C语言ADT（抽象数据类型编程）

C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。（摘自“百度百科”）

在嵌入式系统开发中，随着系统功能要求越来越多，除了硬件系统不断扩展外，芯片中软件设计的规模也越来大，算法越来越复杂，所以需要对程序结构进行良好设计，方便后来的修改和维护。

下面是对ADT的一些简单介绍：

 

1.2.1 ADT定义及主要特点：

     为类型的属性和可对类型执行的操作提供一个抽象的描述。不受特定的实现和编程语言的约束。这种正式的抽象描述被称为抽象数据类型（Abstract Data Type，ADT）。

     抽象数据类型概念的引入,降低了大型软件设计的复杂性;提高了系统的可读性与可维护性;使系统的各部分相对隔离,在一定程序上解决了软件的可靠性、生产率等方面的问题。     

1.2.2定义步骤：

   1、定义一个数据类型。提供存储数据的方式，提供操作数据的方式。

   2、开发一个实现该ADT的编程接口。即说明如何存储数据，并描述用于执行所需操作的函数集合。例如，提供一个结构体类型的定义，同时提供用来操作该结构体的函数的原型。

   3、编写代码实现这个接口。 

1.2.3抽象数据类型优点：

程序便于维护，灵活应对需求的变更；如果有些功能运行不正常，可以将问题集中到一个函数上；如果想用更好的办法来完成一个任务，比如添加项目，则只需重新编写那一个函数；如果需要增加新的属性或操作，则修改抽象类型即可。        

 

上面的都是在本科阶段学习C++里面的一讲《抽象数据类型》里面的内容。当时教学时是先讲C++基本的语法规则，再讲类。C++基本的语法规则和C语言基本类似，所以在讲C++“面向对象”最重要的特点――类之前，用“抽象数据类型”进行了一次过渡。C++目前基本上没有用过，类也用得不深入，但是“抽象数据类型”的思想却留下来了，这样使得自己对大规模的C语言程序设计的基本模式有了比较好的基础和概念了。

下面是结合ADT程序设计模式的例子进行介绍：

查看工作区，里面包含三个文件：

list.h：数据的定义和声明，接口函数的声明 list.cpp：接口函数的实现 cw0901d.cpp：用于引用和测试代码块

“list.h”文件内容如下：

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// 版权声明：此代码文件版权属于武汉大学，仅用作学习和交流
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/*
    列表抽象数据类型的头文件    
*/
#ifndef _LIST_H_
#define _LIST_H_

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //
// 特定于程序的声明
//
const  int TITLESIZE= 51;  // 存放片名的数组长度

struct MyFilm
{
     char title[TITLESIZE];
     int rating;
};


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //
// 一般类型定义
//
typedef MyFilm Item;

struct Node
{
    Item item;
    Node *next;
};

typedef Node * List;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //
// 函数原型
//
// 操  作：初始化一个列表
// 操作前：list引用一个列表
// 操作后：该列表为初始化为空列表
void InitializeList(List &list);

// 操  作：确定列表是否为空列表
// 操作前：list引用一个已初始化的列表
// 操作后：如果该列表为空则返回true，否则返回false
bool ListIsEmpty( const List &list);

// 操  作：确定列表是否已满
// 操作前：list引用一个已初始化的列表
// 操作后：如果该列表已满则返回true，否则返回false
bool ListIsFull( const List &list);

// 操  作：确定列表中项目的个数
// 操作前：list引用一个已初始化的列表
// 操作后：返回列表中项目的个数
unsigned  int ListItemCount( const List &list);

// 操  作：在列表的尾部添加一个项目
// 操作前：item是要被添加到列表的项目
//         list引用一个已初始化的列表
// 操作后：如果可能的话，在列表的尾部添加一个新项目，
//         成功则返回true，否则返回false
bool AppendItem(Item item, List &list);

// 操  作：把一个函数作用于列表中的每个项目
// 操作前：list引用一个已初始化的列表
//         pFun指向一个函数，该函数接受一个Item引用参数，
//         并且无返回值
// 操作后：pFun指向的函数被作用到列表中的每一个项目一次
void Traverse( const List &list,  void (*pFun)(Item &item));

// 操  作：释放已分配的内存
// 操作前：list引用一个已初始化的列表
// 操作后：为该列表分配的内存已被释放，
//         且该列表被置为空列表
void EmptyList(List &list);

#endif

 “list.cpp”文件内容如下：

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// 版权声明：此代码文件版权属于武汉大学，仅用作学习和交流
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/*
    列表抽象数据类型的实现
*/
#include 
#include  " list.h "

