CC BY
39
Белякова Ю. В.1, Михалкович С. С.2
1 Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, ассистент кафедры информатики и вычислительного эксперимента, julbel@sfedu.ru
2 Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, доцент кафедры алгебры и дискретной
математики, miks@sfedu.ru
КОНЦЕПТ-ПАРАМЕТРЫ КАК МЕХАНИЗМ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ОБОБЩЁННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ В ЯЗЫКЕ C#
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Обобщённое программирование, объектно-ориентированный язык, концепты, интерфейсы, ограничения, типовые параметры, C#, Java, Scala, F-ограниченный полиморфизм, концепт-паттерн, концепт-параметры.
АННОТАЦИЯ
Современные объектно-ориентированные языки реализуют различные инструменты обобщённого программирования. В статье обсуждаются ключевые критерии, по которым отличаются эти инструменты, сформулированные в результате их сравнительного анализа. Рассматриваются некоторые проблемы средств обобщённого программирования в промышленных языках C#/Java, которые привели к появлению целого ряда расширений, улучшающих поддержку обобщённого программирования в этих языках. На основании выделенных критериев разработан механизм обобщённого программирования на основе концепт-параметров, не уступающий средствам в других языках, но предлагающий принципиально иной стиль обобщённого программирования: мотивация и дизайн механизма для языка C# представлены в статье.
Введение
Обобщённое программирование (ОП) [1] поддерживается на уровне средств языка во многих языках программирования, однако по выразительной силе и удобству использования эти средства существенно отличаются [2]. К наиболее выразительным инструментам ОП относятся классы типов Haskell, в то время как промышленные объектно-ориентированные (ОО) языки программирования C# [3] и Java [4] обладают самыми бедными средствами: некоторые существенные недостатки этих средств рассматриваются в Разд. 2. В течение последних десяти лет было предложено несколько расширений C#/Java, улучшающих возможности обобщённого программирования; возникли новые ОО-языки с лучшей поддержкой ОП; был пополнен список возможностей, влияющих на удобство ОП [2,6,12,13]. Исследовав инструменты обобщённого программирования в этих ОО-языках и расширениях, мы выделили несколько критериев, которые характеризуют средства и определяют стиль обобщённого программирования в языке: они обсуждаются в Разд. 3. На основании этих критериев был разработан язык C#CP - расширение C# с механизмом ОП на основе концепт-параметров, которые принципиально отличают обобщённое программирование в C#CP от подходов к ОП, принятых в других языках, но не уступают им по выразительной силе. Дизайн концепт-параметров представлен в Разд. 4.
1. Обобщённое программирование
В отличие от обычного кода, который оперирует значениями конкретных типов (int, string, и т. д.), обобщённые алгоритмы и структуры данных зависят от типовых параметров и оперируют значениями этих типов-параметров. Примером обобщённой структуры данных является обобщённый класс Stack<T> - стек значений типа T, где T - типовый параметр, представляющий произвольный тип. Процесс подстановки конкретных типов вместо типовых параметров называют инстанцированием обобщённого кода, а полученный конкретный код - инстанцией. Например, инстанция класса Stack<int> представляет стек целых чисел, а Stack<string> - стек строк. Обобщённый код не всегда можно инстанцировать произвольными типами: например, в обобщённом алгоритме сортировки элементов типа T необходимо уметь сравнивать значения типа T друг с другом, поэтому инстанцировать алгоритм сортировки можно только типами, для
которых определена операция сравнения. Подобные требования («тип T поддерживает сравнение») называют ограничениями на типовые параметры.
2. Недостатки механизмов обобщённого программирования C#/Java
В C#/Java требования к типовым параметрам обобщённого кода явно выражаются с помощью ограничений подтипирования T : C, где T - это типовый параметр обобщённого кода, а C -конкретный класс, и ограничений-интерфейсов T : I, где I - интерфейс; в рамках F-ограниченного полиморфизма [5] допускаются также рекурсивные ограничения вида T : I<T>, где I<> -обобщённый интерфейс. На Рис. 1 представлен обобщённый интерфейс IComparable<T> из стандартной библиотеки .NET и выдержка из обобщённого алгоритма сортировки массива Sort<T>: секция where алгоритма содержит рекурсивное ограничение на типовый параметр T, благодаря которому в теле Sort<T> для значений типа T можно использовать метод сравнения CompareTo._
interface IComparable<T> { int CompareTo(T other); }
void Sort<T>(T[] values) where T : IComparable<T>
{ ■■■
if (values[i].Compare7o(values[j]) < 0) ...
