《数据结构 C++语言描述》第一章 概述
文章目录
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- 一、概述
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- 1.1 抽象数据类型（ADT）
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- 案例：
- ADT 描述规范
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- ADT案例
- 1.2 C++类和抽象数据类型
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- 数据封装和信息隐藏
- 消息传递
- 1.3 C++应用中的对象
- 1.4 对象设计
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- 对象及其复用
- 对象和继承
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- 程序设计中的继承
- 软件复用
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- 类 SeqList 和 OrderedList 的说明
- 1.5 类继承的应用
- 1.6 面向对象程序设计
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- 问题分析和功能定义
- 设计
- 编码
- 测试
- 1.7 程序测试与维护
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- 对象测试
- 控制模块测试
- 程序维护和文档
- 1.8 C++ 程序设计语言
- 1.9 抽象基类及多态性 *
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- 多态性和动态绑定
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- 多态性：允许不同类的对象响应相同的消息，在接受信息时动态确定
- 动态绑定：允许系统中不同对象用自己的方式响应同一消息
一、概述
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我们把每种数据结构均视为抽象数据类型，它不但定义了数据的组织方式，还给出了处理数据的运算。C++语言中，用类来表示抽象数据类型，在具体应用中用对象来存储和处理数据。
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C++类的创建是我们学习数据结构的基础，继承性和多态性扩充了面向对象程序设计的能力，使其可以用于开发基于类库的大型软件系统。
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第一章主要是熟悉概念
1.1 抽象数据类型（ADT）
- 数据抽象被称为抽象数据类型，它定义了数据取值范围和表现结构，以及对数据的操作集。
- ADT 给出一种用户定义的数据类型，其运算符指明了用户如何操作数据。
- ADT与具体应用无关，这可使程序员把注意力集中在数据以及其操作的理想模型上。
案例：
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公司维护的进货信息程序
数据：
货号 当前库存 单价 进货级别 - 在售出货物时，修改库存量 调价格时修改价格 在库存小于应进货级别时，给出进货信息 操作：
UpdateStockLevel() //修改库存 AdjustUnitPrice() //调整单价 ReorderItem() //需订货信息 -
掷骰子的游戏程序
ADT：其数据包括被掷骰子数目，掷出骰子的总点数和每个骰子的点数；
操作包括：掷骰子、返回该次投掷的骰子的总点数以及打印所掷每个骰子的点数。数据：
操作Toss() // 掷骰子 Total() // 求骰子总点数 DisplayToss() // 打印点数
ADT 描述规范
由ADT名称组成的头，对数据类型的描述以及操作列表组成。
操作列表：
| 操作 | 描述 |
|---|---|
input（输入） |
指定用户给定的输入值 |
precondition（前提） |
表示该操作可执行前必须具有的数据 |
process（加功） |
表示由该操作完成的动作 |
output（输出） |
表示执行操作后，返回给用户的值 |
poslcondition（结果） |
表示在数据内部所作的任何改变 |
initialize（初始化） |
大多数ADT都由初始化操作，对数据赋初始值 |
Constructor（构造函数） |
C++语言环境下，初始化操作称为构造函数 |
综上所述的ADT规范描述为：
ADT ADT 名称 is
Data
描述数据的结构
Operations
构造函数
Initial values: 用来初始化对象的数据
Process: 初始化对象
操作1
Input: 用户输入的数值
Preconditions: 系统执行本操作前数据所必需的状态
Process: 对数据进行的动作
Output: 返回给用户的数据
Postconditions: 系统执行操作后数据的状态
操作2
......
