1、Swarm用戶指南Swarm開發(fā)組Paul Johnson堪薩斯州大學(xué)政治科學(xué)系A(chǔ)lex Lanchaster圣塔菲研究所譯者 柳泉波北京師范大學(xué)信息學(xué)院brookwithySwarm用戶指南Swarm開發(fā)組Paul Hohnson 和 Alex Lancaster2000年4月10日出版Copyright © 1999-2000 Swarm開發(fā)組Swarm仿真系統(tǒng)的用戶指南本文檔是由CASA有限公司的Benedikt Stefansson（以前在UCLA的經(jīng)濟(jì)系工作）在1998和1999年的SwarmFest上發(fā)表的S

2、warm教程材料發(fā)展而來的。分三個(gè)階段逐步深入的討論了Swarm工具：第一部分是Swarm的簡(jiǎn)介；第二部分深入地剖析了Swarm程序；第三部分則詳細(xì)討論了用戶在使用Swarm開發(fā)程序時(shí)可那遇到的種種問題。鼓勵(lì)用戶探索Swarm提供的樣例程序，并訪問Swarm站點(diǎn)（）來了解最新消息和加入Swarm郵件列表。Paul Johnson的工作，由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的基金（SBR-9709404）部分支持。Paul是主要的作者，提供了指南的主要材料。Alex Lancaster負(fù)責(zé)有關(guān)SGML的大部分工作即在DocBook（見書末）中的錘煉和標(biāo)記問題，并提供了補(bǔ)充材料和

3、正文。有關(guān)Swarm用戶指南的許可說明復(fù)制本文檔需要預(yù)先獲得版權(quán)持有者（Swarm開發(fā)組）的書面版權(quán)許可，合理的個(gè)人使用或者用于教育目的不在此禁。不允許大量分發(fā)本文的復(fù)制品或者將之用于牟利。生成本文檔的SGML源文件以及相關(guān)程序在文件包userbook-0.9.tar.gz（/pub/swarm/userbook-0.9.tar.gz）。只要遵循GNU一般公共許可（GPL，/copyleft/gnu.html），那么使用、復(fù)制、修改和分發(fā)swarmdocs包及其生成的文檔（包括HTML、TeX、dvi、PostScript和

4、RTF格式）是允許的。目 錄PART I 基本概念4第一章 介紹4第二章 程序設(shè)計(jì)和仿真7第三章 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)詳論11第四章 Swarm的開發(fā)思想19第五章 圖形用戶接口23PARTII Swarm應(yīng)用：樣例演示27第六章 Swarm教程27附錄A. Swarm工具90附錄B Objective C-Swarm風(fēng)格93PART I 基本概念第一章 介紹Swarm項(xiàng)目由Chris Langton于1994年在新墨西哥州的圣塔菲研究所（Santa Fe Institute，，SFI）啟動(dòng)?，F(xiàn)在由圣塔菲研究所的非盈利性組織Swarm開發(fā)組（http:/w

5、）負(fù)責(zé)。目的是為基于多主體仿真模型（即所謂的ABMs，Agent-Based Models的縮寫）的開發(fā)提供一系列標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)工具并成為研究者交流的中介。有了Swarm，研究者可以專心于建模任務(wù)的本質(zhì)，避免編程的某些復(fù)雜細(xì)節(jié)。有很多程序員對(duì)Swarm項(xiàng)目作出了貢獻(xiàn)：Roger Burkhart，Nelson Minar，Manor Askenazi，Glen Ropella，Sven Thommesen，Marcus Daniels，Alex Lancaster，Vladimir Jojic，和Irene Lee。1.1 有關(guān)Swarm的基本事實(shí)Swarm提供了一系列支

6、持仿真程序設(shè)計(jì)的軟件庫。最顯著的特點(diǎn)包括：l Swarm的代碼是面向?qū)ο蟮?。Swarm庫由名為“Objective-C”的計(jì)算機(jī)語言編寫而成，這種語言是C語言的超集。Objective-C提供了創(chuàng)建軟件“類”的能力，進(jìn)而可以創(chuàng)建實(shí)例個(gè)體，實(shí)例是自包含的實(shí)體。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的術(shù)語非常適合基于主體模型的討論。l Swarm程序是層次結(jié)構(gòu)的。大部分swarm應(yīng)用程序大體具有如下的結(jié)構(gòu)。首先，創(chuàng)建最頂層的一級(jí)，通常叫做“observer swarm”?！皁bserver swarm”負(fù)責(zé)屏幕的顯示，以及創(chuàng)建下一層，叫做“model swarm”。然后，“model swarm”創(chuàng)建主體個(gè)體，調(diào)度主體

7、的活動(dòng)，搜集有關(guān)主體的信息，并在“observer swarm”需要的時(shí)候提供。l Swarm提供了很多方便的工具。在手冊(cè)的后續(xù)部分不難發(fā)現(xiàn)，Swarm庫提供了很多有利于基于主體模型設(shè)計(jì)的代碼。這些工具方便了內(nèi)存的管理，表的維護(hù)，活動(dòng)的調(diào)度以及其他很多瑣碎工作。用戶通過將Swarm對(duì)象集成在自己的程序中創(chuàng)建仿真應(yīng)用。建議用戶仔細(xì)研究提供很多的樣例程序，以便充分的利用Swarm庫的功能，充分體會(huì)個(gè)中蘊(yùn)含的建模策略。1.2 Swarm是一個(gè)動(dòng)態(tài)平臺(tái)Swarm是自由軟件（/philosophy/free-sw.html）1 有時(shí)也指“開源”（open source）