}
Рис. 1. Примеры обобщённого интерфейса и алгоритма (C#)
Интерфейсы C#/Java не поддерживают обращение к собственному типу (то есть типу, реализующему интерфейс), именно поэтому ограничение «в типе T есть метод сравнения со значением типа T» можно выразить только через рекурсивное обобщённое ограничение-интерфейс T : IComparable<T>.
Одним из наиболее существенных недостатков механизма ОП в C#/Java является отсутствие так называемого ретроактивного моделирования: если некоторый тип Foo не реализует интерфейс I, установить отношение Foo : I ретроактивно, то есть после определения типа, невозможно, даже если семантически тип удовлетворяет интерфейсу. Поэтому, например, алгоритм сортировки на Рис. 1 нельзя применить к массиву объектов типа Foo, определённому следующим образом:
class Foo { ... int CompareDefault (Foo other ); ... }
Поскольку тип реализует интерфейс единственным образом, отсортировать значения этого типа с помощью алгоритма Sort<> также можно лишь одним способом. Например, целые числа можно отсортировать только по возрастанию, но не по убыванию. Другие серьёзные недостатки средств ОП C#/Java подробно обсуждаются в статьях [8,9], написанных нами, а также в [2,10,11]._'_
interface IComparer<T> { int Compare(T a, T b); }
void Sort<T>(T[] values, IComparer<T> cmp)
{ ...
if (cmp.Compare(values[i], values[j]) < 0) ...
}
Рис. 2. Пример использования концепт-паттерна (C#)
Проблемы ретроактивного моделирования и единственности реализации интерфейса решаются использованием концепт-паттерна [6]: вместо явного ограничения на типовый параметр в секции where, в обобщённый код в качестве параметра передаётся некий объект, реализующий требуемую от типа T функциональность; такой параметр называют концептом. На Рис. 2 представлена вторая версия алгоритма сортировки из стандартной библиотеки .NET, использующая концепт-паттерн. Теперь за сравнение отвечает не сам тип T, а внешний по отношению к T объект cmp типа IComparer<T> с операцией сравнения двух значений типа T Чтобы отсортировать массив значений типа Foo, нужно определить новый класс, называемый моделью, который реализует интерфейс IComparer<Foo>, и передать объект этого класса в алгоритм сортировки. Используя объект другого класса, реализующего всё тот же интерфейс IComparer<Foo>, можно отсортировать массив другим способом.
Возможность использования различных моделей является одновременно и достоинством, и серьёзной проблемой концепт-паттерна. На Рис. 3 представлен метод объединения двух множеств типа HashSet<T>: класс множества HashSet<T> содержит в качестве поля концепт-
компаратор, который используется для сравнения элементов множества типа T; при объединении множеств для результирующего множества используется компаратор первого аргумента (s1.Comparer). Пусть есть два множества строк, ss1 и ss2 типа HashSet<string>, причём в первом используется регистрозависимое сравнение строк, а во втором - регистронезависимое. Несмотря на то, что оба множества имеют одинаковый тип, результат GetUnion(ss1, ss2) будет отличаться от GetUnion(ss2, ss1), так как объекты ssl, ss2 используют разные модели сравнения на равенство. Причём согласованность этих моделей нельзя проверить на этапе компиляции кода._
static HashSet<T> GetUnion<T>(HashSet<T> sl, HashSet<T> s2) {
var us = new HashSet<T>(s1, sl. Comparer); us.UnionWith(s2); return us;
}
Рис. 3. Функция объединения множеств типа HashSet<T> (C#)
Заметим, что в примере на Рис. 2 интерфейс IComparer<T> выступает не в роли ограничения (как IComparable<T> на Рис. 1) а в роли типа, то есть своей изначальной роли в объектно-ориентированном программировании. Один блок кода может использовать интерфейсы и в обеих ролях. Например, алгоритм сортировки произвольной коллекции значений типа T: void Sort<T>(ICollection<T> values) where T : IComparable<T>;
Здесь интерфейс ICollection<T> используется в роли типа, а IComparable<T> - в роли ограничения. Подобная неоднозначность семантики интерфейсов усложняет обобщённое программирование и затрудняет восприятие кода. Представляется более правильным использовать интерфейсы исключительно в роли типов, а для ограничения типовых параметров обобщённого кода ввести новую конструкцию языка. В исследовании [7] на примере почти 14 млн. строк Java-кода было показано, что на практике один и тот же интерфейс никогда не используется в двух ролях, а либо всегда используется в роли типа, либо всегда в роли ограничения. Так, например, интерфейс Comparable<X> - полный аналог интерфейса IComparable<T> в C# - всегда используется в роли ограничения.