操作n
......
end ADT ADT名称
ADT案例
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抽象数据类型
Dice的数据包括：每次所掷骰子数N，所掷出的总点数和一个有N项的存放每个骰子被掷出点数的表。ADT Dice is Data 该次投掷骰子的个数，它是一个大于或者等于1的整数。 该次掷出的总点数，它是一个整数，如果掷 N 个骰子，则该值在 N 与 6N 之间。 该次投掷所掷出的每个骰子的点数表，该表的每个数值均为从1到6的整数。 Operations Constructor Initial values: 被掷骰子个数 Process: 初始化数据，给定每次投掷骰子的个数 Toss Input: 无 Preconditions: 无 Process: 掷骰子并计算总点数 Output: 无 Postconditions: 所掷骰子总点数及每个骰子的点数 Total Input: 无 Preconditions: 无 Process: 检索该次投掷的总点数数据项 Output: 返回该次投掷总点数 Postconditions: 无 DisplayToss Input: 无 Preconditions: 无 Process: 打印该次掷出的各骰子的点数 Output: 无 Postconditions: 无 end ADT Dice -
圆的抽象数据类型：半径（计量只需要半径）。操作包括：面积、求周长
ADT Circle is
Data
非负实数，给出圆的半径
Operations
Constructor
Initial valus: 圆的半径
Process: 给圆的半径赋初始值
Area
Input: 无
Preconditions: 无
Process: 计算圆的面积
Output: 返回圆的面积
Postconditions: 无
Circumference
Input: 无
Preconditions: 无
Process: 计算圆的周长
Output: 返回圆的周长
Postconditions: 无
end ADT Circle
1.2 C++类和抽象数据类型
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C++语言使用用户定义的类（Class）类型来表示抽象数据结构，类由多个存放数据值的成员和“方法”组成，方法定义了存取数据的方法，类型为类的变量成为对象。
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类可以分为两个部分：公有部分，用户不需要了解对象的内部细节就可以使用对象；私有部分，由帮助实现数据抽象的数据和内部操作组成。例如： ADT 圆的类中包含一个私有数据成员——半径，其公共成员包括构造函数和计算面积和周长的方法。
类：
private:
数据成员： 值1 值2
内部操作
public:
构造函数
操作1
操作2
Circle 类
private:
radius（半径）
public:
Constructor（构造函数）
Area（求面积）
Circumference（求周长）
数据封装和信息隐藏
- 类通过把数据和方法包装在一起并将它们视为整体来封装信息。
- 类在结构上隐藏了应用细节，并严格限制对其数据和操作的外部访问，这种特性称为信息隐藏，它保护了数据的完整性。
- 类通过私有和公共部分来控制外部应用对它的访问，私有部分的成员由类内部的方法在内部使用，公共成员和方法可以供用户使用。用户可以通过调用公有方法，获得私有变量。
消息传递
- 在应用中，对象的公共成员可由外部程序调用，这种调用控制由各个对象的相互作用的 主控模块（主程序或子程序） 完成，控制码指挥对象用某种方法或运算访问数据，这种指挥每个对象活动的过程称为**消息传递*。
- 信息作为输入输出数据与消息一起传递。
1.3 C++应用中的对象
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声明C++类时，不定义成员函数时叫做类声明，是ADT的一种具体表示，方法的具体实现在独立于声明之外的类实现中。
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通过完整的
Circle类说明C++类的实现和对象的应用，用该程序来计算一个圆形水池的池壁造价。
需求：
实现程序：
