Belangrijkste principes van deterministisch programmeren

Deterministisch programmeren heeft tot doel dezelfde output te produceren, gegeven dezelfde input en initiële toestand. Deze voorspelbaarheid is cruciaal voor betrouwbaarheid, foutopsporing, testen en gelijktijdigheid. Dit zijn de belangrijkste principes:

1. State-onveranderlijkheid:

- Principe: Eenmaal aangemaakte objecten mogen niet meer worden gewijzigd. In plaats van bestaande objecten te muteren, maakt u nieuwe met de gewenste wijzigingen.

- Voordelen: Elimineert race-omstandigheden in gelijktijdige omgevingen, vereenvoudigt het redeneren over programmagedrag en maakt het opsporen van fouten eenvoudiger.

- Voorbeeld: In plaats van een bestaande lijst te wijzigen, kunt u een nieuwe lijst maken met de toegevoegde/verwijderde elementen.

2. Pure functies:

- Principe: Een functie mag alleen afhankelijk zijn van de invoerargumenten en mag geen bijwerkingen hebben (dat wil zeggen, hij mag niets wijzigen dat buiten zijn eigen bereik valt, zoals globale variabelen, bestanden of netwerkbronnen). Het moet altijd dezelfde uitvoer retourneren voor dezelfde invoer.

- Voordelen: Gemakkelijk om over te redeneren, afzonderlijk te testen en veilig te parallelliseren.

- Voorbeeld: Een functie die de som van twee getallen berekent, is een zuivere functie. Een functie die naar een bestand schrijft, is *niet* een pure functie.

3. Expliciet statusbeheer:

- Principe: Alle statusveranderingen moeten expliciet worden gecontroleerd en beheerd. Vermijd impliciete statuswijzigingen of verborgen afhankelijkheden.

- Voordelen: Maakt de gegevensstroom en het programmagedrag duidelijk en begrijpelijk.

- Voorbeeld: Gebruik afhankelijkheidsinjectie om afhankelijkheden aan een component toe te voegen in plaats van te vertrouwen op globale variabelen of singletons. Gebruik duidelijk gedefinieerde datastructuren om de status vast te houden.

4. Goed gedefinieerde beginstatus:

- Principe: De beginstatus van het programma moet duidelijk gedefinieerd en voorspelbaar zijn.

- Voordelen: Zorgt ervoor dat het programma start vanuit een bekende en gecontroleerde toestand, wat leidt tot voorspelbaar gedrag.

- Voorbeeld: Initialiseer alle variabelen naar bekende standaardwaarden voordat u met berekeningen begint.

5. Invoervalidatie en foutafhandeling:

- Principe: Valideer alle invoer om er zeker van te zijn dat deze binnen het verwachte bereik ligt en van het juiste type is. Ga op een elegante en voorspelbare manier om met fouten.

- Voordelen: Voorkomt onverwacht gedrag als gevolg van ongeldige invoer en maakt het programma robuuster.

- Voorbeeld: Controleer of de door de gebruiker opgegeven invoer een geldig getal is voordat u probeert rekenkundige bewerkingen uit te voeren. Gebruik uitzonderingsafhandeling om fouten op te sporen en af ​​te handelen.

6. Gecontroleerde willekeur (indien nodig):

- Principe: Als willekeur vereist is, gebruik dan een deterministische pseudo-willekeurige nummergenerator (PRNG) met een vast zaad.

- Voordelen: Hiermee kunt u dezelfde reeks "willekeurige" getallen reproduceren, waardoor het gedrag van het programma voorspelbaar wordt voor testen en debuggen.

- Voorbeeld: Gebruik een vaste startwaarde bij het initialiseren van een PRNG om elke keer dat het programma wordt uitgevoerd dezelfde reeks willekeurige getallen te genereren.

7. Tijdsonafhankelijke uitvoering:

- Principe: Vertrouw niet op de systeemtijd of andere externe factoren die tijdens de uitvoering kunnen variëren. Als er tijd nodig is, abstraheer deze dan via een interface voor spotdoeleinden.

- Voordelen: Elimineert variabiliteit veroorzaakt door de omgeving, waardoor het programma voorspelbaarder en testbaarder wordt.

- Voorbeeld: In plaats van direct gebruik te maken van `DateTime.Now`, kunt u een service maken die de huidige tijd levert en deze in tests kan nabootsen.

8. Injectie van afhankelijkheid:

- Principe: Geef expliciet afhankelijkheden aan componenten op in plaats van te vertrouwen op componenten om ze rechtstreeks te maken of op te halen.

- Voordelen: Maakt het testen en bespotten van afhankelijkheden veel eenvoudiger, waardoor de afhankelijkheid van onvoorspelbare externe systemen wordt verminderd.

Deterministische programmeerprincipes toepassen om voorspelbare resultaten te garanderen

Hier leest u hoe u deze principes praktisch kunt toepassen bij softwareontwikkeling:

1. Coderecensies: Controleer de code op bijwerkingen, veranderlijke status en impliciete afhankelijkheden. Handhaaf coderingsstandaarden die onveranderlijkheid en pure functies bevorderen.

