Министерство Образования и Науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Димитровградский инженерно-технологический институт
Кафедра Информационные технологии
К защите допустить «» 2012 г.
Зав. кафедрой Ракова О.А.
Курсовая работа
по дисциплине «Объектно-ориентированное программирование»
Тема: «Абстрактные типы данных. Списки»
Выполнил: студент гр. ВТ-31
Шаяков А.Ф.
Руководитель: ст. преподаватель кафедры ИТ
Аленин В. А.
Нормоконтролер: ст. преподаватель кафедры ИТ
Аленин В. А.
Оценка:
Дата защиты:
Димитровград, 2012
Министерство Образования и Науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Димитровградский инженерно-технологический институт
на курсовую работу
Дисциплина: Объектно-ориентированное программирование
Тема: Абстрактные типы данных. Списки
Исполнитель: Шаяков А.Ф.
Руководитель: Аленин В.А.
1.Теоретическая часть:
Абстрактные типы данных. Понятие объектно-ориентированного программирования. Линейные односвязные списки.
2.Практическая часть:
На языке С++ написать программу с объектно-ориентированной структурой для реализации линейных односвязных списков.
Сроки выполнения работы по графику:
Теоретическая часть - 15% к 5 неделе
Практическая часть – 80% к 7 неделе
Экспериментальный раздел - ____% к ____ неделе
Защита – 100% к 10 неделе
Требования к оформлению:
Расчетно-пояснительная записка курсовой работы должна быть представлена электронной и твердой копиях;
Объем отчета должен быть не менее 20 машинописных страниц без учета приложений
РПЗ подписывается у ответственного за нормоконтроль
Руководитель работы _________________
Исполнитель ________________________
Дата выдачи «_____» ___________ 2012 г.
ШАЯКОВ А.Ф.ТЕМА: АБСТРАКТНЫЕ ТИПЫ ДАННЫХ. СПИСКИ, Курсовая работа/ ДИТИ,№230105.65-Димитровград, 2012. - 29 стр., рис. 11, библ. назв. 10, приложений 1.
Ключевые слова: линейные односвязные списки, С++, объектно-ориентированное программирование.
Объект исследования – линейные односвязные списки.
Цель работы – исследовав линейные односвязные списки, написать на языке С++ программу с объектно-ориентированной структурой для их реализации.
Выводы: в данной работе была полностью изучены линейные односвязные списки, а также методы их представления в памяти. Написанная на языке С++ программа полностью соответствует объектно-ориентированной структуре, корректно и качественно выполняет свою основную задачу - реализует линейные односвязные списки.
Введение 6
1 Теоретическая часть 7
1.1 Абстрактные типы данных. Линейные списки 7
1.2 Понятие объектно-ориентированного программирования 8
2 Практическая часть 15
3 Тестирование 23
Заключение 25
Список литературы 26
Приложение A 27
Введение
Часто в процессе работы с данными невозможно определить, сколько памяти потребуется для их хранения, память следует распределять во время выполнения программы по мере необходимости отдельными блоками. Блоки связываются друг с другом с помощью указателей. Такой способ организации данных называется динамической структурой данных, поскольку она размещается в динамической памяти и ее размер изменяется во время выполнения программы.
Из динамических структур в данной работе используются линейные списки. Динамическая структура, в отличие от массива или записи, может занимать несмежные участки оперативной памяти.
Динамические структуры широко применяют и для более эффективной работы с данными, размер которых известен, особенно для решения задач сортировки.
Элемент любой динамической структуры состоит из двух частей: информационной, ради хранения которой и создается структура, и указателей, обеспечивающих связь элементов друг с другом.
Теоретическая часть
1.1Абстрактные типы данных. Линейные списки
Понятие абстрактных типов данных является ключевым в программировании. Абстракция подразумевает разделение и независимое рассмотрение интерфейса и реализации.
Абстракция данных предполагает определение и рассмотрение абстрактных типов данных (АТД) или, что то же самое, новых типов данных, введенных пользователем.
Абстрактный тип данных - это совокупность данных вместе с множеством операций, которые можно выполнять над этими данными.
Линейные списки
В линейном списке каждый элемент связан со следующим и, возможно, с предыдущим. В первом случае список называется односвязным, во втором - двусвязным. Если последний элемент связать указателем с первым, получится кольцевой список.
Каждый элемент списка содержит ключ, идентифицирующий этот элемент. Ключ обычно бывает либо целым числом, либо строкой и является частью поля данных. В качестве ключа в процессе работы со списком могут выступать разные части поля данных. Ключи разных элементов списка могут совпадать.
Над списками можно выполнять следующие операции:
начальное формирование списка (создание первого элемента);
добавление элемента в конец списка;
чтение элемента с заданным ключом;
вставка элемента в заданное место списка (до или после элемента с заданным ключом);
удаление элемента с заданным ключом;
упорядочивание списка по ключу.
Для работы со списком в программе требуется определить указатель на его начало. Чтобы упростить добавление новых элементов в конец списка, можно также завести указатель на конец списка.
1.2Понятие объектно-ориентированного программирования
По определению авторитета в области объектно-ориентированных методов разработки программ Гради Буча «объектно-ориентированное программирование (ООП) – это методология программирования, которая основана на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является реализацией определенного класса (типа особого вида), а классы образуют иерархию на принципах наследуемости».
Объектно-ориентированная методология так же, как и структурная методология, была создана с целью дисциплинировать процесс разработки больших программных комплексов и тем самым снизить их сложность и стоимость.
Объектно-ориентированная методология преследует те же цели, что и структурная, но решает их с другой отправной точки и в большинстве случаев позволяет управлять более сложными проектами, чем структурная методология.