3. Поддержка обобщённого программирования в современных объектно-ориентированных языках и их расширениях
В последние годы появился целый ряд объектно-ориентированных языков программирования, в которых на смену «классическим» интерфейсам C# и Java пришли новые ОО-конструкции: в Scala [6,14] и Rust [15] это трейты, в Swift [16] - протоколы. Подобно C#/Java, в этих языках реализован механизм ОП на основе явных ограничений, но вместо интерфейсов для ограничения типовых параметров используются указанные конструкции, которые, как и интерфейсы, применяются и в качестве типов. Средства обобщённого программирования в упомянутых языках обладают бо'льшеи выразительном силои, чем аналогичные инструменты C#/Java. Вместе с тем для языков C# и Java было предложено несколько расширений, улучшающих возможности ОП посредством модификации интерфейсов или внедрения новых конструкций для ограничения типовых параметров: расширенные интерфейсы C# [10]; C#cpt [8] - язык C# концептами, разработанный нами; генерализованные интерфейсы JavaGI [11]; Genus [12] - язык Java с конструкциями-ограничениями. Мы выполнили обзор различных средств обобщённого программирования в современных ОО-языках и расширениях C#/Java и провели их сравнительный анализ; результаты этого исследования представлены в работе [13]. Здесь мы приведём некоторые выводы, касающиеся современных подходов к организации средств ОП в ОО-языках.
Использование ограничений в роли типов. Возможны два варианта реализации ограничений на типовые параметры:
1. Конструкции, используемые для ограничения типовых параметров, могут использоваться и как типы. Этот подход используется во всех рассмотренных нами ОО-языках: C# [3], Java [4], Scala [14], Ceylon [17], Rust [15], Swift [16]. Возможность использования конструкции в качестве типа означает, что эта конструкция описывает функциональность одного объекта некоторого типа (как интерфейсы C#/Java и трейты Scala) и, возможно, статические методы этого типа (как интерфейсы Ceylon, трейты Rust и протоколы Swift). Из этого следует, что выразить естественным образом мультипараметрические ограничения, то есть ограничения на несколько типов, при таком подходе невозможно: для каждого типа из семейства связанных типов нужно определить обобщённую конструкцию,
типовые параметры которой представляют остальные типы из этого семейства, а также привести соответствующие ограничения для каждого типа. На Рис. 4 представлено определение обобщённого паттерна «Наблюдатель» на языке C# (аналогичный пример на Java был приведён ранее в [11]): этот паттерн связывает два типа - субъекта и наблюдателя, причём методы наблюдателя зависят от субъекта, а методы субъекта - от наблюдателя. Ограничения на оба типа приходится указывать трижды: в определениях интерфейсов для каждого из типов семейства, а также в обобщённом коде._
interface IObserver<O, S>
where O : IObserver<O, S>
where S : ISubject<O, S> { void Update(S subj); }
interface ISubject<O, S>
where O : IObserver<O, S>
where S : ISubject<O, S> { void Register(O obs); ... }
void GenericUpdate<O, S>(S subject, O observer)
where O : IObserver<O, S>
where S : ISubject<O, S> { observer.Update(subject); }
Рис. 4. Обобщённый паттерн Наблюдатель (C#)
Следует отметить, что трейты Rust и протоколы Swift поддерживают собственные типы, поэтому, в отличие от C#/Java/Scala, в этих языках не нужны рекурсивные ограничения, обсуждавшиеся в Разд. 2. Например, аналогичный интерфейсу IComparable<T> (Рис. 1) трейт Rust определяется следующим образом:
trait Comparable { fn CompareTo(self, other: Self) -> bool; }
Тип Self означает тип, реализующий данный трейт, а значение self - объект, для которого вызывается метод CompareTo. Соответственно, обобщённый код вместо рекурсивного ограничения-интерфейса T : IComparable<T> содержит не рекурсивное ограничение-трейт T : Comparable.