8、軟件，有關(guān)開源的定義參看/osd.html。當(dāng)前版本的Swarm，遵循2 Swarm庫的核心遵循LGPL（/copyleft/lgpl.html）許可，但是標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制發(fā)布包括了遵守GPL許可的部件，這意味著Swarm是遵守GPL的。GNU General Public License（GPL，/copyleft/gpl.html）許可。無論是從理論或?qū)嶋H方面考慮，軟件開發(fā)的自由軟件模式都對(duì)像Swarm這樣的工具特別有效。l 完全可觀察。由于提供了完全的源代碼，因此在必要時(shí)，建模

9、者可以在操作系統(tǒng)級(jí)別上跟蹤方針的執(zhí)行。這對(duì)于可重復(fù)性是很重要的，最終使得建模者可以（在抽象的數(shù)學(xué)意義上）證明仿真的正確性。l 共享開發(fā)者的智慧。更實(shí)際的原因是，由于Swarm是開源的，我們可以利用開發(fā)者的智慧：技術(shù)水平比較高的開發(fā)者能找出Swarm的缺陷，編寫補(bǔ)丁程序，實(shí)現(xiàn)新的特性等。GNU/Linux操作系統(tǒng)能夠快速而健壯的成長(zhǎng)也是由于類似的原因DiBona等，1999。隨著Swarm的發(fā)展，越來越多的程序員和建模者將參與進(jìn)來。Swarm的開發(fā)工作目前由位于新墨西哥州圣塔菲的Swarm開發(fā)組（）負(fù)責(zé)。開發(fā)結(jié)果定期發(fā)布在Internet上，用戶可以訪問相應(yīng)

10、的源代碼。Swarm的開發(fā)者們特別希望用戶下載代碼，進(jìn)行試驗(yàn)，改進(jìn)和增強(qiáng)Swarm的功能。采取開源策略的目的是能夠綜合整個(gè)研究社區(qū)的貢獻(xiàn)。當(dāng)Swarm的用戶對(duì)庫做了改進(jìn)，我們鼓勵(lì)他宣布出來并供他人使用。社區(qū)和Swarm團(tuán)隊(duì)的這種交互，使得Swarm庫可以經(jīng)常被修訂。為了對(duì)此有所了解，簡(jiǎn)要介紹一下本項(xiàng)目的歷史。原先Swarm的目的是用于支持X Windows系統(tǒng)的Unix操作系統(tǒng)的。Swarm的第一個(gè)測(cè)試版發(fā)布于1995年。1997年1月，Swarm 1.0正式發(fā)布，必須運(yùn)行在Solaris和Linux操作系統(tǒng)上。不久，改進(jìn)版的Swarm支持DEC Alpha平臺(tái)以及其他Unix的變體。1998

11、年4月，Swarm 1.1發(fā)布，其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。在Cygnus Win32軟件包的支持下，Swarm可以在微軟Windows 95/NT（現(xiàn)在是98）上運(yùn)行。1999年下半年，Swarm 2.0和2.0.1發(fā)布，增加了Java層使得Java程序員可以調(diào)用Swarm庫，支持?jǐn)?shù)據(jù)輸出為NSCA HDF51 層次數(shù)據(jù)格式，適用于科學(xué)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，詳情參考/。格式。由于Swarm仍在發(fā)展當(dāng)中，因此很難精確的預(yù)測(cè)它的開發(fā)路徑。目前Swarm開發(fā)組的工作重點(diǎn)是使得Swarm可以工作在更多的平臺(tái)上，有更多的計(jì)算機(jī)語言支持。例如，Swarm的XML和Schem

12、a層原型已經(jīng)通過測(cè)試。1.3 成功使用Swarm的前提Swarm的出發(fā)點(diǎn)是為設(shè)計(jì)多主體模型提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)化方法。Swarm庫的用戶并不需要是一個(gè)技術(shù)高超的程序員2 這里的英文原文是“One need not be a highly accomplished computer program to user the Swarm libraries”，疑為“One need not be a highly accomplished programmer to use the Swarm libraries”的誤寫。實(shí)際上，由于Swarm的安裝過程非常的流水線化，因此只要有合適的硬件平臺(tái)，任何人都

13、可以輕松的測(cè)試Swarm的樣例應(yīng)用程序。對(duì)于使用Windows 98/NT或Linux操作系統(tǒng)的用戶來說，已經(jīng)有編譯好的Swarm庫可用，安裝就更加輕松了。然而，要?jiǎng)?chuàng)建新的Swarm應(yīng)用并非易事。因?yàn)榇藭r(shí)需要生成一個(gè)計(jì)算機(jī)程序。即使Swarm用戶不是一個(gè)專家級(jí)的程序員，他也必須對(duì)重要的計(jì)算概念有根本的理解。所需要的知識(shí)因要?jiǎng)?chuàng)建的模型而異，但至少，必須具備：l 對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本理解。l 對(duì)下列兩種面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言之一有基本的理解：Java或Objective C3 如果要使用Objective C，由于它是C語言的超集，因此具有C語言的經(jīng)驗(yàn)會(huì)很有幫助。Java學(xué)習(xí)起來很簡(jiǎn)單，是一種具有

14、良好的開發(fā)工具和文檔支持的主流語言。Objective-C也是相當(dāng)一流的語言，學(xué)過C的人學(xué)習(xí)起來會(huì)很簡(jiǎn)單。因此，沒有編程經(jīng)驗(yàn)的人在創(chuàng)建基于Swarm的模型之前，需要做一些背景準(zhǔn)備。如果想用Objective-C實(shí)現(xiàn)模型，建議先去找一本有關(guān)C語言的基礎(chǔ)指南，例如“The C Programming Language”Ketnighan & Ritchie，1988。兩位作者是C語言的實(shí)現(xiàn)者，因此本書具有相當(dāng)?shù)目勺x性，是所有人都應(yīng)該拜讀的信息手冊(cè)。如果選擇Java語言實(shí)現(xiàn)模型，市面上有數(shù)以萬計(jì)的Java程序設(shè)計(jì)介紹性材料，包括印刷版的和電子出版物（參看A.1部分）。帶有例子和練習(xí)的手冊(cè)是很