Как известно, одним из принципов управления сложностью проекта является декомпозиция. Гради Буч выделяет две разновидности декомпозиции: алгоритмическую (так он называет декомпозицию, поддерживаемую структурными методами) и объектно-ориентированную, отличие которых состоит, по его мнению, в следующем: «Разделение по алгоритмам концентрирует внимание на порядке происходящих событий, а разделение по объектам придает особое значение факторам, либо вызывающим действия, либо являющимся объектами приложения этих действий».
Другими словами, алгоритмическая декомпозиция учитывает в большей степени структуру взаимосвязей между частями сложной проблемы, а объектно-ориентированная декомпозиция уделяет больше внимания характеру взаимосвязей.
На практике рекомендуется применять обе разновидности декомпозиции: при создании крупных проектов целесообразно сначала применять объектно-ориентированный подход для создания общей иерархии объектов, отражающих сущность программируемой задачи, а затем использовать алгоритмическую декомпозицию на модули для упрощения разработки и сопровождения программного комплекса .
ОО-программирование является, несомненно, одним из наиболее интересных направлений для профессиональной разработки программ.
Объекты и классы
Базовыми блоками объектно-ориентированной программы являются объекты и классы. Содержательно объект можно представить как что-то ощущаемое или воображаемое и имеющее хорошо определенное поведение. Таким образом, объект можно либо увидеть, либо потрогать, либо, по крайней мере, знать, что он есть, например, представлен в виде информации, хранимой в памяти компьютера. Дадим определение объекта, придерживаясь мнения ГрадиБуча: «Объект – осязаемая сущность, которая четко проявляет свое поведение».
Объект - это часть окружающей нас реальности, т. е. он существует во времени и в пространстве (впервые понятие объекта в программировании введено в языке Simula). Формально объект определить довольно трудно. Это можно сделать через некоторые свойства, а именно: объект имеет состояние, поведение и может быть однозначно идентифицирован (другими словами, имеет уникальное имя).
Класс - это множество объектов, имеющих общую структуру и общее поведение. Класс - описание (абстракция), которое показывает, как построить существующую во времени и пространстве переменную этого класса, называемую объектом. Смысл предложений «описание переменных класса» и «описание объектов класса» один и тот же .
Объект имеет состояние, поведение и паспорт (средство для его однозначной идентификации); структура и поведение объектов описаны в классах, переменными которых они являются.
Определим теперь понятия состояния, поведения и идентификации объекта.
Состояние объекта объединяет все его поля данных (статический компонент, т.е. неизменный) и текущие значения каждого из этих полей (динамический компонент, т.е. обычно изменяющийся).
Поведение выражает динамику изменения состояний объекта и его реакцию на поступающие сообщения, т.е. как объект изменяет свои состояния и взаимодействует с другими объектами .
Идентификация (распознавание) объекта - это свойство, которое позволяет отличить объект от других объектов того же или других классов. Осуществляется идентификация посредством уникального имени (паспорта), которым наделяется объект в программе, впрочем как и любая другая переменная.
Выше уже говорилось, что процедурный (а также и модульный) подход позволяет строить программы, состоящие из набора процедур (подпрограмм), реализующих заданные алгоритмы. С другой стороны, объектно-ориентированный подход представляет программы в виде набора объектов, взаимодействующих между собой. Взаимодействие объектов осуществляется через сообщения. Предположим, что нашим объектом является окружность. Тогда сообщение, посланное этому объекту, может быть следующим: «нарисуй себя». Когда мы говорим, что объекту передается сообщение, то на самом деле мы вызываем некоторую функцию этого объекта (компонент-функцию). Так, в приведенном выше примере мы вызовем функцию, которая будет рисовать окружность на экране дисплея .
Инкапсуляция
Инкапсуляция - один из основополагающих принципов объектно-ориентированного программирования, идея которого заключается в том, что все свойства и методы объединены в рамках некоторого объекта.
Само название термина "инкапсуляция" происходит от английского слова encapsulate, которое в дословном переводе означает "запечатывать в капсулу" или "покрывать оболочкой". Таким образом объект (капсула) заключает в себе методы и свойства (содержимое) .
Понятие инкапсуляции может быть рассмотрено в более широком смысле, далеко выходящим за рамки объектно-ориентированного программирования в целом. Если говорить о инкапсуляции на максимально возможном уровне абстракции, тогда инкапсуляцию можно представить как способность объекта заключать в себе некое множество других объектов. Так применительно к компьютерной программе можно сказать, что она инкапсулирует в себе несколько модулей, каждый из которых в свою очередь инкапсулирует какие-то объекты, которые инкапсулируют в себе методы и свойства, которые, кстати, тоже могут быть объектами, и так далее .
Исходя из всего вышеописанного, еще одним представлением инкапсуляции может считаться любая древовидная структура, в которой любой узел дерева инкапсулирует в себе всех своих непосредственных детей, которые могут быть как листьями (примитивы, который не могут ничего в себе инкапсулировать) так и другими узлами.
И все же, если говорить о объектно-ориентированном программировании, тогда инкапсуляция - объединение данных и методов в рамках объекта.
Иногда говоря о инкапсуляции в объектно-ориентированном программировании понятие инкапсуляции приравнивается к понятию "черного ящика" или сокрытию данных, однако это не одно и то же. Да, в некоторых объектно-ориентированных языках программирования при помощи инкапсуляции разработчик может сделать свой объект черным ящиком, однако это реализуется при помощи модификаторов доступа, которые есть не во всех объектно-ориентированных языках программирования. Само понятие инкапсуляции намного шире. И даже более того, мы может все свойства и методы сделать доступными из вне, то есть ни о каком черном ящике и речи идти не может, однако инкапсуляция все еще будет присутствовать в любом объекте. Поэтому сокрытие данных по средствам модификаторов доступа является следствием инкапсуляции но никак не являются тождественно равными понятиями .
