ứng dụng relational interface cho java

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đỗ Duy Hưng
ỨNG DỤNG RELATIONAL INTERFACE CHO
JAVA
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: Ths. Phạm Thị Kim Dung
Ứng dụng Relational Interface cho Java Đỗ Duy Hưng
HÀ NỘI – 2010
II
Ứng dụng Relational Interface cho Java Đỗ Duy Hưng
Lời cảm ơn
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn và lòng biết ơn sâu sắc đến thạc sỹ Phạm Thị
Kim Dung, người đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện khoá
luận tốt nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong suốt
bốn năm học qua, đã cho tôi nhiều kiến thức quý báu để tôi vững bước trên con đường
học tập của mình.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp K51CB, và K51CNPM đã ủng hộ
khuyến khích tôi trong suốt quá trình học tập tại trường.
Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ niềm biết ơn vô hạn tới bố mẹ, và những người bạn
thân luôn bên cạnh, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện khoá luận tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày 22 tháng 05 năm 2010
Sinh Viên
Đỗ Duy Hưng
I
Ứng dụng Relational Interface cho Java Đỗ Duy Hưng
TÓM TẮT NỘI DUNG
Hiện nay, thiết kế dựa trên thành phần (Component-based design) đang được ứng

dụng và phát triền mạnh vì những lợi ích mà nó mang lại cho ngành công nghệ phần
mềm. Thiết kế dựa trên thành phần giúp cho việc xây dựng các hệ thống phức tạp, như
là hệ thống nhúng, hệ thống vật lý trở nên hiệu quả và đáng tin cậy. Với kích cỡ và độ
phức tạp lớn của hệ thống này không cho phép thiết kế toàn bộ từ đầu, hoặc xây dựng
nó như là một đơn vị đơn lẻ. Thay vào đó, hệ thống phải được thiết kế như là một tập
hợp các thành phần, một số được xây dựng từ đầu, một số kế thừa lại.
Giao diện (Interface) đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế dựa trên thành
phần vì chúng cung cấp phương tiện để mô tả cho thành phần. Một interface có thể
được xem như là một bản tóm tắt, một đại diện của thành phần: giữ lại các thông tin cần
thiết của thành phần, giấu thông tin không cần thiết và làm cho mô tả thành phần trở nên
đơn giản và hiệu quả hơn.
Trong khóa luận tốt nghiệp này, bằng việc sử dụng lý thuyết về relational
interface, tôi xây dựng một công cụ tự động phân tích, trích rút các thành phần có trong
file mã nguồn Java và biến đổi nó thành các relational interface, thực hiện việc kết hợp
tự động các interface này với nhau. Để từ đó, ta có thể biết được khả năng kết hợp của
các thành phần này với nhau. Interface mới được kết hợp vẫn giữ nguyên tính chất của
các interface cũ. Qua đó, ta cũng có thể dự đoán được giá trị đầu ra của các thành phần
nếu biết được giá trị đầu vào thông qua các tính chất.
II
Ứng dụng Relational Interface cho Java Đỗ Duy Hưng
MỤC LỤC
Bảng các kí hiệu nghĩa tiếng anh................................................................................VI
Danh mục hình vẽ.......................................................................................................VII
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề...........................................................................................................1
1.2 Nội dung bài toán................................................................................................1
1.3 Cấu trúc khóa luận..............................................................................................2
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐẶC TẢ VÀ GIAO DIỆN.......................3
2.1 Công nghệ phần mềm hướng thành phần.............................................................3
2.2 Đặc tả hình thức..................................................................................................4

2.2.1 Các phương pháp hình thức............................................................................................4
2.2.2 Đặc tả..............................................................................................................................5
2.2.3 Đặc tả hình thức..............................................................................................................5
2.3 Giao diện.............................................................................................................6
2.3.1 Đặc tả giao diện..............................................................................................................6
2.3.2 Thành phần và giao diện.................................................................................................6
2.3.3 Các loại interface............................................................................................................6
2.3.4 Statelful và stateless interface........................................................................................7
2.3.5 Relational interface.........................................................................................................8
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG LÝ THUYẾT VỀ RELATIONAL INTERFACE.........10
3.1 Sơ bộ về bài viết và các ký hiệu........................................................................10
3.2 Relational interfaces..........................................................................................11
3.3 Môi trường và khả năng lắp ghép......................................................................14
3.4 Kết hợp.............................................................................................................16
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CÔNG CỤ CHUYỂN ĐỔI TỰ ĐỘNG TỪ JAVA
SANG RELATIONAL INTERFACE.........................................................................22
4.1 Cở sở lý thuyết..................................................................................................22
4.1.1 Các thành phần của lớp trong ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng...........................22
III
Ứng dụng Relational Interface cho Java Đỗ Duy Hưng
4.1.2 Relational interface.......................................................................................................23
4.1.3 Một số kiến thức về logic.............................................................................................24
4.2 Mục tiêu của bài toán........................................................................................26
4.3 Hướng giải quyết bài toán.................................................................................27
4.3.1 Tạo relational interface tự động từ phương thức.........................................................27
4.3.2 Tính input assumption tự động.....................................................................................28
4.3.3 Tính ξ mới được tạo ra tự động....................................................................................28
4.3.4 Thực hiện việc kết hợp tự động....................................................................................29
4.4 Mô tả các thành phần của công cụ.....................................................................30
4.4.1 Lớp SourceFormat.java................................................................................................31