2. Для ограничения типовых параметров обобщённого кода используются отдельные конструкции, которые не могут выступать в роли типов. Такими конструкциями являются концепты G [18] (не путать с концепт-паттерном), мультипараметрические генерализованные интерфейсы JavaGI [11], ограничения Genus [12] и концепты C#cpt [8]. На Рис. 5 приведён пример C#cpt концепта сравнения CComparable[T] и обобщённого алгоритма сортировки, в котором используется соответствующие концепт-ограничение (или концепт-требование). Концепт-ограничение выступает в роли предиката на типы. При таком подходе нет принципиальной разницы между ограничениями на один и несколько типов: одна конструкция описывает все требования к семейству связанных типов, она же используется в качестве ограничения в обобщённом коде. Соответствующий пример для паттерна «Наблюдатель» приведён на Рис. 5. Заметим также, что параметром алгоритма сортировки на Рис. 5 является коллекция элементов типа T, представленная обобщённым интерфейсом ICollection<T>, но путаницы между типом и ограничением, как _при использовании концепт-паттерна, не возникает._
concept CComparable[T] { int Compare(T a, T b); }
void Sort<T>(ICollection<T> values) where CComparable[T] {...}
concept CObserverPattern[S, O] {...}
void GenericUpdate<O, S>(S subj, O obs) where CObserverPattern[O, S] {...}
Рис. 5. Примеры обобщённого кода на C#cpt
Ретроактивное моделирование несомненно является одной из важнейших возможностей обобщённого программирования. Подавляющее большинство современных языков и расширений поддерживают ретроактивное моделирование: в Rust и Swift разрешена ретроактивная реализация трейтов и протоколов, а для концептов G/C#cpt, генерализованных интерфейсов JavaGI и ограничений Genus ретроактивно реализуются модели (модель задаёт способ, которым тип или набор типов реализуют концепт/генерализованный интерфейс/ограничение).
Множественное определение моделей. В языках C# и Java типы реализуют интерфейс единственным образом. То же касается интерфейсов, трейтов и протоколов в языках Ceylon, Scala, Rust и Swift, а также концептов G и генерализованных интерфейсов JavaGI, где для каждого набора типов в области видимости допускается лишь одна модель. Из-за единственности способа реализации ограничений обобщённый алгоритм сортировки, например, нельзя использовать для сортировки значений одного типа в разном порядке. В языках C#, Java и Scala множественная реализация симулируется использованием концепт-паттерна [6], проблемы которого обсуждались в Разд. 2. Лишь два расширения языков C# и Java - C#cpt [8] и Genus [12] - поддерживают множественное определение моделей для одного набора типов. На Рис. 6 представлен заголовок класса HashSet<T>, определённого на C#cpt: вместо поля-компаратора значений типа T используется концепт-ограничение на тип T. В методе объединения множеств это ограничение можно не указывать, так как оно выводится из использования типа HashSet<T> для параметров. При этом гарантируется, что для объектов s1 и s2 используется одна и та же модель компаратора: проверка выполняется на этапе компиляции кода. В примере на Рис. 6 объединение множеств ss1 и ss2 не допустимо, так как для множеств ss1 и ss2 используются разные модели концепта сравнения на равенство: для ss1 используется модель по умолчанию (определена с ключевым словом default), реализующая регистрозависимое сравнение строк, а для ss2 - модель StringEqCaselS регистронезависимого сравнения.
class HashSet<T> where CEquatable[T] {...}
static HashSet<T> GetUnion<T>(HashSet<T> s1, HashSet<T> s2) {
var us = new HashSet<T>(s1); us.UnionWith(s2); return us;
}
model default StringEqCaseS for CEquatable[string] {...} model StringEqCaselS for CEquatable[string] {...}
var ss1 = new HashSet<string>(...);
var ss2 = new HashSet<string>[using StringEqCaseIS](...);
var ss3 = GetUnion(ss1, ss2); // Ошибка компиляции!
