Язык С++ позволяет создавать типы данных, которые ведут себя аналогично базовым типам языка Си. Такие типы обычно называют абстрактными типами данных
(АТД).
Для реализации АТД в языке Си используются структуры. Но использование данных структурного типа значительно ограничено по сравнению с использованием базовых типов данных. Например, структурные данные нельзя использовать как операнды в различных операциях (сложение, вычитание). Для манипуляции с подобными данными надо писать набор функций, выполняющих различные действия, и вместо операций вызывать эти функции.
Кроме того, элементы структуры никак не защищены от случайной модификации. То есть любая функция (даже не из набора средств манипуляции структурными данными) может обратиться к элементу структуры. Это противоречит одному из основных принципов объектно-ориентированного программирования - инкапсуляции данных: никакие другие функции, кроме специальных функций манипуляции этим типом данных, не должны иметь доступ к элементам данных.
Рассмотрим реализацию понятия даты с использованием struct
для того, чтобы определить представление даты date
и множества функций для работы с переменными этого типа:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
#include
struct
date
{
int
month; // месяц
int
day; // день
int
year; // год
};
void
set_date(date* f, int
d, int
m, int
y)
{
f->day = d;
f->month = m;
f->year = y;
}
void
print_date(date* f)
{
printf("%d.%d.%d"
, f->day, f->month, f->year);
}
int
main()
{
date today;
set_date(&today, 2, 4, 2014);
print_date(&today);
getchar();
return
0;
}
Никакой явной связи между функциями и типом данных в этом примере нет. Для вызова любой из описанных функций требуется в качестве аргумента передать указатель на экземпляр структуры.
Такую связь можно установить, описав функции как члены структуры. Эти функции могут действовать на данные, содержащие в самой структуре.
По умолчанию при объявлении структуры ее данные и функции являются общими, то есть у объектов типа структура нет ни инкапсуляции, ни защиты данных:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
#include
struct
date
{
int
month; // месяц
int
day; // день
int
year; // год
void
set_date(int
d, int
m, int
y)
{
day = d; month = m; year = y;
}
void
print_date(void
);
};
void
date::print_date(void
)
{
printf("%d.%d.%d"
, day, month, year);
}
int
main()
{
date today;
today.set_date(2, 4, 2014);
today.print_date();
getchar();
return
0;
}
Функции, описанные в теле абстрактного типа данных, представляют собой функции-члены или методы и могут вызываться только для специальной переменной соответствующего типа с использованием стандартного синтаксиса для доступа к данным-членам или полям структуры.
Определение функций-членов может осуществляться двумя способами:
Функции-члены, которые определены внутри структуры, являются неявно встроенными (). Как правило, только короткие, часто используемые функции-члены, должны определяться внутри структуры: void
set(int
m, int
d, int
y) {month = m; day = d; year = y;};
void
date::print_date(void
)
{ printf("%d.%d.%d"
,day, month, year);}
В функции-члене имена членов могут использоваться без явной ссылки на объект. В этом случае имя относится к члену того объекта, для которого функция была вызвана.
Функции-члены, одной и той же структуры могут быть полиморфными, то есть перегруженными.
Концепция структуры в языке С++ (в отличие от Си) позволяет членам структуры быть общими, частными или защищенными:
Использование ключевого слова protected связано с понятием наследования .
Использование ключевого слова private
ограничивает доступ к членам, которые следуют за этой конструкцией. Члены private
могут использоваться только несколькими категориями функций, в привилегии которых входит доступ к этим членам. В основном это функции-члены той же структуры.
Ключевое слово public
образует интерфейс к объекту структуры.
Стандартным является размещение член-данных в частной области (private ), а части функций-членов – в общей части (public ) абстрактного типа данных. В этом случае закрытая (private ) часть определяет данные объекта и служебные функции, а функции-члены общей части реализуют методы работы с объектом.