Во-первых благодаря инкапсуляции объекты перестали быть просто пользовательскими структурами данных, основная цель которых просто быть логически объединить несколько отдельных типов данных в рамках нового составного типа данных. Благодаря инкапсуляции каждый объект теперь может содержать в себе данные, описывающие состояние объекта, и свое поведение, описанное в виде методов. Другими словами объект в объектно-ориентированном программировании перестал быть примитивным пассивным типом данных, управление которым полностью отдано на откуп внешней среде, но стал обладать собственным поведением, можно даже сказать, некоторой волей и разумом, способностью активно реагировать на внешние воздействия и изменять свое состояние и по своим собственным законам и правилам.
Во-вторых, инкапсуляция дает нам возможность контролировать доступ к данным объекта. Ограничение видимости можно так же рассматривать, как проявление собственной воли объекта - объект сам решает, что из своего поведения или свойств сделать доступным для всех, что сделать доступным только для определенного круга объектов, а что и вовсе сделать сугубо интимным, о чем не будет знать ни один другой объект. Зачем, да за тем, что только сам объект точно знает, как с ним можно работать а как нет. Можно даже сказать о новой философии программирования, где объекты более на предметы, над которыми производятся некоторые действия, а, если можно так сказать, новая форма абстрактного синтетического разума, взаимодействуя с которой можно достичь нужного результата.
И еще раз повторюсь, что именно благодаря инкапсуляции объект может быть наделен некоторой волей, разумом, способностью реагировать на внешние воздействие, а не быть пассивным хранилищем данных.
Наследование
Наследование - один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования (наряду с инкапсуляцией, полиморфизмом и абстракцией), позволяющий описать новый класс на основе уже существующего (родительского), при этом свойства и функциональность родительского класса заимствуются новым классом.
Другими словами, класс-наследник реализует спецификацию уже существующего класса (базовый класс). Это позволяет обращаться с объектами класса-наследника точно так же, как с объектами базового класса
Типы наследования
Простое наследование
Класс, от которого произошло наследование, называется базовым или родительским (англ. baseclass). Классы, которые произошли от базового, называются потомками, наследниками или производными классами (англ. derivedclass).
В некоторых языках используются абстрактные классы. Абстрактный класс - это класс, содержащий хотя бы один абстрактный метод, он описан в программе, имеет поля, методы и не может использоваться для непосредственного создания объекта. То есть от абстрактного класса можно только наследовать. Объекты создаются только на основе производных классов, наследованных от абстрактного.
Например, абстрактным классом может быть базовый класс «сотрудник вуза», от которого наследуются классы «аспирант», «профессор» и т. д. Так как производные классы имеют общие поля и функции (например, поле «год рождения»), то эти члены класса могут быть описаны в базовом классе. В программе создаются объекты на основе классов «аспирант», «профессор», но нет смысла создавать объект на основе класса «сотрудник вуза» .
Множественное наследование
При множественном наследовании у класса может быть более одного предка. В этом случае класс наследует методы всех предков. Достоинства такого подхода в большей гибкости. Множественное наследование реализовано в C++. Из других языков, предоставляющих эту возможность, можно отметить Python и Эйфель. Множественное наследование поддерживается в языке UML.
Множественное наследование - потенциальный источник ошибок, которые могут возникнуть из-за наличия одинаковых имен методов в предках. В языках, которые позиционируются как наследники C++ (Java, C# и др.), от множественного наследования было решено отказаться в пользу интерфейсов. Практически всегда можно обойтись без использования данного механизма. Однако, если такая необходимость все-таки возникла, то, для разрешения конфликтов использования наследованных методов с одинаковыми именами, возможно, например, применить операцию расширения видимости - «::» - для вызова конкретного метода конкретного родителя.
Попытка решения проблемы наличия одинаковых имен методов в предках была предпринята в языке Эйфель, в котором при описании нового класса необходимо явно указывать импортируемые члены каждого из наследуемых классов и их именование в дочернем классе.
Большинство современных объектно-ориентированных языков программирования (C#, C++, Java, Delphi и др.) поддерживает возможность одновременно наследоваться от класса-предка и реализовать методы нескольких интерфейсов одним и тем же классом. Этот механизм позволяет во многом заменить множественное наследование - методы интерфейсов необходимо переопределять явно, что исключает ошибки при наследовании функциональности одинаковых методов различных классов-предков.
Практическая часть
Для решения поставленной задачи используется объектно-ориентированная структура программы. Программа представлена двумя классами и основным cpp-файлом, содержащим пользовательский интерфейс для удобства работы со списками.
Класс cList представляет собой линейный односвязный список, состоящий из объектов класса cElement.
Класс cElement имеет следующую структуру:
cElement *next;
~cElement(void);
void setdata (int);
void setref (cElement*);
cElement* getref ();
Поле data типа int содержит числовое значение элемента списка, поле next типа cElement* - ссылку на следующий элемент списка. Методы setdata и getdata используются для доступа к приватному полю data класса с целью получения и соответственно установки значения данного поля. Метод setref используется для установки ссылки с текущего на следующий элемент списка, а getref – для перехода на следующий элемент.
void cElement::setdata(int sd)
int cElement::getdata()
returnthis->data;
void cElement::setref(cElement* rf)
cElement* cElement::getref()
returnthis->next;
Реализация данных методов исключительно проста, что видно из их программных кодов, представленных выше.
Теперь рассмотрим структуру класса cList
#include"cElement.h"
cElement *head;
void Add (int);
void Insert(int, int);
void Remove(int);
void RemoveAll();
Данный класс содержит ссылку на головной элемент списка - head, типа cElement*. Хранение данной ссылки необходимо для корректного выполнения операций добавления, удаления данных и печати списка. Дело в том что, при выполнении любой из вышеуказанных операций, происходит перебор элементов списка, чтобы дойти до нужного, так как список не имеет произвольного доступа к элементам, поэтому перебор рациональней начинать с "головы" списка. Кроме ссылки на начало списка, каждый объект данного класса будет иметь поле elcount, которое содержит количество элементов списка.
Продолжим рассмотрение данного класса с изучения методов, реализованных в нем, для работы со списками.
