第五章 抽象一:封装
第五章 抽象一：封装
大型程序的构造中,程序员不可避免要涉及到新数据类型的设 计和实现 如:大学中,表示一堂课的数据对象 section,包含的信息有: 老师名、教室、最大注册数等,还可以包含一个注册学生列 表作为部件 操作包括:创建一个 section、注册一个学生、消除一个 sectior寺。 其实现主要涉及其表示以及对应相关操作的子程序设计 语言实现的目标是使得数据的各种形式的不同对程序员透明 因此,基本类型和用户定义类型对程序员的使用来说应不存在 差别
•大型程序的构造中，程序员不可避免要涉及到新数据类型的设 计和实现。 如：大学中，表示一堂课的数据对象section，包含的信息有： 老师名、教室、最大注册数等，还可以包含一个注册学生列 表作为部件。 操作包括：创建一个section、注册一个学生、消除一个 section等。 其实现主要涉及其表示以及对应相关操作的子程序设计。 •语言实现的目标是使得数据的各种形式的不同对程序员透明。 因此，基本类型和用户定义类型对程序员的使用来说应不存在 差别
有三种机制可被程序员用来创建新类型和类型上的操作。 、子程序:可用子程序来定义实现类型的操作,但如何正 确地使用,却是程序员的责任 2、类型声明:语言包含有定义新类型及其操作的能力。抽 象数据类型即是这种机制,它提供了检测错误使用的能力 3、继承:基于已有类型创建新类型的机制
•有三种机制可被程序员用来创建新类型和类型上的操作。 1、子程序：可用子程序来定义实现类型的操作，但如何正 确地使用，却是程序员的责任。 2、类型声明：语言包含有定义新类型及其操作的能力。抽 象数据类型即是这种机制，它提供了检测错误使用的能力。 3、继承：基于已有类型创建新类型的机制
51抽象数据类型 数据类型概念的演化 早期类型定义为值的集合,该类型的变量可在该集合中取值 70年代初, Pascal扩展类型定义为:变量的集合。 70年代早期,概念进一步演化,类型不仅仅是类型对象的集 合,还包含了其相关操作。正是操作展示了对象的行为。 例:对基本类型实数和整数,语言提供了声明机制和相 关操作。从而其存储表示被封装,程序员使用它们而不 需知道表示细节 数据抽象——以数据为中心的封装方式 ADT定义为 组数据对象,通常使用一个或多个类型定义 2、一组对这些对象的抽象操作。 3、二者的封装,使得该类型的用户只能通过这些操作来 操纵该类型的数据对象
5.1 抽象数据类型 数据类型概念的演化 早期类型定义为值的集合，该类型的变量可在该集合中取值。 70年代初，Pascal扩展类型定义为：变量的集合。 70年代早期，概念进一步演化，类型不仅仅是类型对象的集 合，还包含了其相关操作。正是操作展示了对象的行为。 例：对基本类型实数和整数，语言提供了声明机制和相 关操作。从而其存储表示被封装，程序员使用它们而不 需知道表示细节。 •数据抽象——以数据为中心的封装方式 ADT定义为： 1、一组数据对象，通常使用一个或多个类型定义。 2、一组对这些对象的抽象操作。 3、二者的封装，使得该类型的用户只能通过这些操作来 操纵该类型的数据对象
信息隐蔽 “分而治之”是我们编写大型程序的一般策略,程序被分成 模块。 模块设计有两种途径:①功能分解,②数据分解。 然而,功能设计有一定缺陷,不能对数据结构的细节提供 很好隐蔽。 而使用数据抽象可以避免这些问题。 数据类型的规约给出了所有使用该类型对象所需要的信息, 而实现细节则对外屏蔽。 ·“抽象”在语言中是一个重要概念,语言以两种方式提供对 抽象的支持。首先,提供一个抽象虚拟机,它比实际计算机 更易于使用,也更强大,语言直接提供了一些有用的抽象, 称为语言的特性;第二,语言提供了辅助程序员定义抽象的 设施,这些抽象形成了特定程序定义的抽象机
信息隐蔽 •“分而治之”是我们编写大型程序的一般策略，程序被分成 模块。 模块设计有两种途径：①功能分解，②数据分解。 然而，功能设计有一定缺陷，不能对数据结构的细节提供 很好隐蔽。 而使用数据抽象可以避免这些问题。 •数据类型的规约给出了所有使用该类型对象所需要的信息， 而实现细节则对外屏蔽。 •“抽象”在语言中是一个重要概念，语言以两种方式提供对 抽象的支持。首先，提供一个抽象虚拟机，它比实际计算机 更易于使用，也更强大，语言直接提供了一些有用的抽象， 称为语言的特性；第二，语言提供了辅助程序员定义抽象的 设施，这些抽象形成了特定程序定义的抽象机
信息隐蔽是程序定义抽象设施的设计的中心原则 每个程序部件应尽可能对用户隐藏信息。 ·当信息被封装在抽象中时,意味着抽象的用户 为了使用该抽象,不需要知道隐蔽的信息 2、不允许直接使用或操纵被隐蔽的信息,即使用户希望 这么做。 例如: Fortran、 Pascal中的整数类型不仅隐蔽了整数的表 示细节,甚至有效地封装了表示,使得程序员不能操作整 数中的个体位。 但它们难于封装新数据类型的表示,虽然也可以构造子程 序集合来创建和操作抽象,但不能真正封装其表示,程序 员可以编写其他子程序来非法地或不合适地操作抽象。 封裝对使程序易于修改特別有用,只要保持子程序(操作) 接口不变即可。 °注意:信息隐蔽是一个程序设计问题,和语言无关。封装则 是语言设计问题。抽象被有效封装的前提是有机制防止外界 对抽象中隐蔽信息的访问