Изменим структуру date так, чтобы скрыть представление данных (инкапсуляция данных):
1
2
3
4
5
6
7
8
struct
date
{
private
:
int
month, day, year;
public
:
void
set(int
, int
, int
);
void
print();
};
Доброго времени суток, хабравчане!
Следующий пост является изложением моих размышлений на тему природы классов и АТД. Эти размышления дополнены интересными цитатами из книг гуру разработки программного обеспечения
Абстракция – это выделение и придание совокупности объектов общих свойств, которые определяют их концепутальные границы и отличают от всех других видов объектов.
Иными словами, абстракция позволяет “пролить свет” на нужные нам данные объектов и, при этом, “затенить” те данные, которые нам не важны.
Итак, что же будет, если слить понятия “тип данных” и “абстракция” воедино? Мы получим тип данных, который предоставляет нам некий набор операций, обеспечивающих поведение объектов этого типа данных, а также этот тип данных будет скрывать те данные, с помощью которых реализовано данное поведение. Отсюда, приходим к понятию АТД:
АТД – это такой тип данных, который скрывает свою внутреннюю реализацию от клиентов.
Удивительно то, что путем применения абстракции АТД позволяет нам не задумываться над низкоуровневыми деталями реализации, а работать с высокоуровневой сущностью реального мира (Стив Макконнелл).
Я считаю, что при разработке АТД сначала нужно определить интерфейс, так как интерфейс не должен зависеть от внутреннего представления данных в АТД. После определения операций, сотставляющих интерфейс, нужно сосредоточиться на данных, которые и будут реализовать заданное поведение АТД. В итоге мы получим некую структуру данных – механизм позволяющий хранить и обрабатывать данные. При этом, прелесть АТД в том, что если нам захочется изменить внутренне представление данных, то нам не придется блуждать по всей программе и менять каждую строку кода, которая зависит от данных, которые мы хотим поменять. АТД инкапсулирует эти данные, что позволяет менять работу объектов этого типа, а не всей программы.
Использование АТД имеет массу преимуществ (все описанные преимущества можно найти в книге Стива Макконнелла «Совершенный код”):
Стив Макконнелл рекомендует представлять в виде АТД низкоуровнеые типы данных, такие как стек или список. Спросите себя, что представляет собой этот список. Если он представляет список сотрудников банка, то и рассматривайте АТД как список сотрудников банка.
Итак, мы разобрались, что такое АТД и назвали преимущества его применения. Теперь стоит отметить, что при разработке классов в ООП следует думать, в первую очередь, об АТД. При этом, как сказал Стив МакКоннелл, Вы программируете не на языке, а с помощью языка. Т.е Вы будете программировать выходя за рамки языка, не ограничиваясь мыслями в терминах массивов или простых типов данных. Вместо этого Вы будете думать на высоком уровне абстракции (например, в терминах электронных таблицах или списков сотрудников). Класс – это не что иное как дополнение и способ реализации концепции АТД. Мы можем даже представить класс в виде формулы:
Класс = АТД + Наследование + Полиморфизм.
Так почему же следут думать об АТД, при разработке классов. Потому что, сперва мы должны решить какие операции будут составлять интерфейс будущего класса, какие данные скрыть, а к каким предоставить открытый доступ. Мы должны подумать об обеспечении высокой информативности интерфейса, легкости оптимизации и проверки кода, а также о том, как бы нам предоставить правильную абстракцию, чтобы можно было думать о сущностях реального мира, а не о низкоуровнеых деталях реализации. Я считаю, что именно после определения АТД мы должны думать о вопросах наследования и полиморфизма.
Стоит отметить, что концепция АТД нашла гирокое применение в ООП, т.к именно эта концепция дополняет ООП и позволяет уменшить сложность программ в быстроменяющемся мире требований к ПО.
Данную статью я писал для того, что бы обратить внимание разработчиков на АТД с целью повышения качества работы и разработки программного обеспечения.
Использованные источники:
Стив Макконнелл – “Совершенный код”;
Роберт Седжвик – «Алгоритмы на Java».
Доброго времени суток, хабравчане!