15、重要的，里面解釋了編寫代碼并編譯成可執(zhí)行程序的基礎(chǔ)知識(shí)。Objective-C語言最好是按照在線書籍“Object Oriented Programming and the Objective C Language”NeXT，1993學(xué)習(xí)第二章 程序設(shè)計(jì)和仿真設(shè)計(jì)Swarm的目的是幫助用戶創(chuàng)建低層主體在其中交互的模型（通常稱為“復(fù)雜系統(tǒng)”）。研究者必須對(duì)主體賦以內(nèi)容，例如將主體想象成蜜蜂、投資者、樹木或者臭蟲等。研究目標(biāo)是從個(gè)體水平行為中涌現(xiàn)出的總體模式。圖2-1 基于主體建模面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)特別適合表示此類模型。正如我們即將看到的，對(duì)象是自包含的實(shí)體。對(duì)象可傳遞來自于其它對(duì)象的信息，還可以保

16、持、分類和總結(jié)信息。2.1 什么是對(duì)象？想創(chuàng)建具有重要意義Swarm模型，就必須仔細(xì)研究Java和Objective C兩種面向?qū)ο笳Z言的一種。這里的材料只是起總結(jié)和補(bǔ)充的作用，并非完整的教程。對(duì)象有兩部分信息組成：l 變量。系列的變量表示了主體的“狀態(tài)”年齡，財(cái)富，能力，諸如此類。這些變量可以是在C語言中允許的變量類型，如整型（int）、浮點(diǎn)型（float），數(shù)組，指針等。還可以是某種類型標(biāo)識(shí)，這意味著該變量是類的實(shí)例。l 方法。方法決定了對(duì)象的行為。通常，要具備從“外部世界”接受信息的方法，向外部發(fā)送消息的方法以及處理信息的方法。變量和方法被賦以有意義的名字，從而提高了代碼的可讀性，例如，

17、goToStore或goHome。對(duì)象通過名為“實(shí)例化”的過程被創(chuàng)建。簡(jiǎn)單地說，代碼被寫成“類”，對(duì)象作為類的實(shí)例被創(chuàng)建。類的實(shí)例或者說是對(duì)象內(nèi)部的變量被稱為“實(shí)例變量”。包含于實(shí)例變量中的信息對(duì)于對(duì)象所有的方法都可用。如果對(duì)象的某個(gè)方法需要具有別的方法不能使用的“私有”信息，此時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建“方法變量”。在Objective-C和Java中，術(shù)語“消息”經(jīng)常代表指示對(duì)象執(zhí)行某個(gè)方法的指令。（對(duì)于那些對(duì)C+比較熟悉的讀者，術(shù)語“成員函數(shù)”與“方法”是同樣的東西）。下面是指示對(duì)象bobDole執(zhí)行方法runForPresident的消息例子。Objective C例子Java例子bobDole ru

18、nForPresident;bobDole.runForPresident();在Objective C中，方法的參數(shù)在方法名字之后用冒號(hào)（:）引入；在Java中，方法的名字完全列在參數(shù)之前。例如，假定方法runForPresident需要一些參數(shù)，如參選年份和競(jìng)選伙伴名字等，則對(duì)應(yīng)的消息應(yīng)寫成：Objective CJavabobDole runForPresident:2000 with:bobDole.runForPresident$with (2000,RossPerot);RossPerot;2.2 對(duì)象的種類在Swarm中，有很多類型的主體（見圖2-1）。顯然，如果某個(gè)模型要描述蜜

19、蜂，那么模型中必須包含蜜蜂主體。此外還必須有其他角色的對(duì)象，而且這些對(duì)象并不全都是有生命的。例如，蜜蜂模型中可能有表示其他昆蟲和熊的對(duì)象，還包括表示環(huán)境（樹木，暴風(fēng)雨等）的對(duì)象。通常，模型中還應(yīng)該包含如下功能的對(duì)象：使得建模過程更加方便，搜集有關(guān)仿真的信息并傳遞給研究者。2.3 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的好處面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（OOP）特別適合描述自治性主體，因此對(duì)于科學(xué)家和建模者來說，以O(shè)OP作為基礎(chǔ)是再顯然不過的事情。不僅如此，OOP對(duì)于計(jì)算機(jī)程序員也特別重要。Objective C中的OOP與C+或Java中的OOP并非完全一致，但是這些語言具有某些意義重大的相似。這里我們強(qiáng)調(diào)的是封裝和繼承。2.

20、3.1 封裝對(duì)象內(nèi)的變量的值是私有的，只能通過特別編寫的方法將信息傳遞到對(duì)象外部。封裝既具有實(shí)在的意義又具有實(shí)際的意義。實(shí)在的意義是指現(xiàn)在對(duì)單個(gè)角色的表示已經(jīng)假定角色是自包含的實(shí)體，其他角色并不能自動(dòng)訪問該角色內(nèi)部的信息。就像人類之間那樣，對(duì)象之間必須相互傳遞自己內(nèi)部狀態(tài)的信息。封裝的實(shí)際意義也很重要。計(jì)算機(jī)項(xiàng)目可以分解為獨(dú)立的部件（寫成類的代碼），當(dāng)代碼編寫完成以后，每一個(gè)對(duì)象的內(nèi)部細(xì)節(jié)對(duì)于程序員來說有時(shí)并不重要。例如，如果對(duì)象groceryStore能夠?qū)οakeMoney響應(yīng)，并完成了被要求的工作，我們可能并不在乎它如何做到的。這通常被稱為“接口”和“實(shí)現(xiàn)”的分離。接口聲明了對(duì)象可以