Метод Add - добавление данных в конец списка.
В качестве параметра данный метод принимает числовое значение (переменная xd), которое нужно сохранить в добавляемый элемент списка.
void cList::Add(int xd)
Так происходит создание нового элемента и установка значения его числового поля:
cElement *temp = newcElement;
temp->setdata(xd);
После осуществляется проверка количества элементов списка, если список пуст, то создается головной элемент, иначе "рядовой" компонент списка:
if (elcount ==0)
temp->setref(NULL);
temp->setref(NULL);
p->setref(temp);
Можно заметить, что в вышеуказанной конструкции используется метод setref класса cElement, который необходим для установки ссылки на следующий элемент списка, иначе список будет несвязанным, что чревато потерей данных и некорректной работы программы.
При первом запуске программы, описанный выше метод, используется для последовательного добавления элементов в список, с которым затем можно работать, для остановки ввода в командной строке необходимо вместо числового значения элемента ввести команду "stop" (см. рисунок 1).
Рисунок 1 – Процесс добавления элементов в список
После ввода команды "stop", происходит печать списка и программа переходит в режим ожидания команды (см. рисунок 2).
Рисунок 2 – Распечатанный список
Метод Print - печать списка.
Для печати важно знать начало списка, чтобы последовательно распечатать значения всех элементов списка, поэтому в переменную temp устанавливается ссылка на "голову" списка, после чего проверяется факт существования списка и выводится соответствующие сообщение, если он не подтверждается, если же список не пуст, то он выводится на экран:
void cList::Print()
cElement * temp = head;
if (temp == NULL) cout while(temp != NULL)
temp = temp->getref();
Метод Del - удаление начального элемента списка.
Для удаления начального элемента необходимо сначала перенести ссылку на следующий компонент списка, сделав его первым таким образом и затем уже удалить требуемый элемент:
voidcList::Del()
cElement * temp = head;
head = head->getref();
Метод RemoveAll - удаление всего списка.
Данный метод основан на вышеуказанном и заключается в последовательном удалении начальных элементов списка, пока не будет удален весь список.
void cList::RemoveAll()
while (elcount!=0)
Для запуска данного метода, в меню работы со списком необходимо ввести команду "dellist" (см. рисунок 3).
Рисунок 3 – Ввод команды на очистку списка
И если пользователь действительно уверен в своих действиях, необходимо принять предложение программы, после чего произойдет удаление всего списка (см. рисунок 4).
Рисунок 4 – Пустой список
Метод Remove - удаление определенного элемента списка.
Менее радикальный метод, чем предыдущий. Удаляется лишь один, указанный в качестве параметра, элемент списка. Происходит это следующим образом: программа сначала проверяет корректность введенного параметра, если номер удаляемого элемента меньше единицы или больше общего числа элементов списка, то она выводит сообщение об ошибке, если же претензий к введенному параметру у программы нет, то переносятся необходимые ссылки элементов, находящихся рядом с удаляемым, так чтобы список остался связанным, после чего происходит удаление требуемого элемента.
void cList::Remove(int del)
cElement *cur = head, *de;
if ((del>=1) && (del
head = head->getref();
while (j!=del-1)
cur = cur->getref();
de=cur->getref();
cur->setref(de->getref());
coutsystem ("pause");
Для запуска данного метода, в меню работы со списком необходимо ввести команду "delete". Затем ввести номер удаляемого элемента или же команду "back" для отмены удаления (см. рисунок 5).
Рисунок 5 – процесс удаления элемента списка
Список после удаления четвертого элемента будет выглядеть следующим образом (см. рисунок 6).
Рисунок 6 – Список после удаления одного элемента
Метод Insert - вставка нового элемента в указанное место в списке.
В качестве параметров данный метод принимает: позицию добавляемого элемента и его числовое значение. Новый элемент встанет именно на указанное место, таким образом, элементы находящие справа от текущего будут сдвинуты на одну позицию. При добавлении нового элемента в начало списка необходимо просто перенести ссылку с данного элемента на следующий, связав тем самым список и указать ссылку на начальный элемент. Несколько другая ситуация возникает при добавлении нового элемента между двумя уже существующими, для этого с помощью цикла дойти до места вставки элемента, затем связать с новым элементом компоненты, находящиеся справа и слева от него. Ведь что, к примеру, нужно сделать, если необходимо удлинить цепь: необходимо разомкнуть ее, затем прикрепив новое звено к первой части цепи, прицепить к этому же звену вторую, нечто подобное реализуется в данном методе. Стоит отметить, что при указании неверной позиции для добавления, которая меньше единицы или больше общего числа элементов, программа выдаст соответствующие сообщение об ошибке.
void cList::Insert (int pos, int val)
cElement *cur = head;
cElement *temp = new cElement;
temp->setdata(val);
if ((pos>=1) && (pos
temp->setref(head);
while (j!=pos-1)
cur = cur->getref();
p=cur->getref();
cur->setref(temp);
temp->setref(p);
coutsystem ("pause");
Для запуска данного метода, в меню работы со списком необходимо ввести команду "insert". Затем ввести позицию и числовое значение добавляемого элемента или же команду "back" для отмены удаления (см. рисунок 7).
Рисунок 7 - Процесс вставки элемента
Список после добавления в третью позицию элемента со значением 111, список будет выглядеть следующим образом (см. рисунок 8).
Рисунок 8 – Список после добавления элемента
В процессе описания не раз упоминалось меню работы со списком, остается отметить, что данное меню значительно облегчает работу со списком. Алгоритм его работы заключается в циклическом вызове одних и тех же методов, печати списка например, пока не будет введена определённая команда. Список доступных команд можно увидеть, введя "help" в консоли (см. рисунок 9)
Рисунок 9 – Доступные команды
Полностью программный код меню представлен в приложении А.
