Непейвода Н.Н., Скопин И.Н. Основания программирования

Подождите немного. Документ загружается.

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

405

совокупность должна быть расширена операциями, используемыми с соот-

ветствующим формальным параметром этой процедуры. А есть еще случаи

динамики, когда при одних вычислениях формируется одна, а при других —

другая совокупность; есть и перегрузка операций, когда смысл имени опе-

рации зависит от того, с какими аргументами она вычисляется. И все это

осложняется в связи с внешними библиотечными процедурами, про которые

принципиально неизвестно, как они используют свои параметры.

Эти и подобные им рассуждения приводят к выводу о том, что нужно как-

то ограничить правила соответствия по сравнению с тем, что можно предпо-

ложить на первый взгляд. Таким образом, предлагается ограничиться потен-

циальной применимостью операций, нисколько не заботясь о том, с какими

операциями они фактически используются. Иными словами, вводятся следу-

ющие соглашения:

• используется статическая система типов переменных, которая в мо-

мент описания связывает описываемое имя с типом и никогда не по-

зволяет нарушать эту связь. В свою очередь, тип определяется как со-

вокупность значений и набор операций, вычислимых с этими значени-

ями;

• вводятся приведения значений типов, которые определяются как пра-

вила преобразования значения одного типа к значению другого. Эти

правила, вообще говоря, могут требовать вызова подпрограмм, перера-

батывающих исходное значение в значение целевого типа. Они опреде-

ляются только для разумных сочетаний пар типов (для каждого языка

своих). Они могут вызываться и неявно, в тех случаях, когда приве-

дение требуется по контексту, и явно, когда приведение указывается

программистом принудительно;

• значение фактического параметра, соответствующего in-параметру, при-

водится к типу, заданному для формального параметра, а значение фор-

мального out-параметра, вырабатываемое в ходе вычислений процеду-

ры, приводится к типу фактического параметра.

Благодаря этим соглашениям нет нужды знать реализации алгоритмов про-

цедур,т. е.тексты,задающие их), чтобы корректно (с точки зрения языка)вы-

зывать процедуры. Достаточно знать только типы формальных параметров.

Собственно говоря, одной из предпосылок определения типа набором опе-

раций, допустимых для его значений, было обеспечение с минимальными

затратами корректности вызовов процедур.

406

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

Следует специально остановиться на операторе присваивания значений.

С концептуальной точки зрения этот оператор есть специальным образом

синтаксически оформленная процедура с двумя параметрами:in-параметр —

источник значения,и out-параметр — получатель значения (по своей сути это

та же процедура

Copy

, рассмотренная выше). Поэтому правила соответствия

типов в данной ситуации применяются в полной мере, и нет нужды что-либо

специально доопределять на этот счет. Иное дело, что в языках часто опреде-

ляются не средства, обеспечивающие назначение параметров, а механизмы

параметризации, и, если эти механизмы базируются на присваивании (как

С/С++

), то поневоле приходится говорить сначала о приведениях в выра-

жениях и присваиваниях, а затем переносить выработанные соглашения на

параметризацию.

Ориентация

Pascal

на максимально полную, какую можно было реали-

зовать в начале 70-х гг. XX вв., проверку программы до ее исполнения пре-

допределила в языке такие правила согласования типов, которые допуска-

ют вычисление всей информации о типах объектов программы в процессе

трансляции. В соответствии с этими правилами в

Pascal

требуется, чтобы

при подстановке каждого фактического параметра его тип совпадал или был

бы эквивалентен типу соответствующего формального параметра (т. е. опре-

делен при своем описании как равный типу формального параметра). В част-

ности, с этой целью язык

Pascal

требует, чтобы в описании формального

параметра его тип был бы указан своим именем. Приведения типов почти

всегда явные (есть единичные исключения из этого правила, например, пре-

образование целого к вещественному).

8.5.2. Полиморфизм и вызовы с переменным числом параметров

В языках

С/С++/С#

Java

жизненно важной, в частности, для объект-

но-ориентированного программирования является возможность иметь много

процедур с одинм и тем же именем,но разным обращением.Нужный вариант

процедуры выбирается по контексту вызова. Это называется полиморфизмом

процедур. В последние версии языка

Object Pascal

проникли некоторые эле-

менты полиморфизма, хотя там они не являются столь жизненно важными и

введены скорее для согласования с вышеупомянутыми языками.