Следующий пост является изложением моих размышлений на тему природы классов и АТД. Эти размышления дополнены интересными цитатами из книг гуру разработки программного обеспечения
Абстракция – это выделение и придание совокупности объектов общих свойств, которые определяют их концепутальные границы и отличают от всех других видов объектов.
Иными словами, абстракция позволяет “пролить свет” на нужные нам данные объектов и, при этом, “затенить” те данные, которые нам не важны.
Итак, что же будет, если слить понятия “тип данных” и “абстракция” воедино? Мы получим тип данных, который предоставляет нам некий набор операций, обеспечивающих поведение объектов этого типа данных, а также этот тип данных будет скрывать те данные, с помощью которых реализовано данное поведение. Отсюда, приходим к понятию АТД:
АТД – это такой тип данных, который скрывает свою внутреннюю реализацию от клиентов.
Удивительно то, что путем применения абстракции АТД позволяет нам не задумываться над низкоуровневыми деталями реализации, а работать с высокоуровневой сущностью реального мира (Стив Макконнелл).
Я считаю, что при разработке АТД сначала нужно определить интерфейс, так как интерфейс не должен зависеть от внутреннего представления данных в АТД. После определения операций, сотставляющих интерфейс, нужно сосредоточиться на данных, которые и будут реализовать заданное поведение АТД. В итоге мы получим некую структуру данных – механизм позволяющий хранить и обрабатывать данные. При этом, прелесть АТД в том, что если нам захочется изменить внутренне представление данных, то нам не придется блуждать по всей программе и менять каждую строку кода, которая зависит от данных, которые мы хотим поменять. АТД инкапсулирует эти данные, что позволяет менять работу объектов этого типа, а не всей программы.
Использование АТД имеет массу преимуществ (все описанные преимущества можно найти в книге Стива Макконнелла «Совершенный код”):
Стив Макконнелл рекомендует представлять в виде АТД низкоуровнеые типы данных, такие как стек или список. Спросите себя, что представляет собой этот список. Если он представляет список сотрудников банка, то и рассматривайте АТД как список сотрудников банка.
Итак, мы разобрались, что такое АТД и назвали преимущества его применения. Теперь стоит отметить, что при разработке классов в ООП следует думать, в первую очередь, об АТД. При этом, как сказал Стив МакКоннелл, Вы программируете не на языке, а с помощью языка. Т.е Вы будете программировать выходя за рамки языка, не ограничиваясь мыслями в терминах массивов или простых типов данных. Вместо этого Вы будете думать на высоком уровне абстракции (например, в терминах электронных таблицах или списков сотрудников). Класс – это не что иное как дополнение и способ реализации концепции АТД. Мы можем даже представить класс в виде формулы:
Класс = АТД + Наследование + Полиморфизм.
Так почему же следут думать об АТД, при разработке классов. Потому что, сперва мы должны решить какие операции будут составлять интерфейс будущего класса, какие данные скрыть, а к каким предоставить открытый доступ. Мы должны подумать об обеспечении высокой информативности интерфейса, легкости оптимизации и проверки кода, а также о том, как бы нам предоставить правильную абстракцию, чтобы можно было думать о сущностях реального мира, а не о низкоуровнеых деталях реализации. Я считаю, что именно после определения АТД мы должны думать о вопросах наследования и полиморфизма.
Стоит отметить, что концепция АТД нашла гирокое применение в ООП, т.к именно эта концепция дополняет ООП и позволяет уменшить сложность программ в быстроменяющемся мире требований к ПО.
Данную статью я писал для того, что бы обратить внимание разработчиков на АТД с целью повышения качества работы и разработки программного обеспечения.
Использованные источники:
Стив Макконнелл – “Совершенный код”;
Роберт Седжвик – «Алгоритмы на Java».
Все встроенные типы данных, являются абстрактными, хотя так их называют редко.
