Алгоритмы и структуры данных

Абстрактным принято называть тип данных, в явном виде не имеющийся в языке программирования, в этом смысле это понятие относительное - тип данных, отсутствующий в одном языке программирования, может присутствовать в другом.

Абстрактный тип данных (АТД) определяется независимо от способа его реализации:

§ множеством возможных значений этого типа,

§ и набором операций со значениями этого типа.

Использование АТД может быть ограничено этапом разработки программного обеспечения, но для его явного использования в программе надо иметь его реализацию на основе уже имеющихся (и ранее реализованных) типов данных в языке программирования:

§ способ представления значений этого типа,

§ и реализацию операций со значениями этого типа.

АТД не является предопределенным в языке программирования, и даже более того – операции конструирования таких типов, предопределенные в языке, перекладывают на разработчика-программиста вопрос о способе представления значений такого типа и реализации операций со значениями этого типа. А потому, для таких типов данных вопрос о выборе определений и способов реализации операций вида конструктор (значений и хранилищ данных) такого типа, селектор и модификатор компонентов (значений и хранилищ данных) такого типа возлагается на разработчика-программиста.

В концепции АТД особый статус имеют понятия интерфейс , открытый пользователю, и реализация , скрытая от него. Особая роль этих понятий в концепции АТД связана с основополагающим положением о независимости понятия АТД от способа его реализации.

В современных «практических языках программирования» для конструирования АТД обычно используется предопределенная операция конструирования типов class , которая дает разработчику-программисту не только средства группировки данных и операций (с этими данными) в единое целое, но и средства инкапсуляции, наследования и полиморфизма для управления способами конструирования и доступа к таким данным. Отметим, что класс описывает одну возможную реализацию АТД, отображение класса в АТД выражается функцией абстракции, но обратное отношение, обычно, не является функциональным, реализаций одного и того же АТД может быть несколько.



В исследованиях по абстрактным типам данных уже на раннем этапе была осознана важная роль понятия «параметризация типа ». Действительно, например АТД «Стек» не зависит от типа элементов стека, но реализовать этот АТД указанием на «элементы какого-то одинакового типа» невозможно. В язык программирования Ada соответствующие средства конструирования параметризованных типов данных были включены изначально, а в современных «практических языках программирования» какие средства появились только со времен появления разработки по STL-библиотеке . На сегодня понятие «обобщенное программирование» занимает значимое положение в практическом программировании благодаря включению в «практические языки программирования» средств конструирования параметризованных типов данных (шаблоны, template , generic) .

Всё вышесказанное означает, что с методологической и теоретической точки зрения необходимо более детальное точное определение понятия «абстрактный тип данных». В теории понятие «абстрактный тип данных» обычно определяется как многосортная (многоосновная) алгебраическая система , в которой дополнительно к множеству возможных значений (носителю) и набору операций над такими значениями выделены понятия:

§ Сорт и сигнатура – эти понятия позволяют расклассифицировать и элементы носителя и операции с ними по их типам (для операций - по типам их аргументов и возвращаемого значения).

§ Предикаты – отношения на элементах носителя. Это позволяет определять область возможных значений наложением ограничений (требований) на допустимые значения, а также в естественной трактовке работать с произвольными логическими выражениями, не принуждая интерпретировать их как функции принадлежности для множеств или как многозначные операции.

На такой основе можно рассматривать абстрактные типы данных с единой целостной логико-алгебраической точки зрения, включая вопросы о конструкторах (типов и значений), селекторах и модификаторах свойств для объектов такого типа .

Понятия «структура данных» и «абстрактный тип данных» в чем-то очень близкие. Можно конечно считать, что эти понятия - просто два взгляда на одно и то же. Способ представления значений АТД всегда основан на некоторой структуре данных, менее или более сложной, и реализация операций с такими значениями естественно зависит от этой выбранной структуры данных. С другой стороны, заинтересовавшую нас структуру данных при большом желании мы всегда можем оформить как АТД.

Но все же мы будем различать эти два понятия, учитывая:

§ Абстрактный тип данных - подразумевает определенный уровень абстрагирования с целью фиксации прикладного (предметно-ориентированного) типа данных безотносительно к способам его реализации, и возможно включения этого типа данных в прикладную библиотеку, ну хотя бы для конкретной разработки конкретной программной системы. АТД может иметь несколько альтернативных реализаций, основанных на различных структурах данных.

