有效地對(duì)軟件進(jìn)行交互式診斷的技術(shù)和工具

2019-11-18 15:21:49

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供稿：網(wǎng)友

通常，在運(yùn)行 java 程序時(shí)，必須使用 String[] 輸入?yún)?shù)將參數(shù)傳入，從 main() 方法運(yùn)行程序。但是假如程序仍在調(diào)試中，那么，這可能會(huì)成為一項(xiàng)繁重的任務(wù)。本月，Eric Allen 討論對(duì)程序中的表達(dá)式和語(yǔ)句進(jìn)行交互式評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，并且提供幾個(gè)幫助您處理這一任務(wù)的 Java repl（“read-eval-PRint-loop”工具，“讀取-評(píng)價(jià)-打印-循環(huán)”工具）。他還討論交互式評(píng)價(jià)如何幫助構(gòu)建 GUI 和探索新的 API。閱讀本文后，您將理解在預(yù)調(diào)試（pre-debugged）程序中交互地診斷小錯(cuò)誤的做法及原因，您將能夠使用一些 Java 工具來(lái)方便您的工作。請(qǐng)單擊本文頂部或底部的討論在討論論壇與作者及其他讀者共享關(guān)于本文的心得。
多數(shù)程序都包含很多方法，這些方法分布在為數(shù)眾多的類中。毫無(wú)疑問(wèn)，從程序的 main 入口點(diǎn)測(cè)試所有這些方法，即使不是不可能的，也是很困難的。

這就是單元測(cè)試之所以有用的原因。許多程序員和軟件設(shè)計(jì)人員（包括我自己）強(qiáng)調(diào)單元測(cè)試在編寫健壯的的軟件時(shí)是有用的。但是假如您想能夠以一種交互性更好的方式訪問(wèn)程序中的各種元素時(shí)，則可能要折衷一下。

當(dāng)確實(shí)要這樣做時(shí)，為每個(gè)結(jié)果編寫、編譯并運(yùn)行新的單元測(cè)試就會(huì)很快變成一件繁重的事情。我發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不能預(yù)知給予特定輸入后程序?qū)⒈憩F(xiàn)出什么行為時(shí)（例如：在 AI 程序中可能就會(huì)出現(xiàn)這種情況），尤其如此。

那么，該怎么辦呢？

不要為小改動(dòng)著急
為了作一個(gè)類比，請(qǐng)考慮用通常情況下進(jìn)行編譯的語(yǔ)言（例如：Java 或 C++）編程和用在更多情況下進(jìn)行解釋的語(yǔ)言（Python 或 Scheme）編程之間的差異。

在編譯型語(yǔ)言中，每個(gè)編寫／測(cè)試／調(diào)試循環(huán)都必須包含編譯這一額外的步驟，這可能是一個(gè)單調(diào)乏味的經(jīng)歷，尤其是對(duì)于一些小改動(dòng)而言。這可能會(huì)使我們得出結(jié)論說(shuō)，解釋型語(yǔ)言更流暢，因而也更易于修改。（這種靈活性是有代價(jià)的：解釋型語(yǔ)言通常更少對(duì)代碼執(zhí)行靜態(tài)檢查，例如類型檢查。）

正如有時(shí)候我們可能想對(duì)程序作個(gè)改動(dòng)，但不必經(jīng)歷重編譯的麻煩一樣，我們也可能想檢查程序中的一些元素，但不必例行公事般在套件中添加一個(gè)新的單元測(cè)試。當(dāng)確實(shí)想這樣做時(shí)，擁有傳統(tǒng)上稱為“讀取-評(píng)價(jià)-打印-循環(huán)”（即 repl）的工具可能會(huì)有所幫助。

repl 是一個(gè)基于文本的工具，它以表達(dá)式作為輸入，在特定程序的上下文中進(jìn)行評(píng)端，然后顯示結(jié)果。接著，它等待獲得另一個(gè)表達(dá)式作為輸入，然后重復(fù)這些操作。這樣的工具源于類似 Lisp 的語(yǔ)言，但它們也能在更新的語(yǔ)言（例如：Python）中使用。

repl 在 Java 編程中的好處
這樣的工具并非僅僅在這些語(yǔ)言中是有用的。Java 程序員也可以從使用 repl 中獲得好處，不只是調(diào)試方面，在其它方面也可以。

構(gòu)建 GUI
當(dāng)組裝一個(gè) GUI 時(shí)，有許多組件需要布置和連接。當(dāng)構(gòu)造 GUI 時(shí)，您肯定會(huì)碰到以下這些事情：

