Aula 10: Análise Dinâmica - 1a. Parte

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1 Aula 10: Análise Dinâmica - 1a. Parte A melhor forma de garantir a qualidade do software que você constrói é projetando-o cuidadosamente desde o início. Desta forma, as partes se encaixarão mais perfeitamente, e a funcionalidade de cada parte será mais simples, de maneira que você irá cometer menos erros ao implementar as várias partes. Mas é difícil não introduzir erros durante a codificação, e uma maneira efetiva de se encontrar estes erros é através das técnicas dinâmicas: ou seja, aquelas que envolvem a execução do programa e a observação de seu comportamento. Em contraste, as técnicas estáticas são aquelas que você utiliza para garantir a qualidade antes da execução: através da avaliação do projeto e da análise do código (seja por revisão manual, ou através de ferramentas como um verificador de tipos). Algumas pessoas, erroneamente, baseiam-se nas técnicas dinâmicas, e apressam-se durante a fase de especificação e projeto assumindo que podem consertar os problemas mais tarde. Existem dois problemas relacionados com esta abordagem. O primeiro é que problemas relacionados ao projeto, com o tempo, ficam emaranhados na implementação em decorrência dos próprios problemas da implementação, sendo muito difícil encontrá-los. O segundo problema é que, sabe-se, o custo de se consertar um erro em um artefato de software cresce dramaticamente quanto mais tarde este erro for encontrado dentro do processo de implementação. Em estudos recentes da IBM e da TRW, Barry Boehm descobriu que para se consertar um erro de especificação durante a implementação, o custo pode chegar a 1000 vezes o valor da correção deste erro caso ele tivesse sido descoberto antes do processo de implementação ser iniciado! Outras pessoas, erroneamente, imaginam que apenas técnicas estáticas são necessárias. Embora, grandes progressos tenham sido alcançados na tecnologia de análise estática, ainda estamos muito longe de sermos capazes de descobrir todos os erros estaticamente. Mesmo que você tenha construído uma prova matemática de que seu programa está correto, seria uma tolice não testá-lo. O problema fundamental da atividade de teste é expresso em um famoso aforismo de Dijkstra: Os testes podem revelar a presença de erros, mas nunca sua ausência. A atividade de teste é incompleta, por sua própria natureza. Você deve ser bem cuidadoso nas conclusões a respeito da confiabilidade de um programa, mesmo que ele tenha passado por uma grande bateria de testes. De fato, o problema de se determinar quando um software é suficientemente confiável para que seja entregue, é uma das dores de cabeça dos gerentes, sendo que existem poucos recursos para se resolver esta questão. Portanto, é melhor não pensar nos testes como um meio de se estabelecer o quanto um programa é confiável, mas sim apenas como uma forma de se encontrar erros. Há uma diferença sutil, mas muito importante entre estes pontos de 112

2 vista Programação Defensiva A programação defensiva é uma abordagem que visa aumentar a confiabilidade sobre um programa através da inserção de checagens redundantes. Veja como isto funciona. Quando você está escrevendo um código, você imagina as condições que devem ser validadas e mantidas em determinados pontos do código - em outras palavras, as invariantes. Então, ao invés de apenas assumir que estas invariantes são válidas, você as deve testar explicitamente. Estes testes são denominados 'certificações em tempo de execução'. Se uma certificação falha - ou seja, a invariante não é validada - você reporta o erro e abandona a execução Diretrizes Como você deve utilizar as certificações em tempo de execução? Primeiro, as certificações em tempo de execução não devem ser utilizadas para amenizar a má codificação. Você quer que seu código seja bug-free (sem bubs), da maneira mais efetiva. A programação defensiva não significa escrever código inferior e depois recheá-lo com certificações em tempo de execução. Se você ainda não percebeu isto, você irá perceber que em longo prazo é bem menos trabalhoso escrever um bom código desde o início; código ruim é muitas vezes uma tamanha desordem a ponto de não ser possível consertá-lo a menos que se comece tudo de novo. Quando você deve escrever certificações em tempo de execução? Quando você estiver codificando, e não depois. De qualquer forma, quando você estiver escrevendo o código você tem as invariantes em mente, e escrevê-las é uma boa forma de documentação. Se você deixar para depois, é menos provável que você o faça. As certificações em tempo de execução têm um custo. Elas podem desordenar o código, portanto elas devem ser utilizadas com sabedoria. Obviamente você deseja escrever as certificações que são mais propensas a encontrar bugs. Bons programadores irão, normalmente, utilizar as certificações desta forma: No início de um procedimento, para se checar que o estado no qual o procedimento é invocado está como se espera - ou seja, para se checar a pré-condição. Isto faz sentido, pois uma grande proporção dos erros está relacionada à compreensão errada das interfaces entre os procedimentos. No final de um procedimento complicado, para se checar que o resultado está correto - ou seja, para se checar a pós-condição. Em um procedimento que calcula a raiz quadrada, por exemplo, você pode escrever uma certificação que calcula o quadrado do resultado para verificar que este valor é igual ao argumento (ou, nesse caso, pelo menos aproximado). Este tipo de certificação é, às vezes, chamada de auto-checagem. 113