4.4.2 Lớp RInterface.java......................................................................................................31
4.4.3 Lớp JavaFile.java..........................................................................................................32
4.4.4 Lớp JavaClass.java.......................................................................................................33
4.4.5 Lớp Tools.java..............................................................................................................35
4.4.6 Lớp Expresstion.java....................................................................................................39
4.4.7 Lớp FOLOptimizer.java...............................................................................................41
CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM.............................................................43
5.1 Xây dựng công cụ.............................................................................................43
5.2 Dữ liệu thử nghiệm...........................................................................................44
5.3 Kết quả thử nghiệm...........................................................................................45
5.3.1 Phân tích file mã nguồn................................................................................................45
5.3.2 Chuyển những phương thức này thành relational interface.........................................46
5.3.3 Kết hợp các interface....................................................................................................48
5.3.4 Dự đoán kết quả:...........................................................................................................49
5.4 Đánh giá............................................................................................................50
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN............................................................................................51
6.1 Kết luận về khóa luận........................................................................................51
6.2 Hướng phát triển trong tương lai.......................................................................51
Phụ lục............................................................................................................................53
Phụ lục 1: Nội dung mã nguồn file thử nghiệm Sample.java...................................53
IV
Ứng dụng Relational Interface cho Java Đỗ Duy Hưng
V
Ứng dụng Relational Interface cho Java Đỗ Duy Hưng
Bảng các kí hiệu nghĩa tiếng anh
Kí hiệu Diễn giải
Input Đầu vào
Output Đầu ra
Well-formed Định dạng hoàn chỉnh
Well-formable Định dạng có thể hoàn chỉnh

Interface Giao diện
Relational Interface Giao diện quan hệ
Stateless Phi trạng thái
Stateful Có trạng thái
Feedback Phản hồi
Formal methods Các phương pháp hình thức
Formal specification Đặc tả hình thức
Assumption Giả thiết
Guarantee Bảo đảm
Refinement Làm mịn
VI
Ứng dụng Relational Interface cho Java Đỗ Duy Hưng
Danh mục hình vẽ
Hình 3.1: Sơ đồ một interface cho ví dụ 4..................................................................18
Hình 3.2: Sơ đồ một interface với feedback...............................................................20
Hình 3.1: Hàm parse() trong lớp JavaFile.java.........................................................33
VII

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, nhiều hệ thống lớn
được xây dựng nên nhằm mục đích giải quyết những bài toán với độ phức tạp tương
đương. Với kích thước và độ phức tạp của những hệ thống như vậy, đòi hỏi phải có một
phương pháp thiết kế hợp lý, hiệu quả và đáng tin cậy. Phương pháp thiết kế dựa trên
thành phần đáp ứng được yêu cầu này, bởi vì, thay vì phải thiết kế toàn bộ từ đầu, hệ
thống được thiết kế như là một tập các thành phần. Các thành phần này hoặc là được
xây dựng lại từ đầu, hoặc là được thừa kế từ những thành phần khác. Do vậy mỗi thành
phần phải có tính độc lập cao và chuẩn đặc tả rõ ràng. Điều này thường được thể hiện
qua interface (giao diện) của thành phần. Một interface có thể coi như một đặc tả của
một thành phần. Việc kết hợp các thành phần cũng thông qua việc kết hợp các interface.

1.2 Nội dung bài toán
Trong phương pháp thiết kế dựa trên thành phần, interface chính là đặc tả của
thành phần, nên quá trình đặc tả interface là một trong những bước quan trọng, cần được
quan tâm. Do vậy, trong khóa luận này tôi muốn đề cập đến phương pháp xây dựng
interface cho mỗi thành phần một cách tự động.
Hiện nay có rất nhiều lý thuyết về interface được đưa ra để mô tả thành phần. Tuy
nhiên, các các interface này thường gặp phải một số khó khăn như không bắt được quan
hệ giữa giá trị đầu vào và đầu ra, hay khó khăn trong việc kết hợp các interface với
nhau. Để khắc phục những nhược điểm này, tôi đề xuất việc sử dụng relational interface
trong đặc tả interface cho mỗi thành phần.
Nhiệm vụ chính của bài toán là xây dựng công cụ chuyển đổi các thành phần có
trong mã nguồn của ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng thành relational interface, rồi
kết hợp các interface này với nhau một cách tự động.
1.3 Cấu trúc khóa luận
Phần còn lại của khóa luận được cấu trúc như sau:
Chương 2: Giới thiệu chung về kỹ nghệ hướng thành phần, phương pháp hình
thức, đặc tả hình thức, đặc tả giao diện. Một số loại interface (giao diện) cùng với những
ưu điểm, hạn chế của chúng. Giới thiệu chung về relational interface.
Chương 3: Mô tả nội dung lý thuyết của relational interface, về môi trường và khả
năng lắp ghép. Lý thuyết về kết hợp relational interfaces [7].
Chương 4: Áp dụng lý thuyết về relational interface và một số lý thuyết khác để
xây dựng công cụ tự động chuyển đổi từ file mã nguồn Java sang relational interface.
Chương 5: Thử nghiệm công cụ và đánh giá.
Chương 6: Kết luận.
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐẶC TẢ VÀ GIAO DIỆN
2.1 Công nghệ phần mềm hướng thành phần
1
1.1
1.2
Công nghệ phần mềm hướng thành phần (component-based software engineering