На самом деле во всех традиционных языках программирования имеет-

ся полиморфизм, неявно присутствующий в определении выражений языка.

Дело в том, что одна и та же операция с аргументами разных типов реализу-

ется разными командами (процедурами). Это — полиморфизм операций, ча-

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

407

сто (в особенности в литературе по языкам

Алгол 68

Ada

) называемый их

перегрузкой. Поскольку, в частности, языки

C++

Java

разрешают описание

существующих операций для новых типов аргументов (например, програм-

мист сам может поределить операции ввода-вывода

для нового типа

данных), это также является актуальным не только для системных програм-

мистов.

Полиморфизм в широком смысле — возможность выбора конкретной

реализации некоторого имени в зависимости от контекста, в котором дан-

ное имя появилось. Выбор конкретной реализации полиморфного имени на-

зывается разрешением полиморфизма. Полиморфизм соответствует омони-

мии в естественных языках, когда, скажем, ‘стекло’ понимается совершенно

по-разному в синтаксических позициях существительного и глагола. Но да-

же синтаксическая позиция может не помогать разрешению омонимии, на-

пример, для случая слова ‘коса’. Поэтому в языках с широко встречающейся

омонимией (китайский, японский, английский) переходят к иероглифическо-

му письму

,когда омонимы различаются по написанию. Уже это показывает,

насколько обоюдоострым оружием является неограниченный полиморфизм.

В связи с этим в языках программирования различается два вида поли-

морфизма: тот, который разрешается синтаксически (т. н. раннее связывание

реализации с именем), и тот, который разрешается уже в момент исполнения

программы (т. н. позднее связывание).

Разработанные методы синтаксического разрешения полиморфизма сво-

дятся в основном к тому, что конкретный вариант процедуры или операции

выбирается, исходя из типов ее параметров. Для процедур, кроме того, есть

еще и количество аргументов.

Например, если в языке

C/C++

заданы три процедуры

Role()

Role(Actor)

Role(Employee)

, где

Actor

Employee

— различные типы данных, то одно-

значно понятно, какая из них вызывается в следующих трех случаях (

solist

переменная типа

Actor

clerk

— типа

Employee

Role();

Role(solist);

Role(clerk);

Но вот если описаны две процедуры

Convert(ﬂoat) Complex

Convert(double) Complex

Многие современные лингвисты трактуют английское письмо как иероглифическое. На-

пример, рассмотрите широко известный ряд слов

‘rite’, ‘write’, ‘right’, ‘wright’

408

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

то вызов

Convert(15)

выглядит двусмысленным, поскольку сначала 15 нуж-

но привести к одному из возможных типов аргументов. Конечно, эта дву-

смысленность разрешается случайными соглашениями конкретного языка,

но Вы уже много раз видели, что к этим соглашениям со стратегической точ-

ки зрения никогда нельзя привыкать.Так что лучше подобными двусмыслен-

ностями не пользоваться.

Имеется вариант, который признается некорректным практически во всех

современных языках с синтаксическим полиморфизмом: процедуры описы-

ваются с одним и тем же числом и одними и теми же типами аргументов,

но типы значений у них разные. Конечно же, в контексте явного приведения

типов, например,

complex(a+b)

string(a+b)

и такой полиморфизм синтаксически разрешим, но в прочих контекстах при

полной неупорядочсенности системы приведений типов он приводит к по-

стоянным конфликтам.

Позднее связывание отнюдь не обязательно требует глубокого семантиче-

ского анализа. Оно в рудиментарном виде было реализовано даже на уровне

системы команд процессоров

Burroughs

Эльбрус

, реализующих тегговую

архитектуру. Конкретная реализация арифметической операции выбиралась

в зависимости от тегов аргументов.

Динамическую подстановку методов в объектно-ориентированном про-

граммировании можно трактовать как некоторый вариант позднего свзяыва-

ния, о чем сказано в соответствующей главе.

