C++学习笔记-数据抽象
简单的说,数据抽象是用来描述数据结构的。数据抽象就是 ADT。一个 ADT 主要表现为它支持的一些操作,比方说
stack.push、stack.pop,这些操作应该具有明确的时间和空间复杂度。另外,一个 ADT 可以隐藏其实现细节,比方说 stack
既可以用动态数组实现,又可以用链表实现。按照这个定义,数据抽象和基于对象(object-based)很像,那么它们的区别在哪里?语义不同。ADT 通常是值语义,而
object-based 是对象语义。(这两种语义的定义见前文《C++ 工程实践(8):值语义》)。ADT class
是可以拷贝的,拷贝之后的 instance 与原 instance 脱离关系。比方说 stack a; a.push(10); stack b = a; b.pop(); 这时候 a 里仍然有元素 10。
数据抽象是指,只向外界提供关键信息,并隐藏其后台的实现细节,即只表现必要的信息而不呈现细节。
数据抽象是一种依赖于接口和实现分离的编程(设计)技术。
让我们举一个现实生活中的真实例子,比如一台电视机,可以打开和关闭、切换频道、调整音量、添加外部组件(如喇叭、录像机、DVD 播放器),但是不知道它的内部实现细节,也就是说,并不知道它是如何通过缆线接收信号,如何转换信号,并最终显示在屏幕上。
因此,我们可以说电视把它的内部实现和外部接口分离开了,无需知道它的内部实现原理,直接通过它的外部接口(比如电源按钮、遥控器、声量控制器)就可以操控电视。
现在,让我们言归正传,就 C++ 编程而言,C++ 类为数据抽象提供了可能。它们向外界提供了大量用于操作对象数据的公共方法,也就是说,外界实际上并不清楚类的内部实现。
例如,程序可以调用 sort() 函数,而不需要知道函数中排序数据所用到的算法。实际上,函数排序的底层实现会因库的版本不同而有所差异,只要接口不变,函数调用就可以照常工作。
在 C++ 中,我们使用类来定义我们自己的抽象数据类型(ADT)。可以使用类 iostream 的 cout 对象来输出数据到标准输出,如下所示:
实例
#include <iostream>
using namespace std;int main( )
{cout << "Hello C++" <<endl;return 0;
}
在这里,不需要理解 cout 是如何在用户的屏幕上显示文本。只需要知道公共接口即可,cout 的底层实现可以自由改变。
访问标签强制抽象
在 C++ 中,我们使用访问标签来定义类的抽象接口。一个类可以包含零个或多个访问标签:
- 使用公共标签定义的成员都可以访问该程序的所有部分。一个类型的数据抽象视图是由它的公共成员来定义的。
- 使用私有标签定义的成员无法访问到使用类的代码。私有部分对使用类型的代码隐藏了实现细节。
访问标签出现的频率没有限制。每个访问标签指定了紧随其后的成员定义的访问级别。指定的访问级别会一直有效,直到遇到下一个访问标签或者遇到类主体的关闭右括号为止。
数据抽象的好处
数据抽象有两个重要的优势:
- 类的内部受到保护,不会因无意的用户级错误导致对象状态受损。
- 类实现可能随着时间的推移而发生变化,以便应对不断变化的需求,或者应对那些要求不改变用户级代码的错误报告。
如果只在类的私有部分定义数据成员,编写该类的作者就可以随意更改数据。如果实现发生改变,则只需要检查类的代码,看看这个改变会导致哪些影响。如果数据是公有的,则任何直接访问旧表示形式的数据成员的函数都可能受到影响。
数据抽象的实例
C++ 程序中,任何带有公有和私有成员的类都可以作为数据抽象的实例。请看下面的实例:
实例
#include <iostream>
using namespace std;class Adder{public:// 构造函数Adder(int i = 0){total = i;}// 对外的接口void addNum(int number){total += number;}// 对外的接口int getTotal(){return total;};private:// 对外隐藏的数据int total;
};
int main( )
{Adder a;a.addNum(10);a.addNum(20);a.addNum(30);cout << "Total " << a.getTotal() <<endl;return 0;
}
当上面的代码被编译和执行时,它会产生下列结果:
Total 60
上面的类把数字相加,并返回总和。公有成员 addNum 和 getTotal 是对外的接口,用户需要知道它们以便使用类。私有成员 total 是用户不需要了解的,但又是类能正常工作所必需的。
设计策略
抽象把代码分离为接口和实现。所以在设计组件时,必须保持接口独立于实现,这样,如果改变底层实现,接口也将保持不变。
在这种情况下,不管任何程序使用接口,接口都不会受到影响,只需要将最新的实现重新编译即可。
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