[8]) là một trong những bước tiến của quá trình sản xuất phần mềm trong công nghiệp.
Nhờ vào đó, việc sản xuất phần mềm trở nên phát triển mạnh mẽ.
Ta cùng nhìn lại các ngành kĩ nghệ khác. Mỗi ngành kĩ nghệ đều có riêng cho
mình một số thành tố cơ bản. Sự khác biệt của công nghệ phần mềm so với các ngành kĩ
nghệ khác là ở chỗ sự lắp ráp các thành phần khác nhau của phần mềm còn mang tính
tùy biến. Nghĩa là đưa ra cùng hai linh kiện (hay thành phần) phần mềm với cùng một
thiết kế, hai lập trình viên có thể lắp ráp theo cách khác nhau.
Nhận thức được điều này, kỹ nghệ hướng thành phần trong sản xuất phần mềm
được bắt đầu áp dụng. Điều cơ bản mà mỗi thành phần phải có là: tính độc lập cao và có
chuẩn đặc tả rõ ràng cho từng thành. Đặc tả này phải không phụ thuộc vào cấu trúc bên
trong của thành phần. Dựa trên 2 điểm cơ bản này của một thành phần, điều đầu tiên khi
bắt đầu thiết kế thành phần là quan tâm đến đặc tả của thành phần. Điều này thường
được thể hiện qua interface (giao diện). Tiếp theo, tính độc lập của thành phần. Do tất cả
các thành phần được kết nối qua interface thay vì trực tiếp, mọi quá trình xây dựng bên
trong thành phần đều được khép kín. Sự phụ thuộc sẽ chủ yếu dựa vào interface. Vì vậy
sẽ tách được sự phụ thuộc về cách xây dựng bên trong.
Việc xây dựng thành phần có thể bằng bất cứ phương pháp nào dù là lập trình cấu
trúc hay lập trình hướng đối tượng.
2.2 Đặc tả hình thức
Phương pháp hình thức bao gồm một số các hoạt động khác nhau như: đặc tả hệ
thống hình thức, dẫn chứng và phân tích đặc tả, phát triển chuyển đổi, và kiểm chứng
chương trình. Tất cả các hoạt động này đều phụ thuộc vào đặc tả hình thức của phần
mềm. Một đặc tả hình thức phần mềm là một đặc tả được thể hiện bằng một loại ngôn
ngữ mà từ vựng, cú pháp, ngữ nghĩa của nó được định nghĩa một cách hình thức. Điều
này có nghĩa là ngôn ngữ đặc tả phải được dựa trên các khái niệm toán học với thuộc
tính đã được nghiên cứu và dễ hiểu [3].
2.2.1 Các phương pháp hình thức
Trong tin học, thuật ngữ phương pháp hình thức [8] (ngôn ngữ hình thức, đặc tả
hình thức,…) thường được dùng để chỉ các kỹ thuật dựa trên cơ sở toán học dùng trong
quá trình mô tả chi tiết (đặc tả), phát triển và kiểm chứng các hệ thông phần mềm cũng

như phần cứng.
Cách tiếp cận này thường áp dụng cho các hệ thống có kết cầu chặt chẽ, đòi hỏi độ
tin cậy và tính an toàn cao, để đảm bảo rằng trong quá trình xây dựng, phát triển hệ
thống không xảy ra một lỗi nào, hoặc nếu có thì cũng là rất ít.
Các phương pháp hình thức đặc biệt hiệu quả trong các giai đoạn đầu của quá trình
xây dựng hệ thống (thường ở giai đoạn xác định yêu cầu và đặc tả hệ thống), tuy nhiên,
chúng cũng có thể được dùng trong toàn bộ quy trình phát triển hệ thống.
Các phương pháp hình thức có thể được xếp loại theo 3 mức độ như sau:
Mức 0: Đặc tả hình thức được sử dụng để đặc tả hệ thống trước khi phát triển nó.
Trong nhiều trường hợp thì việc sử dụng phương pháp hình thức ở giai đoạn này tỏ ra
đặc biệt hiệu quả, nhất là về mặt chi phí.
Mức 1: Phát triển và kiểm chứng hình thức có thể được áp dụng để tạo ra một
chương trình (hay một hệ thống) một cách tự động, dựa trên các đặc tả hình thức đã có
trước đó. Quá trình này đặc biệt thích hợp đối với các hệ thống đòi hỏi độ tin cậy và tính
an toàn cao.
Mức 2: Chứng minh tự động.
2.2.2 Đặc tả
Mô tả các cấu trúc, hoạt động của các sự vật hiện tượng, quá trình nào đó. Việc mô
tả này có thể ở mức độ khái quát, nhưng cũng có thể là những mô tả ở mức độ hết sức
chi tiết.
Có nhiều ngôn ngữ cho phép đặc tả:
o Ngôn ngữ tự nhiên
o Ngôn ngữ toán
o Ngôn ngữ lập trình
o Ngôn ngữ hình thức
2.2.3 Đặc tả hình thức
Đặc tả hình thức là đặc tả với các tính chất:
o Chính xác và nhất quán.
o Ngắn gọn nhưng đầy đủ.
o Có thể xử lý bởi máy tính.