21、執(zhí)行的方法，而實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)則被隱藏起來（見圖 2-2），用戶只需熟悉對(duì)象的接口，而不是它的實(shí)現(xiàn)。2.3.2 繼承每一個(gè)子類都繼承了其超類的變量和方法。繼承能夠發(fā)揮作用，是因?yàn)槊恳粋€(gè)代碼類都被設(shè)計(jì)為某個(gè)超類的子類。例如，在Swarm項(xiàng)目使用的GNU Objective C編譯器中，有一個(gè)最基本的類“object”。Swarm庫在object類的基礎(chǔ)上創(chuàng)建子類，再創(chuàng)建子類的子類，如此反復(fù)，直到Swarm項(xiàng)目的程序員可以創(chuàng)建角色的新類為止，新類是SwarmObject的子類。如果程序員需要?jiǎng)?chuàng)建幾種不同的類，并不需要重新編寫每一個(gè)類的。子類可以自動(dòng)擁有父類的所有變量和方法，同時(shí)還可以增加新的方法和變量。

22、已知有一個(gè)名為Store的類，擁有方法takeMoney，創(chuàng)建Store類的子類GroceryStore。那么類GroceryStore的所有實(shí)例都會(huì)對(duì)takeMoney響應(yīng)。如果程序設(shè)計(jì)者想重寫GroceryStore的方法takeMoney，那么需要修訂子類內(nèi)的相關(guān)代碼，這樣，類GroceryStore的所有實(shí)例都將以新的特殊方式對(duì)takeMoney作出反應(yīng)。在子類GroceryStore中的方法將重載超類中對(duì)該方法的定義。2.4 離散事件仿真基于Swarm的仿真是以離散步驟持續(xù)的。對(duì)象被創(chuàng)建出來，然后根據(jù)某種調(diào)度機(jī)制進(jìn)行交互。在仿真運(yùn)行的過程中，主體更新實(shí)例變量的值，并可能被要求向仿真的

23、ObserverSwarm層匯報(bào)自己的狀態(tài)。所以，Swarm中的建模過程與使用非面向?qū)ο笳Z言如Fortran或Pascal的仿真建模具有很大的不同。這些所謂的過程式語言不允許建模者通過繼承復(fù)用類或通過封裝保護(hù)數(shù)據(jù)。下面是用過程語言編寫的仿真樣例：過程語言編寫的仿真樣例 偽代碼1. 獲得參數(shù)2. 初始化 一般是設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及對(duì)輸出的支持。3. for 1 to 時(shí)間步驟總數(shù) do :a. for 1 to 主體總數(shù) do :主體i進(jìn)行某些活動(dòng) 這里必須提供保存主體狀態(tài)和實(shí)行行為的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。b. 呈現(xiàn)狀態(tài) 輸出的實(shí)現(xiàn)通常留給程序設(shè)計(jì)者自己。4. 退出第三章 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)詳論3.1 Swarm

24、及其多語言支持Swarm不是一個(gè)拿來使用的應(yīng)用程序。Swarm是一系列可以從中選取特性的庫。3.1.1 Objective C一直以來，使用Swarm特性的方法是用Objective C來編寫和編譯程序。用Objective C編寫的模型都具有良好得性能，因?yàn)樗鞘褂帽镜鼗木哂写a優(yōu)化功能編譯器即GCC編譯的。Obective C是Brad Cox設(shè)計(jì)的NeXT，1993，目的是為C語言提供一種優(yōu)雅、面向?qū)ο蟮木哂蠸malltalk語言Goldberg & Robson，1989風(fēng)格的擴(kuò)展。Objective C最主要是用于NeXT計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前這種系統(tǒng)由Apple公司所

25、擁有，并且是Apple的運(yùn)行時(shí)環(huán)境WebObjects的基礎(chǔ)。3.1.2 Java從Swarm 2.0開始，建模者可以使用Java。Java由Sun Microsystems公司所創(chuàng)建，開始的目的是為嵌入式設(shè)備（如數(shù)字電視的機(jī)頂盒）提供與平臺(tái)無關(guān)的層或接口，原先被稱為Oak。1992年以后隨著WWW的發(fā)展，Oak被重新命名為Java，目標(biāo)也調(diào)整為Web市場(chǎng)?！癢rite once, run anywhere”是Java開始者們的座右銘，其思想是在程序設(shè)計(jì)者和內(nèi)部的芯片體系結(jié)構(gòu)（ix86，Sparc，Alpha）之間增加一個(gè)抽象層，叫做虛擬機(jī)（或解釋器）。Swarm（實(shí)際上，Swarm還可以擴(kuò)展

26、到如Scheme或C+這樣的語言）的Java層將Swarm庫的協(xié)議（protocol）映射為Java接口（interface）。備注：想要了解將Swarm與其他語言和仿真技術(shù)如XML和Scheme集成在一起的最新工作進(jìn)展，參看論文“Integrating Simulation Technologies With Swarm”Daniels，1999。3.1.3 為什么用Objective C編寫Swarm？Objective C并非一種主流程序設(shè)計(jì)語言，因此很自然地要問為什么選擇Objective C來實(shí)現(xiàn)Swarm。原因如下：l Objective C易于學(xué)習(xí)。Objective C在大家都

