软件构造学习笔记（五）

第六讲 抽象数据类型（ADT）
本讲主要介绍了抽象数据类型与表示独立性：如何设计良好的抽象数据结构，通过封装来避免客户端获取数据的内部表示（表示泄露），避免潜在的bug。

1 抽象类型
数据抽象是由一组操作所刻画的数据类型，

传统类型定义更关注数据的具体表示，并非操作，而抽象类型强调数据上的操作，无需关心数据的存储，是需要完成设计、使用操作即可。

2 类型和操作的分类
类型可以分为可变类型（提供了可改变内部数据值的操作）和不可变类型（操作不可改变内部值，而是构造新对象）。

操作可以分为构造器(Creator)、生产器(Producer)、观察器(Observer)、变值器(Mutator)。具体的划分规则如下图所示。

 

1.构造器Creators，创造该类型新的对象，可能实现为构造函数或静态函数；
2.生产器Producer，从该类型旧对象中创建新对象，如String的concat()方法；
3.观察器Observers，获取抽象类型对象并返回不同类型的对象，如List类的size()方法；
4.变值器Mutators，改变对象属性的方法，如List类的add()方法。变值器通常返回void；

工厂方法：构造器实现成为了静态方法。

3 设计一个抽象类

良好ADT的设计靠“经验法则”，提供一组操作，设计其行为规约spec。
1.设计简洁、一致的操作。最好使用简单的操作实现，而非复杂的操作；每个操作都应该有明确的目的，且有连贯的行为，而不是一大堆特殊情况，操作行为应该是内聚的。
2.足以支持client对数据所做的所有操作需要，操作满足client需要的难度要低。对象的每个需要被访问的属性应该都能被访问到；基本信息应该易于获取。
3.要么抽象，要么具体，不能混合。面向具体应用的类型不应该包含通用方法，而面向通用的类型不应包含面向具体应用的方法。

4 表示独立性
表示独立性：客户端使用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规约和客户端。

通过前置条件和后置条件充分刻画了ADT的操作，规约规定了客户端和实现者之间的契约，客户端由此可知可以依赖哪些内容，实现者可知可以安全更改的内容。

5 测试ADT
产生器、制造器、变值器的测试：使用观察器观察这些操作的结果是否满足规约。

观察器的测试：调用产生器、制造器、变值器等方法产生或改变对象，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。

具体方法是划分等价类。

6 不变量，RI和AF
不变量：程序在任何时候总是真的性质。维持不变量可以更容易发现程序中的错误。

ADT应始终保持其不变量，不变量应由ADT来负责，与客户端的任何行为无关。

表示空间R：实现者看到和使用的值（表示值）构成的空间。

抽象空间A：客户端看到和使用的值（抽象值）构成的空间。

表示不变量RI：R到boolean的一个映射。RI(r)为真，当且仅当r是合法的。

抽象函数AF：R和A之间的一个对应关系，如何将R中合法的值解释成为A中的值。

 

R中非合法的值在A中无对应值。

应当紧接着表示值精确地注释RI和AF。还应给出表示泄露的安全声明。

AF是满射，不是单射（R中部分值可能不合法，缺少A中对应的映射值），因此不一定是双射。
RI是values值到booleans的映射，对于每一个值r，RI是true表示r可以被AF映射，换言之RI说明哪些值是合法的，它是所有表示值的一个子集，包含了所有合法的表示值。

同一个ADT可以有多种表示。不同的内部表示需要设计不同的AF和RI.同样的R，可以有不同的RI.即使是同样的R、RI，也可能有不同的AF，即“解释不同”。

在所有可能改变表示值的方法内都要检查RI是否满足。一般通过调用checkRep()（专门检查RI是否满足的方法）来实现。

这里区分一下规约，规约里只能使用client的内容撰写，如参数、返回值、异常等，值只能为A空间的值。

ADT不变量可以取代复杂的前置条件（相当于把其封装到ADT内部）。
所需条件可在一个位置强制执行，而Java静态检查发挥作用，如果值不符合条件则编译时报错。
这更容易理解，传达了程序要需要知道的内容；这更容易改变，无需更改client。

 

第七讲 面向对象的编程（OOP）

主要内容为OOP的基本概念、Java中的一些重要的对象方法、设计好的类。

1 对象，类，方法，接口
对象是一些状态和行为的组合。

而在Java中，状态对应为field，而行为对应method。

任何对象都以一个类，类定义了方法和字段（统称为成员）。类定义了类型和实现。

粗略来说，类的方法是它的API.

