BUAA-OO-unit-3-总结

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第三单元主题为基于JML规格实现社交网络模拟。通过本单元的学习，我了解到如何进行契约式编程，学习了JML的语法和相应工具链的使用，同时还实践了基于规格的软件测试、单元测试等多种测试方法。

关于测试

测试的策略

在OO课程与软件开发中，测试始终是一门重要的学问。回顾已经过去的三个单元，可以总结出以下几种测试策略：

第一单元的测试：主要采用随机生成数据，借助python符号计算包sympy化简表达式进行答案比对的方法，实现较高的测试覆盖率。

graph LR subgraph test in U1 C(Generator)--generate data-->B(Tester)--get result-->A C--data-->G(sympy)--res-->A A(Judgee) end

第二单元的测试：由于不同的答案可能都是正确的，因此无法采用对拍的策略，只能按照电梯的运行规则编写数据检查器，来检验电梯行为的正确性。同样可以利用大量的随机数据得到答案，再通过数据检查器即可。

graph LR subgraph test in U2 C(Generator)--generate data-->B(Tester)--get result-->A A(Checker: a FSM) A--shift state-->A end

第三单元的测试：本单元作业有如下几个性质：1）得到的答案唯一，可以利用对拍检查；2）给出了方法的规格，能够较好的量化方法的行为，从而实现更细粒度的测试（单元测试），以提升程序的鲁棒性，降低debug的难度。

基于上面的性质，我采用了多层的测试来验证程序的正确性。在类与方法的层面，使用JUNIT进行单元测试；在整个程序的宏观层面上，采用与小伙伴对拍的方式测试。示意如下：

graph LR subgraph JUnit C(Unit test)-->B(Overall test) C--testing each module respectfully-->C B--testing the whole program-->B end B-->A(beat matching)

利用JUNIT进行基于规格的单元测试

JUnit is a simple framework to write repeatable tests

Junit的工作方式
- JUnit主要使用Assert检验类与方法的正确性。测试正确，可利用工具查看覆盖率等，测试错误，则抛出异常。其工作流如下图所示：
  
  flowchart LR O(Tester)--generate-->A A(testCase)--data-->B(class to be tested) B-->C(Actual Output) A-->D(Correct Output) subgraph Assert! C-->E(compare) D-->E(compare) end E--true-->G(next TestCase) E--false-->F(Exception)
- JUnit支持以下几种assert。（注意区分Junit的assert与java原生的assert）

利用JUnit对本单元进行基于规格的单元测试

由于我们已经有了规格，因此可以基于规格设计JUnit的单元测试样例。具体地：
- 每个前置条件对应两个正例、负例
- 每个后置条件用assert检查正确性

具体举例：对queryGroupValueSum方法的Junit测试用例：

	/*@ public normal_behavior
      @ requires (\exists int i; 0 <= i && i < groups.length; groups[i].getId() == id);
      @ ensures \result == getGroup(id).getValueSum();
      @ also
      @ public exceptional_behavior
      @ signals (GroupIdNotFoundException e) !(\exists int i; 0 <= i && i < groups.length;
      @          groups[i].getId() == id);
      @*/
	@org.junit.Test
    public void queryGroupValueSum() {
        Counter.getInstance().initial();
        MyNetwork myNetwork = new MyNetwork();
        try {
            myNetwork.addGroup(new MyGroup(1));
        } catch (EqualGroupIdException ignored) {}
        try {
            myNetwork.addPerson(new MyPerson(1, "a", 11));
            myNetwork.addPerson(new MyPerson(2, "b", 11));
            myNetwork.addPerson(new MyPerson(3, "c", 11));
            myNetwork.addRelation(1, 2, 10);
            myNetwork.addRelation(2, 3, 20);
            myNetwork.addToGroup(1, 1);
            myNetwork.addToGroup(2, 1);
            myNetwork.addToGroup(3, 1);
        } catch (PersonIdNotFoundException e) {
            e.print();
        } catch (EqualRelationException e) {
            e.print();
        } catch (EqualPersonIdException | GroupIdNotFoundException ignored) {
            //na
        }
        //********positive
        try {
            int val = myNetwork.queryGroupValueSum(1);
            assertEquals(val, 60);
        } catch (GroupIdNotFoundException e) {
            //do nothing
        }
        //********negative
        boolean thrown = false;
        try {
            myNetwork.queryGroupValueSum(2);
        } catch (GroupIdNotFoundException e) {
            thrown = true;
        }
        assertTrue(thrown);


        try {
            myNetwork.addRelation(1, 3, 10);
            int val = myNetwork.queryGroupValueSum(1);
            assertEquals(val, 80);
        } catch (PersonIdNotFoundException | EqualRelationException | GroupIdNotFoundException e) {
            //na
        }
    }