#includeusing namespace std; const float PI = 3.14152; const float FencePrice = 3.5; const float ConcretePrice = 0.5; class Circle; class Circle { private: float radius; public: // 构造函数 Circle(float r); // 计算圆的周长和面积的函数 float Circumference(void) const; float Area(void) const; }; //类的实现 //构造函数用类初始化数据成员 radius Circle::Circle(float r):radius(r){} // 计算圆的周长 float Circle::Circumference(void) const { return 2 * PI * radius; } // 计算圆的面积 float Circle::Area(void) const { return radius * radius * PI; } int main() { float radius; float FenceCost, ConcreteCost; // 设定浮点数输出时只显示小数点后两位 cout.setf(ios::fixed); cout.setf(ios::showpoint); cout.precision(2); // 提示用户输入半径 radius cout << "Enter the radius of the pool:"; cin >> radius; // 定义Circle对象 Circle pool(radius) ; Circle poolRim(radius + 3); // 计算栅栏造价并输出 FenceCost = poolRim.Circumference() * FencePrice; cout << "Fencing Cost is $" << FenceCost << endl; // 计算过道造价并输出 ConcreteCost = (poolRim.Area() - pool.Area()) * ConcretePrice; cout << "Concrete Cost is $" << ConcreteCost << endl; } 运行结果：
Const 限定符：限定的函数成员不改变数据成员的值，在函数的声明和定义中都要用到
1.4 对象设计
- 由简单到复杂类开始，类的本身就包含了另一些类，通过这种复合方法产生的类，可以访问类中类的成员函数。对象符合扩充了数据封装和信息隐藏，实现代码的复用
- 面向对象程序设计语言也支持从其他类通过继承派生出的新类
对象及其复用
几何图形由线和长方形等点集组成，可以把点定义为一个原始的对象，去描述线和长方形，并用这个案例说明对象及复合。
1. 点是平面位置，所以我们用坐标（x, y）表示点这个对象，x 和 y 分别表示点到原点水平和垂直距离。
2. 两点确定一条直线，所以 P1 和 P2 点可定义一条线段
3. 矩形是临边正交的四边形，左上点和右下点决定一个矩形。
综上所述，得到点（Ponit），线（Line），矩形（Rectangle）的类：
// Point 类
class Point
{
private:
float x, y; // 点的水平及垂直位置
public:
Point (float h, float v); // 将 h 赋值给 x，v 赋值给 y
float GetX(void) const; // 返回 x 坐标（水平位置）
float GetY(void) const; // 返回 y 坐标（垂直位置）
void Draw(void) const; // 在（x, y）处画一个点
};
// Line 类
class Line
{
private:
Point p1, p2; // 线段的两个端点
public:
Line(Point a, Point b); // 将 a 赋值给 P1 , b 赋值给 P2
void Draw(void) const;
};
对象和继承
继承是一个直观的概念，比如说我们每个人继承了父母身上的人种，肤色，眼睛颜色等特征
动物学的继承：
在种族链中，子类继承父类的所有属性，比如狗具有所有哺乳动物的属性，也具有狗和猫、大象等区分开的属性，动物学的继承关系图可以解释为：
苏格兰牧羊长毛狗 “是” 狗
狗 “是” 哺乳动物
在链中，“哺乳动物”是狗的积累，“狗”被称为派生类，子类可从父类和祖父类中继承属性。
程序设计中的继承
比如：有序表（OrderedList）和继承
有序表是一种特殊表，其元素按升序排序
作为抽象数据类型，有序表(OrderedList)保存了 正常序列表(SeqList)除了插入之外的绝大部分操作，有序表的插入操作必须维持表的升序排序。
类 OrderedList 是从类 SeqList 派生来的，它继承了积累的许多操作，只是将 Insert 操作改写称按有序的次序插入元素。
ADT：
ADT OrderedList is
Data
<同 ADT SeqList>
Operations
Constructor <执行基类的 Constructor>
ListSize <同 ADT SeqList>
ListEmpty <同 ADT SeqList>
ClearList <同 ADT SeqList>
Find <同 ADT SeqList>