27、很熟悉的C語言的基礎(chǔ)上增加了一些簡(jiǎn)單的特性。Objective C不允許類重載或者多繼承（雖然使用協(xié)議可以間接達(dá)到這一目的）。l Objective C允許運(yùn)行時(shí)綁定。其他的語言，在程序被編譯的時(shí)候檢查所接受的命令與程序的功能是否匹配；Objective C則將這種檢查推遲到程序運(yùn)行時(shí)。這意味著，例如，可以編寫這樣的程序：首先創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象列表，然后給每個(gè)對(duì)象都發(fā)送一條消息。在Objective C中，編譯器不會(huì)理會(huì)列表中對(duì)象的類型。這樣處理的好處是，無需知道命令接收者的詳細(xì)情況，就可以在代碼加入要求接受者執(zhí)行的命令，如此得到的代碼，允許環(huán)境和對(duì)象集合變化和演化。不利之處在于如果對(duì)象接收到消息后

28、要執(zhí)行自己沒有的方法，程序會(huì)崩潰。由于Swarm被組織成協(xié)議的形式，這減少了程序崩潰的可能性，因?yàn)榫幾g器在檢查的時(shí)候發(fā)現(xiàn)聲明某個(gè)協(xié)議的類中并沒有實(shí)現(xiàn)指定的方法，會(huì)提出警告。3.2 Objective C基礎(chǔ)3.2.1 變量類型idObjective C中增加的變量類型是id，這是Objective C中對(duì)象的缺省類型。可將之視為一種特殊的變量類型（實(shí)際上是指向一個(gè)特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象的指針）。所有的對(duì)象都可以用標(biāo)識(shí)self代表自己。如果在代碼中定義了某個(gè)對(duì)象，程序設(shè)計(jì)者想要該對(duì)象執(zhí)行某種方法，標(biāo)識(shí)self就顯得很有必要。例如，假定某個(gè)對(duì)象有一個(gè)名為updateRecords的方法，則當(dāng)接收到命令s

29、elf updateRecords;時(shí)，updateRecords命令將被執(zhí)行，從而更新了所有的實(shí)例變量。所有的對(duì)象都可以通過super引用自己的超類。例如：super updateRecords3.2.2 接口文件：類的聲明查看有Objective C代碼的目錄就會(huì)發(fā)現(xiàn)，文件總是成對(duì)出現(xiàn)的，如ObserverSwarm.h和ObserverSwarm.m，ModelSwarm.h和ModelSwarm.m等。以“h”為擴(kuò)展名的文件是接口文件（通常被稱為頭文件），以“m”為擴(kuò)展名的文件是實(shí)現(xiàn)文件。圖3.1 Objective C基礎(chǔ)如圖3.1所示，接口聲明了類的名字和超類的名字，然后給出了包含

30、在大括號(hào)內(nèi)的變量列表，然后是該類實(shí)現(xiàn)的方法列表。定義的變量可以在方法中使用（這經(jīng)常被叫做“ivars”，即實(shí)例變量的簡(jiǎn)寫）。樣例3-1 Objective C類(1)interface Bug (2) : SwarmObject (3)int xPos, yPos;int worldXSize, worldYSize; (4)int foodSpace;- set X: (int) x Y: (int) y; (5)- step; (6)- (return_type) look : (direction_type) d; (7)end在上面的代碼中，(1) 實(shí)例變量和方法的聲明(2) 子類(3

31、) 超類(4) 實(shí)例變量(5) 聲明方法set，有兩個(gè)參數(shù)(6) 聲明方法step(7) 聲明方法look，有一個(gè)類型為direction_type的參數(shù)，返回值類型為return_type3.2.3 實(shí)現(xiàn)文件：定義一個(gè)類每一個(gè)實(shí)現(xiàn)文件都必須輸入對(duì)應(yīng)的頭文件。以上面定義的頭文件Bug.h為例，對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)文件大體如下所示：#import "Bug.h"implementation Bug- set X: (int) x Y: (int) yxPos = x;yPos = y;return self;- step/bodyreturn self;- (return_type)

32、look : (direction_type) dreturn_type returnval;/body of methodreturn returnval;以上的樣例代碼演示了很多重要的特性。首先，注意方法look指定了返回類型為（return_type）。在本例中，return_type應(yīng)該被某種變量類型所取代，如int，float等。當(dāng)方法look被調(diào)用時(shí)，調(diào)用方法的代碼必須能夠接收所返回類型的變量。與之相比，方法step沒有指定返回類型。這意味著將返回缺省類型id。調(diào)用該方法的代碼必須與返回類型一致。命令return self一般用于兩種情況。假定方法的目的不是產(chǎn)生某些輸出而是修改某些

33、實(shí)例變量。例如，假設(shè)某個(gè)程序創(chuàng)建了類Bug的實(shí)例aBug。然后發(fā)送了如下的消息：aBug step此時(shí)，調(diào)用方法的代碼不應(yīng)該預(yù)期從代碼中返回任何東西。不像在C語言中一般返回void，程序員可以返回self。在另外一種情況，程序員可能確實(shí)想要返回對(duì)象到一個(gè)列表或另外一個(gè)對(duì)象中，此時(shí)也要返回self。例如下面的代碼：collectBugs addLast: aBug look: aDirection ;3.2.4 C函數(shù) vs. Objective C方法由于Objective C是C語言的超集，因此Objective C方法可以包含任何合法的C命令。一種方法可以返回C函數(shù)可以返回的任何類型，此外

34、，方法還可以返回id（嚴(yán)格地說，是對(duì)象的指針）。在Objective C中方法具有如下的結(jié)構(gòu)：- (type) name: (type) arg1 argName2: (type) arg2(body)return returnval;與之相比，C函數(shù)一般如下所示：(type) name ( (type) arg1, (type) arg2) )(body)return returnval;看下面的比較代碼：代碼樣例3_2 C vs Objective CCObjective Cvoid rnd_move(int i) int tmp_loc; do - rand_move: p id loc