2. Testen: Schrijf unittests die het gedrag van individuele functies en componenten afzonderlijk verifiëren. Gebruik spot om afhankelijkheden te isoleren en voorspelbaar gedrag te garanderen. Maak integratietests die controleren hoe verschillende componenten samenwerken.

3. Functionele programmeertechnieken: Gebruik functionele programmeertechnieken zoals mapping, filter, reduce en recursion, die op natuurlijke wijze onveranderlijkheid en zuivere functies bevorderen.

4. Gegevensstructuren: Gebruik onveranderlijke datastructuren die door uw taal of bibliotheken worden geleverd (bijvoorbeeld tupels, bevroren sets, onveranderlijke lijsten/woordenboeken).

5. Ontwerppatronen: Pas ontwerppatronen toe zoals het Strategiepatroon, waarmee u verschillende algoritmen of gedragingen kunt verwisselen zonder de kernlogica te wijzigen.

6. Logboekregistratie en monitoring: Implementeer uitgebreide logboekregistratie om de status van het programma te volgen en eventueel onverwacht gedrag te identificeren. Bewaak de prestaties en het bronnengebruik van het programma om eventuele afwijkingen op te sporen.

7. Versiebeheer: Gebruik versiebeheer om wijzigingen in de code bij te houden en indien nodig terug te keren naar eerdere versies. Hierdoor kunt u eventuele problemen die mogelijk niet-deterministisch gedrag hebben veroorzaakt, isoleren en oplossen.

8. Idempotentie: Maak operaties waar mogelijk idempotent. Een idempotente bewerking kan meerdere keren worden uitgevoerd zonder dat het resultaat na de initiële toepassing wordt gewijzigd. Dit is vooral belangrijk voor gedistribueerde systemen.

9. Configuratiebeheer: Beheer configuratieparameters op een gecentraliseerde en gecontroleerde manier. Gebruik omgevingsvariabelen of configuratiebestanden om het gedrag van het programma te specificeren. Vermijd hardcoding-configuratiewaarden in de code.

Voorbeeld in Python (ter illustratie van onveranderlijkheid en zuivere functies):

```python

Niet-deterministisch voorbeeld (veranderlijke lijst)

def add_to_list(mijn_lijst, item):

my_list.append(item) # Bijwerking:wijzigt mijn_lijst op zijn plaats

retourneer mijn_lijst

Deterministisch voorbeeld (onveranderlijke lijst - een nieuwe lijst maken)

def add_to_list_immutable(mijn_lijst, item):

return my_list + [item] # Geeft een nieuwe lijst terug zonder het origineel te wijzigen

Deterministisch voorbeeld (pure functie)

def som_getallen(a, b):

"""

Een pure functie die de som van twee getallen berekent.

Het hangt alleen af ​​van de invoerargumenten en heeft geen bijwerkingen.

"""

retourneer a + b

Gebruik

mijn_lijst1 =[1, 2, 3]

add_to_list(my_list1, 4) # mijn_lijst1 is nu [1, 2, 3, 4]

mijn_lijst2 =[1, 2, 3]

new_list =add_to_list_immutable(my_list2, 4) # my_list2 is nog steeds [1, 2, 3], new_list is [1, 2, 3, 4]

resultaat =som_getallen(5, 3) # resultaat zal altijd 8 zijn, gegeven dezelfde invoer

```

Voordelen van deterministisch programmeren:

* Verbeterde foutopsporing: Problemen kunnen gemakkelijker worden gereproduceerd en gediagnosticeerd omdat het gedrag van het programma voorspelbaar is.

* Verbeterd testen: Het schrijven van geautomatiseerde tests wordt vereenvoudigd omdat de verwachte output altijd hetzelfde is voor een bepaalde input.

* Verhoogde betrouwbaarheid: Het programma is minder gevoelig voor onverwachte fouten als gevolg van externe factoren of raceomstandigheden.

* Vereenvoudigde gelijktijdigheid: Het is gemakkelijker om gelijktijdige code te schrijven omdat er minder mogelijkheden zijn voor raceomstandigheden en gegevenscorruptie.

* Reproduceerbaarheid: Essentieel voor wetenschappelijk computergebruik, data-analyse en auditing. U kunt het programma opnieuw uitvoeren met dezelfde invoer en dezelfde resultaten krijgen.

* Refactoring: Code is gemakkelijker te herstructureren, omdat u erop kunt vertrouwen dat de wijzigingen geen onverwacht gedrag met zich meebrengen.

* Caching en onthouden: Pure functies zijn uitstekende kandidaten voor caching of memoisatie om de prestaties te verbeteren, omdat de uitvoer gegarandeerd hetzelfde is voor dezelfde invoer.

Door deze principes te omarmen en ijverig toe te passen, kunt u de voorspelbaarheid, betrouwbaarheid en onderhoudbaarheid van uw softwaresystemen aanzienlijk vergroten. Hoewel het bereiken van volledig determinisme een uitdaging kan zijn in complexe toepassingen in de echte wereld, zal het streven ernaar als ontwerpdoel leiden tot code van betere kwaliteit en robuustere software.