第6章：可維護性軟件構建方法 6.3可維護性構建技術

大綱

基於狀態的構建

• 基於自動機的編程
• 設計模式：Memento提供了將對象恢復到以前狀態的功能（撤消）。
• 設計模式：狀態容許對象在其內部狀態改變時改變其行爲。

表驅動結構*

基於語法的構建

• 語法和解析器
• 正則表達式（regexp）
• 設計模式：解釋器實現一種專門的語言。

基於狀態的構建

基於狀態的編程是一種編程技術，它使用有限狀態機（FSM）來描述程序行爲，即便用「狀態」來控制程序的流程。

使用有限狀態機來定義程序的行爲，使用狀態來控制程序的執行

• 例如，在電梯的狀況下，可能會中止，向上移動，向下移動，中止，關閉門並打開門。

這些都被認爲是一個狀態，接下來發生的事情是由電梯的當前狀態決定的。
根據當前狀態，決定下一步要執行什麼操做，執行操做以後要轉移到什麼新的狀態

• 若是電梯剛剛關好，接下來會發生什麼狀況？ 它能夠中止，向上移動或向下移動。
• 當電梯停下時，你預計下一個動做是門打開，向上移動或向下移動。

(1) 基於自動機的編程

基於自動機的編程是一種編程模式，其中程序或其一部分被認爲是有限狀態機（FSM）或任何其餘形式自動機的模型。

• 將程序視爲有限自動機。
• 每臺自動機能夠一次接受一個「步驟」，程序的執行分解爲單獨的步驟。
• 這些步驟經過改變表明「狀態」的變量的值來相互溝通。
• 程序的控制流程由該變量的值決定。

應用程序設計方法應與控制系統（Automata System）的設計相似。
核心思想：將程序看做是一個有限狀態自動機，側重於對「狀態」和「狀態轉換」的抽象和編程

程序的執行被分解爲一組自動執行的步驟

• 每一個步驟其實是一個代碼段的執行（全部步驟都相同），它有一個入口點。 這樣的部分能夠是功能或其餘例程，或者只是一個循環體。

各步驟之間的通信經過「狀態變量」進行

• 在任何兩個步驟之間，程序不能有其狀態的隱式份量，例如本地（堆棧）變量值，返回地址，當前指令指針等。
• 在進入自動機步驟的任何兩個時刻取得的整個程序的狀態只能在被認爲是自動機狀態的變量值中有所不一樣。

如何實施？

基於自動機的代碼的整個執行過程都是自動機步驟的一個（多是顯式的）循環。

「狀態」變量能夠是簡單的枚舉數據類型，但可使用更復雜的數據結構。

一種常見的技術是建立一個狀態轉換表，一個包含表示每種可能狀態的行的二維數組，以及表示輸入參數的列。

• 行和列知足的表格的值是在符合兩個條件的狀況下機器應轉換到的下一個狀態。

應用領域

高可靠性系統

• 軍事應用
• 航空航天工業
• 汽車行業

嵌入式系統
移動系統
可視化系統
Web應用程序
客戶端服務器應用程序

(2) State Pattern

狀態模式 (behavioral pattern)

假設一個對象老是處於幾個已知狀態之一
對象所處的狀態決定了幾種方法的行爲
能夠在每種方法中使用if / case語句
更好的解決方案：狀態模式
有一個狀態對象的引用

• 一般，狀態對象不包含任何字段
• 更改狀態：更改狀態對象
• 方法委託給狀態對象

狀態模式註釋
能夠爲每一個狀態類的實例使用單例

• 狀態對象不封裝狀態，因此能夠共享 - 不可變

輕鬆添加新的狀態

• 新狀態能夠擴展其餘狀態
• 僅覆蓋選定的功能

(3) Memento Pattern

備忘錄模式 (behavioral)

意圖

• 在不違反封裝的狀況下，捕獲並外部化對象的內部狀態，以便稍後能夠將對象返回到此狀態。
• 封裝「檢查點」功能的魔術餅乾（cookie）。
• 促進撤消或回滾到完整的對象狀態。

