本身拋出Exception，那么assert將停止運(yùn)行，而拋出這個(gè)Exception。
1．3) 一些assertion例子
下面是一些Assert的例子。
1. assert 0 < value;
2. assert 0 < value:"value="+value;
3. assert ref != null:"ref doesn't equal null";
4. assert isBalanced();
1．4) 編譯
由于assert是一個(gè)新關(guān)鍵字，使用老版本的JDK是無(wú)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(shí)，我們必須加上-source 1.4作為參數(shù)。-source 1.4表示使用JDK 1.4版本的方式來(lái)編譯源代碼，否則編譯就不能通過(guò)，因?yàn)槿笔〉?/span>Javac編譯器使用JDK1.3的語(yǔ)法規(guī)則。
一個(gè)簡(jiǎn)單的例子如下：
javac -source 1.4 test.java
1．5) 運(yùn)行
由于帶有assert語(yǔ)句的程序運(yùn)行時(shí)，使用了新的ClassLoader和Class類(lèi)，因此，這種程序必須在JDK1.4(或者更高版本)的JRE下運(yùn)行，而不能在老版本的JRE下運(yùn)行。
1. 由于我們可以選擇開(kāi)啟assertion功能，或者不開(kāi)啟，另外我們還可以開(kāi)啟一部分類(lèi)或包的assertion功能，所以運(yùn)行選項(xiàng)變得有些復(fù)雜。通過(guò)這些選項(xiàng)，我們可以過(guò)濾所有我們不關(guān)心的類(lèi)，只選擇我們關(guān)心的類(lèi)或包來(lái)觀察。
§1.1.2 assertion的設(shè)計(jì)問(wèn)題
首先，我們認(rèn)為assertion是必要的。因?yàn)椋绻麤](méi)有統(tǒng)一的assertion機(jī)制，Java程序通常使用if-then-else或者switch-case語(yǔ)句進(jìn)行assertion檢查，而且檢查的數(shù)據(jù)類(lèi)型也不完全相同。assertion機(jī)制讓Java程序員用統(tǒng)一的方式處理assertion問(wèn)題，而不是按自己的方式處理。另外，如果用戶(hù)使用自己的方式進(jìn)行檢查，那么這些代碼在發(fā)布以后仍然將起作用，這可能會(huì)影響程序的性能。而從語(yǔ)言言層次支持assertion功能，這將把assertion對(duì)性能帶來(lái)的負(fù)面影響降到最小。
Java是通過(guò)增強(qiáng)一個(gè)關(guān)鍵字assert實(shí)現(xiàn)支持assertion，而不是使用一個(gè)庫(kù)函數(shù)支持，這說(shuō)明Java認(rèn)為assertion對(duì)于語(yǔ)言本身來(lái)說(shuō)是非常重要的。實(shí)際上，在Java的早期的規(guī)范中，Java是能夠支持assert的，但是由于一些實(shí)現(xiàn)的限制，這些特性從規(guī)范中除去了。因此，assert的再次引入應(yīng)該是恢復(fù)了Java對(duì)assert的支持。C語(yǔ)言就是通過(guò)Assert.h函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)斷言的支持。
Java的assertion的開(kāi)啟也和C語(yǔ)言不太一樣，我們都知道在C語(yǔ)言中，assertion的開(kāi)啟是在編譯時(shí)候決定的。當(dāng)我們使用debug方式編譯程序時(shí)候，assertion被開(kāi)啟，而使用release方式編譯時(shí)候，assertion自動(dòng)被關(guān)閉。而Java的assertion卻是在運(yùn)行的時(shí)候進(jìn)行決定的。其實(shí)，這兩種方式是各有優(yōu)缺點(diǎn)。如果采用編譯時(shí)決定方式，開(kāi)發(fā)人員將處理兩種類(lèi)型的目標(biāo)碼，debug版本和release版本，這加大了文檔管理的難度，但是提高了代碼的運(yùn)行效率。Java采用運(yùn)行時(shí)決定的方式，這樣所有的assertion信息將置于目標(biāo)代碼中，同一目標(biāo)代碼可以選擇不同方式運(yùn)行，增強(qiáng)目標(biāo)代碼的靈活性，但是它將犧牲因?yàn)?/span>assertion而引起一部分性能損失。Java專(zhuān)家小組認(rèn)為，所犧牲的性能相當(dāng)小，因此java采用了運(yùn)行時(shí)決定方式。
另外，我們注意到AssertionError作為Error的一個(gè)子類(lèi)，而不是RuntimeException。關(guān)于這一點(diǎn)，專(zhuān)家組也進(jìn)行了長(zhǎng)期的討論。Error代表一些異常的錯(cuò)誤，通常是不可以恢復(fù)的，而RuntimeException強(qiáng)調(diào)該錯(cuò)誤在運(yùn)行時(shí)才發(fā)生的特點(diǎn)。AssertionError通常為非常關(guān)鍵的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤往往是不容易恢復(fù)的，而且assertion機(jī)制也不鼓勵(lì)程序員對(duì)這種錯(cuò)誤進(jìn)行恢復(fù)。因此，為了強(qiáng)調(diào)assertion的含義，Java專(zhuān)家小組選擇了讓AssertError為Error的子類(lèi)。
§1.1.3 assertion與繼承
在本節(jié)，我們將考慮assertion與繼承的關(guān)系，研究assert是如何定位的。如果開(kāi)啟一個(gè)子類(lèi)的assertion，那么它的父類(lèi)的assertion是否執(zhí)行？
下面的例子將顯示如果一個(gè)assert語(yǔ)句在父類(lèi)，而當(dāng)它的子類(lèi)調(diào)用它時(shí)，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()
{ // 總是assertion失敗
assert false : "Assertion failed:This is base ";
System.out.println("Base Method");
}
}
class Derived
extends Base
{
public void derivedMethod()
{ // 總是assertion失敗
assert false: "Assertion failed:This is derive";
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);
}
}
}
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運(yùn)行命令
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含義
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結(jié)果
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Java Derived