// 把Item项目拷贝到列表的一个Node节点的item中
static  void CopyToNode( const Item &item, Node &node);

void InitializeList(List &list)
{
    list = NULL;
}

bool ListIsEmpty( const List &list)
{
     if (list==NULL)
         return  true;
     else
         return  false;
}

bool ListIsFull( const List &list)
{
    Node *pNode =  new Node;

     if (pNode==NULL)
         return  true;
     else
    {
        delete pNode;
         return  false;
    }
}

unsigned  int ListItemCount( const List &list)
{
    unsigned  int count= 0;
    Node *pNode = list;

     while (pNode != NULL)
    {
        count++;
        pNode = pNode->next;
    }

     return count;
}

bool AppendItem(Item item, List &list)
{
    Node *pNewNode, *pNode=list;

    pNewNode =  new Node;
     if (pNewNode == NULL)
         return  false;

    CopyToNode(item, *pNewNode);
    pNewNode->next = NULL;

     if (pNode == NULL)
        list = pNewNode;
     else
    {
         while (pNode->next != NULL)
            pNode = pNode->next;
        
        pNode->next = pNewNode;
    }

     return  true;
}

void Traverse( const List &list,  void (*pFun)(Item &item))
{
    Node *pNode = list;

     while (pNode != NULL)
    {
        pFun(pNode->item);
        pNode = pNode->next;
    }
}

void EmptyList(List &list)
{
    Node *pNode = list, *pTemp;

     while (pNode != NULL)
    {
        pTemp = pNode;
        pNode = pNode->next;

        delete pTemp;
    }
}

static  void CopyToNode( const Item &item, Node &node)
{
    node.item = item;  // 结构体直接赋值实现拷贝
}

  “cw0901d.cpp”文件内容如下： 

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// 版权声明：此代码文件版权属于武汉大学，仅用作学习和交流
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/*
    用定义的抽象数据类型——列表（List）——保存电影列表
*/
#include 
#include 
#include 
#include  " list.h "

void ShowFilm(Item &item);  // 显示列表项目的函数

void main()
{
    List filmList;
    Item film;

     // 初始化列表
    InitializeList(filmList);
     if (ListIsFull(filmList))
    {
        cout<< " 错误：内存不足！ "<         exit( 1);
    }

     // 读取数据，创建列表
    cout<< " 请输入第一个电影的片名： "<     cin.getline(film.title, TITLESIZE);
     while (film.title[ 0]!= ' \0 ')
    {
        cout<< " 请输入你的评价等级（0~9）： "<         cin>>film.rating;
        cin. get();

         if (!AppendItem(film, filmList))
        {
            cout<< " 错误：分配内存错误！ "<              break;
        }

         if (ListIsFull(filmList))
        {
            cout<< " 错误：列表已满！ "<              break;
        }

        cout<< " 请输入下一个电影的片名： "<         cin.getline(film.title, TITLESIZE);
    }

     // 输出列表
     if (ListIsEmpty(filmList))
    {
        cout<< " 你没有输入有效的数据！ "<     }
     else
    {
        cout<< " 下面是你输入的电影列表： "<         Traverse(filmList, ShowFilm);
    }

    cout<< " 你一共输入了 "<" 部电影。 "<
     // 清除
    EmptyList(filmList);

    cout<< " \nBye! "< }

void ShowFilm(Item &film)
{
    cout<1)<         < }

    在“list.h”中定义一种数据类型，这种数据类型一般是适用于你要解决的实际问题的一种结构体，并在此文件中为这种抽象数据类型定义必要的方法，这些方法都在对应的“list.cpp”中进行实现，于是“list.h”和“list.cpp”就形成了一个功能模块，这就是用C语言的语法规则初步实现C++的对象“类”的思想。

实现模块化的引用的具体注意事项是：

1.       在list.h中定义抽象数据并声明接口函数（将代码块定义在一个条件编译#ifndef……#define……#endif中可防止头文件被重复包含）

2.       在list.cpp文件的开头包含list.h并实现接口函数）

3.       在测试文件cw0901d.cpp文件的开头包含list.h头文件（编译器会自动根据头文件去连接具体的.cpp具体代码实现的文件）

 

实现上述的三个步骤后，cw0901d.cpp中就能直接对list.h中的数据和方法进行引用了，用户不用再关心那些方法的具体实现，只需要知道这些函数访求的功能即可。这样做的好处不言而喻：一方面使得程序模块化，结构更加清晰，另外一方面使得程序的可扩展性的可修改性变强，更加方便维护。

 

后记：对于高级的面向对象的语言来说，本文肯定是多此一举了，因为C++,C#的“类”完全比ADT要好用，但是对于C语言这种面向过程的语言来说，ADT无疑是将C++高级语言的编程思想在C语言中的一次很有意义的应用，使得大规模的嵌入式系统的C语言程序设计变得更加容易了。本文仅是简单的整理和讲解，具体过程其实可以直接套用附件模板。