Функционально-ориентированное программирование - Feature-oriented programming

В компьютерное программирование, функционально-ориентированное программирование (FOP) или же функционально-ориентированная разработка программного обеспечения (FOSD) это парадигма программирования для генерации программ в линейки программных продуктов (SPL) и для инкрементальной разработки программ.

История

Связь между стеками слоев и композициями трансформации

FOSD возникла из многоуровневых конструкций и уровней абстракции в сетевых протоколах и расширяемых системах баз данных в конце 1980-х годов.^[1] Программа представляла собой стопку слоев. Каждый слой добавлял функциональность к ранее составленным слоям, а различные композиции слоев создавали разные программы. Неудивительно, что для выражения таких замыслов требовался компактный язык. Элементарная алгебра соответствовала всем требованиям: каждый слой был функцией ( преобразование программы ), который добавил новый код к существующей программе для создания новой программы, а дизайн программы моделировался выражением, то есть композицией преобразований (слоев). На рисунке слева показано наложение слоев i, j и h (где h находится внизу, а i - вверху). Алгебраические обозначения i (j (h)), i • j • h и i + j + h использовались для выражения этих планов.

Со временем слои были приравнены к объектам, где особенность является приращением функциональности программы. Было признано, что парадигма разработки и генерации программ является результатом оптимизации реляционных запросов, где программы оценки запросов были определены как выражения реляционной алгебры, а оптимизация запросов - это оптимизация выражений.^[2] Линия программных продуктов - это семейство программ, в которых каждая программа определяется уникальным набором функций. С тех пор FOSD превратился в изучение модульности функций, инструментов, анализа и методов проектирования для поддержки создания программ на основе функций.

Второе поколение исследований FOSD было посвящено взаимодействию функций, которое зародилось в телекоммуникациях. функционально-ориентированное программирование был придуман;^[3] эта работа раскрыла взаимодействие между слоями. Взаимодействия требуют адаптации функций при совмещении с другими функциями.

Третье поколение исследований было сосредоточено на том факте, что каждая программа имеет несколько представлений (например, исходный код, make-файлы, документация и т. Д.), И добавление функции в программу должно проработать каждое из ее представлений так, чтобы все они были согласованными. Кроме того, некоторые представления могут быть сгенерированы (или получены) из других. В нижеследующих разделах представлена математика трех последних поколений FOSD, а именно GenVoca,^[1] ПРЕДСТОЯЩИЙ,^[4] и FOMDD^[5]^[6] описаны и приведены ссылки на линейки продуктов, которые были разработаны с использованием инструментов FOSD. Кроме того, приведены четыре дополнительных результата, применимых ко всем поколениям FOSD: Метамодели FOSD, Кубы программы FOSD, и взаимодействия функций FOSD.

GenVoca

GenVoca (а чемодан имен Genesis и Avoca)^[1] - это композиционная парадигма для определения программ линейки продуктов. Базовые программы - это нулевые функции или преобразования, называемые значения:

  f - базовая программа с функцией f h - базовая программа с функцией h

а функции - это унарные функции / преобразования, которые уточняют (модифицируют, расширяют, уточняют) программу:

  i + x - добавляет функцию i в программу x j + x - добавляет функцию j в программу x

где + обозначает композицию функций. В дизайн программы - это именованное выражение, например:

  п₁ = j + f - программа p₁ имеет особенности j и f p₂ = j + h - программа p₂ имеет особенности j и h p₃ = i + j + h - программа p₃ имеет особенности i, j и h

А Модель GenVoca домена или линейки программных продуктов представляет собой набор базовых программ и функций (см. МетаМодели и Программные кубики Программы (выражения), которые могут быть созданы, определяют линейку продуктов. Оптимизация выражения оптимизация дизайна программы, а оценка выражения - генерация программы.

Примечание: GenVoca основана на поэтапной разработке программ: процессе, который подчеркивает простоту дизайна и понятность, которые являются ключом к пониманию программ и автоматизированному построению программ. Рассмотрим программу p₃ выше: он начинается с базовой программы h, затем добавляется функция j (читайте: функциональность функции j добавляется в кодовую базу h), и, наконец, добавляется функция i (читайте: функциональность функции i добавляется в базу кода из j • h).

Примечание: не все комбинации функций имеют смысл. Функциональные модели (которые могут быть переведены в пропозициональные формулы) являются графическими представлениями, которые определяют допустимые комбинации функций.^[7]

Примечание: более поздняя формулировка GenVoca - симметричный: есть только одна базовая программа, 0 (пустая программа), и все функции являются унарными функциями. Это наводит на мысль о том, что GenVoca составляет программные структуры с помощью суперпозиция, идея о том, что сложные структуры состоят из наложения более простых структур.^[8]^[9] Еще одна переформулировка GenVoca - это моноид: модель GenVoca - это набор функций с операцией композиции (•); композиция ассоциативна, и есть элемент идентичности (а именно 1, функция идентичности). Хотя возможны все композиции, не все они имеют смысл. Это причина для особенности моделей.