Рис. 6. Решение проблемы согласованности моделей в C#cpt
В Genus для применения моделей используется иной синтаксис: вызов конструктора множества ss2 выглядит как new Set[String with StringEqCaseIS](...). Ограничения записываются аналогично, в секции where. Авторы называют типы в Genus типами, зависящими от моделей: как и в C#cpt, согласованность моделей проверяется на этапе компиляции.
4. Обобщённое программирование на основе концепт-параметров в языке C#CP
В данном разделе мы представляем мотивацию и дизайн инструментов обобщённого программирования на основе концепт-параметров на примере языка C#CP - расширения C# (компилятор C#CP в настоящее время находится на стадии разработки). Подобно G, C#cpt, JavaGI и Genus, для описания ограничений в C#CP используется отдельная конструкция языка - концепт. Принципиальное отличие концептов C#CP от концептов G [18]/C#cpt [8], генерализованных интерфейсов JavaGI [11] и ограничений Genus [12] заключается в способе ограничения типовых параметров обобщённого кода: во всех перечисленных проектах ограничения имеют форму предикатов на типы. Заметим, что в G и JavaGI ограничения where C[T\.TN] действительно являются предикатами вида «для набора типов T\.TN определена модель концепта C[...]», так как в этих языках для данного набора типов можно определить лишь одну модель концепта. В то же время в C#cpt и Genus, в которых поддерживается множественное определение моделей, ограничения в действительности не являются предикатами - при инстанцировании обобщённого кода на место каждого концепт-требования подставляется одна модель, выбранная из множества возможных; даже название «тип, зависящий от модели» говорит о том, что наряду с типовыми параметрами модель, фактически, также является параметром обобщённого типа. В C#CP вместо концепт-ограничений (или концепт-требований) в форме предикатов обобщённые конструкции явно зависят от концепт-параметров.
Основываясь на результатах сравнительного анализа средств обобщённого программирования в современных объектно-ориентированных языках [13] и выводах, представленных в предыдущем разделе, мы выделили несколько ключевых вопросов, по которым должны быть приняты решения при проектировании дизайна средств обобщённого программирования:
1. Можно ли использовать в роли типов конструкции, применяющиеся для ограничения типовых параметров обобщённого кода, или ОО-элементы языка, через которые реализуется полиморфизм, и ограничения на типовые параметры представлены разными конструкциями;
2. Поддерживаются ли ограничения подтипирования и надтипирования на типовые параметры обобщённого кода;
3. Каким образом обеспечивается возможность ретроактивного моделирования ограничений типами;
4. Возможно ли множественное определение моделей.
В C#CP концепты используются только для описания ограничений, а интерфейсы, в том числе обобщённые, выступают в качестве типов. Можно привести по крайней мере три аргумента в пользу такого решения вопроса 1: конструкции-ограничения, используемые в роли типов, плохо справляются с мультипараметрическими ограничениями (см. Разд. 3); использование одной и той же конструкции в различных ролях усложняет восприятия кода из-за неоднозначной семантики этой конструкции (см. Разд. 2); как показало исследование [7], множество интерфейсов-типов и множество интерфейсов-ограничений на практике действительно не пересекаются, поэтому невозможность использования ограничений в роли типов не вызовет практических проблем. Помимо требований к функциональности, концепты C#CP поддерживают ограничения подтипирования T <: B и надтипирования T >: D, где T - типовый параметр, а B, D - конкретные классы. Для любого набора типов можно определить именованную модель концепта, причём моделей может быть несколько. Таким образом поддерживается множественное ретроактивное определение моделей._
concept Equality[T] { bool Equal(T x, T y); bool NotEqual(T x, T y) { return !Equal(x, y); } }
class HashSet<T ! Equality[T] eq> { ■■■
void UnionWith(HashSet<T!eq> other) {...}
}
static HashSet<T!eq> GetUnion<T ! Equality[T] eq>(HashSet<T!eq> s1,
HashSet<T!eq> s2) { var us = new HashSet<T!eq>(s1); us.UnionWith(s2); return us; }
Рис. 7. Примеры обобщённого кода в C#CP
Рис. 7 иллюстрирует несколько примеров обобщённого кода с использованием концептов в языке C#CP. Концепт Equality[T] описывает возможность сравнения значений типа T на равенство, причём метод NotEqual имеет реализацию по умолчанию (эта возможность поддерживается также в Scala, Ceylon, Rust, Swift, JavaGI, G и C#cpt). Обобщённый класс HashSet<...> множества зависит не только от типа элементов T, но и от концепт-параметра Equality[T] eq; объединение (метод UnionWith) допустимо только со множеством, использующим такую же модель сравнения элементов, то есть со множеством типа HashSet<T!eq>. Заголовок метода GetUnion<...> ясно показывает, что s1 и s2 это множества с одинаковым типом элементов и общей моделью сравнения элементов eq.