Delete <同 ADT SeqList>
DeleteFront <同 ADT SeqList>
GetData <同 ADT SeqList>
Insert
Preconditions: 无
Input: 要插入表中的元素
Process: 在表中可保持元素有序的位置插入该元素
Output: 无
Postconditions: 表增加一个新元素且其大小加1
end ADT OrderedList
软件复用
- 继承可以实现代码的复用，节约软件开发时间，提高应用和系统之间的整体性
例如：在系统升级时，为了让应用继续运行，可将原操作系统定义为基类，升级后的系统作为具有新功能的派生类运行。
类 SeqList 和 OrderedList 的说明
OrderedList 类继承 SeqList 类
SeqList 类
class SeqList
{
private:
// 存放表的数组及表中当前元素的个数
DataType listitem[ARRAYSIZE];
int size;
public:
// 构造函数
SeqList(void);
// 访问表的方法
int ListSize(void) const;
int ListEmpty(void) const;
int Find(DataType & item) const;
DataType GetData(int pos) const;
//修改表的方法
void Insert(const DataType& item);
void Delete(const DataType& item);
DataType DeleteFront(void);
void ClearList(void);
};
在函数
ListSize，ListEmpty，Find和GetData的定义后面都有单词const，这些函数称为 常量函数
函数Insert，Delete在参数表中出现单词const，C++用这种方式来表示：虽然传递的是参数地址，但不允许修改参数的值
C++声明派生类的语法：在头部，类名的后面用冒号（:）表示基类
OrderedList 类
class OrderedList:public SeqList // 从类 SeqList 中继承
{
public:
OrderedList(void); // 初始化基类来创建一个空表
void Insert(const dataType& item); // 按顺序往表里插入元素
};
函数
Insert覆盖了基类中的同名函数，它遍历从基类中继承的表，将元素插入到可保持其升序排列位置。
1.5 类继承的应用
- 图形用户界面（GUI）程序设计和数据库系统中有重要应用
图形上的应用集中在诸如：窗口、菜单、对话框等对象上，最基本的窗口是一具有适用于所有类型窗口的数据和操作的数据结构
这些操作包括：打开窗口、创建或修改窗口标题，建立滚动条和拖动区等
其它窗口如：对话框、菜单、文本窗口等可继承这些基本结构
如下图的类 Dialog 和 TextEdit即是从类 Window 中派生出来的
- 多重继承：派生类来自两个或者多个基类，比如说：字处理程序包括编辑器（Editor）和用来在窗口内显示文本的浏览器（View）。编辑器读入字符流并通过插入和删除字符串和相应的格式信息来改变字符流；浏览器则负责将文本用给定字体和窗口信息显示在屏幕上，这样屏幕编辑器（Screen Editor）可定义为以类
Editor和View为基类的派生类。
1.6 面向对象程序设计
- 传统的模块化设计方法：自顶向下将系统视为分层的子程序集合，在最顶层，主程序通过调用子程序来完成计算并返回信息，子程序也可以进一步分解为完成更小任务的子程序：
缺点：当问题的复杂性，超出认类能弄清楚系统调用关系的能力之外，且上层的子程序稍微改动，可能会造成下层的程序代价更高的改动。 - 面向对象程序设计提出了一种新的系统设计模式：通过对象的交互完成任务，每个对象用自己的方法管理数据。组织得好的系统应该是：易于理解、开发和排错的系统。这本书主要讨论的是常用的软件开发方法，它将软件开发过程划分为明显的阶段，即问题分析和功能定义、对象及其处理设计、编码、测试和维护。
问题分析和功能定义
程序开发从用户需要解决问题开始，这些问题需要程序员与用户共同分析问题，确定输入和输出数据及其格式，设计计算的算法。
（其实就是确认需求—>需求分析）
设计
- 定义类、数据结构
- 描述类与类之间的关系
- 程序框架设计
编码
完成主程序和子程序的代码
测试
- 测试功能完整性
- 测试程序编码
1.7 程序测试与维护
测试贯穿在整个软件系统的开发过程中
对象测试
写测试代码调用类里面的函数进行测试
控制模块测试
需要设计测试用例测试程序是否正确：
- 用不正确的输入测试代码的“健壮性”
- 设计多种特殊情况的测试用例测试
- 确保所有代码完全测试到
程序维护和文档
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设计文档
