.NET 4.0中的新功能介绍：契约式设计 (Design By Contracts)

柔光的暖阳◎ 2022-08-07 08:48 172阅读 0赞

**什么是契约**

我们先来看一个很简单的例子：

Void WordList.Insert(string word)

这个函数负责将word以升序插入到WordList中的单词列表中，word不可以为NULL。

上面这些说明文字都是用来描述此函数的行为的。当使用该函数的调用者看到这些说明文字的时候，便知道函数应该如何调用以及在不同情况下的函数行为，换言之，上面这段说明文字简单的描述了函数调用者和被调用者的一种约定，这种约定也被称之为契约(Contracts)。契约一般来讲可以分成三类，包括：

1. Precondition：函数调用之前需要满足何种条件：比如，参数word不可以为NULL

2.Postcondition：函数调用之后需要满足何种条件：比如，参数word被加入到WordList的成员m\_wordList中，m\_wordList元素个数+1

3. Invariant：函数调用之前之后总是需要满足的条件是什么：比如，m\_wordList中的单词总是以升序排列

契约式设计这个概念是Bertrand Meyer提出的，并在Eiffel Programming Language这本书中有详细的描述，Eiffel语言本身对契约式设计支持也非常好，有兴趣的朋友可以尝试并比较一下。

**.NET 4.0****中的****Contracts**

在.NET 4.0中引入了对契约式设计的支持，我们来看一下，如果上面那个例子用4.0中的契约式设计功能应该如何编写：

1: public void WordList.Insert(string word)
       2: {
       3: 	CodeContract.Requires(word != null);
       4: 	CodeContract.Ensures(CodeContract.OldValue<int>(_words.Count) + 1 == _words.Count);
       5: 	CodeContract.EnsuresOnThrow
      
       (CodeContract.OldValue<
       int>(_words.Count) == _words.Count);
    
        6: 	…
       7: }
       8:

其中：

1. Contract.Requires是Precondition

2. Contract.Ensures是PostCondition

3. Contract.EnsuresOnThrow是Postcondition，和Ensures的区别是这是在Throw的情况下需要满足的Postcondition

可以看到，Contracts在被显式的放在代码当中，而不仅仅是说明性的文字，那这样有什么好处呢？

1. 提供了运行时支持：这些Contracts都是可以被运行的，并且一旦条件不被满足，会弹出类似Assert的一样的对话框报错，如下：

[![clip\_image002][clip_image002]][clip_image002_clip_image002]

2. 提供了静态分析支持：通过静态分析Contracts，静态分析工具可以比较容易掌握函数的各种有关信息，甚至可以作为Intellisense

看到这里，可能有些朋友会有一些疑问：Contracts可以做条件检查并且弹出类似Assert的对话框，这个和Assert有何区别呢？其实，Contracts和Assert的区别主要在于：

1. Contracts的意图更加清晰，通过不同的Requires/Ensures等等调用，代表不同类型的条件，比单纯的Assert更容易理解和进行自动分析

2. Contracts的位置更加统一，将3种不同条件都放在代码的开始处，而非散见在函数的开头和结尾，便于查找和分析。

3. 不同的开发人员、不同的小组、不同的公司、不同的库可能都会有自己的Assert，这就大大增加了自动分析的难度，也不利于开发人员编写代码。而Contracts直接被.NET 4.0支持，是统一的。

当然了，Contracts也和Assert有一些非常类似的地方，比如Contracts和Assert都可以运行时检查错误，也可以在随意的在代码中关闭打开。VS中支持Contracts的几种不同的典型配置：

1. CONTRACTS\_FULL：打开所有Contracts

2. CONTRACTS\_PRECONDITIONS：仅有Precondition

3. RequireAlways Only：仅有RequireAlways。RequireAlways的意思等会讲到

这些选项都可以通过项目的Code Contracts页面来进行修改，这个页面是通过安装Contracts工具包获得的：

[![clip\_image004][clip_image004]][clip_image004_clip_image004]

在这里提醒大家一下，在使用Contracts功能之前，一定要下载最新版的Contracts开发工具包：[http://msdn.microsoft.com/en-us/devlabs/dd491992.aspx][http_msdn.microsoft.com_en-us_devlabs_dd491992.aspx]

这个工具包提供了一系列的Contracts所需要的一些工具，文档以及VS的插件。不安装这个工具包将无法使用Contracts的功能。

刚才我们谈到了Requires和Ensures两种条件，这里把.NET 4.0中的最常用的几种Contracts列一下：

1. Requires：函数入口处必须满足的条件

2. Ensures：函数出口处必须满足的条件

3. Invariants：所有成员函数出口处都必须满足的条件

4. Assertions：在某一点必须满足的条件

5. Assumptions：在某一点必然满足的条件，用来减少不必要的警告信息

其中，对于Invariant需要稍作一点说明。因为Invariant是需要对每个成员函数都需要起到作用，显然如果把这个条件放在每个函数的末尾处可以起到这个效果，但是这么做显得比较笨。.NET 4.0中采取的方式是这样的：使用某个成员函数作为Invariant，上面标记ContractInvariantMethod属性，然后在这个成员函数里面用Contracts.Invariant来指定每一条Invariant条件。这样，Invariant就会对每个函数起作用了。同时，这个Invariant方法也应该标记上PureAttribute属性，表明该函数不存在副作用（不会修改对象的状态）