На Рис. 8 представлены определения двух моделей концепта Equality[] для строк: eqString для регистрозависимого и eqCInsString для регистронезависимого сравнения. При инстанцировании класса множества нужно указать не только тип элементов, но и модель концепта Equality[] для этого типа. При создании инстанции класса с помощью оператора new HashSet<string>(...) концепт-параметр eq инициализируется моделью Equality[string] по умолчанию, если такая есть, в противном случае будет получена ошибка компиляции; модель
можно указать и явно, как при создании ss12 и ss2. Множества ss11 и ss12 используют одну и ту же модель Equality[string], eqString, поэтому к ним можно применить операцию объединения, в то время как ss11 и ss2 - разные, поэтому попытка получить их объединение приведёт к ошибке компиляции.
model default eqString for Equality[string] { bool Equal(string x, string y) { return x == y; } }
model eqCInsString for Equality[string]
{ bool Equal(string x, string y) { return x.ToLower() == y.ToLower(); }}
var ssll = new HashSet<string>(...);
var ss12 = new HashSet<string!eqStr/ng>(...);
var ss1 = GetUnion(ss11, ss12); // OK
var ss2 = new HashSet<string!eqC/nsStr/ng>(...);
var ss3 = GetUnion(ss11, ss2); // Ошибка компиляции!
Рис. 8. Определение моделей и инстанцирование в C#CP
Модели могут быть обобщёнными и зависеть от других моделей. На Рис. 9 представлено определение модели концепта Equality[] для типа обобщённой пары Pair<S, T>: пары одного типа можно сравнивать на равенство, если указаны модели сравнения для их элементов. Заметим, что так называемое условное определение моделей, то есть определение обобщённых моделей с требованиями к типовым параметрам, поддерживается в языках Rust, G, JavaGI и C#cpt, а вот в Genus, где поддерживается множественное определение моделей, реализована полноценная зависимость моделей от моделей.
struct Pair<S, T> { public S first; public T second; ... }
model eqPair<S, T ! Equality[S] eqS, Equality[T] eqT> for Equality[Pair<S, T>]
{
bool Equal(Pair<S, T> a, Pair<S, T> b){
{ return eqS.Equal(a.first, b.first) && eq7.Equal(a.second, b.second);}
}
Рис. 9. Пример обобщённой модели в C#CP
Genus:
interface List[E]{ boolean remove(E e) where Eq[E]; ... }
List[string] ss = ...;
ss.remove[with eqCInsString]("qwerty");
C#CP:
interface IList<T>{ bool Remove<!Equality[T] eq>(T x); ... }
IList<string> ss = ...;
ss.remove<! eqCInsString> ( "qwerty");
Рис. 10. Ограничения на типовые параметры в методах в Genus и C#CP
Ещё одной интересной возможностью C#CP является возможность накладывать ограничения на типовые параметры в методах класса, которая также реализована в языках Rust и Genus. В статье, посвящённой Genus [12], приводится пример обобщённого интерфейса списка с методом удаления элемента, для которого необходимо сравнение элементов списка на равенство. Соответствующий код приведён на Рис. 10: метод remove накладывает на тип элементов E ограничение в форме предиката, а при вызове метода в квадратных скобках можно указать конкретную модель сравнения элементов. В аналогичном примере на C#CP (Рис. 10) концепт
сравнения является явным параметром метода Remove и заменяется на конкретную модель при инстанцировании.
