浅谈契约式编程

契约式编程是编程的一种方法。那么什么是契约式编程呢？我想这个概念是从“合同”演变过来的。

在人类的社会活动中，契约一般是用于两方，一方（供应者）为另一方（客户）完成一些任务。每一方都期待从契约中获得利益，同时也要接受一些义务。通常，一方视为义务的对另一方来说是权利。契约文档要清楚地写明双方的权利与义务。

契约合同能保障双方的利益，对客户来说，合同规定了供应者要做的工作；对供应者来说，合同说明了如果约定的条件不满足，供应者没有义务一定要完成规定的任务。

同样的道理也适合于软件。设想一个软件单元E。它要达到它的目的（履行契约）， E使用的策略可能会包括一系列的子任务，t1, ... tn。如果子任务ti 不是那么简单的，它得调用另一个功能例程（routine)R。换句话说，E把子任务转包给R。这样的情形应该被一个很好定义的“登记表”(roster）来管理双方的义务与权利－－契约。

假如ti是一项任务，要求把一个给定的元素插入到一个有限容量的字典中。此处字典是一个（名－值）表，每一个元素（值）通过一个作为关键字的字符串（名）存取。（译者注：这里“元素”可以理解成一个任意的数据项）。

简而言之，就是函数调用者应该保证传入函数的参数是符合函数的要求，如果不符合函数要求，函数将拒绝继续执行。如果按照契约式编程的思想编写代码，就要求我们写函数时检查函数参数。有时候是简单的判断某个参数不能为空，或者数值不能小于0。如果在项目中全面应用契约式编程，则应该有一个“契约框架”帮我们来做这些事情。

契约与我们通常所说的商业契约很相似，有以下几个特点：

1. 契约关系的双方是平等的，对整个bussiness的顺利进行负有共同责任，没有哪一方可以只享有权利而不承担义务。
2. 契约关系经常是相互的，权利和义务之间往往是互相捆绑在一起的；
3. 执行契约的义务在我，而核查契约的权力在人；
4. 我的义务保障的是你的利益，而你的义务保障的是我的利益；

将契约关系引入到软件开发领域，尤其是面向对象领域之后，在观念上给我们带来了几大冲击：

一般的观点，在软件体系中，程序库和组件库被类比为server，而使用程序库、组件库的程序被视为client。根据这种C/S关系，我们往往对库程序和组件的质量提出很严苛的要求，强迫它们承担本不应该由它们来承担的责任，而过分纵容client一方，甚至要求库程序去处理明显由于client错误造成的困境。客观上导致程序库和组件库的设计和编写异常困难，而且质量隐患反而更多；同时client一方代码大多松散随意，质量低劣。这种情形，就好像在一个权责不清的企业里，必然会养一批尸位素餐的混混，苦一批任劳任怨，不计得失的老黄牛。引入契约观念之后，这种C/S关系被打破，大家都是平等的，你需要我正确提供服务，那么你必须满足我提出的条件，否则我没有义务“排除万难”地保证完成任务。

一般认为在模块中检查错误状况并且上报，是模块本身的义务。而在契约体制下，对于契约的检查并非义务，实际上是在履行权利。一个义务，一个权利，差别极大。例如上面的代码：

这就是义务，其要点在于，一旦条件不满足，我方（义务方）必须负责以合适手法处理这尴尬局面，或者返回错误值，或者抛出异常。而：

这是检查契约，履行权利。如果条件不满足，那么错误在对方而不在我，我可以立刻“撕毁合同”，罢工了事，无需做任何多余动作。这无疑可以大大简化程序库和组件库的开发。

契约所核查的，是“为保证正确性所必须满足的条件”，因此，当契约被破坏时，只表明一件事：软件系统中有bug。其意义是说，某些条件在到达我这里时，必须已经确保为“真”。谁来确保？应该是系统中的其他模块在先期确保。如果在我这里发现契约没有被遵守，那么表明系统中其他模块没有正确履行自己的义务。就拿上面提到的“打开文件”的例子来说，如果有一个模块需要一个FILE*，而在契约检查中发现该指针为NULL，则意味着有一个模块没有履行其义务，即“检查文件是否存在，确保文件以正确模式打开，并且保证指针的正确性”。因此，当契约检查失败时，我们首先要知道这意味着程序员错误，而且要做的不是纠正契约核查方，而是纠正契约提供方。换句话说，当你发现：

报错时，你要做的不是去修改你的string_copy函数，而是要让任何代码在调用string_copy时确保dest指针不为空。

我们以往对待“过程”或“函数”的理解是：完成某个计算任务的过程，这一看法只强调了其目标，没有强调其条件。在这种理解下，我们对于exception的理解非常模糊和宽泛：只要是无法完成这个计算过程，均可被视为异常，也不管是我自己的原因，还是其他人的原因（典型的权责不清）。正是因为这种模糊和宽泛，“究竟什么时候应该抛出异常”成为没有人能回答的问题。而引入契约之后，“过程”和“函数”被定义为：完成契约的过程。基于契约的相互性，如果这个契约的失败是因为其他模块未能履行契约，本过程只需报告，无需以任何其他方式做出反应。而真正的异常状况是“对方完全满足了契约，而我依然未能如约完成任务”的情形。这样以来，我们就给“异常”下了一个清晰、可行的定义。

一般来说，在面向对象技术中，我们认为“接口”是唯一重要的东西，接口定义了组件，接口确定了系统，接口是面向对象中我们唯一需要关心的东西，接口不仅是必要的，而且是充分的。然而，契约观念提醒我们，仅仅有接口还不充分，仅仅通过接口还不足以传达足够的信息，为了正确使用接口，必须考虑契约。只有考虑契约，才可能实现面向对象的目标：可靠性、可扩展性和可复用性。反过来，“没有契约的复用根本就是瞎胡闹。（Bertrand Meyer语）”。

由上述观点可以看出，虽然Eiffel所倡导的Design By Contract在表象上不过是系统化的断言（assertion）机制，然而在背后，确实是完全的思想革新。正如Ivar Jacoboson访华时对《程序员》杂志所说：“我认为Bertrand Meyer的方向——Design by Contract——是正确的方向，我们都会沿着他的足迹前进。我相信，大型厂商（微软、IBM，当然还有Rational）都不会对Bertrand Meyer的成就坐视不理。所有这些厂商都会在这个方向上有所行动。”