組件之間將以不可見(jiàn)的方式相互作用。

在運(yùn)行 GUI 之前寫出其所有代碼是相當(dāng)費(fèi)時(shí)的。

一旦您看到了 GUI 的實(shí)際視覺(jué)效果，不可避免地，您將會(huì)想更改 GUI 的某些方面。
這個(gè)問(wèn)題的一種常見(jiàn)的“解決方案”是使用圖形化的 GUI 構(gòu)建工具，例如那些包含在 JBuilder、Forte 和其它 IDE 中的 GUI 構(gòu)建工具。我個(gè)人不喜歡這種辦法 ? 您很難知道這個(gè)工具會(huì)給您生成什么樣的 Java 代碼，您也不可能在修改所生成的代碼時(shí)不冒喪失與 GUI 構(gòu)建工具的兼容性的風(fēng)險(xiǎn)（事實(shí)上，有些 IDE 強(qiáng)行禁止您修改機(jī)器生成代碼的任何部分）。

此外，許多這類 GUI 構(gòu)建工具在生成 Java 代碼時(shí)都使用專用 GUI 庫(kù)，因而限制了 GUI 的兼容性。

我發(fā)現(xiàn)使用 repl 來(lái)構(gòu)建 GUI 要輕易得多。我完全可以交互地定義每一個(gè) GUI 組件，然后依次顯示它。我能夠馬上修正任何不喜歡的東西。然后，我可以與之交互并將這些組件粘貼到程序中。

探索新 API
使用 Java 語(yǔ)言編程最大的優(yōu)點(diǎn)之一是，有數(shù)量龐大的 API 可以使用，它們可以與一切事物 ? 從數(shù)據(jù)庫(kù)到 Web 服務(wù)到電視 ? 對(duì)接。不過(guò)需要花些時(shí)間學(xué)習(xí) API 的語(yǔ)義。

通常，Javadocs 不會(huì)對(duì) API 的行為的每個(gè)方面都作出明確說(shuō)明。對(duì)付這種窘境的辦法是直接測(cè)試 API，使用 repl 可以使測(cè)試快得多 ? 只要輸入一個(gè)方法調(diào)用看看其結(jié)果就行了！

一個(gè)額外的好處是，使用 repl 測(cè)試 API 還強(qiáng)化了大多數(shù)程序員的主要行為 ? 我們傾向于在實(shí)踐中取得最好的學(xué)習(xí)效果。

Java 編程中可用的 repl
那么，假如 repl 有這么多優(yōu)點(diǎn)，下一個(gè)問(wèn)題顯然是 Java 語(yǔ)言可以使用哪些 repl？

Jython
Jython（以前的名稱是 JPython）是 Python 的 Java 編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)（包含一個(gè) repl）（經(jīng)認(rèn)證，是 100% 純 Java 的）。實(shí)際上，它把 Python 編譯成（有點(diǎn)復(fù)雜）Java 源代碼或直接編譯成字節(jié)碼。

本著 Python 的精神，人們嘗試了各種辦法以提供 Java 和 Jython 之間的無(wú)縫互操作性。Jython 讓您可以訪問(wèn)所有的 Java 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，就似乎您是自然地使用 Java 語(yǔ)言進(jìn)行編程一樣，您也可以訪問(wèn)現(xiàn)有的 Java 類文件。所以您不僅可以將 repl 用來(lái)與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)一起工作，還可以與已經(jīng)編譯成字節(jié)碼的您自己的 Java（或 Jython）類一起工作。

使用 Jython repl 時(shí)的一個(gè)重要注重事項(xiàng)是您在寫 Python 表達(dá)式，而不是 Java 表達(dá)式。其積極的一面是您得到了 Python 在句法方面簡(jiǎn)明而又美麗的優(yōu)點(diǎn)。

例如，假如我想構(gòu)造一個(gè)新的散列表，這個(gè)表將 a 映射到 1、b 映射到 2，c 映射到 3。使用 Jython 我所要寫的只是：

>>> h = {′a′:1, ′b′:2, ′c′:3}

解釋器在每一個(gè)新的輸入行前顯示 >>>。

當(dāng)探索新的 GUI 設(shè)計(jì)時(shí)，Jython 句法也有很多優(yōu)點(diǎn)。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，可以將 GUI 元素的各個(gè)域指定為構(gòu)造函數(shù)的要害字參數(shù)，就像這樣：

>>> from javax.swing import *
>>> f = JFrame(visible=1)