問題：須要將對象恢復到之前的狀態（例如「撤銷」或「回滾」操做）。
記住對象的歷史狀態，以便於「回滾」

備忘錄設計模式定義了三種不一樣的角色：

• 發起者 - 知道如何保存本身的對象。須要「備忘」的類
• 看守者 - 知道發起者須要保存和恢復的緣由和時間的對象。添加發起者的備忘記錄和恢復
• 備忘錄 - 由發起人撰寫和閱讀的鎖盒，由看守人管理。備忘錄，記錄發起者對象的歷史狀態

*表驅動的構造

什麼是「表驅動」？

表驅動方法是一種使用表來查詢信息而不是使用邏輯語句（例如if-else和switch-case）的模式。
在簡單狀況下，使用邏輯語句更快更容易，但隨着邏輯鏈變得更復雜，表驅動的代碼：

• 比複雜的邏輯簡單
• 更容易修改
• 更高效

表驅動編程的核心思想：將代碼中複雜的if-else和switch-case語句從代碼中分離出來，經過「查表」的方式完成，從而提升可維護性

查找東西的方法

• 直接訪問
• 索引訪問
• 階梯訪問

選擇其中之一取決於數據的性質以及數據域的大小。

(1) 直接訪問表

簡單

• 您只是經過一個或多個索引「查找事物」。
• 與全部查找表同樣，直接訪問表取代了更復雜的邏輯控制結構。
• 他們是「直接進入」的，由於你沒必要跳過任何複雜的循環來找到你想要的信息。

(2) 索引訪問表

有時直接索引是一個問題，特別是若是可能的值域很大。
例如，若是您想使用產品ID（8位數字），並製做一張映射200個產品的表格。

查找索引與直接索引

索引元素很小（整數），值能夠有效地大（只有你須要的那麼多），好比字符串（名字，描述，錯誤信息等）。
多個索引能夠訪問相同的數據（員工信息能夠按名稱，聘用日期，出售等進行映射）
可維護 - 從應用程序界面隔離查找方法。

(3) 階梯訪問表

表格中的條目對數據範圍有效，而不適用於不一樣的數據點

關鍵點

表格提供了複雜邏輯和繼承結構的替代方案。 若是您發現程序的邏輯或繼承樹讓您感到困惑，那麼問問本身是否能夠經過查找表進行簡化。

使用表格的一個關鍵考慮因素是決定如何訪問表格。 您能夠經過直接訪問，索引訪問或階梯訪問來訪問表。

使用表格的另外一個關鍵考慮因素是決定放入表格的具體內容。

語法驅動的構造(Grammar-based construction)

基於語法的構建目標

理解語法生成和正則表達式操做符的思想
可以讀取語法或正則表達式，並肯定它是否匹配一系列字符
可以編寫語法或正則表達式來匹配一組字符序列並將其解析爲數據結構

基於字符串/流的I / O

某些程序模塊以字節序列或字符序列的形式輸入或輸出輸出，當它存儲在內存中時稱爲字符串，或者在流入或流出模塊時稱爲字符串。 有一類應用，從外部讀取文本數據，在應用中作進一步處理。

具體來講，一個字節或字符序列多是：

• 磁盤上的文件，這種狀況下，規範稱爲文件格式，程序需讀取文件並從中抽取正確的內容
• 經過網絡發送的消息，在這種狀況下，規範是有線協議從網絡上傳輸過來的消息，遵循特定的協議
• 用戶在控制檯上鍵入的命令，在這種狀況下，規範是命令行界面，用戶在命令行輸入的指令，遵循特定的格式
• 存儲在內存中的字符串，也有格式須要

語法的概念

對於這些類型的序列，語法的概念是設計的一個好選擇：

• 它不只能夠幫助區分合法序列和非法序列，還能夠將序列解析爲程序可使用的數據結構。 使用語法判斷字符串是否合法，並解析成程序裏使用的數據結構
• 從語法產生的數據結構一般是遞歸數據類型。一般是遞歸的數據結構

正則表達式

• 這是一個普遍使用的工具，用於許多字符串處理任務，須要反彙編字符串，從中提取信息或進行轉換。

解析器生成器是一種將語法自動轉換爲該語法的解析器的工具。 根據語法生成它的解析器，用於後續的解析

(1) 語法的組成部分

終結：語法中的文字串

爲了描述一串符號，不管它們是字節，字符仍是其餘類型的從固定集合中抽取的符號，咱們都使用稱爲語法的緊湊表示法。

語法定義了一組字符串。用語法定義一個「字符串」

• 例如，URL的語法將指定HTTP協議中合法URL的一組字符串。

文法中的文字被稱爲終結節點，葉節點

• 它們被稱爲終結，由於它們是表明字符串結構的解析樹的葉子。語法解析樹的葉子節點
• 他們沒有孩子，不能再進一步擴大。 沒法再往下擴展
• 咱們一般用引號將終結寫入，如'http'或'：'。 一般表示爲字符串

