抽象数据类型（ADT）

抽象数据类型 (ADT，Abstract Data Type)是指一个 数学模型 以及定义在此数学模型上的一组操作。 它通常是对数据的某种抽象，定义了数据的 取值范围 及其结构形式，以及对 数据操作 的集合 。抽象数据类型是描述数据结构的一种理论工具，其目的是使人们能够独立于程序的实现细节来理解数据结构的特性。

 

java中抽象数据类型的描述：1.抽象类（abstraction class),抽象类型的实现用继承该抽象类的子类表示， 2.接口（interface) ,抽象类型的实现用实现该接口的类表示。

 

定义数据类型的作用一个是隐藏计算机硬件及其特性和差别，使硬件对于用户而言是透明的，即用户可以不关心数据类型是怎么实现的而可以使用它。定义数据类型的另一个作用是，用户能够使用数据类型定义的操作，方便的实现问题的求解。例如，用户可以使用Java定义在int 型的加法操作完成两个整数的加法运算，而不用关心两个整数的加法在计算机中到底是如何实现的。这样不但加快了用户解决问题的速度，也使得用户可以在更高的层面上考虑问题。

 

用面向对象的语言和语法，更容易理解抽象数据类型，就像上面写的那样。“抽象、封装、继承、多态”是面向对象的4个特点，抽象就是把同一数据类型的共有特征概括出来。一个数据对象有四个属性：V（值），A（地址），N（名称），T（类型）。在程序编译完成后，可执行程序里面产生了信息缺失：程序中的数据对象只有地址和值，没有数据类型、数据名称、数据意义等信息了。所以抽象完成在编写程序的时候。抽象得出的数据类型的特点包含两个方面：属性和方法。封装就是通过一定的语法形式，把抽象出来的属性和方法“捆绑在一起”，在形式上写成一个整体，使人从形式上就能看出两者的紧密关系，这个过程叫封装。通过封装，还可以将部分属性和方法隐藏起来，对外只留一定的接口（函数），实现“信息隐藏”。封装可以理解为抽象的具体表现形式。

 

抽象数据类型 = 逻辑结构 + 抽象运算


ADT的特性

抽象数据类型ADT的特性：表示泄漏、抽象函数AF、表示不变量RI。若RI推给用户实现，就不为RI了。

 

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。ADT是由操作定义的，与其内部 如何实现无关！

 

可变数据类型

提供了可改变其内部数据的值的操作。

可变类型的例子：

List：
creators：ArrayList 和LinkedList的constructor，Collections.singletonList。
producer：Collections.unmodifiable.List
observers：size，get
mutators：add，remove，Collections.sort

 

不可变数据类型

其操作不改变内部值，而是构造新的对象。

不可变类型的例子：

String：
creators：String constructor。
producer：concat，substring，toUpperCase。
observers：length。
mutators：没有。因为是不可变数据类型。

 

ADT中四种操作方法

Creator构造器（无到有）

Producer生产器（老到新，与构造器类似）

Observers观察器

Mutator变值器（不可改变类型不能有变值器 ）

一个作为静态方法实现的构造器通常被称为工厂方法变值器通常返void，如果返回值为void，则必然意味着它改变了对象的某些内部状态，变值器也可能返回非空类型。

 

表示独立性

client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pre和post-condition，否则不能改变ADT的内部表示——spec规定了 client和implementer之间的契约。

用户使用ADT时无需考虑内部是如何实现的，且ADT内部表示的变化不应影响外部用户的使用。

 

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。

测试creators，producers，mutators：调用observers来观察这些operetions的结果是否满足spec。

测试observers：调用creators，producers，mutators等方法来产生或改变对象，来看结果是否正确。

风险：如果被依赖的其他方法有错误，可能导致被测试方法的测试结果失效。

 

表示泄露

表示泄露不仅影响不变性，也影响了表示独立性：无法在不影响客户端的情况下改变其内部表示。

Final修饰immutable有助于保证不会在对象被构造后被重新分配。

但final修饰mutable仍无法保证其值不变。

除非迫不得已（当复制代价很高时，不得不这么做，但是由此引发的潜在bug也将很多），否则不要把希望寄托于客户端上，ADT有责任保证自己的invariants，并避免“表示泄露”。

最好的办法就是使用immutable（除非重新创建，否则无法改变）的类型，彻底避免表示泄露。

一旦泄露，ADT内部表示可能会在程序的任何位置发生改变（而不是限制在ADT内部），从而无法确保ADT的不变量是否能够始终保持为true。

可以用ADT不变量取代复杂的 Precondition，相当于将复杂的precondition封装到了ADT内部。

 

AF和RI

ADT开 发者关注表示空间R，client关注抽象空间A。

AF:R->A满射，未必单射，未必双射。

表示不变性RI：某个具体的“表示”是否是“合法的” 。

也可将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”的表示值。

客户端知道的有：Abstract value space，Creators，Observers.定义RI要时刻检验，规约推给用户。

AF和RI的注释：要精确的记录RI：rep中的所有fields何为有效，要精确记录AF：如何解释每一个R值。

rep exposure safety argument 表示泄漏的安全声明，给出理由，证明代码并未对外泄露其内部表示——自证清白。

ADT的规约里只能使用client可见的内容来撰写，包括参数、返 回值、异常等。

如果规约里需要提及“值”，只能使用A空间中的“值”。

ADT的规约里也不应谈及任何内部表示的细节，以及R空间中的任何值，ADT的内部表示(私有属性)对外部都应严格不可见，故在代码中以注释的形式写出AF和RI而不能在Javadoc文档中，防止被外部看到而破坏表示独立性/信息隐藏。