HITSC_6_Abstract Data Type (ADT)

Ch1ldKing發表於2024-05-28

Abstraction and User-Defined Types

📕資料抽象：指由一組操作所刻畫的資料型別
傳統的型別關注資料的具體表示，而抽象型別強調“作用於資料上的操作”，無需關注資料如何儲存，而是設計並使用操作
即ADT是由操作定義的，與其內部如何實現無關！
比如，定義一個抽象的Bool類，Bool可以由很多的東西實現，但它的操作決定了它的性質
image.png

型別與操作

型別

可變型別和不可變型別
區別：可變型別提供了可改變內部資料的值的操作，而不變型別只能構造新的物件

操作

構造器

初始化物件的狀態，包括底層資料結構等，同時驗證不變性，有以下說法：

  1. 可以不帶引數，並創造一個空物件
  2. 可以不帶引數，並創造一個有初始預設值的物件
  3. 可以帶引數，創造一個初始化物件

變值器

如果返回值為void，則必然意味著它改變了物件的某些內部狀態
也有可能非空

ADT舉例

image.png

設計ADT

設計好的ADT，靠“經驗法則”，提供一組操作，設計其行為規約 spec

  1. 設計簡潔、一致的操作
  2. 足以支援client對資料所做的所有操作需要，且用操作滿足client需要的難度要低
  3. 要麼抽象、要麼具體，不要混合---要麼針對抽象設計，要麼針對具體應用的設計

表示獨立性

表示獨立性：client使用ADT時無需考慮其內部如何實現，ADT內部表示的變化不應影響外部spec和客戶端
這意味著當我們對程式碼進行最佳化時，我們無需通知客戶端也無需修改客戶端程式碼，因為最佳化後仍然滿足spec。這就是RI的作用
🌰例子：

違反RI
/**
 * Represents a family that lives in a household together.
 * A family always has at least one person in it.
 * Families are mutable.
 */
class Family {
    public List<Person> people;
    public List<Person> getMembers() {
        return people;
    }
}

void client1(Family f) {
    Person baby = f.people.get(f.people.size() - 1); // 直接訪問內部表示，違反封裝
    // ...
}

問題：直接暴露了people的內部，並且沒有封裝好。查詢方法依賴於具體內部有多少個元素這類的實現細節

改進RI
/**
 * Represents a family that lives in a household together.
 * A family always has at least one person in it.
 * Families are mutable.
 */
class Family {
    // 使用Set代替List，以避免重複元素
    public Set<Person> people;

    /**
     * @return a list containing all the members of the family, with no duplicates.
     */
    public List<Person> getMembers() {
        return new ArrayList<>(people);
    }
}

void client3(Family f) {
    // 透過getMembers方法獲取成員列表，而不是直接訪問內部表示
    Person anybody = f.getMembers().get(0); 
    // ...
}
  1. 採用Set，防止成員重複，同時改進了List的實現細節問題
  2. 透過getmembers來獲取成員列表，而不是直接暴露內部people，防止修改
  3. getMembers不直接返回people，而是複製一個列表，防止表示暴露

測試一個ADT

  1. 用observers測試creators、producers、mutators
  2. 呼叫creators、producers、mutators等產生或修改結果來測試 observers
    這麼做有風險，有可能依賴的其他方法有錯誤導致測試結果失效
    🌰例子：測試策略：測試觀察者時要呼叫所有的構造器和生產者
//測試構造器
valueOf():
	true, false
	string = produced by valueOf()
//測試觀察者
length():
	string len = 0, 1, n
	string = produced by valueOf(), produced by substring()
//測試觀察者
charAt():
	string len = 1, n
	i = 0, 1, len - 1
	string = produced by valueOf(), produced by substring()
//測試生產者
substring():
	string len = 0, 1, n
	start = 0, middle, len
	end = 0, middle, len
	end-start = 0, n
	string = produced by valueOf(), produced by substring()

在測試時，其實是組合起來測試的，能保證所有方法之間的互動，同時覆蓋全面，如下，每種測試都採用了多種混合的方式image.png

不變數Invariants

一個任何時候都不發生改變的量，用來保持程式的正確性，發現錯誤

防止不變數被修改

不能產生表示洩露
用private 和final 進行修飾來實現一些變數不會被外部獲取或修改
🌰例子：比如這個，當設定timestamp為final時，image.png
d也指向了t的timestamp，則對tweet的timestamp產生了修改，導致表示洩露，修改了不變數，導致Tweet不能保證它是不變數image.png

RI 和 AF

image.png

RI

表示不變數RI：某個具體的“表示”是否是“合法的”
也就是R的一個子集，這裡面都是合法的輸入，是一些限定條件
❓為什麼是表示不變數：在方法執行完後，要仍然保持住所設定好的RI

AF

抽象函式：R和A之間對映關係的函式，即如何去解釋R中的每一個值為A中的每一個值
也就是對映到客戶端那裡的值，需要具體解釋是如何對映的

checkRep()

透過一個方法checkRep()來保證任何時候都是不變數，所有可能改變rep的地方都要檢查

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