Тестирование
Часто в процессе работы возникают ситуации, связанные с некорректным вводом данных, что может вызвать выход из строя программы. Разумеется, в каждой программе должны быть реализованы алгоритмы защиты от неопытного пользователя, предостерегающие программу от сбоя. Рассмотрим, каким образом функционируют такие алгоритмы в созданной программе.
Первоначальный ввод списка реализуется представленным ниже кодом:
if (atoi(ss)!=NULL)
mylist.Add(atoi(ss));
Перед вызовом метода add для добавления нового элемента в список, осуществляется проверка введенной строки. Функция atoi переводит строковое значение в числовое и возвращает NULL в случае, если введенная строка не является числом. Таким образом, при вводе будут игнорироваться любые строки не являющиеся числами, кроме строки с командой остановки ввода (см. рисунок 10).
Рисунок 10 – Ввод некорректных данных
После ввода таких данных, список будет выглядеть следующим образом (см. рисунок 11).
Рисунок 11 – Полученный список
Программа продолжает корректно работать после, даже после ввода ошибочных данных. Аналогичные методы борьбы с некорректными данными используются, при остальных операциях ввода, присутствующих в программе.
Заключение
В данной работе были получены понятия об абстрактные типах данных, о принципах их представления в современных языках программирования, в С++ в частности. В большинстве современных императивных языков основной концепцией, используемой для описания абстракций в программном коде, является объектно-ориентированный подход. Объектно-ориентированное программирование (ООП) также, как и подход к программированию на основе АТД, является, в некоторой степени, развитием идей о модульном программировании. Модули – это компоненты программы, которые имеют два важных свойства:
Модули скрывают в себе детали реализации.
Модули могут быть повторно использованы в различных частях программы.
Дэвид Парнас в своей работе 1972 года, представлял модули как абстрактные машины, хранящие внутри себя состояния и позволяющие изменять это состояние посредством определенного набора операций. Эта концепция является базовой, как для концепции абстрактных типов данных, так и для объектно-ориентированного программирования. Проведя параллели между работой Парнаса и современных понятиях ООП, нетрудно заметить взаимосвязь понятий класс и модуль.
В данной работе, линейные односвязные списки, являющие собой абстрактный тип данных, представлены разработанными модулями, для доступа к состояниям которых также реализованы специальные операции, называемые методами в объектно-ориентированном программировании.
Список литературы
1. Иан Грэхем Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика = Object-Oriented Methods: Principles & Practice. - 3-е изд. - М.: «Вильямс», 2004. - С. 880.
2. Антони Синтес Освой самостоятельно объектно-ориентированное программирование за 21 день = Sams Teach Yourself Object-Oriented Programming in 21 Days. - М.: «Вильямс», 2002. - С. 672.
3. Бертран Мейер Объектно-ориентированное конструирование программных систем + CD . Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, Русская Редакция, 2005
4. Биллиг В.А. Основы программирования на C# . Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006
5. “Новые языки программирования и тенденции их развития”, Ушкова В., 2005 г.
6. Бьерн Страуструп "Язык программирования C++" Специальное издание либо 3-е издание изд. Бином, Невский Диалект, ISBN 5-7989-0226-2, 5-7940-0064-3, 0-201-70073-5
7. Бьерн Страуструп "Дизайн и эволюция языка C++". ДМК-Пресс, Питер, ISBN 5-469-01217-4, 0-201-54330-3
8. Бьярне Страуструп "Программирование принципы и практика использования C++". "И.Д. Вильямс", 2011, ISBN 978-5-8459-1621-1 (рус.)
9. Гради Буч и др. "Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений" 2-е либо 3-е издание. Бином, Невский диалект, Вильямс ISBN 978-5-8459-1401-9, 0-201-89551-X, 0-8053-5340-2, 5-7989-0067-3, 5-7940-0017-1
10. Скотт Мейерс "Эффективное использование C++. 50 рекомендаций по улучшению ваших программ и проектов" ДМК, Питер, ISBN 0-201-92488-9, 5-93700-006-4, 5-469-01213-1
Приложение A
Программный код меню
#include "cList.h"
#include "string.h"
using namespace std;
coutwhile (strstr(ss,"stop")==NULL)
if (atoi(ss)!=NULL)
mylist.Add(atoi(ss));
system ("cls");
while (strstr(com,"exit")==NULL)
coutmylist.Print();
if (strstr(com,"help")!=NULL) com_ind=1;
if (strstr(com,"add")!=NULL) com_ind=2;
if (strstr(com,"insert")!=NULL) com_ind=3;
if (strstr(com,"delete")!=NULL) com_ind=4;
if (strstr(com,"dellist")!=NULL) com_ind=5;
switch (com_ind)
system ("cls");
system ("cls");
coutcoutcoutcoutcoutcoutcoutcom_ind=0;
if (strstr(ss,"back")==NULL)
if (atoi(ss)!=NULL)
mylist.Add(atoi(ss));
system ("cls");
//insert elements
if (strstr(ss,"back")==NULL)
if (atoi(ss)!=NULL)
system ("cls");
if (strstr(ss,"back")==NULL)
if (atoi(ss)!=NULL)
mylist.Insert(pos,atoi(ss));
system ("cls");
//delete elements
if (strstr(ss,"back")==NULL) определяется множеством значений данного и набором операций... связных структур данных – списков . Структура данных – это совокупность элементов данных , между которыми... в памяти ЭВМ называется абстрактной или логической. Чаще...
Множественный тип данных . Множества
Лекция >> Информатика, программирование... тип похожим на простые типы данных . Множественные типы описываются в разделе типов ... ВУ может быть описано. Абстрактные вычислительные структуры, описывающие ввод... других случаях типы всех компонент списка должны совпадать с типом компоненты файла. ...
Объектно-ориентированные базы данных , работающие в распределенных сетях
Реферат >> ИнформатикаРазвивающимися направлениями языков программирования с абстрактными типами данных и объектно-ориентированных языков программирования. ... типов данных - список и массив. Каждый литерал уникально идентифицируется индексом в массиве и порядковым номером в списке ...
