OO第三单元个人总结

OO第三单元个人总结

JML理论与基础与应用工具链

JML是什么？

  • Java建模语言（JML）是一种行为接口规范语言，可用于指定Java模块的行为 。它结合了Eiffel的契约设计方法 和Larch 系列接口规范语言的基于模型的规范方法 ，以及细化演算的一些元素 。草稿 《Design by Contract with JML》（由Gary T.Leavens和Yoonsik Cheon撰写）解释了JML作为Java的契约式设计（DBC）语言的最基本用法。

JML基础语法

  • 原子表达式

    esult：表示此方法执行后的返回值。

    old(expr)：表示一个表达式expr在方法执行之前进行计算后的取值。

  • 量词表达式

    forall：全称量词，对于每个在范围内的变量，若全部满足表达式，则返回真。

    exists：特称量词，对于每个在范围内的变量，若存在一个变量满足表达式，则返回真。

    sum：返回给定范围内的表达式的和。

  • 前置条件

    require P;使用者必须满足前置条件，即P为真。

  • 后置条件

    ensures P;实现者依据前置条件，保证实现过程满足P的要求。

  • 副作用

    assignable（可赋值）、modifiable（可修改）

    /nothing关键词表示没有任何可修改的变量，/everything关键词表示可修改任何变量

  • 异常处理

    signals (***Exception e) b_expr当b_expr为真时，方法抛出异常e。

    signals_only (***Exception e)满足前置条件即抛出异常e。

  • 不变式

    invariant P;在所有可见状态下都要求满足P为真。

  • 状态变化约束

    constraint P;前序可见状态和当前可见状态的约束。

JML工具链

  • openjml：对JML注释的完整性进行检查。检查包括经典的类型检查、变量可见性与可写性等。通过命令行使用OpenJML时，可以通过-check参数（缺省）指定类型检查。

  • SMT Solver：一般为检查代码规格，生成运行时测试等。与openjml一同使用。

  • JMLUnitNG：针对类自动生成测试样例并进行测试。

部署SMT Solver

  • /*@ public normal_behavior
      @ ensures 
esult == a1 + a2;
      @*/
    public int sum(int a1, int a2) {
        return a1 + a2;
    }


  • /*@ public instance model int[] arr;
  @*/
private ArrayList<Integer> array = new ArrayList<>();

/*@ public normal_behavior
  @ requires arr != null;
  @ ensures (forall int i,j; 0 <= i && i <= j && j < arr.length; arr[i] <= arr[j]);
  @ also
  @ public exceptional_behavior
  @ signals (NullPointerException e) arr == null;
  @*/
public void sorted() {
    Collections.sort(array);
}

  • 对第11次作业进行检查

部署JMLUnitNG/JMLUnit

[TestNG] Running:
  Command line suite

Passed: racEnabled()
Passed: constructor MyGroup(-2147483648)
Passed: constructor MyGroup(0)
Passed: constructor MyGroup(2147483647)
Failed: <<MyGroup@800003e1>>.addPerson(null)
Failed: <<MyGroup@800003c2>>.addPerson(null)
Failed: <<MyGroup@3e1>>.addPerson(null)
Failed: <<MyGroup@800003e1>>.delPerson(null)
Failed: <<MyGroup@800003c2>>.delPerson(null)
Failed: <<MyGroup@3e1>>.delPerson(null)
Passed:<<MyGroup@800003e1>>.equals(null)
Passed:<<MyGroup@800003c2>>.equals(null)
Passed:<<MyGroup@3e1>>.equals(null)
Passed: <<MyGroup@800003e1>>.equals(java.lang.Object@800003e1)
Passed: <<MyGroup@800003c2>>.equals(java.lang.Object@800003c2)
Passed: <<MyGroup@3e1>>.equals(java.lang.Object@3e1)
Passed: <<MyGroup@800003e1>>.getAgeMean()
Passed: <<MyGroup@800003c2>>.getAgeMean()
Passed: <<MyGroup@3e1>>.getAgeMean()
Passed: <<MyGroup@800003e1>>.getAgeVar()
Passed: <<MyGroup@800003c2>>.getAgeVar()
Passed: <<MyGroup@3e1>>.getAgeVar()
Passed: <<MyGroup@800003e1>>.getConflictSum()
Passed: <<MyGroup@800003c2>>.getConflictSum()
Passed: <<MyGroup@3e1>>.getConflictSum()
Passed: <<MyGroup@800003e1>>.getId()
Passed: <<MyGroup@800003c2>>.getId()
Passed: <<MyGroup@3e1>>.getId()
Passed: <<MyGroup@800003e1>>.getRelationSum()
Passed: <<MyGroup@800003c2>>.getRelationSum()
Passed: <<MyGroup@3e1>>.getRelationSum()
Passed: <<MyGroup@800003e1>>.getValueSum()
Passed: <<MyGroup@800003c2>>.getValueSum()
Passed: <<MyGroup@3e1>>.getValueSum()
Failed: <<MyGroup@800003e1>>.hasPerson(null)
Failed: <<MyGroup@800003c2>>.hasPerson(null)
Failed: <<MyGroup@3e1>>.hasPerson(null)
Failed: <<MyGroup@800003e1>>.updateRelation(null)
Failed: <<MyGroup@800003c2>>.updateRelation(null)
Failed: <<MyGroup@3e1>>.updateRelation(null)