程序框图
控制模块结构图 -
用户手册
1.8 C++ 程序设计语言
C++语言发展史：
| 时间 | 事件 |
|---|---|
| 1983年8月 | 第一个C++实现投入使用（1983年C++开了天界） |
| 1983年12月 | Rick Mascitti建议命名为CPlusPlus，即C++ |
| 1985年2月 | 第一个C++ Release E发布 |
| 10月 | CFront的第一个商业发布，CFront Release 1.0 |
| 10月 | Bjarne博士完成了经典巨著The C++ Programming Language第一版 |
| 10月 | 1986年11月，C++第一个商业移植CFront 1.1,Glockenspiel |
| 1987年2月 | CFront Release 1.2发布 |
| 11月 | 第一个USENIX C++会议在新墨西哥州举行 |
| 1988年10月 | 第一次USENIX C++实现者工作会议在科罗拉多州举行 |
| 1989年12月 | ANSI X3J16在华盛顿组织会议 |
| 1990年3月 | 第一次ANSI X3J16技术会议在新泽西州召开 |
| 5月 | C++的又一个传世经典ARM诞生 |
| 7月 | 模板被加入 |
| 11月 | 异常被加入 |
| 1991年6月 | The C++ Programming Language第二版完成 |
| 6月 | 第一次ISO WG21会议在瑞典召开 |
| 10月 | CFront Release 3.0发布 |
| 1993年3月 | 运行时类型识别在俄勒冈州被加入 |
| 7月 | 名字空间在德国慕尼黑被加入 |
| 1994年8月 | ANSI/ISO委员会草案登记 |
| 1997年7月 | The C++ Programming Language第三版完成 |
| 10月 | ISO标准通过表决被接受 |
| 1998年11月 | ISO标准被批准 |
参考：C++ 诞生历史
1.9 抽象基类及多态性 *
- 类继承和抽象基类结合，这些抽象基类给出了独立于类数据、以及用户操作的公共接口
- 尽管类的内部实现改变，原有的公共接口保持不变
- 面向对象的语言通过定义每个公共操作的名称（公共函数）和参数的基类来实现这个功能
- 抽象基类仅提供有限的实现细节，而将注意力集中在公共操作的定义上
- C++抽象基类将某些操作定义为纯粹的虚函数
- 关键字
Virtual及将操作赋值为 0 表示了纯粹的虚函数
template<class T>
class List
{
protected:
// 表中元素个数，由派生类修改
int size;
public:
// 构造函数
List(void);
// 访问表的方法
virtual int ListSize(void) const;
virtual int ListEmpty(void) const;
virtual int Find(T& item) = 0;
// 修改表的方法
virtual void Insert(const T& item) = 0;
virtual void Delete(const T& item) = 0;
virtual void ClearList(void) = 0;
}
多态性和动态绑定
C++继承可以通过多种方式实现：
- 用抽象基类的虚函数实现
- 虚函数可以通过继承族谱中两个或多个对象，定义的名称相同但完成任务不同的函数方式来支持继承
多态性：允许不同类的对象响应相同的消息，在接受信息时动态确定
多态性案例：
多态性是面向对象程序设计的基础，专业人员长说成是“实时多态下的继承”，C++通过 动态绑定 和 虚函数 来支持这种结构。
动态绑定：允许系统中不同对象用自己的方式响应同一消息
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假定对象
BigWoody是WoodFrame类型，我们可以通过显式调用它的Paint操作来直接完成对木结构房子的油漆，我们称这种方式为静态绑定：BigWoody.Paint(); // 静态绑定 -
如果当前给出的消息没有跟具体的
House联系起来，只给出来这些House的地址，那么需要通过地址找到House再根据House类型选择正确的Paint操作，这种方式叫做 动态绑定，如下图所示：
DoPaint (House house)
{
house.Print()
}
(位于地址414的房子).Paint();
进程根据给定地址的 House来调用相应的 Paint 操作，如果在地址414的房子是木结构，则执行类WoodFrame 的操作 Paint()。
- 在C++中使用继承结构时，动态加载到对象的操作均定义为 虚成员函数。
- 首先生成一段代码，创建一张表来指定对象的虚函数位置，然后对象和这张表联系起来，程序运行时，系统根据具体的对象，再查找这张表即可执行正确的函数。