In der Welt der Programmiersprachen nimmt Ada seit vielen Jahren eine besondere Stellung ein, vor allem aufgrund seiner starken Typisierung, Zuverlässigkeit und Eignung für sicherheitskritische Anwendungen. Eine der fortschrittlichen Erweiterungen, die Ada bietet, sind sogenannte mutably tagged types mit dem Size'Class-Aspekt. Diese Erweiterung ermöglicht eine präzise Steuerung der Speichergröße von getaggten Typen und ihrer Abkömmlinge, was wiederum für Entwickler neue Möglichkeiten in der flexible Speicherverwaltung und Typbehandlung eröffnet. Zunächst ist es wichtig, die Ausgangslage zu verstehen: Getaggte Typen bilden in Ada die Basis für polymorphes Verhalten. Sie erlauben es, Objekte zu definieren, die mehrere „Formen“ annehmen können, indem sie Vererbung und Laufzeit-Typidentifikation unterstützen.
Dabei wird zu jedem Objekt ein „Tag“ mitgeführt, der seinen konkreten Typ beschreibt. In der normalen Ada-Version ist dieser Tag unveränderlich, sobald das Objekt erstellt wurde. Der Size'Class-Aspekt stellt eine Einschränkung der Speicherkapazität dar, die ein getaggter Typ und seine Nachfahren maximal einnehmen dürfen. Indem man einen Size'Class-Wert angibt, definiert man eine Obergrenze in Bits – beispielsweise 128 Bits für ein bestimmtes Basistypen-Tag. Diese Begrenzung führt dazu, dass jede abgeleitete Variante in ihren Speicheranforderungen innerhalb dieses Limits bleiben muss, ansonsten wird ein Fehler seitens des Compilers ausgelöst.
So wird sichergestellt, dass alle Objekte eines Klassenverbands eine einheitliche, vorhersehbare Größe aufweisen. Ein wirklich innovatives Element entsteht, wenn die Kombination aus mutably tagged types und dem Size'Class-Aspekt genutzt wird. Die Bezeichnung „mutably tagged“ bedeutet, dass die Tags von Objekten im Lauf der Programmausführung verändert werden können – was für polymorphe Objekte eine erhebliche Flexibilität bietet. Im Gegensatz zu herkömmlichen getaggten Typen, bei denen die Laufzeit-Identität eines Objekts konstant bleibt, erlaubt mutably tagged es, den Typ „on the fly“ zu wechseln, sofern die zugrunde liegende Speichergröße noch eingehalten wird. Ein Beispiel verdeutlicht dies: Angenommen, es existiert ein Basistyp mit einer Size'Class-Beschränkung von 128 Bits (also 16 Bytes).
Jede abgeleitete Struktur, die diese Grenze überschreitet, fällt durch die Kompilierzeit-Prüfung. Diese Restriktion sorgt dafür, dass die klasseweite Variable des Basistyps (Base'Class) einheitlich 128 Bits belegt, was wiederum den Umgang mit Arrays oder anderen zusammengesetzten Datentypen erleichtert. Darüber hinaus definiert Ada bei mutably tagged types eine Reihe von Anforderungen und Einschränkungen, um Fehler und inkonsistente Zustände auszuschließen. So müssen alle abgeleiteten Typen einer solchen Klasse "undiskriminiert" sein, das heißt, sie dürfen keine Selbstauswahlfelder (Discriminants) besitzen, deren Werte zur Laufzeit festgelegt werden. Diese Regel verhindert Unsicherheiten bei der Speicherstruktur.
Zusätzlich sind composite Subkomponenten mit dynamischen Untertyp-Einschränkungen verboten, ebenso wie das Erben von Interfaces, was die Komplexität der Typvererbung begrenzt und die Konsistenz des Speichermodells wahrt. Nicht minder wichtig sind die Einschränkungen hinsichtlich ihrer Zugänglichkeit: Ein Typ darf nicht über ein statisch tieferes Zugriffslevel verfügen als der Basistyp. Diese Regel soll verhindern, dass bestimmte Objekte nicht ordnungsgemäß initialisiert oder behandelt werden können, wenn ihnen ungültige Sichtbarkeits- oder Zugriffsbeschränkungen auferlegt werden. Bezüglich der Initialisierung ist hervorzuheben, dass mutably tagged types als „definit“ eingestuft werden. Das bedeutet, dass Objekte dieser Typen unmittelbar nach der Deklaration einen gültigen Zustand besitzen müssen; die Standard-Initialisierung folgt der spezifischen Struktur, ist aber in Fällen abstrakter Basistypen fehlerhaft – hier wird ein Laufzeit-Error ausgelöst, was den Entwickler vor unsicheren Zuständen schützt.