35、; do loc = self tmp_loc = get_rand_loc(); getRandLoc; while ( world at: loc!=nil); pwhile (valtmp_loc!=0) ; va;locationi=0;moveTo: loc; return self; valtmp_loc=i;3.3 Java基礎(chǔ)Objective C和Java之間的最主要區(qū)別是Java并不類分成“聲明”（頭文件）和“實(shí)現(xiàn)”（實(shí)現(xiàn)文件）兩部分。一個(gè)Java類的所有信息都包含在同一個(gè).java文件中。下面的Java代碼等同于樣例3-1中的Objective C代碼。樣例3_3 Jav

36、a類(1)public class Bug(2) extends SwarmObject(3)int xPos, yPos;int worldXsize, worldYSize;(4)FoodSpace foodSpace;public Object setX$Y (int x,int y) (5)xPos = x;yPos = y;return this;public Object step()(6)/ body of step() codereturn this;public return_type look(direction_type d) (7)return_type returnv

37、al;/ body of look() codereturn returnval;(1) 完整的類定義(2) 子類(3) 超類(4) 實(shí)例變量(5) 聲明方法setX$Y()，有兩個(gè)參數(shù)(6) 聲明方法step()，無參數(shù)(7) 聲明方法look()，有一個(gè)類型為direction_type的參數(shù)，返回值類型為return_type注意在Java中并沒有id這種類型或其他一般的數(shù)據(jù)類型。所有的變量都必須被分配一種類型，在上例中，實(shí)例變量foodSpace被聲明為FoodSpace。這是由于Java語言是強(qiáng)類型語言。編譯器會(huì)檢查所有變量的所有類型，以確保所有的接收代碼能夠?qū)Φ玫降南⑦M(jìn)行響應(yīng)。除

38、此之外，Objective C和Java代碼之間的最主要區(qū)別純粹是因?yàn)檎Z法的不同。例如，l 在Objective C中，方法名字和參數(shù)是散布的；在Java中完整的方法名字必須列在參數(shù)之前。l 在Java中，使用this而不是self（super在兩種語言中的含義和語法都是相同的）。3.4 類的實(shí)例化實(shí)現(xiàn)類的代碼（也就是Objective C的.h和.m文件，Java的.java文件）后，還要做的工作就是創(chuàng)建類的實(shí)例。3.4.1 實(shí)例化：Objective C風(fēng)格仿真中的角色對(duì)象通常是SwarmObject類的子類。通常使用一對(duì)命令來創(chuàng)建對(duì)象：createBegin和createEnd，這不屬于

39、Objective C語法，是Swarm特有的。假定已經(jīng)存在Bug.h和Bug.m，現(xiàn)在想創(chuàng)建類的實(shí)例。在文件ModelSwarm.m中，建立一個(gè)典型的方法buildObjects，在其中完成所有的對(duì)象創(chuàng)建。例如：/ 摘自ModelSwarm.m，創(chuàng)建Bug的實(shí)例#import "Bug.h"/ 其它的輸入和代碼- buildObjectsid aBug;bug = Bug createBegin: self;/ 設(shè)置主體的永久特性的代碼bug = Bug createEnd;類工廠對(duì)象Bug被告知在ModelSwarm提供的內(nèi)存區(qū)中創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象（ModelSwarm就是s

40、elf）。然后對(duì)象aBug被創(chuàng)建，可選的屬性被加入。在后面的部分將深入討論上述細(xì)節(jié)（也可參考附錄B）。創(chuàng)建對(duì)象的實(shí)例不一定要用createBegin/createEnd對(duì)，可以簡(jiǎn)單地處理為：aBug = Bug crate: self在基于老版本的Swarm的代碼中，語法有所不同：aBug = Bug create: self getZone;在Objective C中，這種用法仍然是有效的，但是不鼓勵(lì)這么做。由于現(xiàn)在屬于Swarm類型的對(duì)象，跟ModelSwarm一樣，都是內(nèi)存區(qū)域，因此無需再申請(qǐng)一個(gè)放置Bug對(duì)象的區(qū)域了。3.4.2 實(shí)例化：Java風(fēng)格Java使用構(gòu)造函數(shù)來創(chuàng)建類的實(shí)例。

41、創(chuàng)建Java對(duì)象Bug的最簡(jiǎn)單方法如下所示：aBug = Bug (this.getZone();這等價(jià)于前面所述的Objective C樣例。Objective CJavaaBug = Bug create: self getZone;aBug = Bug (this.getZone();注意在Objective C需要明確指出的create:方法在Java中是隱含的。備注：在Java中仍然可能使用create和createBegin/createEnd這種模式，但由于Java是強(qiáng)類型的語言，因而需要更多的工作才能使用上述模式。詳細(xì)情況將在后續(xù)版本的指南中討論。3.5 簡(jiǎn)要的澄清：Objec

42、tive C中的類和協(xié)議讀者需要仔細(xì)研究的一點(diǎn)，是Objective C允許創(chuàng)建叫做協(xié)議的實(shí)體。協(xié)議，是一個(gè)對(duì)象可以執(zhí)行的方法列表。Swarm的結(jié)構(gòu)由協(xié)議組成，因此在Swarm的參考材料中，將庫看作是類的集合，每一個(gè)類又與給定的協(xié)議集保持一致。對(duì)Swarm用戶來說，很多情況下都不必區(qū)分類和協(xié)議。最重要的Swarm協(xié)議，如類型Swarm（來自objectbase/Swarm.h）或Swarmobject（來自objectbase/SwarmObject.h），可以將之當(dāng)作類一樣的使用。在Swarm的參考指南中，有所有的協(xié)議的列表。采用CREATABLE協(xié)議的協(xié)議，可以將之視為類工廠對(duì)象。例如，E