這個(gè)示例說(shuō)明了 Jython 和 Java 語(yǔ)言的其它一些差異：

導(dǎo)入語(yǔ)句的句法有很大不同。

整型被用來(lái)取代了布爾型（1 是真，0 是假）。
這里是另一個(gè)示例，示例中 Jython 代碼為您節(jié)省了一些輸入，給 GUI 元素添加了動(dòng)作偵聽(tīng)器（action listener）。通常，這樣的偵聽(tīng)器通過(guò)使用命令模式（Command Pattern）被指定為匿名內(nèi)部類的實(shí)例。在 Python（和其它許多“腳本”語(yǔ)言）中，這樣的命令可以通過(guò)使用交互式函數(shù)定義更簡(jiǎn)潔地加以指定。例如，讓我們?cè)谏鲜龅慕换ナ綍?huì)話的基礎(chǔ)上給 JButton 添加一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作偵聽(tīng)器：

>>> def listener(event):
... print ′thank you′
>>>

這是 Jython 中的函數(shù)定義的一個(gè)示例。為了讓我們知道它什么時(shí)候需要一個(gè)語(yǔ)句以便繼續(xù)進(jìn)行，解釋器在下一行打印省略號(hào)（代替脫字符）。這個(gè)函數(shù)只需要一個(gè)參數(shù)，并會(huì)將“thank you”打印到標(biāo)準(zhǔn)輸出。我們可以將它用作動(dòng)作偵聽(tīng)器，如下：

>>> panel = JPanel()
>>> panel.add(JButton(′press me′, actionPerformed=listener))
>>> f.getContentPane().add(panel)
>>> f.pack()

現(xiàn)在，我們將有一個(gè)顯示在屏幕上的窗口，這個(gè)窗口有一個(gè)標(biāo)有“press me”的按鈕，按下這個(gè)按鈕后將打印“thank you”到標(biāo)準(zhǔn)輸出。想像一下，假如使用 Java 代碼的話，這將需要多少語(yǔ)句啊。

當(dāng)然，缺點(diǎn)也是有的。例如：

您失去了靜態(tài)類型檢查（盡管按理說(shuō)靜態(tài)檢查在 repl 中沒(méi)有多少價(jià)值）。

因?yàn)槟斎氲?repl 中的表達(dá)式不是 Java 代碼，所以您無(wú)法在轉(zhuǎn)換它們之前將表達(dá)式從 repl 中復(fù)制和粘貼到您的程序中。

當(dāng)與 Java 代碼一起使用 Jython 時(shí)，您得承擔(dān)在腦海中同時(shí)處理兩種語(yǔ)言的額外腦力負(fù)擔(dān)（盡管有些人認(rèn)為這樣做很好玩）。
DynamicJava
Java 可以使用的另一個(gè) repl 是 DynamicJava，一個(gè)真正基于 Java（呃，基本上是對(duì)的）的開(kāi)放源代碼的工具，它有一些不同之處：

repl 語(yǔ)言答應(yīng)您不必在聲明變量時(shí)指定變量的靜態(tài)類型。

您不必在語(yǔ)句末尾添加一個(gè)分號(hào)。解釋器也會(huì)返回（隨意地）null 作為語(yǔ)句的評(píng)價(jià)結(jié)果。（假如語(yǔ)句根本不返回值，情況會(huì)好得多。）

不限制您從 repl 內(nèi)訪問(wèn)對(duì)象的私有字段。
對(duì)于初級(jí) Java 程序員，這些不同之處是很重要的，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)使他們感到很迷惑。更有經(jīng)驗(yàn)的程序員可能會(huì)樂(lè)于見(jiàn)到其中一些寬松的約束。無(wú)論如何，DynamicJava 都是一個(gè)健壯的、非常有用的軟件產(chǎn)品（而且它是免費(fèi)的，這是有幫助的）。

一個(gè)新的 Java IDE

在 Rice 大學(xué)的 JavaPLT 實(shí)驗(yàn)室（由 Robert Cartwright 教授領(lǐng)導(dǎo))，我們最近發(fā)布了 DrJava，一個(gè)新的、開(kāi)放源代碼的、用于 Java 語(yǔ)言的 GPL′d 開(kāi)發(fā)環(huán)境，它包含了 DynamicJava repl 的一個(gè)潔凈（cleaned-up）版本作為內(nèi)置組件。我說(shuō)“潔凈”是因?yàn)槲覀円呀?jīng)隱藏了前面所描述的 DynamicJava 的某些更隨意的功能。

DrJava 項(xiàng)目是一個(gè)極端編程項(xiàng)目，目的是開(kāi)發(fā)供計(jì)算機(jī)科學(xué)低年級(jí)大學(xué)生教學(xué)之用的免費(fèi)的、輕量級(jí)的 Java IDE。盡管這個(gè) IDE 是為大學(xué)生設(shè)計(jì)的，但它的快速開(kāi)發(fā)功能對(duì)所有級(jí)別的開(kāi)發(fā)者都是有用的。DrJava 背后的理念是利用程序員的語(yǔ)言知識(shí)來(lái)提供強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具，這與某些盡力把程序員和實(shí)際代碼隔離開(kāi)來(lái)的 IDE 不同。