§ Структура данных - скорее некоторая схема организации данных и управления ими, которая предполагает соответствующие конкретизации при ее использовании в конкретных ситуациях при решении конкретных задач.

К абстрактным типам данных прежде всего естественно относятся математические базовые алгебраические системы – последовательности, множества, отношения и отображения (функциональные отношения, функции) . Но в программировании на переднем плане не исследование общих свойств этих математических понятий, а возможности их использования в разработке моделей решения задач предметной области, алгоритмов решения этих задач и эффективной реализации разработанных алгоритмов. А потому в программировании в виде АТД обычно оформляются с одной стороны ограниченные варианты этих базовых алгебраических систем, а с другой стороны расширенные специализированными наборами операций, представляющими прагматический интерес с точки зрения области применения.

2.1. Последовательность (Sequence).

Бесконечная (конечная) последовательность формально определяется как функция, областью определения которой является множество положительных целых чисел: f(i)= , . Во многих случаях индексирование последовательности более удобно начинать с нуля; тогда областью определения / будет множество целых неотрицательных чисел. Аналогично определим конечную последовательность или список как функцию, областью определения которой является множество {1, 2, ..., }.

Концепция последовательности, в которой элементы следуют друг за другом, в программировании является фундаментальной. Последовательность встречается в построковом выводе кода компьютерной программы, где порядок команд определяет выполняемые программой действия. Последовательность сетевых пакетов составляет сообщение электронной почты, поскольку сообщение будет иметь смысл только при приеме пакетов в той же последовательности, в которой они отправлены. Последовательности представляют такие важные отношения между объектами, как «следующий» и «предыдущий». Кроме того, последовательности зачастую используются для реализации других структур данных, то есть они представляют собой блоки, на которых базируется проектирование таких структур.

¨ Множество возможных значений – конечные последовательности элементов одинакового типа.

¨ Набор операций:

§ Вставить элемент в последовательность.

§ Удалить элемент из последовательности.

§ Посмотреть – функция, возвращающая значение элемента последовательности.

Разновидности этого вида АТД различаются способом доступа к элементам последовательности и ограничениями на место вставки и удаления элементов.

Для АТД этого вида стек (stack) , очередь (queue) и дек (deque от Double Ended Queue - двусторонняя очередь) характерно разрушающее чтение , т.к. доступ к элементам (для всех трех операций) ограничен одним из концов последовательности и операцию «посмотреть другой элемент» можно выполнить, только удалив мешающие этому элементы. Для АТД вектор(array, vector),файл (file) и линейный список (linear list) ограничения на доступ обеспечивают неразрушающее чтение , поэтому особое значение имеет (производная) операция просмотра последовательности .

Ограничения на доступ к элементам последовательности естественно отражаются на семантике основных операций. Последовательный доступ основан на понятии текущая позиция и допускает доступ (перемещение, навигацию) к одному (или к обоим) из концов последовательности и к соседней позиции (слева, справа или к обеим) относительно текущей. Место применения основных операций в этом случае обычно привязывается к текущей позиции. Прямой (позиционный, произвольный) доступ основан на глобальном понятии позиция элемента в последовательности и обеспечивает непосредственный доступ к элементу, если известна его позиция. Например, в АТД динамический вектор (dynamic array, vector) , позиция – это индекс элемента. Но в других реализациях других видов последовательностей идентификатор позиции может быть реализован иначе.

Понятия «номер» и «позиция» элемента – близкие, но могут не совпадать:

§ Номер - это собственно порядковый номер элемента в последовательности. Но порядковый номер элемента изменяется в результате выполнения операций вставки и удаления предшествующих элементов, это создает ряд неудобств в идентификации элементов последовательности.

§ Позиция - аналогична порядковому номеру в том смысле, что для элемента в заданной позиции позволяет говорить о предшествующем и следующем элементе последовательности (и их позиции). Но значение позиции элемента не изменяется в результате выполнения операций вставки и удаления предшествующих элементов, поэтому значение позиции элемента можно сохранить и использовать для доступа к этому элементу в будущем. Например, в реализации последовательности связным списком понятие «позиция» может быть представлено указателем на элемент, а в других реализациях может быть представлено идентификатором другого вида, специально поддерживаемым реализацией.