如上，得到对MyGroup测试结果，基本为边界条件，如int最大最小和零，以及引用为null的情况。

作业架构分析

第九次作业

本次作业要求通过Person、Network接口和其中的JML规范，实现自己的MyPerson、MyNetwork类，总体难度不大，依据JML完成实现即可。

由于性能的要求，我们需要寻找合适的容器实现交互网络中的Person的存储和每个Person对应的联系人Person的存储，在这里我使用HashMap作为容器，由于可能需要大量的contians判断一个Person对象是否已经存储在容器中，因此使用Hashmap帮助我们完成散列表的查找，以常数的时间复杂度完成。

对于isCircle的判断，我采用BFS广度搜索来判断图的连通性，由于使用了图论算法，我构造了MyMap对顶点进行管理，并实现了MyNode管理一个点内的数据结构。

第十次作业

本次作业增加了Group接口和JML规范来实现对群组中的人的模拟，增加了RelationSum、ValueSum、ConflictSum、AgeMean、AgeVar等方法，这些方法的普通实现都需要对群组中的容器进行遍历，性能损失极大，因此这里采用了对RelationSum、ValueSum、ConflictSum的缓存，在对Group中增加Person时，更新相应的数值，从而避免一次又一次的重复遍历。

由于AgeVar在计算方差时，使用一些特殊的公式会造成精度不足的情况，因此在实现中仅采用遍历计算。

第十一次作业

本次作业增加了borrowFrom、queryMoney等与对应的Person中money有关的方法，实现并不困难，重点在于queryStrongLinked、queryMinPath以及queryBlockSum方法，对性能和算法都有着较高的要求。

queryStrongLinked没有使用tarjan等困难的算法，由点的双连通的特性，通过寻找出一条连通路径，除去两头端点，遍历剩余各点，每次只删除遍历到的一个点，然后进行bfs运算，观察是否连通，运用这种暴力方法，可以检查这个路径中是否存在割点，也就是说，两个点之间是否存在割点，若存在，则必不可能存在点的双连通性，也就计算出了结果。

queryMinPath方法的实现采用了Dijsktra算法加利用TreeSet的最小值计算优化，由于TreeSet本身采用红黑树实现，在我们寻找最小权重的点时，极大地简化了时间复杂度。

queryBlockSum使用了并查集的算法，在每次addRelation时，将两个点的祖先寻找到，并将其中较长的分支，插入较短的分支中，保持其不退化。最后，遍历割点，计算没有祖先，即祖先是自己的点的数量，即可得到Block的数量。

Bug与修复

第九次作业

本次作业在在强测中没有遇到问题。

在互测中，主要构造边界数据，尽量制造可能TLE的数据，同时。利用对拍器和随机测试数据生成器完成正确性检验，在此次互测中没有hack到别人。

第十次作业

本次作业由于在五一期间，当时正在外旅游，在最初并未实现缓存，仅仅使用ArrayList加快遍历速度，并且根据对称性减半了遍历的次数，但由于时间紧张，没有进行全面的测试，未发现双重for循环中i、j终止条件写错了，导致强测爆零，甚至没有进入互测。

在修复bug中，除了上述bug，增加了缓冲机制，解决了TLE的问题。

第十一次作业

本次作业强测让人及其糟心，四个点t了，但重新提交一次，就能过一个点，另外两个点被生生卡在超过时限0.0几秒的地方。在研讨课中有同学提到初始容量问题，遂减小初始大小，过了……（说好边界不卡的）

互测中同样利用自动化评测机对其他代码疯狂输出，可惜未发现问题，在查看其代码与JML匹配程度中也未发现问题。

心得体会

JML是一种面向规格的设计语言，他让我们依据规格，能够正确的使用方法和数据，能够写出完善的功能实现，并且在保证正确性的条件下，选择不同的实现方式，这种代码编写方式让人十分舒服，写的有理有据。
JML代码规格，说白了又是一次离散数学的学习，通过形式化语言的表述，让程序员更加精准的完成代码，也让测试变得更加切中肯綮，总体来说，为我们的学习之路打开了一扇新的窗户。

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