3 Quando uma operação que possui efeitos externos está para ser executada, em uma máquina de radioterapia, por exemplo, seria interessante checar se a intensidade do feixe de radiação está dentro de limites aceitáveis, antes de se ligar o equipamento. Certificações em tempo de execução podem também diminuir a performance da execução. Programadores novatos, normalmente, estão mais preocupados com isto do que deveriam. A prática de se escrever certificações em tempo de execução para se testar o código e depois desabilitá-las para o lançamento da versão oficial, é como remover os cintos de segurança de um carro depois que os testes de segurança foram executados. Uma boa prática é, se você acha que uma certificação em tempo de execução é necessária, você deve se preocupar com o custo da performance apenas quando tiver evidências de que o custo da certificação é realmente significante. Todavia, não faz sentido escrever certificações absurdamente custosas. Suponha, por exemplo, que você tem um array e um índice no qual um elemento foi inserido. Seria sensato checar que o elemento está lá. Mas não seria sensato checar que o elemento não está em nenhum outro lugar, procurando por ele em todo o array do começo ao fim: isto tornaria uma operação que pode ser executada em tempo constante em uma operação que leva tempo linear (sobre o tamanho do array) para ser completada Interceptando Exceções Comuns Devido ao fato de que Java é uma linguagem segura, seu ambiente de execução - a Java Virtual Machine (JVM) - já inclui certificações em tempo de execução para importantes classes de erros: Chamada de método em uma referência nula; Acessar um array além de seus limites; Realizar uma operação inválida de downcast. Estes erros fazem com que exceções não checadas sejam jogadas. Além disso, as próprias classes da API Java jogam exceções em condições de erro. É uma boa prática interceptar todas estas exceções. Uma maneira simples de se fazer isto é escrever um manipulador no topo do programa, no método main. Um manipulador capaz de encerrar o programa apropriadamente (por exemplo, com uma mensagem de erro para o usuário, tentando, em seguida, fechar todos os arquivos abertos). Note que existem algumas exceções jogadas pela JVM as quais você não deve tentar manipular. 'Stack overflows' e 'out-of-memory errors', por exemplo, indicam que o programa ficou sem recursos. Nestas circunstâncias, não faz sentido tornar as coisas piores ao se tentar continuar a computação. 114