Для АТД «Последовательность» представляют интерес дополнительные операции вида: сцепить две последовательности, расцепить на две последовательности. Например, в АТД строка(string) такого вида операции фактически являются основными.

Для различных видов АТД «Последовательность» достижима различающаяся эффективность реализации различных операций. Например, если реализация предлагает эффективный прямой доступ к элементам последовательности, то скорее всего – время выполнения операции вставки в середине последовательности оставляет желать лучшего. Различные виды (и реализации) АТД «Последовательность» выдвигают программисту различные предложения и по составу операций и по эффективности их реализации. А потому в практике программирования обычно больший интерес представляют не столько универсальные варианты этого (как и других) АТД, а скорее специализированные, и программист должен проводить соответствующий выбор с учетом их использования в решении задач предметной области.

2.2. Множество (Set).

¨ Множество возможных значений – конечные множества элементов одинакового типа.

¨ Набор операций:

§ Вставить элемент во множество.

§ Удалить элемент из множества.

§ Принадлежать – функция, возвращающая значение true, если элемент принадлежит множеству.

Для такого фундаментального понятия классической математики представляется естественным расширить набор операций до типового классического. Но по ряду причин прагматического характера в программировании такое АТД общего (универсального) вида представляет ограниченный интерес. Например, включение операции объединения пересекающихся множеств, при реализации требует удаления элементов пересечения. Это может значительно усложнить реализацию этой операции. С другой стороны наличие дубликатов может быть некритичным с позиции решаемой задачи, в этом случае АТД представляют собой мультимножества. Фундаментальное значение понятия множества, конечно, проявляется наличием богатого набора специализированных расширений этого базового АТД «Множество», которые широко используются в практике программирования, как благодаря мощной выразительной силе этого инструментария в разработке модели задач и алгоритмов их решения, так и благодаря наличию эффективных методов реализации этих АТД.

Специализированные расширения АТД «Множество» рассматриваются в различных направлениях:

§ Близким к понятию «множество» является понятие «набор». Набор (Bag, MultiSet) – также как и множество является семейством элементов, безотносительно к тому задано ли на элементах отношение порядка, но элементы в наборе могут повторяться по значению. Вообще говоря, набор можно представить множеством, например, элементы которого являются парами [значение элемента, количество вхождений в набор].

§ В практических приложениях часто элементы множеств идентифицируются, т.е. элемент является парой [ключ элемента, собственно значение элемента], АТД «Словарь» - пример такого специализированного расширения АТД «Множество». Предпочтительный случай, когда ключ элемента – уникальный , т.е. множество не может содержать двух элементов с одинаковым ключом. Но возможно, что используемый ключ неуникальный, т.е. неоднозначно идентифицирущий собственно значение элемента. Вообще говоря, множество (и набор) с неуникальным ключом можно представить множеством с уникальным ключом, усложнив тип значения элемента, например, рассматривая в качестве значения элемента множество значений предыдущего типа (с одинаковым ключом).

§ Естественным представляется задание на множестве отношения порядка, частичного или линейного, АТД «Очередь с приоритетом» - пример такого специализированного расширения АТД «Множество». Аналогично в предметной области решаемой задачи могут представлять интерес и другие отношения на множестве .

§ Фундаментальное положение в математике занимает понятие отношение эквивалентности и соответственно – понятие разбиение множества на классы эквивалентности. Естественно, что это понятие широко используется и в практических разработках моделей решения задач предметных областей. АТД «Семейство непересекающихся множеств» (Disjoint Sets, Partitions, Разбиения) - пример соответствующего специализированного расширения АТД «Множество».

Для специализированных расширений АТД «Множество» естественно соответствующим образом уточняются вышеотмеченные операции и появляются свои новые операции, представляющие интерес.

2.3. Словарь (Dictionary, Map), другое название – ассоциативный массив .

¨ Множество возможных значений – конечные множества элементов одинакового типа, вида , где Key – уникальный ключ элемента, Value - собственно значение.

¨ Набор операций:

§ Вставить элемент (с ключом) во множество.

§ Удалить элемент (заданный ключом) из множества.