IDEA对JUnit有较好的支持，运行测试后，还可以利用IDEA提供的工具查看测试覆盖率：

利用对拍进行全局测试

JUnit能够实现细粒度的单元测试，但是为了使测试数据能够覆盖足够的CornerCase，还是需要通过大量随机数据进行对拍。为此，我维护了本单元作业的随机数据生成器，以及对拍器，其工作流如下图所示：

graph LR C(Generator)--generate data-->B(Victim1)--get result-->A C(Generator)--generate data-->dd(Victim2)--get result-->A C(Generator)--generate data-->Bd(Victim3)--get result-->A A(Judger) A--compare between each other-->A

利用JML工具链实现更高级别的自动化

对于JML这种形式化语言，已经存在一些自动化工具链，如：

RunTimeAssertion tool：JMLC

基于已有规格，提供前置条件，正常的后置条件，异常的后置条件，不变式的运行时检查。
Unit test generator: jmlunitNG

能根据jml规格，自动生成单元测试，免去程序员手写测试。同时使用JMLC运行时检查判断正确性。

OpenJML集成了上述一些工具，且易于部署，可以用来根据JML生成数据，并按下面的命令静态和动态地检查程序：

//openJML static check
Java jar openjml.jar –esc *.java
//openJML run time assertion check
Java jar openjml.jar –rac *.java

上述方法具有一定局限性：

不论是静态还是动态的检查，速度极慢
程序规模稍大，就很容易崩溃
对与作业规模的程序，难以实现检查

架构设计与社交网络图维护

UML类图如下所示:

异常处理

选择使用带计数机制的异常处理：

新建计数类Counter（采用单例模式）。
记录每类异常每个id的出现次数，并用HashMap管理数据。

public class Counter {  
    private static final Counter COUNTER = new Counter();  
    private HashMap<String, HashMap<Integer, Integer>> personWiseCnt;  
    private HashMap<String, Integer> cnt;  
  
    public void initial();  
  
    public static Counter getInstance() { return COUNTER; }  
  
    public int getExcCnt(String exc);  
  
    public int getExcPersonCnt(String exc, Integer id);  
  
    public void newException(String exc, Integer id);  
  
    public void newException(String exc, Integer id1, Integer id2);  
}

图结构的维护策略

新建Graph类维护社交网络关系图：

使图上操作与Network类解耦。
为最小生成树、最短路设置查询方法，有效利用缓存机制提升效率。

public class Graph {  
    private class Edge implements Comparable<Edge> {  
        //...  
    }  
    private class Node implements Comparable<Node> {  
        private Person person;  
        private int dis;  
        //...  
    }  
    getLeastConnection();  
    getDis(Person s, Person t);  
}

性能与效率问题

关于并查集

可以使用路径压缩加速，注意避免递归。

存在一些情形，使得路径压缩法不能得到一棵层数为2的树，此时使用按秩合并的方式，将深度小的树合并到深度大的下面，可以进一步提升效率：

if ((root1).getRank() < (root2).getRank()) {  
    //set the parent of root1 to be root2...   
} else if ((root1).getRank() > (root2).getRank()) {  
    //set the parent of root2 to be root1...   
} else {  
    //set the parent of root1 to be root2...   
    (root2).setRank((root2).getRank() + 1);  
}

指令qgvs：增删时维护总和

执行atg，dfg指令时，遍历成员数组增大或减小valueSum

执行ar指令时，遍历groups，增加相应群组的valueSum

// Group.addPerson  
for (Person person1 : people.values()) {  
    if (person1.isLinked(person)) {  
        //add 2 * person1.queryValue() to valueSum
    }  
}  
//Network.addRelation  
for (Group group : groups.values()) {  
    if (group.hasPerson(getPerson(id1)) &&   
            group.hasPerson(getPerson(id2))) {
        //add 2 * person1.queryValue() to group.valueSum
    }  
}

指令qgam、qgav

维护元素和ageSum，平方和ageSumPwr

注意整除操作的顺序

public int getAgeVar() {  
        return ageSumPwr - 2 * this.getAgeMean() * ageSum +  
                people.size() * this.getAgeMean() * this.getAgeMean();  
}

BUG分析

自己程序的BUG 三次公测，互测中均未出现bug。
自测过程中出现过的问题
- 指令qgvs：增删时维护总和时，忽略了ar指令的影响，没有在ar时遍历groups，增加相应群组的valueSum。

Network拓展JML规格

新增 Producer，Customer，Advertiser接口，继承自Person接口，用于管理生产者、消费者、发送广告；ProductMessage接口继承自Messege接口，用于管理产品相关信息。

