1.为什么需要规格说明？

（1）许多程序中的严重错误是由于代码之间接口的行为误解引起的。虽然每个程序员心中都有规格说明，但并非所有程序员都将其写下来。这导致团队中的不同程序员对同一个接口有不同的理解。

（2）编写明确的规格说明有助于确定错误的来源，并避免解决问题时的困惑。

（3）规格说明对方法的使用者有利，因为它们可以省去阅读代码的麻烦。规格说明对方法的实现者也有好处，因为它们赋予实现者改变实现而不需要通知使用者的自由。

 （1）行为等价（Behavioral Equivalence）

考虑以下两个方法：

static int findFirst(int[] arr, int val) {for (int i = 0; i < arr.length; i++) {if (arr[i] == val) return i;}return arr.length;
}static int findLast(int[] arr, int val) {for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {if (arr[i] == val) return i;}return -1;
}

规格说明的结构

方法的规范包含几个部分：

• 前置条件（precondition）：由关键字requires指示
• 后置条件（postcondition）：由关键字effects指示

前置条件是对客户端的要求，描述方法调用时的状态。

后置条件是对方法实现者的要求，描述方法完成时的状态。

在Java中，我们使用Javadoc注释来编写规范。

例如：

/*** 找到数组中指定值的位置。* @param arr 要搜索的数组，要求 val 在 arr 中恰好出现一次* @param val 要搜索的值* @return 数组中值为 val 的索引 i*/
static int find(int[] arr, int val) {// 方法实现
}

（2）Null引用（Null References）

在Java中，对象和数组的引用可以是null，这意味着引用没有指向任何对象。null值会导致运行时错误，因此在6.005课程中，不允许参数和返回值为null。

避免null的建议：

• 使用非null注解：例如@NonNull
• 在方法规范中明确说明null的使用

static boolean addAll(@NonNull List<T> list1, @NonNull List<T> list2)

（3）变异方法的规范（Specifications for Mutating Methods）

描述会改变对象状态的方法的规范：

import java.util.List;/*** 将 list2 中的所有元素添加到 list1 的末尾。* * @param list1 要添加元素的列表* @param list2 要从中添加元素的列表* @param <T> 列表中元素的类型* @return 如果调用该方法后 list1 发生了变化，则返回 true* @throws IllegalArgumentException 如果 list1 和 list2 是同一个对象* * 前置条件（Requires）:*  - list1 != list2* * 修改效果（Modifies）:*  - list1* * 后置条件（Ensures）:*  - list1 包含它最初包含的所有元素，顺序不变*  - list1 包含 list2 中的所有元素，顺序与 list2 中一致*  - 当且仅当 list2 不为空时，方法返回 true*/
public static <T> boolean addAll(List<T> list1, List<T> list2) {// 检查 list1 和 list2 是否是同一个对象if (list1 == list2) {throw new IllegalArgumentException("两个列表不能是同一个对象。");}// 记录 list1 的原始大小int originalSize = list1.size();// 将 list2 的所有元素添加到 list1 中boolean modified = list1.addAll(list2);// 返回 true 如果 list1 因调用而发生变化return modified;
}

2.异常处理（Exceptions）

（1）信令bug的异常（Signaling Bugs with Exceptions）

在Java编程中，常见的异常有ArrayIndexOutOfBoundsException（数组索引超出有效范围时抛出）和NullPointerException（尝试对null对象引用调用方法时抛出）。这些异常通常表示代码中存在错误，Java在抛出异常时显示的信息可以帮助您查找并修复这些错误。

public static void main(String[] args) {int[] array = {1, 2, 3};System.out.println(array[5]); // 抛出ArrayIndexOutOfBoundsException
}