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不啟用assertion
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Base Method
Derived Method
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Java -ea Derived
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開(kāi)啟所有assertion
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Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is base
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Java -da Derived
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關(guān)閉所有assertion
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Base Method
Derived Method
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Java -ea:Base Derived
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僅打開(kāi)Base的assertion
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Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is base
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Java -ea:Derived Derived
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僅打開(kāi)Derived的assertion
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Base Method
Java.lang.AssertionError:Assertion Failed:This is derived
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從這個(gè)例子我們可以看出，父類(lèi)的assert語(yǔ)句將只有在父類(lèi)的assert開(kāi)啟才起作用，如果僅僅開(kāi)啟子類(lèi)的assert，父類(lèi)的assert仍然不運(yùn)行。例如，我們執(zhí)行java -ea:Derived Derived的時(shí)候，Base類(lèi)的assert語(yǔ)句并不執(zhí)行。因此，我們可以認(rèn)為，assert語(yǔ)句不具有繼承功能。
§1.1.4 assertion的使用
assertion的使用是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)檫@將涉及到程序的風(fēng)格，assertion運(yùn)用的目標(biāo)，程序的性質(zhì)等問(wèn)題。通常來(lái)說(shuō)，assertion用于檢查一些關(guān)鍵的值，并且這些值對(duì)整個(gè)程序，或者局部功能的完成有很大的影響，并且這種錯(cuò)誤不容易恢復(fù)的。assertion表達(dá)式應(yīng)該短小、易懂，如果需要評(píng)估復(fù)雜的表達(dá)式，應(yīng)該使用函數(shù)計(jì)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。
1. 檢查控制流； 在if-then-else和swith-case語(yǔ)句中，我們可以在不應(yīng)該發(fā)生的控制支流上加上assert false語(yǔ)句。如果這種情況發(fā)生了，assert能夠檢查出來(lái)。
例如：x取值只能使1,2,3，我們的程序可以如下表示
2. switch (x)
3. { case 1: …;
4. case 2: …;
5. case 3: …
6. default: assert false:"x value is invalid: "+x;
7. }
8. 在私有函數(shù)計(jì)算前，檢查輸入?yún)?shù)是否有效；對(duì)于一私有些函數(shù)，要求輸入滿(mǎn)足一些特定的條件，那么我們可以在函數(shù)開(kāi)始處使用assert進(jìn)行參數(shù)檢查。對(duì)于公共函數(shù)，我們通常不使用assertion檢查，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，公共函數(shù)必須對(duì)無(wú)效的參數(shù)進(jìn)行檢查和處理。而私有函數(shù)往往是直接使用的。
例如：某函數(shù)可能要求輸入的參數(shù)必須不為null。那么我們可以在函數(shù)的一開(kāi)始加上 assert parameter1!=null : "paramerter is null in test method";
9. 在函數(shù)計(jì)算后，檢查函數(shù)結(jié)果是否有效；對(duì)于一些計(jì)算函數(shù)，函數(shù)運(yùn)行完成后，某些值需要保證一定的性質(zhì)，因此我們可以通過(guò)assert檢查該值。
例如，我們有一個(gè)計(jì)算絕對(duì)值的函數(shù)，那么我們就可以在函數(shù)的結(jié)果處，加上一個(gè)語(yǔ)句：
assert value>=0:"Value should be bigger than 0:"+value;
通過(guò)這種方式，我們可以對(duì)函數(shù)計(jì)算完的結(jié)果進(jìn)行檢查。
10. 檢查程序不變量；有些程序中，存在一些不變量，在程序的運(yùn)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(gè)簡(jiǎn)單表達(dá)式，也可能是一個(gè)復(fù)雜的表達(dá)式。對(duì)于一些關(guān)鍵的不變量，我們可以通過(guò)assert進(jìn)行檢查。
例如，在一個(gè)財(cái)會(huì)系統(tǒng)中，公司的支出和收入必須保持一定的平衡關(guān)系，因此我們可以編寫(xiě)一個(gè)表達(dá)式檢查這種平衡關(guān)系，如下表示。
11. private boolean isBalance() {
12. ……
13. }
在這個(gè)系統(tǒng)中，在一些可能影響這種平衡關(guān)系的方法的前后，我們都可以加上assert驗(yàn)證：assert isBalance():"balance is destoried";
§1.1.5 結(jié)論
assertion為開(kāi)發(fā)人員提供了一種靈活地調(diào)試和測(cè)試機(jī)制，它的使用也非常簡(jiǎn)單、方便。但是，如何規(guī)范、系統(tǒng)地使用assertion(特別是在Java語(yǔ)言中)仍然是一個(gè)亟待研究的問(wèn)題