类成员变量为与类本身相关的变量（而不是它的实例）。相应的还有类方法。

除此以外的变量和方法称为实例方法、实例成员变量。

接口中只有方法的定义，没有实现。接口之间可以继承与扩展。一个类可以实现多个接口。

接口用来确定ADT规约，而类是通过接口来实现ADT。

类也可以不需要接口直接作为ADT，既有ADT定义又有ADT实现。

接口中用default修饰的方法，在子类中无需重复实现。接口中default修饰的方法可以实现接口中某些统一的功能，在各个类中重复实现。default以增量式的为接口额外增加的功能而不破坏已实现的类。

2 封装与信息隐藏
好的模块应尽可能地隐藏内部数据和不同于其他模块的实现细节。

使用接口可以进行信息隐藏，通过成员修饰语，给client提供他们需要的方法，其他成员以private修饰，不进行提供，这样客户端代码无法直接访问内部属性（但仍可访问其他的非接口成员）。

使用修饰符来进行信息隐藏。

 

3 继承和重写
严格继承：子类只能添加新方法，无法重写超类中的方法。添加final修饰符来实现该操作。

重写的方法应保持函数签名相同。实际执行时调用哪个方法，运行时决定。

抽象方法只有定义没有实现，而抽象类只需要存在一个方法只有定义没有实现，但是抽象类不能够实例化（无法new生成对象），需要将未实现的方法都实现才能new。

其中，Interface是只有抽象方法的抽象类。

4 多态、子类型、重载
多态：

1.特殊多态：一个方法可以有多个同名的实现（重载）
2.参数化多态：一个类型名字可以代表多个类型（泛型编程）
3.子类型多态：一个变量名字可以代表多个类的实例（子类型）

重载：多个方法具有同样的名字，但有不同的参数列表或返回值类型。可以方便客户端调用。

具体使用哪个实现，是在编译阶段决定的。

重载的规则：
1.必须有不同的参数列表；
2.可以有不同的返回值类型；
3.可以有不同的访问权限；
4.可以有不同的异常；
5.一个方法可以在同一个类内重载，也可以在子类中重载。

泛型编程是一种编程风格，其中数据类型和函数是根据待指定的类型编写的，随后在需要时根据参数提供的特定类型进行实例化。泛型编程围绕“从具体进行抽象”的思想，将采用不同数据表示的算法进行抽象，得到泛型化的算法，可以得到复用性、通用性更强的软件。

使用泛型变量的三种形式：泛型类、泛型接口和泛型方法。

泛型信息只存在于编译阶段，运行时会被“擦除”。

子类型：B是A的子类型，当且仅当B的规约不弱于A的规约。

子类型多态：不同类型的对象可以统一的处理而无需区分，从而隔离了“变化”。

5 一些Java对象方法
Object是所有Java的基类，有三个主要的方法，即equals()、hashCode()和toString（）。
equals()方法不重写默认比较内存地址是否相同；toString()方法不重写默认显示内存地址。

设计不可变的类时，不应提供任何变值器，确保任何方法都不能被重写（使用private和final），避免表示泄露，实现toString(),hashCode(),clone(),equals()等方法。

一般来说尽可能要使用不可变的类，尤其是规模比较小的类。

对于规模比较大的类（例如BankAccount, Collection），可以考虑用可变类实现，但要最小化其可变性。构造方法应尽可能完全地初始化实例，避免使用再初始化方法。