43、ZGraph協(xié)議采用了CREATABLE協(xié)議，因此當(dāng)用戶要?jiǎng)?chuàng)建該協(xié)議的實(shí)例時(shí)，就可以直接使用。這樣，observer swarm文件就可以用EZGraph創(chuàng)建圖。幾乎所有的Swarm協(xié)議都采用了CREATABLE協(xié)議，因此可以將之視為類一樣的使用。例如協(xié)議SwarmObject，采用的協(xié)議包括Create，Drop和CREATABLE。這意味著SwarmObject可以被視為一個(gè)類，SwarmObject將響應(yīng)createBegin消息，SwarmObject創(chuàng)建的實(shí)例對(duì)象將能響應(yīng)createEnd，drop以及協(xié)議中列出的其他方法。使用協(xié)議的一個(gè)原則性好處是在編譯的過程中，如果用戶代碼試圖向

44、對(duì)象發(fā)送非法的消息，編譯器將發(fā)揮警告信息。例如，有消息通知對(duì)象執(zhí)行方法goOutside，但是主體所采用的所有協(xié)議中都沒有該方法，此時(shí)編譯器將對(duì)此給出警告。粗略地說，采用協(xié)議就好比廣而告之了某個(gè)類所能完成的功能，隨后編譯器確保了個(gè)中的“誠(chéng)信”。如果編譯的標(biāo)志中包含-WERROR，也就是將警告視為錯(cuò)誤，那么出現(xiàn)的警告信息將停止編譯過程。事實(shí)上，Swarm庫的很多重要部件都組織為協(xié)議，但是早期版本的Swarm不如當(dāng)前版本在這方面那么突出。由于協(xié)議的引入，使用約定發(fā)生了改變。在Swarm中，有一個(gè)可用于創(chuàng)建集合的類List。使用老版本的Swarm，程序設(shè)計(jì)者可以創(chuàng)建屬于List類的靜態(tài)類型對(duì)象，如下

45、的代碼所示：List * listofPuppies;lisofPuppies = List create: self getZone;Swarm已經(jīng)不允許用戶采用上述方式靜態(tài)的定位對(duì)象。這樣的代碼將使得編譯器崩潰，因?yàn)樵赟warm中沒有名為L(zhǎng)ist的類，只有上述命名的協(xié)議。從Swarm參考指南中我們知道協(xié)議List采用了CREATABLE協(xié)議，因此錯(cuò)誤不是由于使用List創(chuàng)建listOfPuppies引起的。實(shí)際上，錯(cuò)誤源自listOfPuppies的聲明本身。如果需要定義的變量listOfPuppies由List類項(xiàng)目組成，推薦的方法是創(chuàng)建一個(gè)類型為id的變量，然后用尖括號(hào)指明對(duì)象所采用的

46、協(xié)議：id <List> listOfPuppies;listOfPuppies=List create: self getZone;將listOfPuppies定義為為一般對(duì)象也是合法的：id <List> listOfPuppies;listOfPuppies=List create: self getZone;這種用法是合法的，編譯也不會(huì)存在任何問題。唯一的缺點(diǎn)是如果往listOfPuppies中的對(duì)象發(fā)送了任何不正確的消息都不會(huì)得到警告。由于幾乎所有的Swarm庫重要功能都以協(xié)議的形式實(shí)現(xiàn)并且采用了CREATABLE，因此了解上述細(xì)節(jié)就顯得尤其重要。但是，這并沒

47、有對(duì)程序設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行大的改變。Swarm的實(shí)體仍然可以被視為類。第四章 Swarm的開發(fā)思想如前所述，設(shè)計(jì)Swarm的目的是創(chuàng)建層次化的計(jì)算機(jī)對(duì)象。首先，observer類的swarm被創(chuàng)建，從而創(chuàng)建了用戶接口并實(shí)例化model類swarrn，后者創(chuàng)建了后續(xù)層次的對(duì)象，并對(duì)主體的活動(dòng)進(jìn)行調(diào)度。Swarm項(xiàng)目的初始目的之一就是幫助用戶方便地創(chuàng)建高質(zhì)量的代碼。Swarm庫提供了一系列的類：創(chuàng)建仿真對(duì)象，管理內(nèi)存以及調(diào)度主體的活動(dòng)。4.1 主要主體和輔助主體由于計(jì)算機(jī)程序員使用“主體”的方式與科學(xué)家不一樣，因此需要對(duì)術(shù)語的含義進(jìn)行澄清。對(duì)于科學(xué)家來說，主體是指仿真中被建模的具有重要理論意義的實(shí)體；

48、對(duì)于程序員來說，主體的用法就比較廣泛了，有時(shí)候含義等同于對(duì)象。這樣，在對(duì)“基于主體建?！钡挠懻撝杏袝r(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)位的現(xiàn)象，因此大家對(duì)術(shù)語“主體”的理解不一樣。為此，我們定義類兩類主體：主要主體和輔助主體，以有利于進(jìn)行相關(guān)的討論。所謂的主要主體是指研究中首先要建模的東西，在理論中得到了描述，并具有實(shí)在的重要性。通常在這個(gè)意義上，可以對(duì)重要的“角色”以及角色之間在其中進(jìn)行交互的世界進(jìn)行表示。讓很多新手感到驚訝的是，為了方便主要主體的工作，還需要?jiǎng)?chuàng)建輔助主體。例如，在一個(gè)遵守多數(shù)票當(dāng)選的選舉模型中，可以有像投票者和候選人這樣的主要主體，還可能需要名為計(jì)票員的輔助主體，以便對(duì)選票進(jìn)行計(jì)數(shù)。在大多數(shù)情況下，