Инициализированные параметры языка

С++

. Очень соблазнительно

при описании процедуры задать некоторым формальным параметрам соот-

ветствующие им фактические параметры, которые будут использованы при

вызовах в случаях,когда позиция соответствующего фактического параметра

не заполнена. Часто (как, например, в

Ada

, в командных языках, в языке T

это оформляется через ключевую форму параметризации. В

С++

такая воз-

можность реализуется в рамках позиционной формы передачи параметров с

учетом их порядка: опускаться могут лишь последние параметры вызова. За-

дается инициализация параметров помощью конструкции инициализатора,

В языке

Алгол 68

, где приведения типов сведены в наиболее строгую и последователь-

ную систему, просто было определено, какие из приведений допустимы при разрешении

полиморфизма операций (полиморфизма процедур там нет).

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

409

которая является обычной для задания начальных значений любых перемен-

ных. Это связано с тем, что параметризация данного языка подчиняется ме-

ханизму передачи параметров по значению, а значит, описание формальных

параметров ничем не отличается от обычного описания локальных перемен-

ных.

Наличие инициализированных параметров позволяет вызывать одну и ту

же функцию с разным числом аргументов, что внешне похоже на полимор-

физм. Так,

void f ( int, int = 7 );

делает возможными вызовы и

f(6)

, и

f(6,5)

. При этом инициализация параме-

тра во втором вызове игнорируется. Соответствие параметров в случае ини-

циализации, которая не игнорируется, обеспечивается соглашением о сохра-

нении порядка неинициализированных параметров.

Понятно, что инициализация параметров не приводит к появлению ново-

го механизма параметризации. Это просто одно из прагматических соглаше-

ний, которое разработчики трансляторов могут иметь ввиду для составления

более качественного объектного кода.

Читатель может сам написать кучу двусмысленных вызовов при совмест-

ном использовании инициализированных параметров и полиморфизма: уж

эти-то две возможности можно решительно не рекомендовать использовать

для процедур с одним и тем же именем!

Несколько слов о возможности не фиксировать число параметров, пре-

доставляемой в

С/С++

. На уровне вызова процедуры эта ситуация выглядит

просто: все фактические параметры один за другим загружаются в стек. Тем

самым транслятор исходит из предположения о том, что формальных пара-

метров для идентификации загруженных в стек значений достаточно. А вся

нагрузка определения того, что лежит в стеке, а также решение задачи со-

поставления фактических параметров формальным переносится на уровень

алгоритма процедуры. В частности, если специально не позаботиться о раз-

боре загруженных значений, то можно просто потерять передаваемые дан-

ные либо использовать значение одного типа как значение совсем другого.

Стандартный прием работы с переменным числом фактических параме-

тров — использование массива, который оказывается инициализированным

ими. Часто применяется и такой прием: первый параметр задает формат то-

го, что за значения заданы в списке параметров, каково их количество. Распо-

знавание этого формата в алгоритме процедуры дает возможность правильно

использовать полученные значения. Примерами такого рода служат функции

410

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

scanf

printf

, требующие передачи им формата параметров в виде строки, но

это далеко не единственный вид формата.

8.5.3. Механизмы передачи параметров

Обычные механизмы языков программирования, используемые для пере-

дачи параметров, сводятся к следующим четырем видам:

1. передача параметра по значению, когда перед выполнением алгоритма

процедуры (на фазе подготовки к выполнению) для такого параметра в

локальном контексте процедуры выделяется специальная переменная,

именуемая идентификатором формального параметра, которая получа-

ет значение фактического параметра;

2. передача параметра как переменной, при которой фактический пара-

метр, соответствующий формальному, должен быть переменной, заме-

щающей все вхождения имени формального параметра в теле проце-

дуры на фазе выполнения ее алгоритма;

3. передача параметра по наименованию, когда при исполнении вызова

подпрограммы на фазе выполнения ее алгоритма имитируется подмена

в теле подпрограммы всех вхождений имени формального параметра

на текстуальное представление фактического параметра;

4. передача параметра по ссылке, когда при исполнении вызова подпро-

граммы на фазе выполнения ее алгоритма формальный параметр заме-

няется на адрес фактического параметра.