Функции GenVoca изначально были реализованы с использованием препроцессора C (#ifdef feature ... #endif) техники. Более продвинутый метод, называемый слои миксина, показали связь функций с объектно-ориентированными проектами, основанными на совместной работе.

ПРЕДСТОЯЩИЙ

Алгебраические иерархические уравнения для разработки приложений (ПРЕДСТОЯЩИЙ)^[4] обобщил GenVoca двумя способами. Сначала он раскрыл внутреннюю структуру значений GenVoca в виде кортежей. Каждая программа имеет несколько представлений, таких как исходный код, документация, байт-код и make-файлы. Значение GenVoca - это кортеж программных представлений. В линейке продуктов парсеров, например, базовый парсер f определяется его грамматикой g_ж, Исходники Java_ж, и документация d_ж. Парсер f моделируется кортежем f = [g_ж, с_ж, d_ж]. Каждое представление программы может иметь подпредставления, и они тоже могут иметь подпредставления рекурсивно. В общем, значение GenVoca - это кортеж вложенных кортежей, которые определяют иерархию представлений для конкретной программы.

Иерархические отношения между программными артефактами

Пример. Предположим, терминальные представления - это файлы. В AHEAD грамматика g_ж соответствует одному файлу BNF, источник s_ж соответствует кортежу файлов Java [c₁… C_п], и документация d_ж представляет собой кортеж файлов HTML [h₁…час_k]. Значение GenVoca (вложенные кортежи) можно изобразить в виде ориентированного графа: график для парсера f показан на рисунке справа. Стрелки обозначают проекции, то есть отображения кортежа в один из его компонентов. AHEAD реализует кортежи как файловые каталоги, поэтому f - это каталог, содержащий файл g._ж и подкаталоги s_ж и г_ж. Аналогично каталог s_ж содержит файлы c₁… C_п, а каталог df содержит файлы h₁…час_k.

Примечание. Файлы можно иерархически разложить дальше. Каждый класс Java может быть разложен на кортеж из членов и других объявлений классов (например, блоки инициализации и т. Д.). Важная идея здесь в том, что математика AHEAD рекурсивна.

Во-вторых, AHEAD представляет функции как вложенные кортежи унарных функций, называемых дельты. Дельты могут быть уточнения программы (преобразования с сохранением семантики), расширения (преобразования, расширяющие семантику), или взаимодействия (трансформации, изменяющие семантику). Мы используем нейтральный термин «дельта» для обозначения всех этих возможностей, поскольку каждая из них встречается в FOSD.

Для иллюстрации предположим, что функция j расширяет грамматику на ${displaystyle Delta}$ грамм_j (добавлены новые правила и токены), расширяет исходный код на ${displaystyle Delta}$ s_j (добавляются новые классы и члены, а существующие методы изменяются) и расширяет документацию за счет ${displaystyle Delta}$ d_j. Набор дельт для признака j моделируется следующим образом: j = [ ${displaystyle Delta}$ грамм_j, ${displaystyle Delta}$ s_j, ${displaystyle Delta}$ d_j], которую мы называем дельта кортеж. Элементы дельта-кортежей сами могут быть дельта-кортежами. Пример: ${displaystyle Delta}$ s_j представляет изменения, которые вносятся в каждый класс в s_ж по признаку j, т. е. ${displaystyle Delta}$ s_j=[ ${displaystyle Delta}$ c₁… ${displaystyle Delta}$ c_п]. Представления программы рекурсивно вычисляются путем сложения вложенных векторов. Представления для парсера p₂ (чье выражение GenVoca равно j + f):

  п₂ = j + f - Выражение GenVoca = [ ${displaystyle Delta}$ грамм_j,  ${displaystyle Delta}$ s_j,  ${displaystyle Delta}$ d_j] + [г_ж, с_ж, d_ж] - подстановка = [ ${displaystyle Delta}$ грамм_j+ г_ж,  ${displaystyle Delta}$ s_j+ s_ж,  ${displaystyle Delta}$ d_j+ d_ж] - составлять кортежи поэлементно

То есть грамматика p₂ базовая грамматика, составленная с ее расширением ( ${displaystyle Delta}$ грамм_j+ г_ж), источник p₂ базовый источник, составленный с его расширением ( ${displaystyle Delta}$ s_j+ s_ж), и так далее. Поскольку элементы дельта-кортежей сами могут быть дельта-кортежами, составные рекурсии, например, ${displaystyle Delta}$ s_j+ s_ж= [ ${displaystyle Delta}$ c₁… ${displaystyle Delta}$ c_п] + [c₁… C_п]=[ ${displaystyle Delta}$ c₁+ c₁… ${displaystyle Delta}$ c_п+ c_п]. Подводя итог, значения GenVoca представляют собой вложенные кортежи программных артефактов, а функции - вложенные дельта-кортежи, где + рекурсивно составляет их путем сложения векторов. В этом суть AHEAD.