§ Найти элемент – функция, возвращающая по ключу значение элемента или «пустое» значение, если элемента с таким ключом нет во множестве.

АТД «Словарь» - это специализированный вариант понятия (хранимое) отображение (ключей в значения), широко используемый в практическом программировании. Но для некоторых предметных областей возможно более удобным окажется оформление АТД «Отображение» (Mapping) , более близкое классическому математическому определению .

2.4. Очередь с приоритетом (Priority queue).

¨ Множество возможных значений – конечные множества элементов одинакового типа. На множествах (возможных значениях) задано отношение линейного порядка, которое трактуется как сравнение элементов по приоритетности. Уровень приоритета может быть выделен как составная часть значения элемента или вычислим заданной функцией от значения элемента.

Отметим, что такое множество возможных значений можно трактовать и как множество последовательностей (с перечислением её элементов в заданном линейном порядке).

¨ Набор операций:

§ Вставить элемент в (линейно упорядоченное) множество.

§ Удалить минимальный элемент из множества.

§ Найти минимальный – функция, возвращающая значение минимального элемента во множестве.

Рассматриваются также (существенные) вариации этого АТД с дополнительными операциями:

§ Расцепить очередь на две по заданному значению (приоритету) элемента – на очередь элементов с меньшим приоритетом и очередь остальных.

§ Сцепить две очереди, у одной из которых все элементы имеют приоритет больший, чем у всех элементов другой очереди в одну очередь с приоритетом без сохранения исходных сцепляемых очередей.

§ Объединить два непересекающихся упорядоченных множества (слить две такие очереди) в одно упорядоченное множество (одну очередь с приоритетом), также без сохранения исходных объединяемых.

§ Уменьшить значение (приоритет) заданного элемента.

§ Удалить (произвольно) заданный элемент из множества.

2.5. Непересекающиеся множества (Disjoint Sets, Partitions, Разбиения) .

¨ Множество возможных значений – конечные множества (семейства) непересекающихся конечных множеств. Элементы семейства идентифицированы, т.е. каждое множество из семейства имеет (уникальное) имя.

¨ Набор операций:

§ Объединить(А,В) – операция вида А:= А È В без сохранения исходных объединяемых множеств (а значит новое значение семейства останется семейством непересекающихся множеств, причем их количество уменьшится).

§ Найти множество – функция, возвращающая для заданного х имя такого множества Х в семействе, что х Î Х.

2.6. Деревья, графы и отношения общего вида.

В дискретной математике особое внимание уделяется (конечным) отношениям вида - дерево, граф и сеть (мультиграф, гиперграф), имеющим определенно выраженную геометрическую трактовку:

¨ Граф – (конечное) бинарное отношение (симметричное – в случае неориентированных графов), E Í V 2 , где V – множество вершин, а E – множество ребер графа.

В дискретной математике обычно E определяется не как множество, а как набор ребер графа, это позволяет рассматривать графы, в которых пару вершин может связывать несколько ребер (например, как-то по-разному помеченных).

¨ Дерево – это бинарное отношение (строгого) частичного порядка, дополнительно удовлетворяющее требованиям (иерархичности, древесности):

§ из того, что х<у,z следует, что у и z сравнимы, т.е. либо у£z либо z£у (х<у трактуется как: х встречается раньше у в пути к корню дерева, х – потомок, у - предок);

§ во множестве V (вершин дерева) существует наибольший элемент (корень дерева).

Деревья можно различать, если порядок сыновей (хотя бы для одной) вершины дерева различен. Упорядоченное дерево – дерево, в котором для каждой вершины задан порядок на множестве дочерних вершин, т.е. детей можно определить как первый, второй и т.д.

¨ Сеть – это отношение общего вида, которое можно трактовать как обобщение – E Í VÈV 2 È...V k , а можно – как отношение (E Í V k) с множеством элементов V, имеющим «пустой» (фиктивный) элемент.

Эти понятия, конечно, широко используются при разработке моделей задач предметных областей. Но также как и в случае множеств по ряду причин прагматического характера в программировании такое АТД общего (универсального) вида представляет ограниченный интерес. Точнее, разнообразные виды представления деревьев, графов и сетей, конечно, широко используются в практике программирования. Но совмещение их с универсальным набором операций и оформление такого универсального АТД представляется полезным только в простых ситуациях.

