软件构造第六讲：ADT

第六讲抽象数据类型（ADT）

ADT和表示独立性
信息隐藏——表示泄露

1.抽象和用户自定义类

抽象类型：强调“作用在数据上的操作”，程序员和client无需关心数据如何具体存储的，只需设计/使用操作即可。

2.类中类型和操作

考：区分操作是哪种类型操作，根据输入输出类型
可变和不可变数据类型
可变数据类型的对象：提供了可改变其内部数据的值的操作
不可变数据类型：其操作不改变内部值，而是构造新的对象
抽象类型的操作类别：

1. 构造器creators：——无中生有
   其他类型生成当前类型
   可能实现为构造函数或静态函数
   工厂方法（设计模式）
   若包含了静态方法会暴露了接口的实现，造成信息泄露
2. 生产器producers：——旧—>新
   当前类型生成当前类型
3. 观察器observes：
   当前类型生成其他类型
4. 变值器mutatos——改变对象属性的方法
   直接改变类中属性，通常返回void，若返回值为void,则必然意味着它改变了对象的某些内部状态，变值器也可能返回非空类型
   mutable类型的对象包含四种操作，immutable只包含前三种
   区别有无变值器

3.抽象数据类型的例子

immutable：int,string
mutable：List

4.设计抽象类型

设计好的ADT，靠“经验法则”，提供一组操作，设计其行为规约spec
设计规则

1. 设计简洁、一致的操作
2. 足够多的操作来满足client的需要，而且用操作满足client需要的难度要低

5.表示独立性RI

表示独立性：client使用ADT时无需考虑其内部如何实现，ADT内部表示的变化不应影响外部spec和客户端
只能用类提供的方法来改变类的属性，client不能通过引用直接改变属性
所有属性不能都是public
不能直接返回mutable类型的数据，解决方法：defensive copy或者用claction将其变为immutable
表示暴露 public->private mutable不可直接返回 immutable可以直接返回 若想改变immutable只能另外开辟地址

6.测试ADT

测试creators,producers,mutators:调用observers来观察这些operations的结果是否满足spec;
测试observers:调用creators,producers,mutators等方法产生或改变对象，来看结果是否正确。
风险：如果被依赖的其他方法有错误，可能导致被测试方法的测试结果失效。
针对creators:构造对象之后，用observer去观察是否正确
针对observer:用其他三类方法构造对象，然后调用被测observer，判断观察结果是否正确
针对producer：produce新对象之后，用observer判断结果是否正确

7.Invariants不变性

保持不变量：在任何时候不变量都是true
immutability就是一个典型的不变量
由ADT负责不变量，与client端的任何行为无关
==不变量：
1.immutable;
2.表示独立性 ：只能通过类操作改变；
3.属性大小、前后关系保持不变 ==
表示泄露RE：客户能够直接访问到属性
不仅影响不变性，也影响了表示独立性，无法在不影响客户端输入的情况下改变其内部表示。
final：指向的位置不变，但值可变，不能阻止表示暴露
除非迫不得已，否则不要寄希望于客户端（在规约中限制客户端的输入），ADT有责任保证自己的不变性，并避免表示泄露。
最好的方法是使用immutable类型
保持不变性和保持表现 独立性，是ADT最重要的一个Invariant!

8.Rep Invariant and Abstraction Function

R：表示空间，程序员能看到
A：抽象空间，抽象值构成的空间，client看到和使用的值，程序员也能看到
R到A空间满足：
满射：每一个A中的值在R中都能找到原象
未必单射：一些A中的值可能被不止一个R中的值映射到
未必双射：并非R中的值都参与了映射
AF：R－>A 抽象函数，R和A之间映射关系的函数，即如何去解释R中的每一个值为A中的每一个值。
RI： R－>boolean RI(r)=true<=>r被AF映射到
表示不变性RI：某个具体的“表示”是否是“合法的”
也可将RI看作：所有表示值的一个子集，包含了所有合法的表示值
也可将RI看作：一个条件，描述了什么是“合法”的表示值
rep invarian和abstraction function 应写在rep声明下
什么决定AF和RI
即使是同样的R、同样的RI，也有可能有不同的AF，即“解释不同”
RI和AF如何影响ADT设计
设计ADT:
(1)选择R和A 选择属性的数据结构
(2)RI——合法的表示值
(3)如何解释合法的表示值——映射AF
2和3取决于数据类型的设计
做出具体的解释：每个rep value如何映射到abstract value
而且要把这种选择和解释明确写到代码当中

对于一个ADT：
用户应该知道：Abstract value space,Creators,Observers
方法的声明可以看到，但看不到具体实现
开发者应该知道：Abstract value space,Creators,Observers，Abtraction function,Rep,Rep invariant

随时检查RI是否满足：
checkRep()插入到每一个产生或者改变rep的方法(creators,producers,mutators)末尾
（在所有可能改变rep的方法内部都要检查）
Observer方法可以不用，但建议也要检查，以防万一。

9.Beneficent mutation有益的可变性

immutable类型<=>在之后的产生中这种类型的值不会改变
（immutable可以出现改变属性的方法，要求改变后的值对应A空间的值不变）
抽象空间里的值不应该改变
可以自由的改变rep value，只要它映射到相同的abstract value，这种改变用户不可知
这种改变称为有益的可变性

10.Documenting the AF,RI,and Safety from Rep Exposure

在代码中用注释形式记录AF和RI
1.要精确的记录RI：
rep中的所有fields何为有效。针对Rep的每一个field以及多个fields之间的关系，进行条件限定，要精确
2.要精确记录AF：
如何解释每一个R值。给出client看到的A值是什么，是对每一个Rep值的“数学运算”
3.表示泄露的安全声明：
给出理由，证明代码并未对外泄露其内部表示——自证清白
ADT的规约
只能使用client可见的内容来撰写，包括参数、返回值、异常等
如果规约里需要提及值，只能使用A空间中的“值”。
ADT的规约里也不应该谈及任何内部表示的细节，以及R空间中的任何值
ADT的内部表示（私有属性）对外部都应该严格不可见
在代码中以注释形式写出AF和RI而不能在Javadoc文档中，防止被外部看到而破坏表示独立性/信息隐藏
如何确定不变性
在对象的初始状态不变量为true，而在对象发生变化时，不变量也要为true。
构造器和产生器在 创建对象时要确保不变量为true
变值器和观察器在执行时必须保持不变性
在每个方法return之前，用checkRep()检查不变量是否得以保持。
表示暴露的风险：一旦泄露，ADT内部表示可能会在程序的任何位置发生改变（而不是限制在ADT内部），从而无法确保ADT的不变量是否能够始终保持为true。

11.ADT invariants replace preconditions

用ADT不变量取代复杂的Precondition，相当于将复杂的precondition封装到了ADT内部。