第三章--第三节：抽象数据类型（ADT）
第三章：抽象数据类型（ADT）和面向对象编程（OOP）
第三节：抽象数据类型（ADT）
问题一：抽象的和用户定义的数据类型
- 除了编程语言所提供的基本数据类型和对象数据类型，程序员可定义自己的数据类型
- 抽象类型：强调“作用于数据上的操作”，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。
- 传统的类型定义：关注数据的具体表示
***一个抽象的数据类型是由它的操作定义的：（抽象数据类型的实现如下图：↓）
问题二：数据类型的分类和操作的分类
1.数据类型的分类:
分为：可变和不可变的数据类型
- 可变类型的变量：提供了可改变其内部数据的值的操作
- 不变数据类型：其操作不改变内部值，而是构造新的对象
2.抽象数据类型的操作的分类
分为：构造器（Creators）、生产器（Producers）、观察器（Observers）、变值器（Mutators）
- 用数学表达式来解释(如下图）：↓
- 用实例解释各种操作：↓
构造器（creator）：create new objects of the type。可能实现为构造函数或静态函数（如：ArrayList()、String.valueOf(Object Obj)）（工厂方法）
变值器（mutator）：change objects。（变值器通常返回void）返回值若为void，则必然意味着它改变了对象的某些内部状态.（返回值也可以不是void，例如Set.add()返回值就是布尔类型）
观察器（observer）：take objects of the abstract type and return objects of a different type。观察抽象数据类型内部的属性
生产器（producer）：create new objects from old objects of the type。从老的对象类型中创造出新的对象
***例:
Integer.valueOf() ---Creator
BigInteger.mod() ---Producer
List.addAll() ---Mutator
String.toUpperCase() ---Producer
Set.contains() ---Observer
Collections.unmodifiableList() ---Producer
BufferedReader.readLine() ---Mutator
问题五：表示独立性（Representation Independence）
含义：client（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spec和客户端（除非ADT的操作指明了具体的前置条件和后置条件，否则不能改变ADT的内部表示）
问题六：测试一个抽象数据类型
- 测试creators, producers, and 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, and mutators等方法产生或改变对象，来看结果是否正确。
问题七：不变量（Invariants）
- 不变量在任何时候总是true
- 由ADT来负责其不变量，与client的任何行为无关
- 使用不变量可以保持程序的“正确性”，容易发现错误
***不变性是不变量的一种类型（Immutability as a type of Invariants）
- 若使用mutable的数据类型，很可能导致表示泄露（representation exposure）。并且表示泄露不仅影响不变性，也影响了表示独立性（即无法在不影响客户端的情况下改变其内部表示）
- 所以尽量make it immutable。（关键字private相对于public可以使得类中的属性和方法仅仅对类的内部可视，在外面则无法访问；关键字final可以使得不可变的数据类型不会被再分配）
**例：下面则段代码会造成什么影响
解：由于Data是mutable类型的变量所以d会指向与t.getTimestamp一样的位置，当你修改d时，无形中Tweet类型的 t也被修改，这样Tweet的不变性就被破坏，尽管我们已经声明了timestamp为final。用snapshot图表示如下：
*解决方式：防御性的复制（Defensive copying）：
定义一个获取时间的新的方法，在方法中国，不是直接获取tweet类中的timestamp，而是新建一个对象将其tweet中的timesamp的值复制过去。代码如下：
***例：解释如下代码会发生什么
解：这段代码中由于Date是可变的数据类型，而在进入循环的时候仅仅创建过一个对象date，所以当进入循环时，每次修改date，并将其赋给一个新的对象Tweet加入list时，都会修改以前加入list的Tweet中的date，用snapshot图表示如下：
解决方式：在每次构造一个新的Tweet对象时，构造函数中的timstamp都新创建一个Data类型的对象来接收传送过来的date的timestamp的值，这样就不会在修改date时，同时修改掉以前的Tweet中的timestamp了,代码如下：
- （*注意：当赋值代价很高时，不得以不能这么做；但是由此引发的潜在的bug也将很多！）
- （除非迫不得已，否则不要把希望寄托于客户端上，ADT有责任保证自己invariants，并避免表示泄露；做好的办法就是用immutable的类型，彻底避免表示泄露）
***综上：保持不变性和避免表示泄露，是ADT最重要的一个Invariant
问题八：Rep Invariant (RI) and Abstraction Function (AF)
- R和A含义:
R:表示值构成的空间，也称为表示空间。表示空间的值是实现实际对象的值
A：抽象值构成的空间，也成为抽象空间。抽象空间的值是客户端看到和使用的值
（ADT实现者关注表示空间R，用户关注抽象空间A）
- R与A之间的映射关系
- R-->A是满射
- R-->A未必是单射
- R-->A未必是双射
- AF与RI的含义:
AF：抽象函数，是R和A之间映射关系的函数（AF：R->A）
RI：表示不变性RI，某个具体的“表示”是否是“合法的”（RI：R->boolean）(也可以将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”的表示值）
- 不同的内部表示，需要设计不同的AF和RI
*例1：
*例2：
- 用checkRep() 函数随时检查RI是否满足