一種基于模板元編程的量綱檢測(cè)方法

羅京麗　杜建革

摘 要：量綱誤用是科學(xué)計(jì)算應(yīng)用程序中一種常見(jiàn)的錯(cuò)誤，對(duì)計(jì)算結(jié)果的正確性影響很大。在此提出一種基于模板元編程的量綱檢測(cè)方法TADA，能夠有效完成C和C++程序代碼的量綱檢測(cè)工作。該方法利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言自身的模板元編程功能，通過(guò)定義相關(guān)的量綱模板及其計(jì)算和標(biāo)注方法，依靠編譯器在編譯期間完成量綱分析和檢測(cè)，無(wú)需任何運(yùn)行開(kāi)銷，有效解決了傳統(tǒng)量綱檢測(cè)系統(tǒng)中解方程組的計(jì)算量瓶頸等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：模板元編程；TADA；量綱；計(jì)算量瓶頸

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004－373X(2009)04－080－06

Dimensional Unit Analysis Method Based on Template Meta－programming

LUO Jingli1，DU Jiange2

(1.Jiangxi Light Industry College,Yichun,336000,China;2.Nanjing University of Technology,Nanjing,210094,China)

Abstract：Misuse of measurement units is a common mistake in many scientific computing applications.It greatly influences the correctness of the application results.TADA,a tool that effectively detects errors of this kind for C/C++ programs is proposed.Making use of the function of template meta－programming in the language itself,TADA analyses the dimensional units and detects mismatches only by a standard C++ compiler in compile time without any runtime overhead.It avoids the computational bottleneck of solving linear equations introduced by traditional methods.

Keywords：template meta－programming;TADA;measurement unit;computational bottleneck

0 引 言

量綱誤用在科學(xué)計(jì)算程序中是一種常見(jiàn)的錯(cuò)誤，然而程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)類型系統(tǒng)卻對(duì)此無(wú)

能為力。物理方程中的量綱錯(cuò)誤可以手工分析出來(lái)，然而求解物理方程的計(jì)算機(jī)程序中的量綱錯(cuò)誤卻難以被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橛?jì)算程序往往很復(fù)雜。例如，一些研究者認(rèn)為火星氣候探測(cè)衛(wèi)星的丟失，是因?yàn)槌绦蛑邪岩粋€(gè)英制單位的變量傳遞給了使用公制單位的模塊［1］。因而，量綱的正確性對(duì)計(jì)算結(jié)果的正確性非常重要。

近年來(lái)，研究者們提出了一些量綱檢測(cè)方法［2－5］，典型的如Osprey量綱檢測(cè)方法［2］。Osprey方法包含5個(gè)主要步驟：

(1) 對(duì)待檢測(cè)源程序進(jìn)行單位標(biāo)注，使得檢測(cè)器能夠知道每個(gè)變量的單位；

(2) C語(yǔ)言解析和語(yǔ)法檢查；

(3) 生成包含單位信息的抽象語(yǔ)法樹(shù)；

(4) 生成約束（方程）；

(5) 方程的化簡(jiǎn)及高斯消去求解（GE）。

可以看出，Osprey方法步驟較多，每步都需要語(yǔ)言外的其他工具，并需要對(duì)其進(jìn)行修改、擴(kuò)充，而且最后的高斯消去（GE）計(jì)算量非常大，是Osprey方法的性能瓶頸。使用Osprey方法還有一個(gè)問(wèn)題，就是需要同時(shí)維護(hù)2份源代碼：一份正常代碼用于編譯測(cè)試；另一份包含量綱信息的檢測(cè)代碼，修改正常代碼后必須及時(shí)對(duì)檢測(cè)代碼進(jìn)行更新，維護(hù)起來(lái)也比較繁瑣。此外，由于C++語(yǔ)言的解析非常困難，Osprey方法目前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)C++程序的量綱檢測(cè)。