Представленные выше идеи конкретно раскрывают два принципа FOSD. В Принцип единообразия утверждает, что все программные артефакты обрабатываются и модифицируются одинаково. (Об этом свидетельствуют приведенные выше дельты для разных типов артефактов). В Принцип масштабируемости утверждает, что все уровни абстракций рассматриваются одинаково. (Это приводит к иерархическому вложению кортежей выше).

Первоначальной реализацией AHEAD является набор инструментов AHEAD и язык Jak, который демонстрирует как принципы единообразия, так и масштабируемости. Инструменты следующего поколения включают CIDE^[10]и FeatureHouse.^[11]

FOMDD

Отношения деривации и уточнения между программными артефактами

Функционально-ориентированный дизайн на основе модели (FOMDD)^[5]^[6] сочетает в себе идеи AHEAD с Модельно-ориентированный дизайн (MDD) (он же Модельно-ориентированная архитектура (MDA)). Функции AHEAD фиксируют локальное обновление программных артефактов при добавлении функции в программу. Но есть и другие функциональные связи между программными артефактами, которые выражают производные. Например, связь между грамматикой g_ж и его источник синтаксического анализатора s_ж определяется инструментом компилятор-компилятор, например javacc. Точно так же отношения между исходными кодами Java_ж и его байт-код b_ж определяется компилятором javac. А схема коммутации выражает эти отношения. Объекты - это программные представления, стрелки вниз - это производные, а горизонтальные стрелки - это дельты. На рисунке справа показана диаграмма коммутации для программы p.₃ = я + j + h = [g₃, с₃, б₃].

Основное свойство схема коммутации в том, что все пути между двумя объектами эквивалентны. Например, один из способов получить байт-код b₃ парсера p₃ (нижний правый объект на рисунке справа) из грамматики g_час парсера h (верхний левый объект) должен получить байт-код b_час и уточним до b₃, а другой способ уточняет g_час к г₃, а затем получить b₃, где + представляет собой дельта-композицию, а () - функцию или инструментальное приложение:

  б₃ =  ${displaystyle Delta}$ б_j +  ${displaystyle Delta}$ б_я + javacc (javac (g_час )) = javac (javacc (  ${displaystyle Delta}$ грамм_я +  ${displaystyle Delta}$ грамм_j + г_час ) )

Есть ${displaystyle {binom {4} {2}}}$ возможные пути получения байт-кода b₃ парсера p₃ из грамматики g_час парсера h. Каждый путь представляет собой метапрограмма чье выполнение порождает целевой объект (b₃) от стартового объекта (g_ж). Возможная оптимизация: обход каждой стрелки схема коммутации имеет свою стоимость. Самый дешевый (т.е. самый короткий) путь между двумя объектами в схема коммутации это геодезический, который представляет собой наиболее эффективную метапрограмму, которая создает целевой объект из данного объекта.

Примечание. «Показатель стоимости» не обязательно должен быть денежным значением; Стоимость может быть измерена временем производства, пиковыми или общими требованиями к памяти, потребляемой мощности или некоторым неформальным показателем, таким как «простота объяснения», или комбинацией вышеперечисленного (например, многокритериальная оптимизация ). Идея геодезической является общей, и ее следует понимать и ценить в этом более общем контексте.

Примечание. На геодезической может быть m начальных объектов и n конечных объектов; когда m = 1 и n> 1, это Направленная проблема дерева Штейнера, что NP-сложно.

Диаграммы поездок важны по крайней мере по двум причинам: (1) существует возможность оптимизации генерации артефактов (например, геодезических) и (2) они определяют различные способы построения целевого объекта из исходного объекта.^[5]^[12] Путь через диаграмму соответствует цепочке инструментов: для того, чтобы модель FOMDD была согласованной, необходимо доказать (или продемонстрировать путем тестирования), что все цепочки инструментов, которые сопоставляют один объект с другим, на самом деле дают эквивалентные результаты. Если это не так, то либо есть ошибка в одном или нескольких инструментах, либо модель FOMDD неверна.

Примечание: приведенные выше идеи были вдохновлены теория категорий.^[5]^[6]

Приложения

Смотрите также

Метамодели FOSD - продуктовые линейки продуктовых линеек
FOSD оригами
Кубики программы FOSD - многомерные продуктовые линейки

Язык программирования очень высокого уровня