Концепты C#CP образуют пространства имён, в которые включены не только функции, но и имена типовых параметров концепта. В обобщённом коде не обязательно специфицировать все типовые параметры концепт-параметра. Соответствующий пример иллюстрирует Рис. 11: концепт Weighing[T, Weight] описывает возможность взвешивания значений типа T, где вес задаётся типом Weight; FindMaxWeight<...> - алгоритм поиска элемента массива с наибольшим весом, параметризованный типом элементов T и концептом взвешивания Weighing[T, ?] w, где вместо типа веса указан символ «?». Можно было бы сделать тип веса явным типовым параметром функции:
static int FindMaxWeight<T, Weight ! Weighing[T, Weight] w>(T[] values) Как и на базовом C#, в котором тип веса указывать необходимо: static int FindMaxWeight<T, Weight> where T : IWeighed<Weight> (T[] values) Но тип веса не имеет значения в заголовке функции FindMaxWeight и лишь делает определение более громоздким. В реализации же функции к типу веса можно обратиться через концепт-параметр: w.Weight. Поскольку при инстанцировании кода вместо w будет подставлена конкретная модель, тип веса можно вывести. Рис. 11 также демонстрирует возможность уточнения концептов: концепт взвешивания включает все возможности концепта упорядочения для типа веса. При определении модели нужно указывать модель уточняемого концепта, как это сделано в моделях stringLetCntWeight (вес определяется как количество букв) и stringPnctCntWeight (вес - количество знаков пунктуации). В результате в переменную indMaxLetCnt будет записан индекс строки с наибольшим количеством букв, а в indMinPnctCnt - индекс строки с наименьшим количеством знаков пунктуации. Следует отметить, что возможность не указывать типовые параметры концептов в ограничениях является уникальной возможностью языка C#CP. В C#cpt и Genus, где для ограничения типовых параметров используются концепт-ограничения в форме предикатов, такая возможность не предусмотрена._
concept Ordering[T] { int Compare(T x, T y);
bool Greater(T a, T b) { return tft/s.Compare(x, y) > 0; } ... } concept Weighing[T, Weight] refining Ordering[Weight] { Weight GetWeight(T x); }
static int FindMaxWeight<T ! Weighing[T, ?] w>(T[] values) { ... // обработка null и пустого массива int indMax = 0; w.Weight weightMax = w.GetWeight(values[0]); for (int i = 1; i < values.Length; ++i) if (w.Greater(w.GetWeight(values[i]), weightMax)) { indMax = i; weightMax = w.GetWeight(values[i]); } return indMax;
}
model default intAscOrd for Ordering[int] {...} // упорядочение int по возрастанию model intDescOrd for Ordering[int] {...} // упорядочение int по убыванию model stringLetCntWeight refining intAscOrd for Weighing[string, int] { int GetWeight(string x) { return x.Count(Char.IsLetter); } } model stringPnctCntWeight refining intDescOrd for Weighing[string, int] { int GetWeight(string x) { return x.Count(Char.IsPunctuation); } }
string[] ls = { "Oh, no", "Hello, world!", "cat" };
var indMaxLetCnt = FindMaxWeight<string ! stringLetCntWeight>(ls); // 1 var indMinPnctCnt = FindMaxWeight<string ! stringPnctCntWeight>(ls); // 2
Рис. 11. Ограничения на типовые параметры в методах в Genus и C#CP Заключение
Новые объектно-ориентированные языки программирования и расширения предлагают более выразительные инструменты обобщённого программирования по сравнению с
классическим F-ограниченным полиморфизмом на основе интерфейсов, реализованным в языках C# и Java. Мы выполнили сравнительный анализ средств ОП в современных языках и расширениях, и выделили несколько ключевых параметров, характеризующих эти инструменты: ретроактивное моделирование, использование конструкций-ограничений в роли типов, множественное определение моделей. Предложенный механизм обобщённого программирования на основе концепт-параметров не уступает по выразительной силе средствам ОП в других языках, но предполагает принципиально иной стиль обобщённого программирования: «ограничения как параметры» вместо «ограничения как предикаты на типы». Использование конструкций-ограничений как явных параметров обобщённого кода облегчает написание и восприятие кода, если разрешено множественное определение моделей, что, в свою очередь, является удобным элементом обобщённого программирования. Концепт-параметры также позволяют упростить «интерфейсы» обобщённых компонент, так как типы, которые могут быть выведены из моделей, можно не указывать в качестве параметров: таким образом, заголовки обобщённых компонент содержат только параметры, существенные для пользователей этих компонент.