•信息隐蔽是程序定义抽象设施的设计的中心原则 ——每个程序部件应尽可能对用户隐藏信息。 •当信息被封装在抽象中时，意味着抽象的用户： 1、为了使用该抽象，不需要知道隐蔽的信息。 2、不允许直接使用或操纵被隐蔽的信息，即使用户希望 这么做。 例如：Fortran、Pascal中的整数类型不仅隐蔽了整数的表 示细节，甚至有效地封装了表示，使得程序员不能操作整 数中的个体位。 但它们难于封装新数据类型的表示，虽然也可以构造子程 序集合来创建和操作抽象，但不能真正封装其表示，程序 员可以编写其他子程序来非法地或不合适地操作抽象。 •封装对使程序易于修改特别有用，只要保持子程序（操作） 接口不变即可。 •注意：信息隐蔽是一个程序设计问题，和语言无关。封装则 是语言设计问题。抽象被有效封装的前提是有机制防止外界 对抽象中隐蔽信息的访问
52通过子程序封装 子程序是程序员定义的抽象操作—是大多数程序的基本建 筑块。对子程序可从两个方面来看: 在程序设计级——子程序表示程序员定义的抽象操作。 在语言设计级—涉及子程序设施的设计和实现。 子程序作为抽象操作 子程序的规约和实现均由程序员提供, 子程序的规约 包括: 1、子程序的名字 2、子程序的基调 3、子程序的动作 和基本原操作类似
5.2 通过子程序封装 子程序是程序员定义的抽象操作——是大多数程序的基本建 筑块。对子程序可从两个方面来看： 在程序设计级——子程序表示程序员定义的抽象操作。 在语言设计级——涉及子程序设施的设计和实现。 子程序作为抽象操作 子程序的规约和实现均由程序员提供。 •子程序的规约 包括： 1、子程序的名字 2、子程序的基调 3、子程序的动作 和基本原操作类似
函数子程序—显示地返回单个结果数据对象。 基调为:FN:rea× Integer→real 过程式子例程—返回多个结果,或修改参数而不是显式地返 回结果。如:C语言中: void Sub(float X, int Y, float*Z, int *W) 无显式返回,*表示指针,可以被修改的参数。 AdaH: procedure Sub(X: in REAL; Y: in integer Z: inout REAL; w: out Boolean) 其基调为:Sub:real× integer X real2-real3× Boolean in和ou指出参数的性质。 当子程序表示数学函数,如何精确地描述其功能有如下问题: 、子程序可能有隐式参数(以非局部变量形式) 2、子程序可能有隐式结果(副作用)(对非局部变量和in- ou参数) 3、可能对某些可能的参数没有定义。 4、子程序是历史敏感的
函数子程序——显示地返回单个结果数据对象。 基调为：FN：real×integer→real 过程式子例程——返回多个结果，或修改参数而不是显式地返 回结果。如：C语言中： void Sub(float X, int Y, float * Z, int *W); 无显式返回， *表示指针，可以被修改的参数。 Ada中：procedure Sub (X: in REAL; Y: in integer; Z: inout REAL; W: out Boolean) 其基调为：Sub: real1×integer×real2→real3×Boolean in和out指出参数的性质。 当子程序表示数学函数，如何精确地描述其功能有如下问题： 1、子程序可能有隐式参数（以非局部变量形式） 2、子程序可能有隐式结果（副作用）（对非局部变量和inout参数） 3、可能对某些可能的参数没有定义。 4、子程序是历史敏感的
子程序的实现 一个子程序表示了由程序员构造的虚拟机层次上的一个操 作。这样,子程序用程序语言本身提供的数据结构和操作 来实现 子程序的实现用子程序体定义。包括: 局部数据声明——定义局部结构或数据 句——定义动作 封装保证:局部数据和语句不可被用户单独访问,只 能通过传入参数而调用子程序 有些语言中,Body中也允许其他子程序的定义。 子程序调用需要合适类型的参数,因此,类型检查也是需 要的。类型检查和基本操作类似处理
•子程序的实现 一个子程序表示了由程序员构造的虚拟机层次上的一个操 作。这样，子程序用程序语言本身提供的数据结构和操作 来实现。 子程序的实现用子程序体定义。包括： 局部数据声明——定义局部结构或数据； 语句——定义动作。 封装保证：局部数据和语句不可被用户单独访问，只 能通过传入参数而调用子程序。 有些语言中，Body中也允许其他子程序的定义。 子程序调用需要合适类型的参数，因此，类型检查也是需 要的。类型检查和基本操作类似处理
子程序定义和调用 ·子程序定义和子程序激活 子程序定义描述程序的静态性质,在执行中,如子程序 被调用,则子程序的一个激活被创建,当子程序执行结 果,则激活被消除,因此,定义作为创建执行过程中激 活的模板。 定义和激活的不同是重要的。 定义是程序的语法成分,其信息只是在翻译时所用信息 (如变量类型,但其左、右值并不知道) 激活在执行时存在(可访问左值、执行右值,但类型不 再可用,除非描述子)
子程序定义和调用 •子程序定义和子程序激活 子程序定义描述程序的静态性质，在执行中，如子程序 被调用，则子程序的一个激活被创建，当子程序执行结 果，则激活被消除，因此，定义作为创建执行过程中激 活的模板。 •定义和激活的不同是重要的。 定义是程序的语法成分，其信息只是在翻译时所用信息 （如变量类型，但其左、右值并不知道）。 激活在执行时存在（可访问左值、执行右值，但类型不 再可用，除非描述子）