4 Checando a invariante Rep Uma estratégia muito útil para se encontrar erros em um tipo abstrato com uma representação complexa, é através da codificação da invariante rep como uma certificação em tempo de execução. A melhor forma de se fazer isto é escrever um método public void checkrep () que joga uma exceção não verificada caso a invariante não seja válida no momento da chamada. Este método pode ser inserido no código do tipo abstrato, ou pode ser chamado a partir de um trecho de código externo dedicado à verificação das invariantes. Checar a invariante rep é bem mais poderoso do que checar a maioria dos outros tipos de invariantes, pois uma representação quebrada muitas vezes resulta em um problema que só é percebido muito tempo depois da representação ter sido violada. Com o método checkrep, você estará propenso a identificar e interceptar o erro bem próximo de sua fonte. Você deve invocar o método checkrep no início e no final de cada método, no caso de haver uma exposição de representação que causa a violação da representação entre as chamadas dos métodos. Você também deve se lembrar de instrumentar, com checkrep, os métodos do tipo observadores, pois eles podem alterar a representação (como um efeito colateral benevolente). Existe uma extensa literatura a respeito das certificações em tempo de execução, mas estranhamente, parece haver muito pouco conhecimento a respeito do uso do método checkrep na indústria. Normalmente, a checagem da invariante rep será excessivamente custosa se comparada ao tipo de certificação em tempo de execução que se deveria deixar no código de produção. Portanto, você deve utilizar checkrep, principalmente, nos testes. Para as checagens do código de produção, você deve considerar apenas os pontos do código que podem falhar em decorrência da violação de uma invariante de representação, inserindo as checagens apropriadas nestes locais Framework de Certificações Certificações em tempo de execução podem emaranhar o código. Isso é especialmente ruim se um leitor não for capaz de identificar quais as partes do código são certificações e quais estão realizando a computação propriamente dita. Por esta razão, e para tornar a escrita das certificações mais sistemática e menos trabalhosa, é uma boa idéia implementar um pequeno framework (uma 115

5 base consolidada) de certificações. Algumas linguagens de programação, como Eiffel, vêm com mecanismos de certificação embutidos. Requisições para mecanismos semelhantes a este da linguagem Eiffel são a principal reivindicação para alterações no Java. Existem também ferramentas de terceiros e frameworks para a adição de certificações no código, permitindo controlá-las. Na prática, no entanto, é fácil escrever um framework por conta própria. Uma abordagem é implementar uma classe, denominada Assert, por exemplo, com um método public static void assert (boolean b, String location) que joga uma exceção não verificada quando seu argumento é falso, recebendo também uma string que indica o local onde a certificação falhou. Esta classe pode encapsular os registros de log e de erros ocorridos. Para utilizá-la, é necessário apenas escrever certificações como esta: Assert.assert (x!= null, MyClass.MyMethod ); É possível também utilizar os mecanismos de reflexão do Java para aliviar a necessidade de prover informações de localização Certificações em Subclasses Quando estudarmos derivação de classes, veremos como as pré- e pós-condições de uma subclasse se relacionam com as pré- e pós-condições de sua superclasse. Iremos conhecer oportunidades para checagens adicionais em tempo de execução, e também iremos conhecer como fazer o reuso das certificações utilizadas nas superclasses. Surpreendentemente, a maioria das abordagens para checagem das certificações em subclasses falhou conceitualmente. Artigos recentes explicam o porquê, e demonstram como desenvolver um framework de certificações para uma subclasse: Robby Findler, Mario Latendresse, and Matthias Felleisen. Behavioral Contracts e Behavioral Subtyping. Foundations of Software Engineering, Robby Findler and Matthias Felleisen. Contract Soundness for Object-Oriented Languages. Object-Oriented Programming, Systems, Languages, and Applications, see Respondendo às Falhas 116

6 Agora chegamos à questão sobre o que fazer quando uma certificação falha. Você pode se sentir tentado a resolver o problema 'on the fly' (durante a execução). Quase sempre, isto é a coisa errada a se fazer. Esta prática torna o código mais complicado e, normalmente, introduz ainda mais bugs. Provavelmente, você não será capaz de identificar a causa da nova falha; e se for, você poderia ter evitado o bug se não tivesse acrescentado o código de correção. De outra forma, muitas vezes faz sentido executar algumas ações especiais não relacionadas à causa da falha. Você pode registrar a falha em um arquivo, e/ou notificar o usuário na tela, por exemplo. Em um sistema de segurança crítica, decidir as ações a serem tomadas na ocorrência da falha é problemático e muito importante; em um controlador de um reator nuclear, por exemplo, você provavelmente irá querer remover as hastes de combustível caso detecte que alguma coisa não está correta. Algumas vezes, é melhor não abortar a execução totalmente. Quando nosso compilador falha, faz sentido abortarmos completamente. Mas considere uma falha em um processador de texto. Se o usuário realizar um comando que falha, seria bem melhor sinalizar a falha e abortar o comando, mas não fechar o programa; desta forma o usuário pode aliviar os efeitos da falha (por exemplo, salvando o texto com um nome diferente, e só então fechar o programa). 117

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