Литература
1. David R. Musser, Alexander A. Stepanov. Generic Programming / / Proceedings of the International Symposium ISSAC '88, p. 13-25. Springer-Verlag, London, UK, UK, 1989.
2. Ronald Garcia, Jaakko Jarvi, Andrew Lumsdaine, Jeremy Siek, Jeremiah Willcock. An Extended Comparative Study of Language Support for Generic Programming // J. Funct. Program., 17(2), March 2007, p. 145-205. Cambridge University Press, New York, NY, USA.
3. Andrew Kennedy, Don Syme. Design and Implementation of Generics for the .NET Common Language Runtime / / SIGPLAN Not., 36(5), May 2001, p. 1-12. ACM, New York, NY, USA.
4. Gilad Bracha, Martin Odersky, David Stoutamire, Philip Wadler. Making the Future Safe for the Past: Adding Genericity to the Java Programming Language // Proceedings of the 13th ACM SIGPLAN Conference OOPSLA '98, p. 183-200. ACM, New York, NY, USA, 1998.
5. Peter Canning, William Cook, Walter Hill, Walter Olthoff, John C. Mitchell. F-bounded Polymorphism for Object-oriented Programming // Proceedings of the Fourth International Conference FPCA '89, p. 273-280. ACM, New York, NY, USA, 1989.
6. Bruno Oliveira, Adriaan Moors, Martin Odersky. Type Classes As Objects and Implicits // Proceedings of the ACM International Conference OOPSLA '10, p. 341-360. ACM, New York, NY, USA, 2010.
7. Ben Greenman, Fabian Muehlboeck, Ross Tate. Getting F-bounded Polymorphism into Shape // Proce-edings of the 35th ACM SIGPLAN Conference PLDI '14, p. 89-99. ACM, New York, NY, USA, 2014.
8. Julia Belyakova, Stanislav Mikhalkovich. Pitfalls of C# Generics and Their Solution Using Concepts // Proceedings of the Institute for System Programming, 27(3), June 2015, p. 29-45. Institute for System Programming RAS, Moscow, Russia.
9. Белякова Ю. В., Михалкович С. С. Средства обобщённого программирования в современных объектно-ориентированных языках. Часть 1. Анализ проблем. // Труды научной школы И. Б. Симоненко. Второй выпуск. Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ 2015. С. 60-74.
10. Jaakko Jarvi, Jeremiah Willcock, Andrew Lumsdaine. Associated Types and Constraint Propagation for Mainstream Object-oriented Generics. // Proceedings of the 20th Annual ACM SIGPLAN Conference OOPSLA '05, p. 1-19. ACM, New York, NY, USA, 2005.
11. Stefan Wehr, Peter Thiemann. JavaGI: The Interaction of Type Classes with Interfaces and Inheritance // ACM Trans. Program. Lang. Syst., 33(4), July 2011, p. 12:1-12:83. ACM, New York, NY, USA.
12. Yizhou Zhang, Matthew C. Loring, Guido Salvaneschi, Barbara Liskov, Andrew C. Myers. Lightweight, Flexible Object-oriented Generics // Proceedings of the 36th ACM SIGPLAN Conference PLDI '2015, p. 436-445. ACM, New York, NY, USA, 2015.
13. Белякова Ю. В., Михалкович С. С. Средства обобщённого программирования в современных объектно-ориентированных языках. Часть 2. Обзор новых решений. // Труды научной школы И. Б. Симоненко. Второй выпуск. Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ 2015. С. 75-89.
14. A. Pelenitsyn. Associated types and constraint propagation for generic programming in Scala // Programming and Computer Software, 41(4), p. 224-230. Pleiades Publishing, 2015.
15. The Rust programming language, version 1.2.0. August 2015.
16. http://doc.rust-lang.org/stable/reference.html
17. The Swift Programming Language, version 2.0. August 2015.
18. http: / / develop er.apple.com / swift/resources /
19. The Ceylon language specification, version 1.1.0. October 2014.
20. http://ceylon-lang.org/documentation/1.1/spec
21. Jeremy Siek, Andrew Lumsdaine. A Language for Generic Programming in the Large // Sci. Comput. Program., 76(5), p. 423-465, May 2011. Elsevier North-Holland, Inc., Amsterdam, The Netherlands.