針對(duì)這些問(wèn)題，提出一種基于模板元編程的量綱檢測(cè)方法TADA（TMP－bAsed Dimensional Analysis Method），其基本思路是利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言自身的模板元編程（Template Meta Programming，TMP）功能，讓編譯器在編譯時(shí)對(duì)程序中的量綱進(jìn)行準(zhǔn)確性檢測(cè)，從而可以避免Osprey方法的計(jì)算量大等諸多問(wèn)題。TADA方法具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1） TADA方法可使得應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員不需要維護(hù)2份代碼，因?yàn)槭褂肨ADA方法的檢測(cè)程序也完全是一個(gè)合法的可編譯的程序。

（2） TADA方法的量綱檢測(cè)完全在編譯期間進(jìn)行，對(duì)程序不會(huì)引入任何運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷。

（3） TADA方法無(wú)需進(jìn)行方程組求解工作，可以適用于任何規(guī)模的程序。與Osprey等方法類似，TADA方法也需要手工對(duì)程序添加量綱信息，其標(biāo)注的工作量與Osprey等方法相當(dāng)。但TADA方法中編譯器在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候無(wú)需進(jìn)行Osprey方法中的方程組求解工作，因而不再有Osprey方法的計(jì)算瓶頸。

（4） TADA方法采用模塊化設(shè)計(jì)，使得單位的表示與匹配檢測(cè)之間實(shí)現(xiàn)了松耦合，支持用戶可以以一致的方式增加新的單位。

1 模板元編程（TMP）技術(shù)

在C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中，模板元編程［6－8］是實(shí)現(xiàn)代碼重用的一種重要機(jī)制。下面首先對(duì)模板元編程技術(shù)進(jìn)行介紹，然后給出TADA方法中需要使用的幾個(gè)基本的模板元程序。

1.1 模板元編程簡(jiǎn)介

模板可以將類型定義為參數(shù)，以提高代碼的可重用性。模板包括類模板和函數(shù)模板等。函數(shù)模板與模板函數(shù)的區(qū)別可以類比于類與對(duì)象的區(qū)別：函數(shù)模板是模板的定義；而模板函數(shù)是函數(shù)模板的實(shí)例，具有程序代碼，占用內(nèi)存空間。當(dāng)編譯系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了函數(shù)模板一個(gè)對(duì)應(yīng)的函數(shù)調(diào)用后，根據(jù)實(shí)參的類型來(lái)確認(rèn)是否匹配函數(shù)模板中對(duì)應(yīng)的形參，然后生成一個(gè)重載函數(shù)，稱該重載函數(shù)為模板函數(shù)。類似地，在聲明了一個(gè)類模板后，也可以創(chuàng)建類模板的實(shí)例—模板類。

類模板的一般形式如下：

template

class 類名｛

//類定義…

｝；

C++的模板系統(tǒng)能夠通過(guò)模板的特化、偏特化實(shí)現(xiàn)邏輯判斷，并能通過(guò)模板遞歸實(shí)現(xiàn)循環(huán)，構(gòu)成了一個(gè)圖靈完全的二級(jí)語(yǔ)言［6］。使用這種二級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程叫作C++模板元編程（Template Meta Programming，TMP）。模板元編程的驅(qū)動(dòng)力是模板的遞歸實(shí)例化。下面給出C++模板元編程的一個(gè)示例。

首先定義一個(gè)類模板，通過(guò)該類模板可實(shí)現(xiàn)在編譯期間計(jì)算4的任意次方。如下所示：

pow4.hpp

#ifndef POW4_HPP

#define POW4_HPP

//primary template to compute;

template

class Pow4 {

public:

enum { result = 4 * Pow4::result };

};

//full specialization to end the recursion

template<>

class Pow4<0> {

public:

enum { result = 1 };

};

通過(guò)下面的程序來(lái)使用該模板。

Test.cpp

#endif // POW4_HPP

#include

#include "pow4.hpp"

int main()

{

std::cout << "Pow4<7>::result = "