Ein wesentlicher Vorteil mutably tagged types ergibt sich bei Zuweisungen. Während bei normalen getaggten Typen die Laufzeit garantiert, dass beim Zuweisen der Quell- und Ziel-Tags übereinstimmen, entfällt dies für mutably tagged types. Durch diese Lockerung kann die Tag des Zielobjekts bei einer Zuweisung einfach auf den Quelltag gesetzt werden. Insbesondere bei komplexen Strukturen mit vielen Unterfeldern findet somit ein tiefgehendes Tag-Copying statt, was eine dynamische Typänderung der Objekte ohne aufwändige Typprüfungen erlaubt. Doch diese Dynamik besitzt auch ihre Grenzen: Für Objekte, die als „tag-constrained“ gelten – also beispielsweise Konstanten, oder Objekte, bei denen die Klasse nicht veränderbar sein soll – bleibt die Typkonstanz erhalten.
Deswegen bietet Ada mit dem Attribut Constrained eine einfache Möglichkeit, den Modus eines mutably tagged Objekts zur Laufzeit auszulesen. Dies erlaubt differenzierte Programmflusssteuerungen und trägt zur Sicherheit und Performance bei. Eine weitere Besonderheit der mutably tagged types mit Size'Class liegt im Bereich der Typumwandlungen (Type Conversions) und der Sichtbarkeitsregeln. So verbietet Ada etwa das Umbenennen (Renaming) im Zusammenhang mit solchen Typumwandlungen, wenn die jeweiligen Klassenhierarchien nicht zueinander passen. Auch ist die Verwendung von Ansichten (Views) bestimmter Objekte bei Funktionsaufrufen eingeschränkt, um gefährliche Seiteneffekte während der Laufzeit zu vermeiden.
Bei den Zugriffsarten, insbesondere bei generellen Zugriffstypen (general access types), gilt die Regel, dass sowohl Quell- als auch Zieltyp entweder beide mutably tagged sein müssen oder beide nicht, um die Integrität der Typen zu wahren und unerwartete Verhalten zu vermeiden. Ausführungskonsequenzen für Entwickler ergeben sich zudem bei der Benutzung von Subkomponenten. Wenn ein Objekt während der Ausführung seinen Tag ändert, darf kein vorher unter diesem Objekt gespeicherter Verweis oder Name verwendet werden. Dies schützt vor Inkonsistenzen und unerwartetem Verhalten bei polymorphen Operationen. Für die Parameterübergabe in Prozeduren und Funktionen stellt Ada sicher, dass, wenn der formale Parameter ein spezifischer getaggter Typ ist, die Ausführung fehlerhaft wird, falls das übergebene Argument während der Existenzdauer des formalen Parameters seinen Tag ändert.
Dies sichert den Typzustand innerhalb aufrufenbasierter Umgebungen. Zusammenfassend bieten mutably tagged types mit dem Size'Class-Aspekt in Ada eine leistungsfähige Erweiterung für typensichere und gleichzeitig flexible Speicherverwaltung und polymorphes Verhalten. Die Möglichkeit, restriktive Größenbeschränkungen durchzusetzen und gleichzeitig die Tags von Objekten dynamisch zu verändern, macht diese Technik besonders geeignet für Speicher-kritische und adaptive Systeme. Gleichzeitig sind die definierten Regeln und Einschränkungen so konzipiert, dass sie eine hohe Sicherheit und Vorhersagbarkeit gewährleisten, was für die Entwicklung von robusten und wartbaren Softwarekomponenten essentiell ist. Im Zuge der immer weiter steigenden Anforderungen an Softwaresysteme, vor allem in den Bereichen Echtzeit, Sicherheit und eingebettete Systeme, stellen mutably tagged types mit Size'Class-Aspekt ein Mittel dar, um moderne Programmierparadigmen mit strengem Ressourcenmanagement zu vereinen.