Đặc tả hình thức có các ứng dụng như sau:
o Sử dụng trong giai đoạn phân tích, thiết kế, nhằm mục đích tạo ra các
phác hoạ chi tiết, cụ thể và chặt chẽ về hệ thống sẽ được xây dựng.
o Trong quá trình xây dựng hệ thống, các đặc tả này sẽ là công cụ định
hướng để đảm bảo hệ thống được xây dựng một cách phù hợp và đầy
đủ.
o Sau khi hệ thống được xây dựng thì đặc tả sẽ đóng vai trò là thước đo để
kiểm chúng, khẳng định hệ thống được tạo ra có đúng đắn và tin cậy
hay không.
2.3 Giao diện
2.3.1 Đặc tả giao diện
Các hệ thống lớn thường được chia thành các hệ thống nhỏ và các hệ thống nhỏ
này được phát triển độc lập. Các hệ thống nhỏ tận dụng các hệ thống nhỏ khác, nên một
phần quan trọng của quá trình đặc tả là định nghĩa những giao diện của hệ thống nhỏ.
Ngay khi các giao diện được định nghĩa và chấp nhận, các hệ thống nhỏ có thể được
phát triển độc lập.
Giao diện của hệ thống nhỏ thường được định nghĩa như là một tập các đối tượng
hoặc kiểu dữ liệu trừu tượng. Chúng mô tả dữ liệu và những hoạt động mà có thể được
truy cập thông qua giao diện của các hệ thống nhỏ. Do đó, một đặc tả giao diện của hệ
thống nhỏ có thể được tạo nên bằng cách kết hợp đặc tả của các thành phần được tạo
nên bởi các giao diện hệ thống nhỏ [3].
2.3.2 Thành phần và giao diện
Một cách chung mô tả cấu trúc của hệ thống là sơ đồ khối. Một sơ đồ khối bao
gồm các thực thể gọi là các khối được kết nối với nhau bởi một liên kết. Cách mô tả này
phân loại một cấu hình (mạng) cho truyền thông giữa các khối. Một khối có thể trình
bày một thành phần vật lý hoặc logic, ví dụ như một phần của phần cứng hoặc phần
mềm. Nhưng phổ biến hơn là nó trình bày một mô tả trừu tượng của thành phần hoặc
một mô tả của interface thành phần. Mô tả thành phần trả lời cho câu hỏi: Nó làm gì ?
Và một mô tả interface trả lời cho câu hỏi: nó được sử dụng như thế nào? Mô tả thành
phần có thể rất gần với thành phần cơ bản, hoặc nó có thể chỉ định một vài thuộc tính

đơn của thành phần cơ bản. Các mô tả của interface cũng có thể là chi tiết nhiều hoặc ít,
nhưng chúng phải bao gồm đầy đủ thông tin để xác định các thành phần cơ sở được kết
hợp và liên kết như thế nào. Và giống như bất kỳ việc trừu tượng hóa tốt nào, chúng
không nên bao gồm nhiều thông tin. Các nhà thiết kế thành phần thường tạo nên các giả
định về môi trường mà trong đó một thành phần có thể được triển khai [5].
2.3.3 Các loại interface
Interface automata: có thể được sử dụng để bắt các mối quan hệ giữa input –
output trong mô hình song song không đồng bộ và trong hầu hết các kiểu thực thi [4].
Relational nets: là một mạng của các tiến trình mà không xác định liên kết giữa
giá trị input và giá trị output [5].
Assume/guarantee (A/G) interfaces: phân chia giữa giả thiết các giá trị đầu vào
dựa trên các đảm bảo về giá trị đầu ra, nhưng interface này không bắt được mối quan hệ
giữa các input và output [5].
Extended interfaces: giống với relational interface, tuy nhiên interface này không
được đánh giá cao bởi hạn chế tính chất của những bước làm mịn và thực thi độc lập là
không có[6].
Moore interfaces: được định nghĩa bởi công thức ϕ
i
và ϕ
o
. Trong đó công thức ϕ
i
chỉ rõ giá trị hợp lệ của các biến input tại các trạng thái tiếp theo khi mà trạng thái hiện
tại được cho trước, và công thức ϕ
o
chỉ rõ giá trị hợp lệ của các biến output tại các trạng
thái tiếp theo khi mà trạng thái hiện tại được cho trước. Công thức này không cho phép
miêu tả mỗi quan hệ giữa input và output tại cùng một trạng thái [2].
Hạn chế của các interface trên là không bắt được mối quan hệ giữa input và
output. Lý thuyết về relational interface giải quyết các vấn đề đó bằng việc xây dựng