5. передача параметра по необходимости, при которой фактическая пе-

редача параметра осуществляется в точности в тех случаях и в то вре-

мя, когда вычисления приводят к ситуации, требующей этого. Этот ме-

ханизм важен концептуально, но пока что редко применяется на прак-

тике.

Нельзя считать все эти механизмы взаимно независимыми. Обычно одни из

них выражаются через другие. Так, через передачу параметра по значению

реализуется ссылочная параметризация, которая по своей сути есть специ-

ально оформленный вариант передачи переменной.

Для пояснения введенных понятий ниже приводятся примеры, в которых

описание параметра задано в синтаксисе языков

С/С++, Pascal

или в подоб-

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

411

ной им манере, когда указанные языки не предусматривают соответствую-

щий механизм.

Семантика параметра, передаваемого по значению (короче — параме-

тра-значения), с точностью до указанных в определении действий, ничем не

отличается от обычной переменной локального контекста. Данный механизм

совершенно точно реализует in-параметры, и в этой связи он представляет-

ся наиболее простым. Именно он является единственным механизмом зада-

ния параметризации в языке

С/С++

, с помощью которого моделируется все

остальные. Для такого моделирования, а также для максимально возможного

сокращения записи, приведения типов задействованы более чем на полную

мощность. Это обусловлено привязкой языка к машинному представлению

алгоритмов и данных.

Pascal

формальные параметры-значения указываются в заголовке под-

программы в том виде, который используется для описания переменных (опус-

кается служебное слово

var

procedure P ( x : Integer );

begin

a := x; x := 1;

end;

Для

С/С++

этот пример (с точностью до описания вырабатываемого функ-

цией значения,т.е. служебного слова

void

)будет отличаться только на уровне

конкретного синтаксиса:

void P ( int x )

{

a = x; x = 1;

}

В заголовках процедур описан один формальный параметр, поименован-

ный как

. Использование процедуры

возможно с единственным фактиче-

ским параметром-выражением, вырабатывающим целочисленное значение

или с вещественным параметром-выражением, если язык определяет, что его

значение при присваивании округляется до целого — т. е. имеет место приве-

дение вещественного значения к целому.

Интересно, что вызов процедуры

Pascal

это не так, хотя обратное автоматическое приведение целого к вещественному

значению задействовано. Можете считать это способом сделать так, чтобы программист за-

думался, как нужно преобразовать действительное в целое: округлить или усечь дробную

часть?

412

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

для

С/С++

и для

Pascal

в данном случае выгладит одинаково.

Пусть приведенныке выше описания погружены в контексты (для каждо-

го языка этот контекст определяется по-своему, но отличия несущественны)

с доступными целыми переменными

a, b, c

и массивом целых чисел

с ин-

дексом из интервала

0:3

. Прокомментируем различные вызовы процедуры

(см. рис. 8.4)

Передача параметра как переменной (короче — параметра-перемен-

ной)в

Pascal

синтаксически оформляется пометкой описания параметра слу-

жебным словом

var

procedure Q ( var x : Integer );

Если тело этой процедуры содержит те же операторы, что и

begin a := x; x := 1; end;

то погружение данного описания в указанный выше контекст позволяет упо-

треблять процедуру, во-первых, для присваивания глобальной переменной

значения некоторой другой переменной, передаваемой процедуре в качестве

фактического параметра, а во-вторых, — для здания единицы в качестве зна-

чения фактического параметра-переменной. Эта переменная должна иметь

целочисленный тип. Таким образом, операторы

Q(23); Q(2 + 2);

Q(u); {u

— нецелочисленная переменная}

являются некорректными, но допустимы вызовы, изображеные на рис. 8.5.

Последний оператор на рис. 8.5 заслуживает более пристального внима-

ния. Пусть значения элементов массива

равны 4, 3, 2, 1, а значение пере-

менной

равно 1. Тогда вызов

Q(M[a])

корректен, он приведет к следующим

действиям. Сначала параметр-переменная

вычислится как

M[a]

, следова-

тельно, как

M[1]

, и именно

M[a]

будет рассматриваться в качестве фактиче-

ского параметра. Далее, после входа в подпрограмму выполняется присваи-

вание

значения

M[1]

, т. е.