49、我們提到多主體系統(tǒng)時(shí)，是指主要主體。4.2 （Swarm）面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方式在Swarm中，ObserverSwarm和ModelSwarm的設(shè)計(jì)方式大致一樣。在大多數(shù)類中都會(huì)出現(xiàn)的方法，包括：Objective C Java- createBegin; - createEnd; - buildObjects;createBegin(); createEnd(); buildObjects();- buildActions; -activateIn;buildActions(); activateIn();此外還有涉及對(duì)象的信息的輸入/輸出的方法。習(xí)慣上，這些方法的名字都有前綴get或set

50、。例如：Objective C Java-setParameterValue: (int) value; - (int)Object setParameterValue (int value); intgetParameterValue;getParameterValue();方法setParameterValue能夠?qū)?duì)象的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行賦值；而getParameterValue則使得主體匯報(bào)自己的參數(shù)值。除此之外，還應(yīng)該有針對(duì)于研究問題本質(zhì)的方法。ModelSwarm對(duì)象通常直接子類化于Swarm，是負(fù)責(zé)創(chuàng)建主體的主要對(duì)象，還給主體提供了內(nèi)存區(qū)域，嗯并能對(duì)主體的活動(dòng)進(jìn)行調(diào)度。4.3 Swar

51、m中的內(nèi)存管理在任何仿真項(xiàng)目中，內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放都是必需的特性，也是軟件設(shè)計(jì)中最容易出問題的地方。Swarm在內(nèi)存管理方面性能比較卓越，提供了對(duì)用戶透明的相關(guān)庫。在Swarm中，對(duì)象的創(chuàng)建和銷毀涉及一個(gè)概念是內(nèi)存區(qū)域，申請(qǐng)內(nèi)存的“臟活”由庫來處理。在下一部分中，我們將討論對(duì)象的創(chuàng)建方式以及對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域的占用。當(dāng)不再需要這些對(duì)象時(shí)，程序可以對(duì)對(duì)象發(fā)送drop消息，將之從內(nèi)存中卸載。4.4 buildObjects方法中要做些什么？用戶只須查看幾個(gè)Swarm樣例程序，就會(huì)清楚地發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建對(duì)象的重要性。在buildObjects方法中，人們可以發(fā)現(xiàn)不僅有創(chuàng)建在當(dāng)前類中使用的對(duì)象的命令，還有指示下一層主體

52、創(chuàng)建其對(duì)象的命令。以Arborgames模型為例，在其ObserverSwarm的buildObjects方法中，首先是很多用于創(chuàng)建圖形顯示對(duì)象的命令，接著是創(chuàng)建仿真控制面板的命令，仿真控制面板呈現(xiàn)在屏幕上，為用戶提供了開始和停止仿真的能力。需要特別指出的是，在ObserverSwarm的buildObjects方法還觸發(fā)了下一層主體的創(chuàng)建創(chuàng)建了一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，并在區(qū)域中創(chuàng)建了一個(gè)ModelSwarm。代碼的樣子大體如下：Objective C JavaforestModelSwarm = ForestModelSwarm create: self;forestModelSwarm = Fore

53、stModelSwarm forestModelSwarm buildObjects;( this.getZone () );forestModelSwarm.buildObjects();在Objective C中，用戶可以發(fā)現(xiàn)舊風(fēng)格的代碼，沒有考慮ObserverSwarm本身就是一個(gè)內(nèi)存區(qū)域的事實(shí)。modelZone = Zone create: self getZone;forestModelSwarm = ForestModelSwarm create: modelZone;forestModelSwarm buildObjects;注意上述代碼最后一行的重要性。第一行代碼創(chuàng)建了Mo

54、delSwarm對(duì)象（即forestModelSwarm），最后一行代碼則通知forestModelSwarm執(zhí)行其buildObjects方法。4.5 在buildActions方法中要做些什么？在標(biāo)準(zhǔn)情況下，buildActions有兩個(gè)重要的部件，創(chuàng)建了兩類對(duì)象：l ActionGroup：“刺激”事件序列l(wèi) Schedule：決定了如何執(zhí)行在ActionGroup中的事件在Arborgames模型的buildActions方法中，有很多有趣的例子。例如，在ObserverSwarm中，有刷新圖形顯示的命令，也有命令指示下一級(jí)的主體執(zhí)行其自己的buildActions方法。在ModelS

55、warm的buildActions中，通常可以發(fā)現(xiàn)仿真的本質(zhì)性動(dòng)作。通知主體或系列主體執(zhí)行各自方法的命令被放在ActionGroup類對(duì)象中，這意味著只要重復(fù)動(dòng)作組，這些命令就會(huì)被重復(fù)執(zhí)行。這種重復(fù)是由創(chuàng)建調(diào)度以及指定重復(fù)次數(shù)的命令控制的。4.6 調(diào)度的合并如上所提到的，在很多不同的類中都可以有buildActions方法。由于在每一個(gè)buildActions方法中都可以創(chuàng)建動(dòng)作組和調(diào)度，因此如何以一種合乎邏輯的方式協(xié)調(diào)這些活動(dòng)就顯得尤為重要。Swarm的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是維護(hù)了一個(gè)一致的主調(diào)度。每一個(gè)子swarm的調(diào)度都被合并到高一層的調(diào)度中。最后所有的調(diào)度都被合并到最頂層的Swarm。當(dāng)每一層swarm的activateIn方法被調(diào)用時(shí)，活動(dòng)的同步是由Swarm Activity庫管理的。調(diào)度的多級(jí)合并意味著模型實(shí)際上可以被視為多級(jí)模型的嵌套。圖4-1 swarm的嵌套體系結(jié)構(gòu)將Swarm視為一個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)圖4-2 Swarm虛擬計(jì)算機(jī)在更抽象的層次上講，Swarm庫可以被看作是在操作系統(tǒng)內(nèi)核之上的一層。這種觀點(diǎn)在