<< Pow4<7>::result << '\n';

}

程序Test.cpp執(zhí)行完后，會(huì)正確輸出4的7次方的值，該數(shù)值是C++編譯器在編譯模板元程序時(shí)遞歸計(jì)算得到。由于模板元程序完全在編譯期間執(zhí)行，相當(dāng)于對(duì)編譯器功能進(jìn)行擴(kuò)充，因而利用這種程序進(jìn)行量綱檢測(cè)具有良好的可行性。

1.2 基本模板元程序

下面給出TADA方法中需要使用的幾個(gè)基本的模板元程序。

（1） 靜態(tài)判斷

template

struct StaticIF

{

typedef T2 ResultType;

};

template

struct StaticIF

{

typedef T1 ResultType;

};

語(yǔ)法：StaticIF::ResultType

語(yǔ)義：當(dāng)cond為真時(shí)，ResultType為T1，否則ResultType為T2。

（2） 靜態(tài)斷言

template void StaticAssert(){return UnitError;};

template<> void StaticAssert(){};

語(yǔ)法：StaticAssert();

語(yǔ)義：當(dāng)cond為真時(shí)什么也不做，否則產(chǎn)生一個(gè)編譯期錯(cuò)誤（UnitError沒(méi)有定義，或void函數(shù)不應(yīng)該有返回值）。

（3） 靜態(tài)絕對(duì)值

template

struct StaticABS

{

static const int value = n>=0 ? n :－n;

};

語(yǔ)法：StaticABS::value

語(yǔ)義：n的絕對(duì)值，其中n為int類型。

（4） 靜態(tài)最大公約數(shù)

template

struct StaticGCD

{ //b!=0

static const int result = StaticIF<(a,StaticGCD >::ResultType::result;

};

template

struct StaticGCD

{

static const int result=a;

};

語(yǔ)法：StaticGCD::result

語(yǔ)義：遞歸的使用輾轉(zhuǎn)相除法在編譯期間求出a與b的最大公約數(shù)，其中a與b為int類型。

2 TADA量綱檢測(cè)方法

TADA量綱檢測(cè)方法需要涉及到單位和量綱的表示、計(jì)算、標(biāo)注以及數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)的量綱包裝等各個(gè)組成步驟，下面將依次對(duì)其進(jìn)行介紹。

2.1 單位和量綱的表示

在Osprey方法中，量綱是用一個(gè)長(zhǎng)度為7的向量表示的，每個(gè)分量對(duì)應(yīng)一個(gè)SI標(biāo)準(zhǔn)量綱。TADA方法中也采用了這種方式。為了簡(jiǎn)化闡述，本文只討論長(zhǎng)度、重量、時(shí)間這三種量綱，其SI單位分別為米、千克和秒（TADA方法可直接推廣到其他各種量綱）。由于TMP程序的特殊性，它并沒(méi)有數(shù)組或向量的支持，也不能使用浮點(diǎn)數(shù)據(jù)（使用浮點(diǎn)數(shù)表示量綱也會(huì)帶來(lái)不精確性），量綱在TMP程序中的表示形式有所不同：用u11，u12，u21，u22，u31，u32之類的整型量分別表示米u(yù)11u12,千克u11u12,秒u11u12，并輔以ratio表示同量綱、不同單位之間的比值，如分鐘和秒的比值為60。

TADA方法可靜態(tài)地建立如下常用單位：

Struct UnitRoot//無(wú)量綱

{

static const int u11 = 0;

static const int u12 = 1;

static const int u21 = 0;

static const int u22 = 1;

static const int u31 = 0;

static const int u32 = 1;

static const double ratio;