Абстрактные модели защиты информации
Реферат >> ИнформатикаЗащиты информации………………………………………………..17 Абстрактные модели защиты информации... регулирующих взаимодействие с обоими типами данных (Certification Rules): Все... различные вариации и дополнения к имеющемуся списку . Уровни безопасности – определенное...
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.
Последнее обновление: 04.08.2018
Кроме обычных классов в C# есть абстрактные классы . Абстрактный класс похож на обычный класс. Он также может иметь переменные, методы, конструкторы, свойства. Единственное, что при определении абстрактных классов используется ключевое слово abstract :
Abstract class Human { public int Length { get; set; } public double Weight { get; set; } }
Но главное отличие состоит в том, что мы не можем использовать конструктор абстрактного класса для создания его объекта. Например, следующим образом:
Human h = new Human();
Зачем нужны абстрактные классы? Допустим, в нашей программе для банковского сектора мы можем определить две основных сущности: клиента банка и сотрудника банка. Каждая из этих сущностей будет отличаться, например, для сотрудника надо определить его должность, а для клиента - сумму на счете. Соответственно клиент и сотрудник будут составлять отдельные классы Client и Employee. В то же время обе этих сущности могут иметь что-то общее, например, имя и фамилию, какую-то другую общую функциональность. И эту общую функциональность лучше вынести в какой-то отдельный класс, например, Person, который описывает человека. То есть классы Employee (сотрудник) и Client (клиент банка) будут производными от класса Person. И так как все объекты в нашей системе будут представлять либо сотрудника банка, либо клиента, то напрямую мы от класса Person создавать объекты не будем. Поэтому имеет смысл сделать его абстрактным:
Abstract class Person { public string Name { get; set; } public Person(string name) { Name = name; } public void Display() { Console.WriteLine(Name); } } class Client: Person { public int Sum { get; set; } // сумма на счету public Client(string name, int sum) : base(name) { Sum = sum; } } class Employee: Person { public string Position { get; set; } // должность public Employee(string name, string position) : base(name) { Position = position; } }
Затем мы сможем использовать эти классы:
Client client = new Client("Tom", 500); Employee employee = new Employee ("Bob", "Apple"); client.Display(); employee.Display();
Или даже так:
Person client = new Client("Tom", 500); Person employee = new Employee ("Bob", "Операционист");
Но мы НЕ можем создать объект Person, используя конструктор класса Person:
Person person = new Person ("Bill");
Однако несмотря на то, что напрямую мы не можем вызвать конструктор класса Person для создания объекта, тем не менее конструктор в абстрактных классах то же может играть важную роль, в частности, инициализировать некоторые общие для производных классов переменные и свойства, как в случае со свойством Name. И хотя в примере выше конструктор класса Person не вызывается, тем не менее производные классы Client и Employee могут обращаться к нему.
Абстрактные члены классов
Кроме обычных свойств и методов абстрактный класс может иметь абстрактные члены классов, которые определяются с помощью ключевого слова abstract и не имеют никакого функционала. В частности, абстрактными могут быть:
Свойства
Индексаторы
Абстрактные члены классов не должны иметь модификатор private. При этом производный класс обязан переопределить и реализовать все абстрактные методы и свойства, которые имеются в базовом абстрактном классе. При переопределении в производном классе такой метод или свойство также объявляются с модификатором override (как и при обычном переопределении виртуальных методов и свойств). Также следует учесть, что если класс имеет хотя бы одный абстрактный метод (или абстрактные свойство, индексатор, событие), то этот класс должен быть определен как абстрактный .
Абстрактные члены также, как и виртуальные, являются частью полиморфного интерфейса. Но если в случае с виртуальными методами мы говорим, что класс-наследник наследует реализацию, то в случае с абстрактными методами наследуется интерфейс, представленный этими абстрактными методами.
Абстрактные методы
Например, сделаем в примере выше метод Display абстрактным:
Abstract class Person { public string Name { get; set; } public Person(string name) { Name = name; } public abstract void Display(); } class Client: Person { public int Sum { get; set; } // сумма на счету public Client(string name, int sum) : base(name) { Sum = sum; } public override void Display() { Console.WriteLine($"{Name} имеет счет на сумму {Sum}"); } } class Employee: Person { public string Position { get; set; } // должность public Employee(string name, string position) : base(name) { Position = position; } public override void Display() { Console.WriteLine($"{Position} {Name}"); } }
Абстрактные свойства
Следует отметить использование абстрактных свойств. Их определение похоже на определение автосвойств. Например:
Abstract class Person { public abstract string Name { get; set; } } class Client: Person { private string name; public override string Name { get { return "Mr/Ms. " + name; } set { name = value; } } } class Employee: Person { public override string Name { get; set; } }
В классе Person определено абстрактное свойство Name. Оно похоже на автосвойство, но это не автосвойство. Так как данное свойство не должно иметь реализацию, то оно имеет только пустые блоки get и set. В производных классах мы можем переопределить это свойство, сделав его полноценным свойством (как в классе Client), либо же сделав его автоматическим (как в классе Employee).
Отказ от реализации абстрактных членов
Производный класс обязан реализовать все абстрактные члены базового класса. Однако мы можем отказаться от реализации, но в этом случае производный класс также должен быть определен как абстрактный:
Abstract class Person { public abstract string Name { get; set; } } abstract class Manager: Person { }
Пример абстрактного класса
Xрестоматийным примером является система геометрических фигур. В реальности не существует геометрической фигуры как таковой. Есть круг, прямоугольник, квадрат, но просто фигуры нет. Однако же и круг, и прямоугольник имеют что-то общее и являются фигурами:
// абстрактный класс фигуры abstract class Figure { // абстрактный метод для получения периметра public abstract float Perimeter(); // абстрактный метод для получения площади public abstract float Area(); } // производный класс прямоугольника class Rectangle: Figure { public float Width { get; set; } public float Height { get; set; } public Rectangle(float width, float height) { this.Width = width; this.Height = height; } // переопределение получения периметра public override float Perimeter() { return Width * 2 + Height * 2; } // переопрелеление получения площади public override float Area() { return Width * Height; } }
Все встроенные типы данных, являются абстрактными, хотя так их называют редко.