語法中的非終結者與生產者

一個語法由一組產品描述，每一個產品定義一個非終結非終止節點

• 非終結符就像一個變量，它表示一組字符串，而生成則表示該變量根據其餘變量（非終結符），運算符和常量（終結）的定義。 遵循特定規則，利用操做符，終止節點和其餘非終止節點，構造新的字符串
• 非終結符是表示字符串的樹的內部節點。

語法中的生產具備這種形式

• 非終結符:: =終結，非終結符和運算符的表達式

語法的非終結點之一被指定爲根。

• 語法識別的字符串集合是匹配根非終結符的字符串。
• 這個非終結者一般被稱爲root或start。根節點

(2) 語法中的操做符

三個基本的語法運算符

生產表達中最重要的三個操做是：

• 鏈接，不是由一個符號表示，而是一個空格：x :: = y z an x是一個y，後跟一個z
• 重複，用表示：x :: = y x是零或更多y
• 聯合，也稱爲選擇，由|：x :: = y |表示 z an x是y或z

(5) 正則語法和正則表達式

正則語法

正則語法有一個特殊的性質：經過用右端代替每一個非終結符（除了根結尾以外），能夠將它縮減爲單根生成，只有終結和操做符在右側。
正則語法：簡化以後能夠表達爲一個產生式而不包含任何非終止節點

正則表達式（正則表達式）

終結和操做符的簡化表達式能夠用更緊湊的形式寫成，稱爲正則表達式。
正則表達式避免了終結周圍的引號以及終結和運算符之間的空格，所以它只包含終結字符，用於分組的括號和運算符字符。去除引號和空格，從而表達更簡潔（更難懂）

• 正則表達式比原始語法的可讀性要低得多，由於它缺乏記錄每一個子表達式意義的非終結符名稱。
• 可是一個正則表達式的實現很快，而且有不少支持正則表達式的編程語言的庫。

正則表達式中的一些特殊運算符

. 任何單個字符
d任意數字，與[0-9]相同
是任何空格字符，包括空格，製表符，換行符
w任何單詞字符，包括字母和數字
，（，）， *， +，...轉義一個操做符或特殊字符，以便它按字面順序匹配

上下文無關文法

一般，能夠用咱們的語法系統表達的語言稱爲上下文無關的。

• 並不是全部的上下文無關語言也是正則的; 也就是說，有些語法不能簡化爲單一的非遞歸生成。
• HTML語法是上下文無關的，但不是正則的。

大多數編程語言的語法也是無上下文的。
通常來講，任何具備嵌套結構的語言（如嵌套括號或大括號）都是上下文無關的，但不是正則的。

(6) *解析器

語法，解析器和解析器生成器
目標：

• 可以將語法與解析器生成器結合使用，將字符序列解析爲解析樹
• 可以將分析樹轉換爲有用的數據類型

解析器將輸入文本轉爲解析樹

解析器須要一系列字符並嘗試將該序列與語法進行匹配。 解析器：輸入一段文本，與特定的語法規則創建匹配，輸出結果
解析器一般會生成一個解析樹，該解析樹顯示如何將語法生成擴展爲與字符序列匹配的句子。 解析器：將文本轉化爲解析樹

• 解析樹的根是語法的起始非終結符。
• 解析樹的每一個節點都擴展爲語法的一個生成。

解析的最後一步是對這個分析樹作一些有用的工做。 利用產生的分析樹，進行下一步的處理
表示語言表達式的遞歸抽象數據類型稱爲抽象語法樹（AST）。

解析器生成器根據語法定義生成解析器

解析器生成器是一種讀取語法規範並將其轉換爲可識別語法匹配的Java程序的工具。
更普遍地：

• 解析器生成器是一種編程工具，它根據某種形式的語言形式描述建立解析器，解釋器或編譯器。
• 輸入多是一個文本文件，其中包含用BNF或EBNF編寫的定義編程語言語法的語法。 - 輸出是語法分析器的一些源代碼。