（2）特殊结果的异常（Exceptions for Special Results）

处理特殊结果的一种常见方法是返回特殊值，例如在查找操作中返回-1或null。

但使用异常可以让代码更简洁，减少错误。

• 当 try 块中的代码抛出 NotFoundException 异常时，Java 运行时环境会搜索与该异常类型匹配的 catch 块。
• catch (NotFoundException nfe) 表示捕获 NotFoundException 类型的异常，并将其赋值给变量 nfe。

class BirthdayBook {public LocalDate lookup(String name) throws NotFoundException {// 假设找不到名字时抛出异常throw new NotFoundException();}
}public static void main(String[] args) {BirthdayBook birthdays = new BirthdayBook();try {LocalDate birthdate = birthdays.lookup("Alyssa");} catch (NotFoundException nfe) {System.out.println("未找到生日信息");}
}

 （3）已检查和未检查的异常（Checked and Unchecked Exceptions）

• 已检查异常用于表示预期的、可以合理恢复的异常情况。编译器强制要求程序员在方法签名中声明这些异常，并且在调用该方法时处理这些异常。典型的已检查异常包括IOException、SQLException等。

  示例：文件读取操作 假设我们有一个读取文件内容的方法，该方法在文件不存在或无法读取时抛出IOException。

• import java.io.BufferedReader;
  import java.io.FileReader;
  import java.io.IOException;public class CheckedExceptionExample {// 声明可能抛出IOExceptionpublic static String readFile(String filePath) throws IOException {BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(filePath));StringBuilder content = new StringBuilder();String line;while ((line = reader.readLine()) != null) {content.append(line).append("\n");}reader.close();return content.toString();}public static void main(String[] args) {String filePath = "example.txt";try {String content = readFile(filePath);System.out.println(content);} catch (IOException e) {System.out.println("捕获到IOException: " + e.getMessage());}}
  }
  

• 未检查异常（Unchecked Exception）

  未检查异常用于表示程序中的编程错误或不可恢复的错误。这些异常不需要在方法签名中声明，也不需要在调用时显式处理。典型的未检查异常包括NullPointerException、ArrayIndexOutOfBoundsException等。

• 示例：数组访问操作 假设我们有一个访问数组元素的方法，该方法在访问越界时会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException。

• getElement方法没有声明它可能抛出ArrayIndexOutOfBoundsException，但调用者可以选择处理这个异常。

• public class UncheckedExceptionExample {public static int getElement(int[] array, int index) {return array[index]; // 可能抛出ArrayIndexOutOfBoundsException}public static void main(String[] args) {int[] array = {1, 2, 3};try {int element = getElement(array, 5);System.out.println(element);} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println("捕获到ArrayIndexOutOfBoundsException: " + e.getMessage());}}
  }
  

（4）异常设计注意事项（Exception Design Considerations）

（1） 不要滥用已检查异常

已检查异常要求调用者处理，有时会导致代码变得繁琐。如果预期异常很少发生，且调用者无法采取合理措施处理，可以考虑使用未检查异常。

public class Queue {private LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();public void enqueue(int item) {list.add(item);}public int dequeue() {if (list.isEmpty()) {throw new RuntimeException("队列为空");}return list.removeFirst();}
}

（2） 使用自定义异常

在某些情况下，标准异常类可能无法准确描述问题。此时可以创建自定义异常，以更好地表达特定的错误情况。

public class InsufficientFundsException extends Exception {public InsufficientFundsException(String message) {super(message);}
}

（3.）提供有意义的异常信息

在抛出异常时，应提供有意义的错误消息，以帮助调试和理解问题。错误消息应描述发生了什么错误以及可能的原因。

 

public class InvalidAgeException extends Exception {public InvalidAgeException(String message) {super(message);}
}public class User {private int age;public void setAge(int age) throws InvalidAgeException {if (age < 0 || age > 150) {throw new InvalidAgeException("年龄必须在0到150之间，输入的年龄为：" + age);}this.age = age;}
}

（5）滥用例外（Misuse of Exceptions）

使用异常来控制正常的程序流是一种不好的做法。这不仅会导致性能问题，还会使代码难以理解和维护。

// 错误示例：滥用异常控制循环
try {int[] array = {1, 2, 3};int i = 0;while (true) {System.out.println(array[i++]);}
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {// 结束循环
}// 正确示例
int[] array = {1, 2, 3};
for (int i = 0; i < array.length; i++) {System.out.println(array[i]);
}