为Producer的produce方法，Customer的consume方法，和Advertiser的advertise方法编写规格：

/*@ public normal_behaviour
  @ requires !producer.hasProduct(product);
  @ assignable producer.products;
  @ ensures producer.products.length = \old(producer.products.length) + 1;
  @ ensures producer.hasProduct(product);
  @ ensures (\forall int i; 0 <= i && i < \old(producer.products.length);
  @         (\exists int j; 0 <= j && j < producer.products.length;
  @			producer.products[j] == (\old(producer.products[i]))));
  @ also 
  @ public exceptional_behaviour
  @ signals (DuplicatedProductException e) producer.hasProduct(product);
  @*/
void produce(Producer producer, ProductMessage product);
 
/*@ public normal_behaviour
  @ requires !advertiser.hasProduct(product) && producer.hasProduct(product);
  @ assignable advertiser.products;
  @ ensures advertiser.products.length = \old(advertiser.products.length) + 1;
  @ ensures advertiser.hasProduct(product);
  @ ensures (\forall int i; 0 <= i && i < \old(advertiser.products.length);
  @         (\exists int j; 0 <= j && j < advertiser.products.length;
  @               advertiser.products[j] == (\old(advertiser.products[i]))));
  @ also 
  @ public exceptional_behaviour
  @ signals (ProductNotFoundException e) !producer.hasProduct(product);
  @ also 
  @ public exceptional_behaviour
  @ signals (DuplicatedProductException e) producer.hasProduct(product) && advertiser.hasProduct(product);
  @*/
void advertise(Producer producer, Advertiser advertiser, ProductMessage product);
 
/*@ public normal_behaviour
  @ requires advertiser.hasProduct(product) && !customer.hasProduct(product);
  @ assignable customer.products, advertiser.products;
  @ assignable customer.money, product.getProducer().money;
  @ ensures customer.products.length = \old(customer.products.length) + 1;
  @ ensures customer.hasProduct(product);
  @ ensures (\forall int i; 0 <= i && i < \old(customer.products.length);
  @         (\exists int j; 0 <= j && j < customer.products.length;
  @               customer.products[j] == (\old(customer.products[i]))));
  @ ensures advertiser.products.length = \old(advertiser.products.length) - 1;
  @ ensures !advertiser.hasProduct(product);
  @ ensures (\forall int i; 0 <= i && i < advertiser.products.length;
  @         (\exists int j; 0 <= j && j < \old(advertiser.products.length);
  @               advertiser.products[i] == (\old(advertiser.products[j]))));
  @ ensures customer.money = customer.money - product.getPrice();
  @ ensures product.getProducer().money = product.getProducer().money + product.getPrice();
  @ also 
  @ public exceptional_behaviour
  @ signals (ProductNotFoundException e) !advertiser.hasProduct(product);
  @ also 
  @ public exceptional_behaviour
  @ signals (DuplicatedProductException e) advertiser.hasProduct(product) && customer.hasProduct(product);
  @*/
void purchase(Advertiser advertiser, Customer customer, ProductMessage product);

体验与心得：测试和契约式编程

测试相关

通过本单元的学习，我总结了之前作业的测试策略，并实践了JUNIT单元测试的新方式。本次作业让我意识到，测试不仅仅在数据上可以构造层次，在测试的方法、测试的粒度上也可以分层：可以针对单元构造测试，也可以把软件当成一个整体去测试；这些测试形式可以互相作为补充，更好的为软件设计服务。
我对软件测试有了更深入的了解，并且启发我在今后的学习工作中更加重视测试。
我还了解了基于JML工具链的测试方法，并体会到，不论是静态软件验证还是基于规格的数据自动生成，现有方法都难以满足需求，该领域还有较多的发展空间。

契约式编程相关

一些编程中错误的设想，会造成下面的后果...

- 函数"绝不会"被那样调用：传递给我的参数总是有效的
- 这段代码肯定会"一直"正常运行：它绝对不会产生错误
- 如果我把这个变量标记为"仅限内部使用"，就没有人会试访问这个变量

防御式编程 就是为了解决上面的问题。其思想就是，你不能保证任何外部的程序和数据都是正确的。
- 因此，需要利用约束校验（断言），异常和错误处理等手段，保证子程序应该不因传入错误数据而被破坏，并断定代码中每个阶段可能出现的错误，并做出相应的防范措施。
契约式编程 吸取了防御式编程的一些优点，同时，避免了其因为assert导致效率较低的情况，我认为其优点如下：
- 相比防御式编程，避免
- 设计与实现相分离，同时契约是一个替代文档的好选择
- 实现功能时，不需要各种异常情况，只需要完善考虑前置条件下的实现即可
- 轻松定位程序出错的位置

posted @ 2022-06-06 00:09 gnwekge 阅读(65) 评论(0) 编辑收藏举报

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