một thành phần ξ trong interface. ξ là tập tất các quan hệ giữa input và output, mô tả
ràng buộc giữa input và môi trường.
Việc kết hợp tổng quát các interfaces, có thể đạt được thông qua hai toán tử có tên
là parallel conposition ( kết hợp song song ) và connection ( kết nối ) [5],[6]. Điều này
cho phép tạo ra các feedback loop (phản hồi lặp) tùy ý. Khi nghiên cứu về relational
interface, có rất nhiều vấn đề nảy sinh từ feekback loop đồng bộ. Có thể tránh vẫn đề
được nảy sinh bởi feekback loop bằng cách hạn chế các trường hợp mà feedback loop
được cho phép. Cụ thể, ta cho phép một output của một interface I được kết nối với một
trong các input x của nó chỉ trong trường hợp I là Moore đối với x, có nghĩa ràng buộc
của I không phụ thuộc vào x.
2.3.4 Statelful và stateless interface
[7] nói đến hai dạng của interface là stateless interface ( giao diện phi trạng thái )
và stateful interface ( giao diện có trạng thái ). Stateful interface, một ràng buộc có thể
khác nhau tại mỗi trạng thái khác nhau. Stateless interface có thể được xem như một
trường hợp đặc biệt của stateful interface khi ràng buộc là giống nhau ở tất cả các trạng
thái.
Trong trường hợp stateful, ta phân biệt giữa well-formed interface và well-
formable interface (hai khái niệm này trùng khớp trong trường hợp stateless interface).
Với well-formed interface, các ràng buộc luôn luôn được thỏa mãn tại mọi trạng thái có
thể đạt được (reachable state). Well-formable interface không nhất thiết phải là well-
formed, nhưng mà có thể được chuyển thành well-formed bằng cách hạn chế một cách
hợp lý các input.
2.3.5 Relational interface
Trong khóa luận này, tôi muốn đề cập đến relational interface [7]. Relational
interface là một interface chỉ ra những relation ( quan hệ ) giữa những input và output.
Xem xét ví dụ về một thành phần đồng bộ sẽ lấy input là một số n ≥ 0 và trả về output
là n + 1. Interface cho mỗi thành phần có thể được mô tả như là một quan hệ nhị phân
giữa input và output: các relation chứa tất cả các cặp (n, n+1) với n ≥ 0. Mỗi một
relation có thể được hiểu như một ràng buộc giữa thành phần và môi trường (
environment ) của nó: ràng buộc chỉ ra rằng với mỗi input hợp lệ, thoải mãn điều kiện

mà môi trường cung cấp cho thành phần thì sẽ có nhưng output hợp lệ được tạo ra từ
thành phần đó.
Tính năng nổi trội của relational interface là ở việc giải quyết vấn đề bắt được
quan hệ giữa input và output. Ngoài ra, lý thuyết về composition (kết hợp), connection
(kết nối), feedback loop (phản hồi lặp) có trong relational interface có thể dẫn tới những
khẳ năng:
a. Thiết kế phần mềm dựa trên relational interface là sự kết hợp giữa các
interface mà trong đó, các ràng buộc phải được thỏa mãn, hoặc có thể
thỏa mãn.
b. Ta cũng có thể kiểm chứng và dự đoán được khả năng kết hợp của các
interface lại với nhau.
c. Ngoài ra, dựa trên các rằng buộc, ta cũng có thể dự đoán được kết quả
đầu ra từ dữ liệu đầu vào.
d. Khả năng tối ưu hóa thiết kế phần mềm bằng tính chất refinement và
shared-refinement.
Một khái niệm quan trọng của relational interface mà đã được nhắc đến ở trên đó
là well-formed và well-formable. Điều này giúp cho các thành phần, hay nói đúng hơn
là các relational interface được liên kết hay có thể liên kết được với nhau.
Với những định hướng này, và do giới hạn của khóa luận, tôi sẽ giải quyết vấn đề
a, b, c. Vấn đề và những chế còn lại sẽ được giải quyết trong những nghiên cứu sau này.
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG LÝ THUYẾT VỀ RELATIONAL
INTERFACE
Tóm tắt về relational interface đã mô tả ở phần 2.3.5, trong chương này, tôi sẽ đề
cập đến nội dung lý thuyết về relational interface. Nội dung lý thuyết này được sử dụng
từ [7].
3.1 Sơ bộ về bài viết và các ký hiệu
Trong bài viết này ta sử dụng first-order logic (FOL) như là một ngôn ngữ để mô
tả ràng buộc. Ta sử dụng 2 hằng số logic đó là true và false. Các ký hiệu: ¬ : phép phủ
định, ∧ : phép và, ∨ : phép hoặc, → : phép suy ra, ≡ : phép tương đương, ∀ : với mọi
và ∃ : tồn tại.

Chúng ta sử dụng kí hiệu ≔ để định nghĩa cho một khái niệm hoặc một kí hiệu
mới, ví dụ: x
0
≔ max {1, 2, 3} chỉ ra rằng x
0
là giá trị lớn nhất của tập {1, 2, 3}
Gọi V là tập hữu hạn các biến. Một thuộc tính trên V là một công thức FOL ϕ như
vậy thì với mọi biến tự do của ϕ đều thuộc V. Một tập tất cả các thuộc tính trên V được
kí hiệu là
ℱ
(V). Coi ϕ là một thuộc tính trên V và V’ là tập con hữu hạn của V, V’ = {v
1
,
v
2
, …, v
n
}. Khi đó, ∃V’ : ϕ là một cách viết ngắn gọn của ∃v
1
: ∃v
2
: … : ∃v
n
: ϕ. Tương
tự như vậy, ∀V’ : ϕ là cách viết ngắn gọn của ∀v
1
: ∀v
2
: … : ∀v
n

: ϕ.
Chúng ta hoàn toàn có thể giả định rằng tất cả các biến là kiểu, có nghĩa là tất cả
các biến được kết hợp với một tập xác định nào đó. Một phép gán trên một tập các biến
V là một hàm cho tướng ứng mỗi biến trong V với một giá trị nào trong tập xác định của
biến đó. Một bộ các phép gán trên V được kí hiệu là