Абстракция - это суждение или представление о некотором объекте, которое содержит только свойства, являющиеся существенными в данном контексте. Абстракция позволяет объединять экземпляры объектов в группы, внутри которых общие свойства объектов можно не рассматривать, т.е. абстрагироваться от них. Абстракция - это эффективное средство против сложности программирования, позволяющее программисту сосредоточиться на существенных свойствах объектов. Виды абстракций: абстракция процесса и абстракция данных .
Абстракция процесса. Все подпрограммы являются абстракциями процессов, они определяют способ, с помощью которого программа устанавливает, что необходимо выполнить некоторый процесс, без уточнения деталей того, как именно это следует сделать. Возможность абстрагироваться от многочисленных деталей алгоритма, который выполняется подпрограммой, позволяет создавать, читать и понимать большие программы. Любой абстракции данных являются операции, определяемые как абстракции процессов.
Абстракция данных. Абстрактный тип данных - это инкапсуляция, которая содержит только представления данных одного конкретного типа и подпрограммы, которые выполняют операции с данными этого типа. С помощью управления доступом несущественные детали описания типа можно скрыть от внешних модулей, которые используют такой тип. Программные модули, которые используют абстрактный тип данных, могут объявлять переменные этого типа, даже несмотря на то, что реальное представление типа скрыто от них. Экземпляр абстрактного типа данных называется объектом.
Причина создания абстракции типа данных и абстракции процесса - это средство против сложности, способ сделать большие и/или сложные программы более управляемыми.
Разделение программы на синтаксические контейнеры, которые содержат группы логически связанных подпрограмм и данных. Эти синтаксические контейнеры называются модулями, а процесс их разработки- модуляризацией.
Составление программы из наборов подпрограмм и данных, каждый из которых можно компилировать отдельно, без повторной компиляции остальной части программы. Такой набор называется единицей компиляции.
Инкапсуляция - это способ объединения в единое целое подпрограмм и данных, которые они обрабатывают. Инкапсуляция, которая компилируется либо отдельно, либо независимо от других, является основой абстрактной системы и логической организации набора соответствующих вычислений.
Абстрактные типы данных, определяемые пользователем, должны иметь следующие свойства:
1) определение типа, позволяющее программным модулям объявлять переменные этого типа, создавая при этом реальное представление этих переменных в памяти.
2) набор операций для манипуляций с объектами данного типа.
Формальное определение абстрактного типа данных в контексте типов, определенных пользователем: абстрактный тип данных - это тип данных, который удовлетворяет следующим двум условиям.
Представление (определение типа) и операции над объектами данного типа содержатся в одной синтаксической единице, переменные данного типа можно создавать и в других модулях.
Представление объектов данного типа скрыто от программных модулей, использующих этот тип, над объектами можно производить операции, которые прямо предусмотрены в определении типа.
Упаковка представления типа и операций в отдельную синтаксическую единицу, позволяет организовывать программу в виде логических единиц, которые можно компилировать отдельно. Во-вторых, появляется возможность модифицировать представления объектов данного типа или операции с ними в отдельной части программы. У сокрытия деталей представления типа есть преимущества. Клиенты не могут "видеть" детали представления объектов, и их код не зависит от этого представления. Таким образом, представления объектов можно изменять в любое время, не требуя при этом вносить изменения в код клиентов. Другим очевидным и важным преимуществом сокрытия информации является повышенная надежность. Клиенты не могут непосредственно изменять основные представления объектов ни преднамеренно, ни случайно, следовательно, возрастает целостность таких объектов. Объекты можно изменять только с помощью предусмотренных для этого операций.
Вопросы разработки типов
Должна существовать возможность делать имя типа и заголовки подпрограмм видимыми в клиентах абстракции. Это позволяет клиентам объявлять переменные абстрактного типа и манипулировать их значениями. Несмотря на то что имя типа должно быть видимым извне, его определение должно быть скрыто.