};

const double UnitRoot::ratio=1;

struct ULength: UnitRoot {}; //長(zhǎng)度量綱

struct UWeight: UnitRoot {}; //重量量綱

struct UTime:UnitRoot {}; //時(shí)間量綱

struct UAngle:UnitRoot {}; //角的大小（無(wú)量綱）

struct UnitLess :UnitRoot {}; //無(wú)量綱

struct UMeter:ULength{static const int u11=1;}; //米

struct UKG:UWeight{static const int u21=1;}; //千克

struct USecond:UTime{static const int u31=1;}; //秒

struct UAcceleration:UnitRoot {static const int u11=1;//加速度：米/秒^2

static const int u31=－2;};

struct URadian: UAngle{}; //角度

struct UAngleDegree:UAngle{static const double ratio;}; //弧度

const double UAngleDegree::ratio=180/3.141592653589793;

//弧度與角度的比例

模板元程序在計(jì)算公式的時(shí)候需要推導(dǎo)出新的量綱，例如在計(jì)算“e=12mv2”的時(shí)候，編譯器應(yīng)該能根據(jù)等號(hào)右邊的公式計(jì)算出它的量綱，并與e的量綱進(jìn)行比較判別。TADA方法的量綱是用分?jǐn)?shù)形式表示的，在每次量綱計(jì)算之后都需要進(jìn)行分?jǐn)?shù)的約分處理，才能進(jìn)行相等性判斷，因而TADA方法可用如下的方式處理新生成單位，如下所示。

template

struct BuildUnit :public UnitRoot

{

static const int gcd1 = StaticGCD::result;

static const int gcd2 = StaticGCD::result;

static const int gcd3 = StaticGCD::result;

static const int u11 = U11/gcd1;

static const int u12 = U12/gcd1;

static const int u21 = U21/gcd2;

static const int u22 = U22/gcd2;

static const int u31 = U31/gcd3;

static const int u32 = U32/gcd3;

};

2.2 單位和量綱的計(jì)算

由于量綱都是用分?jǐn)?shù)表示的，因而其計(jì)算會(huì)稍有麻煩。下面定義TADA方法中量綱分?jǐn)?shù)的加、減、乘、除和等價(jià)測(cè)試運(yùn)算。

（1） 分?jǐn)?shù)的加法運(yùn)算，如下所示。

template

struct FractionAdd

{

static const int U1=u11*u22+u21*u12;

static const int U2=u12*u22;

};

語(yǔ)法：FractionAdd ::U1、FractionAdd::U2

語(yǔ)義：分?jǐn)?shù)相加并約分，即：

U1U2=u11*u22+u21*u12u12*u22，且GCD(U1,U2)=1。

（2） 分?jǐn)?shù)的減法運(yùn)算。

TADA方法通過(guò)加法實(shí)現(xiàn)減法計(jì)算，如下所示。

template

struct FractionSub

{

static const int U1=FractionAdd::U1;

static const int U2=FractionAdd::U2;

};

語(yǔ)法：FractionSub::U1、FractionSub::U2

語(yǔ)義：分?jǐn)?shù)相減并約分，即：

U1U2=u11*u22－u21*u12u12*u22，且GCD(U1,U2)=1。

（3） 單位相乘。

分別將3個(gè)量綱分?jǐn)?shù)相加，然后使用BuildUnit生成新單位。

template

struct UnitMultiply

{

typedef FractionAdd

b::u12> FM1;

typedef FractionAdd

b::u22> FM2;

typedef FractionAdd

b::u32> FM3;

typedef BuildUnit<

FM1::U1,FM1::U2,

FM2::U1,FM2::U2,

FM3::U1,FM3::U2> ResultType;

};

語(yǔ)法：UnitMultiply::ResultType

語(yǔ)義：?jiǎn)挝籙a與單位Ub相乘后的新單位。

（4） 單位相除。

與乘法處理方式相似。

template

struct UnitDivide

{

typedef FractionSub

b::u12> FM1;

typedef FractionSub

b::u22> FM2;

typedef FractionSub

b::u32> FM3;

typedef BuildUnit<

FM1::U1,FM1::U2,

FM2::U1,FM2::U2,

FM3::U1,FM3::U2> ResultType;

};

