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    JML基础梳理及工具链

    jml语言基础

    JML的全称是Java Modeling language,是一种行为接口规格语言,通过JML及其支持工具,不仅可以基于规格自动构造测试用例,还可用SMT Solver等工具以静态方式来检查代码实现对规格的满足情况。

    1、注释结构

      行注释://@annotation

      块注释:/*@ annotation @*/

    2、JML表达式

      1.1原子表达式

            esult表达式:表示一个非 void 类型的方法执行所获得的结果,即方法执行后的返回值。

            old( expr )表达式:用来表示一个表达式 expr 在相应方法执行前的取值。

            ot_assigned(x,y,...)表达式:用来表示括号中的变量是否在方法执行过程中被赋值。

            ot_modified(x,y,...)表达式:与上面的 ot_assigned表达式类似,该表达式限制括号中的变量在方法执行期间的取 值未发生变化。

            onnullelements( container )表达式:表示 container 对象中存储的对象不会有 null  。

            ype(type)表达式:返回类型type对应的类型(Class) 。

            ypeof(expr)表达式:该表达式返回expr对应的准确类型。

           1.2量化表达式

           forall表达式:全称量词修饰的表达式,表示对于给定范围内的元素,每个元素都满足相应的约束。

           exists表达式:存在量词修饰的表达式,表示对于给定范围内的元素,存在某个元素满足相应的约束。 

           sum表达式:返回给定范围内的表达式的和。

           product表达式:返回给定范围内的表达式的连乘结果。

          max表达式:返回给定范围内的表达式的最大值。 

          um_of表达式:返回指定变量中满足相应条件的取值个数。

    3、方法规格

       (1)  前置条件:requires

     (2)后置条件:ensures

     (3)副作用范围限定:assignable或modifiable

    4、类型规格

      (1)不变式invariant:是要求在所有可见状态下都必须满足的特性,语法上定义 invariant P ,其中 invariant 为关 键词, P 为谓词。

         (2)状态变化约束constraint :对象的状态在变化时往往也许满足一些约束,这种约束本质上也是一种不变式。

    工具链

             1.OpenJML:检查JML规格的正确性,提供对程序的静态和动态检查。

             由于各种报错等问题,本人openjml的布局失败。。。

             2.JMLUnitNG:根据JML自动生成测试数据来验证正确性。

             首先,将(稍加修改的)MyGroup.java和openjml,junitng的jar包放在同一目录下,然后命令行运行如下命令:

    java -jar jmlunitng.jar test/Group.java
    
    javac -cp jmlunitng.jar test/*.java
    
    java -jar openjml.jar -rac test/Group.java test/Person.java
    
    java -cp jmlunitng.jar test.Group_JML_Test

          经过一系列尝试之后,终于是有结果了,以下是本人运行结果的片段,由于测试样例大多为一些边界数据,并不是所有的点都是pass,下图仅为pass的部分点:

    二、前三次作业内容分析

    前言

    第三单元的作业以JML语言主题,以人际关系网络为背景,分三次要求逐步增加,难度逐步提高。这三次作业,让我进一步理解了java编程语言,明白了规格和实现之间的关系,使得我在编程上更为严谨。

    以下是我对于这三次作业的总结,希望能给我以后得到作业和今后的编程道路提供帮助和参考。

    第一次作业

    架构分析:第一次作业主要是基于规格填写代码,难度不高。在isCircle方法中,本人使用了DFS,这并不是效率很高的算法,但对于本次作业的数据规模来说足够通过。 

    bug分析:本人在本次作业中并未被测出bug。

    第二次作业

    架构分析:第二次作业也主要是基于规格填写代码,增加了Group类,数据规模相对于第一次大大增加,本人不得不对其做一些优化;本人将isCircle方法改为了查并集,并且对于组内的关系合,平均年龄等数据采用了缓存机制;这些优化对于这种高访问低修改的数据效果十分明显。

    bug分析:本人在这次作业中因为没要看到一行规格的描述(选择性忽略),导致强测挂了4个点;具体来说是group的人数小于1111,本人检查工作和测试工作做的十分不到位。

    第三次作业

    架构分析:第三次作业的难度相对于一,二次作业有了明显的提升,尤其是qmp(最短路径查询),qsl (环路查询)方法,本人前者采用了Dijkstra算法,后者采用了DFS环路查询算法,然而这两者复杂度较高,为强测和互测埋下隐患。

    bug分析:本人在这次作业中的qmp和qsl均出现了tle问题,导致强测直接挂了5个点,本人不得不进行优化算法;参考了讨论区大佬和一些博客之后,本人qmp采用了优先队列的Dijkstra算法,qsl采用了枚举删点判断联通的方法,性能大大提高。

    三、算法分析

    虽然这次的博客在jml工具链方面着实恶心人,但三次作业下来本人还是接触到了一些非常有用的算法,虽然它们都是我因为数据强度关系不得已之为,但还是在这里总结一下, 这些东西至少比jml工具链的验证要有意义的多:

    1.iscircle--并查集

    每一个极大连通子图都抽象为一个群体,拥有共同的祖先(ancestor),每个人都有唯一的父亲结点(parent),每次进行isCircle,只需对两个结点循环找父亲结点 (追根溯源),直到找到祖宗(祖宗的父亲为其本身),两者的祖宗结点相同,则必连通。

    int ancestor1 = p1.getParent();
    while (ancestor1 != p1.getId()) {
      p1 = MygetPerson(ancestor1);
      ancestor1 = p1.getParent();
    }
    int ancestor2 = p2.getParent();
    while (ancestor2 != p2.getId()) {
       p2 = MygetPerson(ancestor2);
       ancestor2 = p2.getParent();
    }
    p1.setParent(ancestor1);
    p2.setParent(ancestor2);
    return ancestor1 == ancestor2;

    同时,在addrelation的时候,需要循环查找两者的祖先,若祖先不相同,则将后者的祖先的parent设置为前者的祖先,这样可以保证查找祖先路径的唯一性;

    同时,为了进一步提高效率,本人采取了压缩路径的方法,每一次循环找祖先(adderlation,isCircle),都将结点的parent直接设置为自己的祖先,下一次访问课大大减少循环次数。

    2.queryMinPath--优先队列的Dijkstra算法

    此算法借鉴了一些博客,做了一些修改以适应本人的体系,采用java的核心类PriorityQueue,并将人抽象为id-distance二元对,用Weight类来表示这个二元对,并增加MyComparator类(继承Comparator,重写compare方法,为优先队列内部的堆排序提供比较原则)

            MyComparator myComparator = new MyComparator();
            PriorityQueue<Weight> que = new PriorityQueue<Weight>(myComparator);
            HashMap<Integer, Integer> visit = new HashMap<Integer, Integer>();
            HashMap<Integer, Integer> distance = new HashMap<Integer, Integer>();
            Weight nweight = new Weight(id1, 0);
            distance.put(id1, 0);
            que.add(nweight);
            while (!que.isEmpty()) {
                Weight now = que.poll();
                int id = now.getId();
                if (visit.containsKey(id)) {
                    continue;
                }
                if (id == id2) {
                    break;
                }
                int min = now.getWeight();
                visit.put(id, 1);
                MyPerson top = MygetPerson(id);
                for (int i = 0; i < top.getAcquaintanceSum(); i++) {
                    MyPerson np = top.getAcquaintance(i);
                    if (!visit.containsKey(np.getId())) {
                        if (!distance.containsKey(np.getId()) ||
                                min + top.queryValue(np) < distance.get(np.getId())) {
                            int update = min + top.queryValue(np);
                            Weight next = new Weight(np.getId(), update);
                            distance.put(np.getId(), update);
                            que.add(next);
                        }
                    }
                }
            }
            return distance.get(id2);

    3.queryStrongLink--删点寻通路

    这个方法也是询问了大佬,本人一开始是用DFS找环路这种朴素的方法实现的,但无奈这个算法效率过于低下

    此方法分为两种情况

    1).两点直接相连:将连点之间的边(关系)删去,并进行DFS查找通路,若存在,则两点必成环

            if (p1.isLinked(p2)) {
                //System.out.println("mode1");
                visit = new HashMap<Integer, Integer>();
                final int value = p1.queryValue(p2);
                p1.delAcquaintance(p2);
                p2.delAcquaintance(p1);
                final boolean isfind = findPath(id1, id2);
                p1.addAcquaintance(p2);
                p2.addAcquaintance(p1);
                p1.addValue(value);
                p2.addValue(value);
                return isfind;

    注意,由于这次背景架构的特殊性,删边即删除关系(熟人列表),由于arraylist顺序存储的特性,本人的Person类的熟人和Value集合位置是一一对应的,暂时删除人的时候关系值也要一并删除,加回的时候,要一并加回;

    2),不直接相连:将除两点外的点一个个删去判断删除后有无通路,在一个个加回,事实上,若两点成环,删去任意一个点,不影响两者之间的连通性(找割点),实际上这只是一个必要条件,无法涵盖第一种情况,所以需要分类讨论,较为统一得到做法是直接删边,但这样更为复杂,遂放弃。

           else {
                for (int i = 0; i < people.size(); i++) {
                    int id = people.get(i).getId();
                    if (id == id1 || id == id2) {
                        continue;
                    } else {
                        visit = new HashMap<Integer, Integer>();
                        MyPerson np = peomap.remove(id);
                        //System.out.println("Remove:" + np.getId());
                        if (!findPath(id1, id2)) {
                            peomap.put(id, np);
                            //System.out.println("Fail:" + np.getId());
                            return false;
                        }
                        peomap.put(id, np);
                    }
                }
                return true;
            }
        }

    同时要注意,由于数据规模的问题,visit采用数组,Person在arraylist中的位置对应数组中的index这样会炸tle,因为从id得知其位置需要一个遍历操作,才能知道其有无被访问过,然后遍历操作不可怕,可怕的是在循环中的遍历,更可怕的是在循环中的DFS中的每一次递归中的遍历;可取的做法是采用Hashmap,将id和是否被访问的标志为存的二元对存放。

      

    四、心得体会

    按理来说,本单元相对于前两单元是比较轻松的,但本人做的反而比前两次作业差,这主要是本人的疏忽和算法优化的工作不到位所致;相信经历了这单元之后,本人对于代码编写将更为严谨,也会更加注重算法复杂度的考量。

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