(V). Nếu a là một phép gán (
assignment ) trên V
1
và b là một là một phép gán trên V
2
,và V
1
và V
2
là 2 tập tách rời thì
chúng ta sẽ sử dụng (a, b) để kí hiệu một phép gán kết hợp trên V
1
∪ V
2
. Một công thức
ϕ là thỏa mãn nếu ở đó tồn tại một phép gán a trên các biến tự do của ϕ để a thỏa mãn ϕ,
được kí hiệu là a ⊨ ϕ. Một công thức ϕ là hợp lệ nếu nó được thỏa mãn bởi mọi phép
gán.
Nếu coi S là một tập hợp, S* là kí hiệu của tập hợp của tất cả các chuỗi hữu hạn
được tạo nên bởi các phần tử trong S. S* bao gồm cả các chuỗi rỗng, kí hiệu là ε. Nếu s,
s’ thuộc S* thì s ∙ s’ là phép nối của s và s’. |s| kí hiệu độ dài của s ∈ S*, với |ε| = 0 và |s ∙
a| = |s| + 1, với a ∈ S. Nếu s = a
1
a

2
…a
n
, thì phần tử thứ i của chuỗi, a
i
, được kí hiệu là s
i
,
với i = 1, … , n.
3.2 Relational interfaces
Định nghĩa 1 (Relational interface): một relational interface (hay một interface
đơn giản) là 1 bộ I = ( X, Y, ξ ). Trong đó X, Y là 2 tập hữu hạn và tách rời của các biến
input và output tương ứng, và ξ là hàm tổng
ξ: ξ(X ∪ Y)* → ℱ(X ∪ Y)
Gọi G(V) là tập tất cả các phép gán trên tập các biến V. Do đó, .(X ∪ Y)* là tập tất
cả các chuỗi hữu hạn của các phép gán trên X ∪ Y. Chú ý rằng X hoặc Y có thể là rỗng:
nếu X là rỗng thì I là interface nguồn, nếu Y là rỗng thì I là một bộ chứa (sink). Một
phần tử của p(X ∪ Y)* được gọi là một trạng thái (state). Trạng thái khởi tạo là một
chuỗi rỗng ε. Gọi ℱ(X ∪ Y) là một tập tất cả các thuộc tính (property) trên X ∪ Y. Do
đó, ξ liên kết với mỗi trạng thái s một công thức ξ(s) trên X ∪ Y. Công thức này thể hiện
như là ràng buộc (contract) giữa I và môi trường của nó tại trạng thái đó. Khi ràng buộc
thay đổi thì trạng thái của I thay đổi.
Định nghĩa 2 (Assumption , Guarantees): Cho một ràng buộc ϕ ∈ ℱ(X ∪ Y), input
assumptions của ϕ có công thức in(ϕ) ≔ ∃
Y
: ϕ. Output guarantees của ϕ có công thức
out(ϕ) ≔ ∃X : ϕ. Chú ý rằng in(ϕ) là một thuộc tính trên X và out(ϕ) là một thuộc tính
trên Y, và ϕ → in(ϕ), ϕ → out(ϕ) là công thức hợp lệ với mọi ϕ.
Giả sử tại thời điểm ban đầu của một quy trình cho trước, trạng thái của I là s. Môi
trường sẽ biểu diễn I với một phép gán a

X
trên biến input X, như vậy a
X
thỏa mãn giả
thiết input in(ξ (s)). Sau đó, I sẽ chọn một phép gán a
Y
trên biến output Y, để cả 2 phép
gán đều thỏa mãn ξ(s). Những phép gán được kết hợp với nhau tạo ra 1 phép gán trên X
∪ Y, a ≔ (a
X
, a
Y
). Tại thời điểm cuối của tiến trình, trạng thái mới của I là s ∙ a.
Định nghĩa 3 (Stateless interface): Một interface I = (X, Y, ξ) là một interface phi
trạng thái nếu với mọi s, s’ ∈ (X ∪ Y)*, ξ(s) = ξ(s’).
Trong interface phi trạng thái, ràng buộc độc lập với trạng thái. Với một interface
phi trạng thái, ta có thể coi ξ như là một thuộc tính, thay vì một hàm ánh xạ các trạng
thái tới các thuộc tính. Để rõ ràng hơn, ta sẽ biểu diễn I = (X, Y, ϕ) cho interface phi
trạng thái, với ϕ là thuộc tính trên X ∪ Y. Ta cũng sẽ viết in(I) và out(I) thay cho in(ϕ)
và out(ϕ).
Ví dụ 1: Xem xét 1 thành phần với giả thiết input là một số dương n và trả về giá
trị n hoặc n + 1 ở output. Chúng ta có thể biểu diễn thành phần này theo nhiều cách khác
nhau. Một trong những cách biểu diễn theo interface phi trạng thái là:
I
1
≔ ({x}, {y}, {x > 0 ∧ (y = x ∨ y = x + 1)}).
Ở đây, x là biến input, và y là biến output. Ràng buộc của I
1
là số dương x. Ta có
in(I