語(yǔ)法：UnitDivide ::ResultType

語(yǔ)義：?jiǎn)挝籙a除以單位Ub后的新單位。

（5） 單位的等價(jià)測(cè)試函數(shù)（宏）

#define UNIT_CHECK(a,b) StaticAssert<

(a::u11==b::u11) && (a::u12==b::u12) &&

(a::u21==b::u21) &&

(a::u22==b::u22) &&

(a::u31==b::u31) && (a::u32==b::u32)>()

語(yǔ)法：UNIT_CHECK(Ua,Ub);

語(yǔ)義：若單位Ua與單位Ub等價(jià)則不產(chǎn)生任何效果，否則產(chǎn)生編譯期錯(cuò)誤。

2.3 單位和量綱標(biāo)注的原理和語(yǔ)法

與Osprey等方法類似，TADA方法也在待檢測(cè)源程序進(jìn)行單位標(biāo)注，以使得檢測(cè)器能夠知道每個(gè)變量的單位。由于經(jīng)過(guò)單位標(biāo)注的待檢測(cè)程序仍然是合法的可編譯的程序，所以標(biāo)注信息必須由語(yǔ)言自身已有的語(yǔ)法要素構(gòu)成；標(biāo)注信息還不能影響被標(biāo)注變量的任何計(jì)算特性及使用方式，只有滿足這兩點(diǎn)要求的標(biāo)注方式才能使標(biāo)注工作量最小化。此外，已標(biāo)注變量應(yīng)該禁止從未標(biāo)注變量進(jìn)行各種隱含的類型轉(zhuǎn)換，這樣嚴(yán)格的限制才能有效進(jìn)行單位量綱的匹配檢測(cè)。對(duì)于C++語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，可以采用模板類的方式實(shí)現(xiàn)。

標(biāo)注實(shí)質(zhì)上是把語(yǔ)言原始的數(shù)據(jù)類型替換成TADA方法預(yù)定義的模板類，而模板類實(shí)現(xiàn)了各種運(yùn)算符號(hào)的重載，同時(shí)禁止了任何隱含的類型轉(zhuǎn)換，使得量綱標(biāo)注既滿足語(yǔ)法要素的要求，又滿足計(jì)算兼容性的要求和禁止隱含轉(zhuǎn)換的要求。TADA方法中標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)如下所示。

template

//T為基礎(chǔ)變量類型（int、double...）

struct UnitBase//U為單位量綱信息

{

typedef UnitBase ThisType;//自身類型

T value; //實(shí)際的數(shù)值

UnitBase(){}

explicit //禁止從基礎(chǔ)類型進(jìn)行隱含構(gòu)造轉(zhuǎn)換

UnitBase(T init_value):value(init_value){}

operator T (){return value;}

//允許向基礎(chǔ)類型隱含轉(zhuǎn)換

//以下定義各種運(yùn)算符，使得標(biāo)注類可以模擬原始變量進(jìn)行各種運(yùn)算

#define TEMPLATE template

TEMPLATE UnitBase(const UnitBase& rhs)

{

UNIT_CHECK(U,U2);//單位等價(jià)性檢測(cè)

value=rhs.value;

}

TEMPLATE ThisType& operator = (UnitBase rhs)

{

UNIT_CHECK(U,U2);

value=rhs.value;

return *this;

}

TEMPLATE bool operator == (UnitBase rhs)

{

UNIT_CHECK(U,U2);

return value==rhs.value;

}

TEMPLATE ThisType& operator += (UnitBase rhs)

{

UNIT_CHECK(U,U2);

value+=rhs.value;

return *this

}

TEMPLATE ThisType& operator －= (UnitBase rhs)

{

UNIT_CHECK(U,U2);

value－=rhs.value;

return *this

}

TEMPLATE ThisType operator + (UnitBase rhs)

{

UNIT_CHECK(U,U2);

return ThisType(value+rhs.value);

}

TEMPLATE ThisType operator － (UnitBase rhs)