Фундаментальная роль деревьев и графов проявляется скорее в контексте прикладной задачи при выборе структур данных для эффективной реализации выбранных АТД и алгоритма решения задачи в целом. Но в таком контексте и их способ представления, и набор операций с этими деревьями, графами и сетями, естественно специализирован в соответствии с конкретным контекстом.

Тип данных описывает множество объектов со схожими свойствами. Все традиционные языки программирования используют набор базовых типов данных (real, integer, string, character). Базовые типы данных подчиняются предопределенному набору операций. Например, базовый тип данных integer позволяет выполнять такие операции, как сложение, вычитание, умножение, деление.

В традиционные языки программирования включаются конструкторы типов, самым распространенным из которых является конструктор record. Например, для записи типа CUSTOMER можно определить поля данных. Запись CUSTOMER будет представлять собой новый тип данных, в котором будет храниться информация о клиенте, можно напрямую получать доступ к этой структуре данных, ссылаясь на имена полей. Над записью можно выполнять такие операции, как WRITE, READ, DELETE, UPDATE. Для базовых типов данных определить новые операции нельзя.

Как и базовые типы данных, абстрактные типы данных (ATD, abstract data types) описывают множество схожих объектов. Есть отличия ATD от традиционного типа данных:

· операции под ATD определяются пользователем;

· ATD не допускают непосредственного доступа к внутреннему представлению данных и реализации методов.

В некоторых ОО-системах (например, Smalltalk) базовые типы данных реализованы как абстрактные.

Для создания абстрактного типа данных необходимо обеспечить:

· имя типа;

· представление данных или переменные экземпляра объекта, принадлежащего ATD; каждая переменная экземпляра имеет тип данных, который может быть либо базовым типом, либо другим ATD;

· операции под ATD и ограничения реализуются с помощью методов.

Определение ATD перестраивает определение класса. В некоторых ОО-системах для различения классов и типов при ссылки на структуры данных и методы класса используется ключевое слово type, а при ссылке на набор экземпляров объекта - ключевой слово class. Тип (type) более статичное понятие, а class связан в основном со временем выполнения. Отличие ОО-класса от ОО-типа можно проиллюстрировать на примере. Предположим, имеется шаблон для конструктора. К шаблону прилагается описание его структуры, а также инструкция по его использованию. Этот шаблон и есть описание типа (type definition). Комплект сделанных с помощью шаблона реальных изделий, каждое из которых имеет уникальный номер (или OID), составляет класс (class).

ATD совместно с наследованием позволяют создавать сложные объекты. Сложный объект (complex object) формируется путем комбинации других объектов, находящихся в сложных взаимосвязях друг с другом. Пример сложного объекта можно найти в системах безопасности, где используются различные типы данных:

1. стандартные (табличные) данные о сотруднике (ФИО, Таб. № и т.д.);

2. битовая карта для хранения фотографии сотрудника;

Возможность относительно просто работать с такой сложной средой данных повышает значение ОО-систем на современном рынке баз данных.

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.

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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 >> Информатика

    Развивающимися 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 >> Информатика

    Защиты 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...

    • 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

    Доброго времени суток, хабравчане!

    Следующий пост является изложением моих размышлений на тему природы классов и АТД. Эти размышления дополнены интересными цитатами из книг гуру разработки программного обеспечения

    Введение

    Начнем с того, что плавно подойдем к определению АТД. АТД, в первую очередь, представляет собой тип данных, что означет следущее:
    наличие определенных доступных операций над элементами этого типа;
    а также данные, относительно которых эти операции выполняются (диапазон значений).

    Что же означает слово “абстрактный”? В первую очередь понятие “абстрактность” означет сосредоточение внимания на чем-то важном и, при этом, нам нужно отвлечься от неважных, на данный момент, деталей. Определение абстрактности хорошо раскрыто в книге Гради Буча (“Grady Booch”). Звучит определение так:

    Абстракция – это выделение и придание совокупности объектов общих свойств, которые определяют их концепутальные границы и отличают от всех других видов объектов.
    Иными словами, абстракция позволяет “пролить свет” на нужные нам данные объектов и, при этом, “затенить” те данные, которые нам не важны.