1
) ≡ x > 0.
Một interface phi trạng thái có thể khác của thành phần này là:
I
2
≔ ({x}, {y}, { x > 0 → (y = x ∨ y = x + 1) }).
Ràng buộc của I
2
khác với của I
1
: nó cho phép x ≤ 0, nhưng nó không bảo đảm về
output y trong trường hợp này. I
2
được gọi là input-complete interface, trong trạng thái
này nó chấp nhận tất cả các input. Ta có, in(I
2
) ≡ true.
Nhìn chung, không gian trạng thái của một interface là vô hạn. Tuy nhiên trong
một số trường hợp chỉ cần một tập hữu hạn các trạng thái để chỉ ra ξ. Ví dụ ξ có thể
được chỉ ra bởi một máy tự động hữu hạn các trạng thái. Mọi trạng thái trong máy tự
động được gán nhãn với một ràng buộc. Mọi bước chuyển tiếp (transition) của máy tự
động được gán nhãn với một guard, hay nói cách khác, nó là một điều kiện trên các biến
input và output. Những bước chuyển tiếp hướng ra ngoài của một trạng thái phải có các
guard tách rời, và hợp của những guard phải là true. Một interface có thể được chỉ rõ
như một máy tự động hữu hạn trạng thái được gọi là một interface hữu hạn trạng thái
(finite-state interface).
Các A/G interface là trường hợp đặc biệt của relational interface. Một A/G
interface phi trạng thái là một bộ (X, Y, ϕx, ϕy), trong đó ϕx là một thuộc tính trên X biểu
diễn giả thiết input và ϕy là một thuộc tính trên Y biểu diễn những bảo đảm output.
Interface này có thể được biểu diễn đơn giản như là một relational interface (X, Y, ϕx ∧

ϕy).
Định nghĩa 1 cho phép ràng buộc ξ(s) tại một trạng thái s nào đó trở thành một
thuộc tính không thể thỏa mãn. Mặt khác, nhìn chung không phải tất cả các trạng thái có
thể đạt được (reachable), vì không phải các input hoặc output là hợp lệ. Chúng ta có thể
quan tâm đến các trạng thái với những ràng buộc không thể thỏa mãn khi mà các trạng
thái này là có thể đạt được.
Một “run” của I là một trạng thái s = a
1
...a
k
với k ≥ 0 (nếu k = 0 thì s = ε), để ∀i ∈
{1, …, k } : a
i
⊨ ξ(a
1
…a
i-1
). Một trạng thái là có thể đạt được nếu nó là một “run”. Tập
tất cả các trạng thái có thể đạt được của I được kí hiệu rồi ℛ(I), với mọi I.
Định nghĩa 4 ( Well-formed interface ): Một interface I = (X, Y, ξ) được coi là
well-formed nếu tất cả s ∈ ℛ(I), ξ(s) là có thể thể thoả mãn.
Ví dụ 2: Đặt I ≔ ({x}, {y}, ξ), với x, y là kiểu boolean, và ξ(ε) ≔ true, ξ((x, _ ) ∙
s) ≔ false, ξ((¬x, _) ∙ s) ≔ true, với tất cả s. (x, _) chỉ ra bất cứ phép gán nào với x là
true và (¬x, _) chỉ ra bất cứ phép gán nào với x là false. I không là well-formed, vì nó
có những trạng thái có thể đạt được với ràng buộc là false ( tất cả các trạng thái bắt đầu
với x là true). I có thể được chuyển đổi sang một well-formed interface bằng cách hạn
chế ξ(ε) để tránh được những trạng thái có thể đạt được với những ràng buộc không thể
thỏa mãn. Trong trường hợp cụ thể, đặt ξ(ε) ≔ ¬x, ta sẽ đạt được mục tiêu trên.
Ví dụ 2 chỉ ra rằng một số interface mặc dù không là well-formed vẫn có thể được
chuyển thành well-formed interface bằng cách hạn chế hợp lý các dữ liệu input.

Định nghĩa 5 (Well-formable interface): một interface I = (X, Y, ξ) là well-
formable nếu tồn tại một well-formed interface I’ = (X, Y, ξ’), như vậy: với tất cả s ∈
ℛ(I’), ξ’(s) ≡ ξ(s) ∧ ϕ
s
, trong đó ϕ
s
là một vài thuộc tính trên X.
Rõ ràng, tất cả các well-formed interface là well-formable interface, nhưng điều
ngược lại thì không đúng, như trong ví dụ 2 đã chỉ ra. Tuy nhiên, với interface phi trạng
thái, 2 phép biều diễn này trùng nhau.
Định lý 1: Một interface phi trạng thái I là well-formed nếu nó là well-formable.
Định nghĩa 6 (Tương đương - Equivalence): 2 interface I = (X, Y, ξ) và I’ = (X’, Y’,
ξ’) là tương đương, kí hiệu là I ≡ I’, nếu X = X’, Y = Y’, và với tất cả s ∈ ℛ(I) ∩ ℛ(I’),
công thức ξ(s) ≡ ξ’(s) là hợp lệ.
Bổ đề 1: Nếu I ≡ I’ thì ℛ(I) ≡ ℛ(I’)
3.3 Môi trường và khả năng lắp ghép
Định nghĩa 7 (Môi trường): Một interface là một bộ E = (X, Y, hX, hY), trong X và
Y được định nghĩa trong Định nghĩa 1, và h
X
và h
Y
là các hàm tổng.
h
X
: (X ∪ Y)* → ℱ(X), h
Y
: (X ∪ Y)* → ℱ(Y)
h
X
biểu diễn những đảm bảo trên những input X, cái mà môi trường cung cấp tại