{

UNIT_CHECK(U,U2);

return ThisType(value－rhs.value);

}

TEMPLATE UnitBase::ResultType>

operator * (UnitBase rhs)

{

typedef UnitMultiply::ResultType TT;

return UnitBase(value*rhs.value);

}

TEMPLATE ThisType& operator *= (UnitBase rhs)

{

UNIT_CHECK(U2,UnitRoot);

value*=rhs.value;

return *this;

}

TEMPLATE UnitBase::ResultType>

operator / (UnitBase rhs)

{

typedef UnitDivide::ResultType TT;

return UnitBase(value/rhs.value);

}

#undef TEMPLATE

//以下定義可以顯式禁止其他一切引起隱含類型轉(zhuǎn)換的運(yùn)算

template ThisType operator + (T2 rhs){return UnitError;}

template ThisType operator － (T2 rhs){return UnitError;}

template ThisType operator * (T2 rhs){return UnitError;}

template ThisType operator / (T2 rhs){return UnitError;}

template ThisType& operator += (T2 rhs){return UnitError;}

template ThisType& operator －= (T2 rhs){return UnitError;}

template ThisType& operator *=

(T2 rhs){return UnitError;}

template ThisType& operator /= (T2 rhs){return UnitError;}

};

2.4 定義單位量綱

量綱檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該預(yù)定義常用單位量綱，以方便應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員使用。TADA方法采用如下方式定義單位量綱：

{//米

typedef UnitBase Double;

typedef UnitBase Float;

typedef UnitBaseInt;

typedef UnitBaseLong;

}

namespace KG //千克

{

typedef UnitBaseDouble;

typedef UnitBaseFloat;

typedef UnitBase Int;

typedef UnitBaseLong;

}

namespace Second//秒

{

typedef UnitBase Double;

typedef UnitBase Float;

typedef UnitBaseInt;

typedef UnitBase Long;

}

namespace Acceleration //加速度：米/秒^2

{

typedef UnitBase Double;

typedef UnitBaseFloat;

typedef UnitBaseInt;

typedef UnitBaseLong;

}

namespace Radian//弧度

{

typedef UnitBase Double;

typedef UnitBase Float;

typedef UnitBaseInt;

typedef UnitBase Long;

}

namespace AngleDegree //角度

{

typedef UnitBase Double;

typedef UnitBase Float;

typedef UnitBase Int;

typedef UnitBase Long;

}

……

2.5 數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)的量綱包裝

對(duì)于指數(shù)、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)等已有的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，其參數(shù)與返回值都是沒(méi)有單位量綱的，不能直接用于有量綱的公式計(jì)算。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，TADA方法提供了這些函數(shù)的量綱包裝，以sqrt和sin為例如下：

#define HALF_UNIT(U) BuildUnit

template

UnitBase Sqrt(UnitBase

U> n)

{//開(kāi)方函數(shù)應(yīng)使單位的所有量綱減半

return UnitBase(::sqrt(n.value));

}

#undef HALF_UNIT

template

UnitBase Sin(UnitBase n)

{//正弦函數(shù)的參數(shù)應(yīng)為弧度，返回值為無(wú)量綱

UNIT_CHECK(U,URadian);

return UnitBase(::sin(n.value));

}

2.6 輔助工具

TADA方法還提供了一些輔助工具，用于將量綱變量以適合閱讀的方式顯示出來(lái)，例如：

Unit::Second::Double n(10);

Unit::Meter::Double m(20);

cout<

可以得到這樣的輸出結(jié)果：

0.2米/秒^2

2.7 分析和評(píng)估

在TADA方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了面向C/C++程序的量綱檢測(cè)系統(tǒng)（TADA系統(tǒng)），并對(duì)TADA系統(tǒng)的檢測(cè)能力進(jìn)行了分析和評(píng)估。

首先采用TADA系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)下面的樣例程序。

unit.cpp

#include "unit.h"

using namespace std;

int main(int argc,char* argv［］)