станет равно 3. Наконец, выполняется оператор

x:=1

, который присваивает значение 1 переменной с индексом

M[1]

На языке

С/С++

передача параметра как переменной моделируется с по-

мощью работы с указателями.Это моделирование будет рассматриваться при

обсуждении механизма передачи параметров по ссылке.

Считается, что механизм передачи параметров-переменных реализует inout-

параметризацию. Однако есть принципиальное расхождение между этим ме-

ханизмом и требованиями к inout-параметрам. inout-параметр является од-

новременно и входным, и выходным параметром. Первое требует включения

имени формального параметра в локальный контекст процедуры, а второе —

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

413

P ( 23 ); {

принимает значение 23, присваиваемое параметру на фа-

зе выполнения алгоритма; другого (внешнего для процедуры)

эффекта вызов

не дает. }

P ( 23.2 ); {Это верно для языков, в которых предусматривается автома-

тическое приведение вещественного к целому. Соответствен-

но, в

Pascal

этот вызов ошибочен, а в

корректен.

прини-

мает значение 23, которое с точностью до округления выра-

батывается так же, как в предыдущем случае. }

P ( b ); { корректно, если значение

до этого оператора было опре-

делено (для

С/С++

данная оговорка лишена смысла, т. к.

язык предусматривает инициализацию значений перемен-

ных); значение

не изменяется! }

P ( a ); { корректно, если значение

до этого оператора было опреде-

лено (см., однако, предыдущее замечание); этот вызов дает:

= a;

}

P ( 2+2 ); { значение выражения

2+2

вычисляется до выполнения опе-

раторов тела процедуры, т. е. на фазе подготовки выполнения

алгоритма. }

P ( M[2] ); { значение выражения

M[2]

вычисляется на фазе подготовки и

присваивается переменной

на фазе выполнения процедуры;

значение

M[2]

не изменяется! }

P ( M[a] ); {Для

Pascal

вызов корректен при корректности выражения

M[a]

, т. е. при 0 6 a 6 3; Для

С/С++

вызов корректен всегда,

поскольку этот язык не берет на себя заботу о корректности

индексации массивов.Эффект — присваивание значения

M[a]

переменной

;

M[a]

не изменяется! }

Рис. 8.4. Вызовы процедуры с различными параметрами

414

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

Q ( b ); { если значение

до этого оператора определено, то это зна-

чение присваивается

, а

присваивается 1}

Q ( a ); { значение, получаемое переменной

, есть 1, оно вырабаты-

вается вторым оператором тела процедуры }

Переменная с индексом возможна в качестве параметра-

переменной:

Q (M[2]); { адрес переменной

M[2]

вычисляется до выполнения опера-

торов тела процедуры; значение

M[2]

станет значением пере-

менной

, затем

M[2]

получит новое значение — 1}

Q (M[a]); { вызов корректен при корректности вычисления адреса пе-

ременной

M[a]

, т. е. при 0 6 a 6 3; эффект — присваивание

значения

M[a]

переменной

и присваивание значения 1 пере-

менной

M[a’]

, где

a’

— старое значение

}

Рис.8.5. Новые возможности вызова при передаче параметра как переменной

выполнения специальных действий по присваиванию выходных значений на

фазе завершения выполнения процедуры. Что же касается параметров-пе-

ременных, то их передача никак не связана с пополнением локального кон-

текста, а специальные действия по присваиванию значений переменным не

предусматриваются. Таким образом, эффект, требуемый inout-параметриза-

цией, достигается лишь при последовательных вычислениях, однако при па-

раллельных либо распределенных вычислениях он может нарушаться, по-

скольку нигде не фиксируется момент, когда параметр-переменная получит

окончательное значение.

Передача параметра по наименованию (или, что то же — по имени)

восходит к самым ранним языкам программирования (

FOTRTRAN

Algol 60

и др.). Этот механизм на первый взгляд не вполне удовлетворителен с точки

зрения надежности программирования, тем не менее, полезно сопоставить

его, в частности, с подстановкой параметров-переменных.

Пусть в условиях приводимых иллюстраций описана процедура с вызо-

вом параметра по имени:

procedure R ( name x : Integer );

begin

a := x; x := 1;

end;

Это описание в указанном выше контексте позволяет употреблять проце-