Существует очень мало общих встроенных операций, которые можно выполнять с объектами абстрактных типов, в отличие от операций, предусмотренных определением типа. К таким операциям относятся присваивания, а также проверки равенства и неравенства. Если язык не позволяет пользователям перегружать операцию присваивания, то она должна быть встроенной. Проверки равенства и неравенства в одних случаях должны быть заранее определены, а в других - нет. Разработчик типа должен определить операции для большинства абстрактных типов данных сам.
Языки Smalltalk, C++ и Java непосредственно поддерживают абстрактные типы данных.
Абстрактные типы данных в языке C++
Языки Ada и Modula-2 обеспечивают инкапсуляцию, которая может использоваться при моделировании абстрактных типов данных, в языке C++ введено понятие класса, который непосредственно поддерживает абстрактные типы данных. В языке C++ классы - это типы, а пакеты языка Ada и модули языка Modula-2 типами не являются. Пакеты и модули импортируются, позволяя импортирующей программной единице объявлять переменные любого типа, определенного в пакете или модуле. В программе на языке C++ переменные объявляются как сущности, имеющие тип данного класса. Таким образом, классы гораздо больше похожи на встроенные типы, чем пакеты или модули. Программная единица, которая видит пакет в языке Ada или модуль в языке Modula-2, имеет доступ к любым открытым сущностям просто по их именам. Программная единица на языке C++, которая объявляет экземпляр класса, также имеет доступ к любым открытым сущностям в этом классе, но только через экземпляр этого класса.
1.2. Абстрактные типы данных
Большинство понятий, введенных в предыдущем разделе, обычно излагаются в начальном курсе программирования и должны быть вам знакомы. Новыми могут быть только абстрактные типы данных, поэтому сначала обсудим их роль в процессе разработки программ. Прежде всего сравним абстрактный тип данных с таким знакомым понятием, как процедура.
Процедуру, неотъемлемый инструмент программирования, можно рассматривать как обобщенное понятие оператора. В отличие от ограниченных по своим возможностям встроенных операторов языка программирования (сложения, умножения и т.п.), с помощью процедур программист может создавать собственные операторы и применять их к операндам различных типов, не только базовым. Примером такой процедуры-оператора может служить стандартная подпрограмма перемножения матриц.
Другим преимуществом процедур (кроме способности создавать новые операторы) является возможность использования их для инкапсулирования частей алгоритма путем помещения в отдельный раздел программы всех операторов, отвечающих за определенный аспект функционирования программы. Пример инкапсуляции: использование одной процедуры для чтения входных данных любого типа и проверки их корректности. Преимущество инкапсуляции заключается в том, что мы знаем, какие инкапсулированные операторы необходимо изменить в случае возникновения проблем в функционировании программы. Например, если необходимо организовать проверку входных данных на положительность значений, следует изменить только несколько строк кода, и мы точно знаем, где эти строки находятся.
Определение абстрактного типа данных
Мы определяем абстрактный тип данных (АТД) как математическую модель с совокупностью операторов, определенных в рамках этой модели. Простым примером АТД могут служить множества целых чисел с операторами объединения, пересечения и разности множеств. В модели АТД операторы могут иметь операндами не только данные, определенные АТД, но и данные других типов: стандартных типов языка программирования или определенных в других АТД. Результат действия оператора также может иметь тип, отличный от определенных в данной модели АТД. Но мы предполагаем, что по крайней мене один операнд или результат любого оператора имеет тип данных, определенный в рассматриваемой модели АТД.
Две характерные особенности процедур - обобщение и инкапсуляция, - о которых говорилось выше, отлично характеризуют абстрактные типы данных. АТД можно рассматривать как обобщение простых типов данных (целых и действительных чисел и т.д.), точно так же, как процедура является обобщением простых операторов (+,- и т.д.). АТД инкапсулирует типы данных в том смысле, что определение типа и все операторы, выполняемые над данными этого типа, помещаются в один раздел программы. Если необходимо изменить реализацию АТД, мы знаем, где найти и что изменить в одном небольшом разделе программы, и можем быть уверенными, что это не приведет к ошибкам где-либо в программе при работе с этим типом данных. Более того, вне раздела с определением операторов АТД мы можем рассматривать типы АТД как первичные типы, так как объявление типов формально не связано с их реализацией. Но в этом случае могут возникнуть сложности, так как некоторые операторы могут инициироваться для более одного АТД и ссылки на эти операторы должны быть в разделах нескольких АТД.