Понятие абстракции
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.
Инкапсуляция
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
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.
Абстрактный тип данных Общие положения о данных Абстрактный тип данных общие положения спецификация, представление, реализация 1
Что такое данные? Набор различных информационных объектов, над которыми выполняются те или иные действия операторами программы, называются данными. Данные - непременный атрибут любой программы. Ими могут быть: - отдельные биты; - последовательность независимых битов; -числа в разных формах представления; -байты и группы независимых байтов; -массивы чисел; -связные списки; -отдельные файлы и системы файлов. 2
Универсальное представление этого многообразия данных сложно и нецелесообразно Целесообразно разделить их на типы 3
Что такое тип данных? Тип данных определяется: – Форматом представления в памяти компьютера по определенным соглашениям алгоритмического языка, но без необходимости вычислений; – Множеством допустимых значений, которые может принимать принадлежащая к выбранному типу переменная или константа; – Множеством допустимых операций, применимых к этому типу. 4
Примеры типов данных Целочисленные типы Вещественный тип Логический тип Символьный тип Перечисляемый тип Интервальный тип Указатели 5
Целочисленные типы имеется пять предопределенных целочисленных типов: Shortint, Integer, Longint, Byte и Word. Каждый тип обозначает определенное подмножество целых чисел. Значение одного целочисленного типа может быть явным образом преобразовано к другому целочисленному типу с помощью приведения типов. 6
Вещественный тип К вещественному типу относится подмножество чисел, представляемых в формате с плавающей точкой и с фиксированным числом цифр. Запись значения в формате с плавающей запятой обычно включает три значения - m, b и e - таким образом, что m * b ^ e = n, где b всегда равен 2, а m и e являются целочисленными значениями в диапазоне вещественного типа. Эти значения m и e далее определяют диапазон представления и точность вещественного типа. Пример: 0. 143 E+22, где m - 0. 143; b=2(подразумевается), e=22. Имеется пять видов вещественных типов: вещественное (Real), с одинарной точностью (Single), с двойной точностью (Double), с повышенной точностью (Extended) и сложное (Comp). 7
Логический тип Существует 4 предопределенных логических (булевских) типа: Boolean, Byte. Bool, Word. Bool и Long. Bool. Значения булевского типа обозначаются встроенными идентификаторами констант False и True. Логические переменные могут использоваться для хранения результатов каких - либо логических вычислений. Для булевых переменных разрешены только 2 операции сравнения "="(равно) и ""(неравно). 8
Символьный тип Множеством значений этого типа являются символы, упорядоченные в соответствии с расширенным набором символов кода ASCII. Это буквы ["A". . . "Z", "a". . . "z"], цифры ["0". . . "9"], знаки препинания и специальные символы. Переменная этого типа в памяти занимает один байт. 9
Перечисляемый тип Перечислимые типы определяют упорядоченные множества значений через перечисление идентификаторов, которые обозначают эти значения. Упорядочение множеств выполняется в соответствии с последовательностью, в которой перечисляются идентификаторы. Type Week = (Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday, Sunday); 10
Интервальный тип Интервальный тип представляет собой диапазон значений из порядкового типа. Определение интервального типа включает наименьшее и наибольшее значение в поддиапазоне. Type Interval = 0. . . 1000; Такая декларация типа указывает компилятору, что для переменных этого типа допустимы только числа из указанного диапазона. Тем самым в программе могут быть автоматически организованы проверки корректности операций присвоения для этих переменных. 11
Общее для типов данных Каждому из типов данных соответствует множество простых операций. INTEGER-операции +, -, *, div, mod REAL - операции + , -, *, / BOOLEAN- операции - конъюнкция (и), дизъюнкция V (или), отрицание (не) CHAR-операции ORD (с) -N: (С в ASCII), CHR (I) I -тый символ в ASCII По мере возрастания объемов и сложности представления информации возникает необходимость в удобных формах ее представления, хранения и обработки. 12
Определение абстрактный тип данных (АТД или abstract data type, или ADT), - это множество абстрактных объектов, представляющих элементы данных, и определенные на нем наборы операций, которые могут быть выполнены над элементами этого множества. 13
АТД – обобщение типов данных Абстрактные типы данных (АТД) можно рассматривать как средство расширения языков программирования. Сравним абстрактный тип данных с таким знакомым понятием, как процедура. Процедуру можно рассматривать как обобщённое понятие оператора. Две характерные особенности процедур – обобщение и инкапсуляция, отлично характеризуют абстрактные типы данных. АТД можно рассматривать как обобщение простых типов данных (целых, действительных и т. д.), точно также как процедура является обобщением простых операторов (+, - и т. д.) 14
Преимущества АТД Абстрактные структуры данных предназначены для удобного хранения и доступа к информации. Они предоставляют удобный интерфейс для типичных операций с хранимыми объектами, скрывая детали реализации от пользователя. Конечно, это весьма удобно и позволяет добиться большей модульности программы. 15
Пример Для автоматизированного управления температурой в различных комнатах большого здания полезным АТД был бы ТЕРМОСТАТ. В программе может быть много переменных типа ТЕРМОСТАТ, соответствующих реальным термостатам в различных помещениях здания. АТД может быть описан своим именем, множеством значений и допустимыми операциями так же, как и любой другой тип данных. Описание для типа ТЕРМОСТАТ: – Тип данных: ТЕРМОСТАТ – Область значений: температура может изменяться в диапазоне от 0 до 50 градусов (по Цельсию). – Операции: Выше, Ниже, Установить, Проверить, Тревога. (Можно придумать много полезных операций, но слишком большое их количество ухудшает абстракцию) 16