**Contracts****的奥秘**

看到这里，不知道有些朋友发现没有，不管是Ensures还是Invariant，它们的位置并不是代码应该所存在的位置。对于Ensures来讲，它是函数出口条件，那么必然在出口时候被调用，但是为什么Ensures写在前面呢？同样的，Invariant是对每个函数起作用，如果单独写一个函数作为Invariant怎么保证它会被每个函数调用到呢？其实这些都是很合理的问题。首先，Ensure和Invariant的这种写法是很合理的，原因之前也提到过了，剩下的问题是，.NET如何保证这些条件会在正确的时候被执行。其实，在编译的时候，Contracts的工具包中有一个小工具ccrewrite，这个工具负责将编译出来的二进制代码进行调整，如下：

[![clip\_image006][clip_image006]][clip_image006_clip_image006]

可以看到，ccrewrite负责将各种条件的位置进行调整，最终使得条件处于正确的位置。

**接口级别的契约**

除了在方法实现中加入契约之外，接口也可以加入契约。接口首先需要加上一个ContractClassAttribute，指向对应的ContractClass：

1: [ContractClass(typeof(IFooContract))]
       2: interface IFoo {
       3: 	int Count { get; }
       4: 	void Put(int value );
       5: }

而ContractClass则需声明ContractClassForAttribute，说明是IFoo的ContractClass，然后显式实现IFoo，并加入Contract：

1: [ContractClassFor(typeof(IFoo))]
       2: sealed class IFooContract : IFoo {
       3: 	int IFoo.Count {
       4: 	get {
       5: 		Contract.Ensures( 0 <= Contract.Result<int>() );
       6: 		return default( int ); // dummy return
       7: 	}
       8: }
       9: 
      10: void IFoo.Put(int value)
      11: {
      12: 	Contract.Requires( 0 <= value );
      13: }

**一个完整的例子**

现在我们来看一个完整的例子。在这个例子中WordList使用了Contract.Requires/Ensures/EnsuresOnThrow/Invariant等契约，还附送几个Bug，程序比较简单，这里就不多说了：

1: using System;
       2: using System.Collections.Generic;
       3: using System.Linq;
       4: using System.Text;
       5: using System.Diagnostics.Contracts;
       6: 
       7: namespace ContractDemo
       8: {
       9:     class WordList
      10:     {
      11:         private List<string> _words;
      12: 
      13:         public WordList(int capacity)
      14:         {
      15:             Contract.Requires(capacity > 0);
      16:             _words = new List<string>(capacity);
      17:         }
      18: 
      19:         public void Insert(string word)
      20:         {
      21:             Contract.Requires(word != null);
      22:             Contract.Ensures(Contract.OldValue<int>(_words.Count) + 1 == _words.Count);
      23:             Contract.EnsuresOnThrow
      
       (Contract.OldValue<
       int>(_words.Count) == _words.Count);
    
       24: 
      25:             int i;
      26:             for (i = 0; i < _words.Count; ++i)
      27:             {
      28:                 int compare = string.Compare(word, _words[i]);
      29:                 if (compare > 0)
      30:                     break;
      31:                 else if (compare == 0)
      32:                     throw new ApplicationException("Already exist!");
      33:             }
      34: 
      35:             _words.Insert(i, word);
      36:         }
      37: 
      38:         [ContractInvariantMethod()]
      39:         internal void Invariant()
      40:         {
      41:             // No null string
      42:             Contract.Invariant(Contract.ForAll(_words, w => w != null));
      43: 
      44:             // Make sure the words are in ascending order
      45:             Contract.Invariant(IsAscending());
      46:         }
      47: 
      48:         [Pure]
      49:         internal bool IsAscending()
      50:         {
      51:             bool isAscending = true;
      52:             for (int i = 1; i < _words.Count; ++i)
      53:             {
      54:                 if (string.Compare(_words[i - 1], _words[i]) > 0)
      55:                 {
      56:                     isAscending = false;
      57:                     break;
      58:                 }
      59:             }
      60: 
      61:             return isAscending;
      62:         }
      63:     }
      64: 
      65:     class Program
      66:     {
      67:         static void Main(string[] args)
      68:         {
      69:             WordList wordList = new WordList(0);
      70:             wordList.Insert("Hello");
      71:             wordList.Insert("World");
      72:         }
      73:     }
      74: }

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