Для иллюстрации основных идей, приводящих к созданию АТД, рассмотрим процедуру greedy из предыдущего раздела (листинг 1.3), которая использует простые операторы над данными абстрактного типа LIST (список целых чисел). Эти операторы должны выполнить над переменной newclr типа LIST следующие действия.
1. Сделать список пустым.
2. Выбрать первый элемент списка и, если список пустой, возвратить значение null.
3. Выбрать следующий элемент списка и возвратить значение null, если следующего элемента нет.
4. Вставить целое число в список.
Возможно применение различных структур данных, с помощью которых можно эффективно выполнить описанные действия. (Подробно структуры данных будут рассмотрены в теме 2.) Если в листинге 1.3 заменить соответствующие операторы выражениями
MAKENULL(newcJr);
w:= FIRST(newcJr);
w:= NEXT(newcfr);
INSERT(v, newclr);
то будет понятен один из основных аспектов (и преимуществ) абстрактных типов данных. Можно реализовать тип данных любым способом, а программы, использующие объекты этого типа, не зависят от способа реализации типа - за это отвечают процедуры, реализующие операторы для этого типа данных.
Вернемся к абстрактному типу данных GRAPH (Граф). Для объектов этого типа необходимы операторы, которые выполняют следующие действия.
1. Выбирают первую незакрашенную вершину.
2. Проверяют, существует ли ребро между двумя вершинами.
3. Помечают вершину цветом.
4. Выбирают следующую незакрашенную вершину.
Очевидно, что вне поля зрения процедуры greedy остаются и другие операторы, такие как вставка вершин и ребер в граф или помечающие все вершины графа как незакрашенные. Различные структуры данных, поддерживающие этот тип данных, будут рассмотрены в темах 6 и 7.
Необходимо особо подчеркнуть, что количество операторов, применяемых к объектам данной математической модели, не ограничено. Каждый набор операторов определяет отдельный АТД. Вот примеры операторов, которые можно определить для абстрактного типа данных SET (Множество).
1. MAKENULL(A), Эта процедура делает множество А пустым множеством.
2. UNION(A, В, С). Эта процедура имеет два "входных" аргумента, множества А и В, и присваивает объединение этих множеств "выходному" аргументу - множеству С.
3. SIZE(A). Эта функция имеет аргумент-множество А и возвращает объект целого типа, равный количеству элементов множества А. Термин реализация АТД подразумевает следующее: перевод в операторы языка программирования объявлений, определяющие переменные этого абстрактного типа данных, плюс процедуры для каждого оператора, выполняемого над объектами АТД. Реализация зависит от структуры данных, представляющих АТД. Каждая структура данных строится на основе базовых типов данных применяемого языка программирования, используя доступные в этом языке средства структурирования данных. Структуры массивов и записей - два важных средства структурирования данных, возможных в языке Pascal. Например, одной из возможных реализаций переменной S типа SET может служить массив, содержащий элементы множества S.
Одной из основных причин определения двух различных АТД в рамках одной модели является то, что над объектами этих АТД необходимо выполнять различные действия, т.е. определять операторы разных типов. В этом конспекте рассматривается только несколько основных математических моделей, таких как теория множеств и теория графов, но при различных реализациях на основе этих моделей определенных АТД будут строиться различные наборы операторов.
В идеале желательно писать программы на языке, базовых типов данных и операторов которого достаточно для реализации АТД. С этой точки зрения язык Pascal не очень подходящий язык для реализации различных АТД, но, с другой стороны, трудно найти иной язык программирования, в котором можно было бы так непосредственно декларировать АТД. Дополнительную информацию о таких языках программирования см. в библиографических примечаниях в конце темы.