    Итак, что же будет, если слить понятия “тип данных” и “абстракция” воедино? Мы получим тип данных, который предоставляет нам некий набор операций, обеспечивающих поведение объектов этого типа данных, а также этот тип данных будет скрывать те данные, с помощью которых реализовано данное поведение. Отсюда, приходим к понятию АТД:

    АТД – это такой тип данных, который скрывает свою внутреннюю реализацию от клиентов.
    Удивительно то, что путем применения абстракции АТД позволяет нам не задумываться над низкоуровневыми деталями реализации, а работать с высокоуровневой сущностью реального мира (Стив Макконнелл).

    Я считаю, что при разработке АТД сначала нужно определить интерфейс, так как интерфейс не должен зависеть от внутреннего представления данных в АТД. После определения операций, сотставляющих интерфейс, нужно сосредоточиться на данных, которые и будут реализовать заданное поведение АТД. В итоге мы получим некую структуру данных – механизм позволяющий хранить и обрабатывать данные. При этом, прелесть АТД в том, что если нам захочется изменить внутренне представление данных, то нам не придется блуждать по всей программе и менять каждую строку кода, которая зависит от данных, которые мы хотим поменять. АТД инкапсулирует эти данные, что позволяет менять работу объектов этого типа, а не всей программы.

    Преимущества АТД

    Использование АТД имеет массу преимуществ (все описанные преимущества можно найти в книге Стива Макконнелла «Совершенный код”):

    • Инкапсуляция деталей реализации.
      Это означает, что единожды инкапсулировав детали реализации работы АТД мы предоставляем клиенту интерфейс, при помощи которого он может взаимодействовать с АТД. Изменив детали реализации, представление клиентов о работе АТД не изменится.
    • Снижение сложности.
      Путем абстрагирования от деталей реализации, мы сосредатачиваемся на интерфейсе, т.е на том, что может делать АТД, а не на том как это делается. Более того, АТД позволяет нам работать с сущностью реального мира.
    • Ограничение области использования данных.
      Используя АТД мы можем быть уверены, что данные, представляющие внутреннюю структуру АТД не будут зависеть от других участков кода. При этом реализуется “независимость” АТД.
    • Высокая информативность интерфейса.
      АТД позволяет представить весь интерфес в терминах сущностей предметной области, что, согласитесь, повышает удобочитаемость и информативность интерфейса.

    Стив Макконнелл рекомендует представлять в виде АТД низкоуровнеые типы данных, такие как стек или список. Спросите себя, что представляет собой этот список. Если он представляет список сотрудников банка, то и рассматривайте АТД как список сотрудников банка.

    Итак, мы разобрались, что такое АТД и назвали преимущества его применения. Теперь стоит отметить, что при разработке классов в ООП следует думать, в первую очередь, об АТД. При этом, как сказал Стив МакКоннелл, Вы программируете не на языке, а с помощью языка. Т.е Вы будете программировать выходя за рамки языка, не ограничиваясь мыслями в терминах массивов или простых типов данных. Вместо этого Вы будете думать на высоком уровне абстракции (например, в терминах электронных таблицах или списков сотрудников). Класс – это не что иное как дополнение и способ реализации концепции АТД. Мы можем даже представить класс в виде формулы:
    Класс = АТД + Наследование + Полиморфизм.
    Так почему же следут думать об АТД, при разработке классов. Потому что, сперва мы должны решить какие операции будут составлять интерфейс будущего класса, какие данные скрыть, а к каким предоставить открытый доступ. Мы должны подумать об обеспечении высокой информативности интерфейса, легкости оптимизации и проверки кода, а также о том, как бы нам предоставить правильную абстракцию, чтобы можно было думать о сущностях реального мира, а не о низкоуровнеых деталях реализации. Я считаю, что именно после определения АТД мы должны думать о вопросах наследования и полиморфизма.

    Стоит отметить, что концепция АТД нашла гирокое применение в ООП, т.к именно эта концепция дополняет ООП и позволяет уменшить сложность программ в быстроменяющемся мире требований к ПО.

    Данную статью я писал для того, что бы обратить внимание разработчиков на АТД с целью повышения качества работы и разработки программного обеспечения.

    Использованные источники:

    Стив Макконнелл – “Совершенный код”;
    Роберт Седжвик – «Алгоритмы на Java».



    СХОЖИЕ СТАТЬИ