những trạng thái cho trước, h
Y
biểu diễn những đảm bảo mà môi trường kì vọng trên
output Y.
Các trạng thái được định nghĩa cho môi trường thì tương tự như là cho những
interface. Một môi trường phi trạng thái (stateless environment) là môi trường mà h
X
(s)
là và h
Y
(s) là hằng số với tất cả các trạng thái s. Chúng ta định nghĩa tập hợp tất cả các
trạng thái có thể đạt được của một môi trường E, kí hiệu là ℛ(E), theo cách tương tự
như đối với interface: ε ∈ ℛ(E), và s ∙ a ∈ ℛ(E) nếu s ∈ ℛ(E) và a = (a
X
, a
Y
) là một
phép gán để a
X
⊨ h
X
(s) và a
Y
⊨ h
Y
(s). Một môi trường E được coi là “live” nếu với mọi
s ∈ ℛ(E), cả h
X
(s) và h
Y

(s) là có thể thỏa mãn.
Định nghĩa 8 (Khả năng lắp ghép): Interface I = (X’, Y’, ξ) có thể ghép vào với
môi trường E = (X, Y, h
X
, h
Y
), được kí hiệu I ⊨ E, nếu X’ = X, Y’ = Y, và với tất cả s ∈
ℛ(I
E
), thì công thức sau là hợp lệ:
h
X
(s) → (in(ξ(s)) ∧ (ξ(s) → h
Y
(s))) (1)
trong đó I
E
là một interface được định nghĩa như sau:
I
E
≔ (X, Y, ξ
E
) (2)
ξ
E
(s) ≔ ξ(s) ∧ h
X
(s), với tất cả s ∈ (X ∪ Y)* (3)
Khả năng lắp ghép có thể được nhìn nhận một cách trực quan như là một trò chơi
giữa interface và môi trường. Giả sử s là trạng thái hiện tại của I và E (ban đầu, s = ε).

Nếu h
X
(s) không thỏa mãn thì E quyết định dừng cuộc chơi. Mặt khác, E chọn lựa một
vài phép gán đầu vào a
x
thỏa mãn h
X
(s). Nếu a
x
vi phạm in(ξ(s)), thì điều kiện (1) sẽ bị
vi phạm, và I sẽ không ghép được với E: và E sẽ bị “đổ lỗi” cho vi phạm này, điều này
này sẽ cung cấp những bảo đảm không chắc chắn cho input. Mặt khác I chọn một phép
gán đầu ra a
Y
để phép gán đầu vào-đầu ra a ≔ (a
x
, a
y
) thỏa mãn ξ(s). Nếu a
Y
vi phạm
h
Y
(s), thì điều kiện (1) sẽ bị vi phạm, một lần nữa điều này có nghĩa là I không thể ghép
được với E: trong trường hợp này I bị “đổ lỗi”, vậy điều này cung cấp một bảo đảm
không chắc chắn cho output. Mặt khác, một quy trình là hoàn thiện, và một trạng thái
mới (cho cả I và E) là s ∙ a. Trò chơi tiếp tục với cách thức tương tự.
Ví dụ 3: Xem xét interface phi trạng thái I
1
và I

2
từ ví dụ 1 và môi trường phi trạng
thái E
1
≔ ({x}, {y}, x > 0, y > 0). Có thể thấy rằng cả I
1
và I
2
có thể lắp ghép với E
2
≔
({x}, {y}, x ≥ 0, y > 0): ràng buộc x ≥ 0 không đủ mạnh để đạt giả thiết input x > 0. Cần
chú ý rằng I
2
không áp đặt giả thiết input một cách rõ ràng, tuy nhiên, nó lại ngầm sử
dụng giả thiết này, vì nó không tạo nên bảo đảm nào khi giả thiết x > 0 bị vi phạm. Cuối
cùng, xem xét E
3
≔ ({x}, {y}, true, true). I
2
có thể ghép với E
3
: E
3
không cung cấp bảo
đảm trên input nhưng cũng không kì vọng bảo đảm trên output. I
1
không thể ghép với E
3
vì true x > 0.

Interface I
E
được định nghĩa từ (2) và (3) có mục đích là chụp lấy trạng thái có thể
đạt được của việc tổ hợp vòng lặp khép kín của E và I. Những trạng thái có thể đạt được
này là tập con của các trạng thái có thể đạt được của I, bởi vì nhìn chung môi trường E
chỉ có thể cung cấp một tập bị hạn chế các input, trong số tất cả các input hợp lệ với I.
Hàm ràng buộc ξ
E
của I
E
chụp được chính xác điều này. Bổ đề sau đây chỉ ra rằng trạng
thái có thể đạt được của I
E
đúng là một tập con của các trạng thái có thể đạt được của I.
Bổ đề 2: Cho I là một interface, E là một môi trường, và I
E
được định nghĩa như
trong định nghĩa 8. Khi đó ℛ(I
E
) ⊆ ℛ(I).
Bổ đề 3: Cho I, I’ là 2 interface, E là một môi trường và I
E
, I’
E
được định nghĩa
như trong định nghĩa 8. Nếu I ≡ I’ thì ℛ(I
E
) = ℛ(I’
E
).

Định lý 2: Nếu một interface I là well-formable thì tồn tại một môi trường thực
(live environment) E để I ⊨ E.