Уровни абстракции Уровни абстракции напоминают слои программного обеспечения. Высшие уровни абстракции отражают представление пользователя о решении задачи. Нижние уровни абстракции – возможности языка программирования. 17
Пример абстракции на уровне пользователя Архитектор представляет дом в виде стен, полов, окон, дверей и т. д. В этом случае тип данных Рисунок. Двери мог бы стать хорошим абстрактным типом. Тип данных: Рисунок. Двери Операции: Рисовать. Дверь Стереть. Дверь Рисовать. Двойную. Дверь ……. Рисунок. Двери являются абстракцией высокого уровня, отражающего взгляд пользователя на проблему 18
Пример абстракции на уровне программиста Программист может предложить другой уровень абстракции для этих объектов, например, прямоугольник. Тип данных: Прямоугольник Операции: Рисовать. Прямоугольник Стереть. Прямоугольник Разделить. Прямоугольник. На. Части ……. Прямоугольник – абстракция более низкого уровня, поскольку она ближе к реализации. 19
Конструкторы АТД Каждый АТД должен содержать операции построения значений своего типа. Такие операции называются конструкторами. Конструкторов должно быть достаточно для порождения всего множества значений данного типа. АТД, удовлетворяющий этому свойству, называется полным. Неполный АТД – ошибка проектирования. 20
Рекомендации к выбору операций абстрактного типа данных Целесообразно включение следующих операций: – операции-конструкторы, – операции проверки, – операции преобразования типов, – операции ввода-вывода, – операции копирования, – операции-селекторы. Постарайтесь свести к минимуму число операций. Простой АТД легче понять. Поддерживайте связь операций с выбранной абстракцией типа. 21
Первичный конструктор Операции, создающие новые значения АТД вне зависимости от его предшествующего значения, называются первичными конструкторами. Каждый АТД включает по меньшей мере один первичный конструктор: без него невозможно сформировать начальное значение. 22
Использование скрытых типов Абстрактные типы данных лучше объявлять в виде скрытых типов. Это позволяет переместить описание структуры данных в модуль реализации, где оно преимущественно используется. Они также обеспечивают возможность предотвращения прямого доступа к компонентам типа со стороны импортера. Поскольку скрытый тип всегда реализуется с помощью указателя, то в АТД должны быть включены три операции. – Создать - операция, создающая узел соответствующей структуры. – Уничтожить - операция по освобождению памяти узла скрытого типа. – Присвоить - операция копирования полей динамической структуры узла скрытого типа. 23
Что такое спецификация и реализация у абстрактного типа данных Абстрактный тип данных - это способ определения некоторого понятия в виде класса объектов с некоторыми свойствами и операциями. В языке программирования такое определение оформляется как специальная синтаксическая конструкция, называемая в разных языках капсулой, модулем, кластером, классом, пакетом, формой и т. д. Эта конструкция в самой развитой форме содержит: спецификацию типа данных, включающую описание интерфейса (имя определяемого типа, имена операций с указанием их профилей) и абстрактное описание операций и объектов, с которыми они работают, некоторыми средствами спецификации; реализацию типа данных, включающую конкретное описание тех же операций и объектов. 24
Классификация типов данных по способу описания и защиты пакетированный, если описание типа данных собрано в одном месте (в одном пакете), т. е. его объекты и операции объединены в одно понятие; он имеет определение, которое может содержать, однако, лишь его реализацию; инкапсулированный, если тип данных пакетированный, его определение содержит описание интерфейса и реализацию, а также предусмотрена инкапсуляция реализации; абстрактный, если тип данных инкапсулированный и его спецификация включает абстрактное описание. 25
Составляющие спецификации Программирование, как процесс, начинается с постановки задачи (ее определения), или спецификации задачи. Далее повсеместно в тексте используются спецификации, состоящие из шести составляющих: – Название - название решаемой задачи; – Описание - несколько предложений, описывающих суть задачи; – Вход - детальное описание предполагаемой формы входных данных; – Выход - детальное описание предполагаемой формы выходных данных; – Ошибки - подробный список ситуаций, возникающих при неправильных входных данных; – Пример - пример выполнения в терминах вход-выход. 26
П р и м е р спецификации Абстрактный тип данных СТЕК, реализующий широко известную структуру данных, которая характеризуется тем, что в нее можно "поместить" некоторый элемент и "выбрать" из нее элемент, помещенный туда самым последним. Синтаксическая часть спецификации типа данных СТЕК имеет вид type СТЕК specification is СОЗДАТЬ: function () return (@); ВСТАВИТЬ: function (integer; @) return (@); УДАЛИТЬ: function (@) return (@); ВЕРШИНА: function (@) return (integer); ПУСТ: function (@) return (boolean); end specification; Здесь операция СОЗДАТЬ выдает в качестве результата пустой стек, ВСТАВИТЬ - стек с добавленным на "верх" его элементом, УДАЛИТЬ - стек с удаленным "верхним" элементом, ВЕРШИНА - значение "верхнего" элемента стека, ПУСТ - признак пустоты стека. Элементами стека здесь могут быть только целые числа. 27
РЕАЛИЗАЦИЯ АБСТРАКТНОГО ТИПА ДАННЫХ Реализацию удобнее делать с помощью объектноориентированных языков программирования, таких как C++ или Java, в которых абстрактные типы данных поддерживаются с помощью классов Реализация АТД включает конкретное описание объектов определяемого типа и реализацию операций этого типа. Это означает, что объекты описываются либо как данные простых типов, либо как массивы, записи или объединения. Причем используются предопределенные типы данных или АТД, определенные ранее. Реализация операций состоит в описании подпрограмм, выполняющих необходимые действия с указанными объектами. Например операции +, *, =. . и т. п, но при этом скрывается сама реализация этих операций. 28