Backus Normal Form（BNF）巴克斯範式

1959年6月，Backus Normal Form（BNF）首次提出，以遞歸形式描述語言的各類成分，凡遵照其規則的程序就可保證語法上的正確性。

• 通過Peter Naur的改進與完善以及Niklaus Wirth的擴充，造成了EBNF（擴展BNF），也就是目前使用的BNF。
• 經Donald Knuth的建議，BNF中的N變成了Naur（Backus-Naur Form）。

Grammar定義語法規則（BNF格式的文本），Parser generator根據 語法規則產生一個parser，用戶利用parser來解析文本，看其是否符 合語法定義並對其作各類處理（例如轉成parse tree）

(7) 在Java中使用正則表達式

用於正則表達式處理的java.util.regex

java.util.regex包主要由三個類組成：

• 一個Pattern對象是一個正則表達式的編譯後的表示。 Pattern類不提供公共構造函數。 要建立一個模式，你必須首先調用其公共靜態編譯方法之一，而後返回一個Pattern對象。 這些方法接受一個正則表達式做爲第一個參數。模式是對正則表達式的正則表達式進行編譯以後獲得的結果
• 匹配對象是解釋模式並對輸入字符串執行匹配操做的引擎。 像Pattern類同樣，Matcher沒有定義公共構造函數。 您經過調用Pattern對象上的匹配器方法來得到Matcher對象。 Matcher：利用Pattern對輸入字符串進行解析
• PatternSyntaxException對象是指示正則表達式模式中的語法錯誤的未經檢查的異常。

正則表達式在編程語言中很是有用。

• 在Java中，可使用正則表達式來處理字符串（例如String.split，String.matches，java.util.regex.Pattern）。
• 它們做爲現代腳本語言（如Python，Ruby和Javascript）的一流功能而內置，您能夠在許多文本編輯器中將它們用於查找和替換。

(8)* Interpreter

解釋器模式

解釋器模式提供了評估語言語法或表達的方法。
意圖

• 給定一種語言，爲其語法定義一個表示法，以及一個使用表示法來解釋語言句子的解釋器。 給定一種語法，定義該語法的程序內部表示，造成該語法的解釋器，將遵循語法規則的文本解釋成程序內部的表示（例如一組對象）
• 將一個領域映射到一種語言，將語言映射到一種語法，將語法映射爲一種等級面向對象設計。解釋語法的「引擎」：遵循語法的文本⇒OO表示
• 用於定義語法，標記輸入並存儲它。

實施

• 它使用複合模式來表示語法。

由於語法一般造成樹結構，故使用複合模式來表達遵循語法的內容。

• 它定義了行爲，而複合只定義告終構。

針對該層次化樹形結構，定義了一組行爲來處理結構中的不一樣類型節點

解釋器與語法+解析器
語法+解析器

• 語法由BNF等形式定義
• 解析器讀取用戶輸入的待解析的文本，斷定其是否與語法匹配，並轉爲符合語法的解析樹，交給其餘功能作後續處理 - 可用於高度複雜的語法規則

解釋器模式

• 語法由程序員手工定義爲一組接口/類及其之間的關係，對語法的解釋（即解析器）由此組的類的內部操做（Interpret（））負責
• 每條語法規則（生產）都要定義相應的類 - 至關於開發一個簡單的解析器 - 用戶使用的時候，調用這個類類完成對輸入文本的解釋（這裏的「解釋」，其實至關於 「翻譯」） - 只適用於簡單的語法規則，過於複雜的語法就須要引入大量的類

總結

機器處理的文本語言在計算機科學中無處不在。
語法是描述這種語言的最流行的形式
正則表達式是語法的一個重要子類，能夠在不遞歸的狀況下表達。

減小錯誤保證安全

• 語法和正則表達式是字符串和流的聲明性規範，能夠由庫和工具直接使用。
• 這些規範一般比手工分析代碼更簡單，更直接，更不容易出錯。

容易明白

• 語法以比手寫解析代碼更易於理解的形式捕獲序列的形狀。
• 正則表達式，唉，每每不易理解，由於它們是多是一個更容易理解的正則語法的簡化形式。

準備好改變

• 語法能夠很容易地編輯，但不幸的是，正則表達式很難改變，由於複雜的正則表達式是神祕而難以理解的。