Что такое «Дизайн по контракту»?

Представьте, что вы в ресторане и заказываете блюдо. Вы ожидаете, что еда будет приготовлена согласно вашим требованиям (без орехов, с дополнительным соусом), и доверяете повару. Если повар не выполнит ваши ожидания, вас может ждать неприятный сюрприз. Этот сценарий очень похож на то, как взаимодействуют программные компоненты, и здесь вступает в игру «Дизайн по контракту» (DbC).

Созданный Бертраном Мейером в 1980-х годах, DbC — это подход к проектированию программного обеспечения, который фокусируется на определении контрактов, описывающих взаимодействие между компонентами. Эти контракты похожи на меню и обещания повара: они определяют, чего ожидает клиент (вы) и что гарантирует сервер (повар).

Компоненты контракта Контракт DbC обычно состоит из трёх основных частей:

  • Предпосылки — условия, которые должны быть выполнены перед вызовом метода или функции. Они похожи на ингредиенты и шаги приготовления, необходимые повару до начала готовки. Например, если вы вызываете метод для деления двух чисел, предпосылкой может быть то, что делитель не равен нулю.
  • Постусловия — условия, которые должны выполняться после выполнения метода или функции. Возвращаясь к аналогии с рестораном, это состояние блюда после его приготовления — например, еда горячая и без орехов.
  • Инварианты — условия, которые остаются истинными на протяжении выполнения метода или функции. В нашем примере в ресторане инвариантом может быть чистота и порядок на кухне, независимо от готовящегося блюда.

Вот простой пример в псевдокоде, иллюстрирующий эти концепции:

class BankAccount {
    private balance: float

    invariant: balance >= 0

    method deposit(amount: float) {
        precondition: amount > 0
        postcondition: balance = old balance + amount
        // Реализация
    }

    method withdraw(amount: float) {
        precondition: amount > 0 and amount <= balance
        postcondition: balance = old balance - amount
        // Реализация
    }
}

Как работает DbC? В DbC компоненты взаимодействуют по модели «клиент-сервер». Сервер (или поставщик) даёт обещания (обязательства) предоставить клиенту преимущества. Клиент предполагает, что эти обещания будут выполнены. Вот диаграмма последовательности, иллюстрирующая это взаимодействие:

sequenceDiagram participant Client participant Server Note over Client,Server: Client calls Server method Client->>Server: Call method with parameters Note over Client,Server: Server checks preconditions Server->>Server: Check preconditions Note over Client,Server: Server executes method Server->>Server: Execute method Note over Client,Server: Server checks postconditions Server->>Server: Check postconditions Server->>Client: Return result

Принцип «откажись жёстко» DbC поддерживает принцип «откажись жёстко», который означает, что при невыполнении предпосылки система должна немедленно и громко выйти из строя, а не пытаться восстановиться или тихо обработать ошибку. Такой подход упрощает отладку, так как чётко указывает на нарушение контракта.

Реализация DbC в вашем коде Хотя DbC наиболее органично интегрируется в язык программирования Eiffel, вы можете реализовать его принципы в любом языке. Вот как это можно сделать на таком языке, как Python:

class BankAccount:
    def __init__(self, balance=0):
        self.balance = balance

    def deposit(self, amount):
        if amount <= 0:
            raise ValueError("Amount must be greater than zero")
        self.balance += amount

    def withdraw(self, amount):
        if amount <= 0 or amount > self.balance:
            raise ValueError("Invalid withdrawal amount")
        self.balance -= amount

# Пример использования
account = BankAccount(100)
try:
    account.withdraw(150)  # Это вызовет ошибку
except ValueError as e:
    print(e)

В этом примере методы deposit и withdraw проверяют свои предпосылки перед выполнением. При невыполнении предпосылок они вызывают ошибку.

Преимущества DbC

  • Улучшенная надёжность: Определяя чёткие контракты, вы гарантируете, что каждый компонент точно знает, чего ожидать и что гарантировать. Эта ясность снижает вероятность ошибок и делает код более надёжным.
  • Лучшая документация: Контракты служат формой документации для вашего кода. Они чётко описывают интерфейсные свойства класса или метода, облегчая другим разработчикам понимание того, как использовать ваш код.
  • Упрощённая отладка: Принцип «откажись жёстко» в DbC упрощает отладку. Когда контракт нарушается, система сразу выходит из строя, предоставляя чёткие и конкретные сообщения об ошибках, указывающие прямо на проблему.
  • Повторное использование кода: Хорошо определённые контракты облегчают повторное использование кода. Поскольку поведение каждого модуля полностью задокументировано, вы можете доверять и повторно использовать компоненты с большей уверенностью.

Реальные приложения

  • Интерфейсы между приложениями: DbC особенно полезен при работе с интерфейсами между различными приложениями или компонентами. Он помогает избежать «игры в вину», чётко определяя обязанности каждой стороны.

  • Автоматическое тестирование системы: DbC можно интегрировать в автоматизированные тестовые среды, чтобы гарантировать соблюдение контрактов во время тестирования. Такой подход может обнаруживать ошибки на ранней стадии и предоставлять более конкретную обратную связь, чем традиционное модульное тестирование.

Заключение Дизайн по контракту — мощный инструмент в арсенале разработчика программного обеспечения. Определяя ясные, точные и проверяемые контракты, вы создаёте более надёжное, удобное в обслуживании и повторно используемое программное обеспечение. Хотя первоначальная реализация может потребовать некоторых усилий, преимущества в виде надёжности, документирования и отладки делают её достойной инвестиций.