{

Unit::Second::Double n(10);

Unit::Meter::Double m(20);

Unit::KG::Double c; //示量綱不匹配

c=m/n/n;

return 0;

}

在TADA系統(tǒng)中，Visual Studio 2003編譯該程序會(huì)出現(xiàn)類似如下的錯(cuò)誤信息，錯(cuò)誤信息的第3行就表明了unit.cpp的第9行有錯(cuò)誤。

meta_prog_basic.h(15) :error C2065:"UnitError":未聲明的標(biāo)識(shí)符

d:\My Documents\Visual Studio Projects\unit\unit_core.h(70) :參見(jiàn)…的引用

d:\My Documents\Visual Studio Projects\unit\unit.cpp(9) :參見(jiàn)…的引用

…

在檢測(cè)能力方面，采用文獻(xiàn)［2］的樣例程序?qū)ADA系統(tǒng)和Osprey系統(tǒng)的量綱檢測(cè)能力進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估。在文獻(xiàn)［2］中，Osprey共找到了3個(gè)錯(cuò)誤，其中前2個(gè)是單位誤用錯(cuò)誤，第3個(gè)是單位轉(zhuǎn)換比例因子錯(cuò)誤。TADA系統(tǒng)也完全找到了前2個(gè)錯(cuò)誤，而第3個(gè)錯(cuò)誤在標(biāo)注時(shí)被避免掉了，因?yàn)樵搯挝幌到y(tǒng)包含了量綱之間的比例因子，能夠進(jìn)行自動(dòng)的單位轉(zhuǎn)換。

在性能和可擴(kuò)展性方面，TADA系統(tǒng)能夠更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)C/C++程序的量綱檢測(cè)。Osprey系統(tǒng)引入了具有較高計(jì)算復(fù)雜度的線性方程組求解步驟，需要很大的計(jì)算和時(shí)間開(kāi)銷來(lái)解線性解方程組。TADA系統(tǒng)基于模板元編程技術(shù)，只需要利用語(yǔ)言自身的語(yǔ)法能力，靠編譯器進(jìn)行單位量綱檢查，沒(méi)有帶來(lái)太多額外的復(fù)雜計(jì)算。并且TADA系統(tǒng)不會(huì)帶來(lái)任何程序的運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷。因此TADA系統(tǒng)可適用于各種規(guī)模的C/C++程序，具有更好的性能和可擴(kuò)展性。

在易用性方面，TADA系統(tǒng)的標(biāo)注負(fù)擔(dān)與Osprey系統(tǒng)相當(dāng)。由于TADA系統(tǒng)利用C++編譯器的功能進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，而C++編譯器遇到模板錯(cuò)誤時(shí)的錯(cuò)誤信息卻不很直觀，錯(cuò)誤報(bào)告的可讀性較弱，但仍可以快速定位到錯(cuò)誤點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

這里提出一種新穎的基于模板元編程的單位量綱檢測(cè)方法TADA，并基于該方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單位量綱檢測(cè)系統(tǒng)。

TADA方法采用模板元編程技術(shù)，使得經(jīng)過(guò)單位量綱標(biāo)注的受測(cè)程序仍然是一個(gè)完整、合法、可編譯的C/C++程序，無(wú)需維護(hù)多套程序代碼，也無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的解方程組運(yùn)算，就能夠在程序代碼中發(fā)現(xiàn)量綱錯(cuò)誤，具有良好的實(shí)用性和可擴(kuò)展性，可以有效適用于多種規(guī)模程序的量綱檢測(cè)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Mars Climate Orbiter Mishap Investigation.ftp://ftp.hq.nasa.gov/pub/pao/reports/1999/MCO_report.pdf.

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作者簡(jiǎn)介 羅京麗 女，1977年出生，江西安福人，江西省輕工高級(jí)技校講師，學(xué)士。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

杜建革 男，1973年出生，重慶人，南京理工大學(xué)碩士。主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

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