這個(gè) IDE 的一些優(yōu)異特征包括對(duì)注釋和圓括號(hào)匹配的極其精確（比 Emacs 更精確）的突出顯示，以及可單擊的編譯器錯(cuò)誤的源代碼突出顯示。其界面包含幾個(gè)可單擊的選項(xiàng)卡：

Interactions 選項(xiàng)卡答應(yīng)您與 DynamicJava repl 交互，創(chuàng)建新編譯過(guò)的類的實(shí)例，測(cè)試新編譯過(guò)的類。

Compiler Errors 選項(xiàng)卡答應(yīng)您單擊各種編譯器錯(cuò)誤，將光標(biāo)移到編輯面板中出錯(cuò)的源代碼的位置。

Console 選項(xiàng)卡顯示所有發(fā)送到 System.out 和 System.err 的消息。
（這里是 DrJava 的一個(gè)屏幕截圖。）

我們對(duì)這個(gè) IDE 的經(jīng)驗(yàn)是，交互作用窗格答應(yīng)程序員輕易地執(zhí)行復(fù)雜的開(kāi)發(fā)和調(diào)試任務(wù)。跟在其它語(yǔ)言中所表明的一樣，源代碼編輯器和 repl 的結(jié)合構(gòu)成強(qiáng)大的工具。

repl 總結(jié)
希望本部分已經(jīng)指出并演示了一種主要工具，它能讓您交互地對(duì) Java 程序中的表達(dá)式和語(yǔ)句進(jìn)行評(píng)價(jià)，而不陷入重編譯的泥沼 ? 這種工具就是“讀取-評(píng)價(jià)-打印-循環(huán)”即 repl 工具。我們還演示了 repl 如何體現(xiàn)它在構(gòu)建 GUI 中的重要性，或者當(dāng)您只是想快速地檢查大量可以使用的 Java API 時(shí)，它又是如何體現(xiàn)它的重要性的。

參考資料

通過(guò)單擊本文頂部或底部的討論參加本文的討論論壇。

Jython 2.1 是 Python 高級(jí)別的、動(dòng)態(tài)的、面向?qū)ο蟮膶?shí)現(xiàn)，它答應(yīng)您在任何 Java 平臺(tái)上運(yùn)行 Python。（了解關(guān)于其源祖語(yǔ)言 Python 2.2 的更多信息。）

developerWorks linux 專區(qū)上的 Charming Python 專欄的這篇文章，“Inside JPython and Python for .NET”，快速地窺探了一下 JPython 的內(nèi)幕。

另請(qǐng)?jiān)L問(wèn) DynamicJava，一個(gè) Java 源代碼解釋器。

別忘了下載 DrJava，并利用帶有內(nèi)置 repl 的 IDE 的強(qiáng)大功能。

閱讀 Eric Allen 的 Diagnosing Java Code 專欄的所有文章。

請(qǐng)?jiān)?developerWorks Java 技術(shù)專區(qū)查找更多的 Java 參考資料。

關(guān)于作者
Eric Allen 從 Cornell 大學(xué)獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)的學(xué)士學(xué)位，也是 Rice 大學(xué) Java 編程語(yǔ)言小組的 PhD 研究生。在回 Rice 完成他的學(xué)位學(xué)習(xí)前，Eric 是 Cycorp 公司的主要 Java 軟件開(kāi)發(fā)者。他還在 JavaWorld 上主持了一個(gè)“Java 初學(xué)者”討論論壇。他的研究涉及源代碼和字節(jié)碼級(jí)別上的 Java 語(yǔ)言語(yǔ)義模型和靜態(tài)分析工具的開(kāi)發(fā)。Eric 是針對(duì) NextGen 編程語(yǔ)言的 Rice 的實(shí)驗(yàn)編譯器的主要開(kāi)發(fā)者，NextGen 編程語(yǔ)言是 Java 語(yǔ)言添加了一些語(yǔ)言功能的擴(kuò)展，他還是 DrJava ? 一個(gè)為初學(xué)者設(shè)計(jì)的開(kāi)放源代碼的 Java IDE ? 的項(xiàng)目經(jīng)理。請(qǐng)通過(guò) eallen@cs.rice.edu 與 Eric 聯(lián)系。

--摘自IBM網(wǎng)站
http://www-900.ibm.com/developerWorks/cn/java/j-diag/part22/index.sHtml

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