抽象数据型（ADT）
抽象数据类型与表示独立性：如何设计良好的抽象数据结构，通过封 装来避免客户端获取数据的内部表示（即“表示泄露”），避免潜在 的bug
ADT的特性：表示泄漏、抽象函数AF、表示不变量RI
基于数学的形式对ADT的这些核心特征进行描述并应用于设计中。
ADT的四种操作
1）Creators（构造器）：
创建某个类型的新对象，⼀个创建者可能会接受⼀个对象作为参数，但是这个对象的类型不能是它创建对象对应的类型。可能实现为构造函数或静态函数。（通常称为工厂方法）
t* -> T
例子：Integer.valueOf( )
2）Producers（生产器）：通过接受同类型的对象创建新的对象。
T+ , t* -> T
例子：String.concat( )
3）Observers（观察器）：获取抽象类型的对象然后返回一个不同类型的对象/值。
T+ , t* -> t
例子：List.size( ) ；
4）Mutators（变值器）：
改变对象属性的方法 ，
变值器通常返回void，若为void，则必然意味着它改变了对象的某些内部状态；当然，也可能返回非空类型
T+ , t* -> t || T || void
例子：List.add( )
解释：T是ADT本身；t是其他类型；+ 表示这个类型可能出现一次或多次；* 表示可能出现0次或多次。
更多例子：
设计ADT
设计好的ADT，靠“经验法 则”，提供一组操作，设计其行为规约 spec
原则1：设计简洁、一致的操作
原则2：要足以支持client对数据所做的所有操作需要，且 用操作满足client需要的难度要低
原则3：要么抽象、要么具体，不要混合 --- 要么针对抽象 设计，要么针对具体应用的设计
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。
下面举例说明
首先看一个表示独立的例子，
/** MyString represents an immutable sequence of characters. */ public class MyString { //////////////////// Example of a creator operation /////////////// /** @param b a boolean value * @return string representation of b, either "true" or "false" */ public static MyString valueOf(boolean b) { ... } //////////////////// Examples of observer operations /////////////// /** @return number of characters in this string */ public int length() { ... } /** @param i character position (requires 0 <= i < string length) * @return character at position i */ public char charAt(int i) { ... } //////////////////// Example of a producer operation /////////////// /** Get the substring between start (inclusive) and end (exclusive). * @param start starting index * @param end ending index. Requires 0 <= start <= end <= string length. * @return string consisting of charAt(start)...charAt(end-1) */ public MyString substring(int start, int end) { ... } }
使用者只需要知道公共方法与规格说明，下面是如何声明内部表示的方法，作为一个实例变量
private char[] a;
一个可能的实现方法如下;
public static MyString valueOf(boolean b) { MyString s = new MyString(); s.a = b ? new char[] { 't', 'r', 'u', 'e' } : new char[] { 'f', 'a', 'l', 's', 'e' }; return s; } public int length() { return a.length; } public char charAt(int i) { return a[i]; } public MyString substring(int start, int end) { MyString that = new MyString(); that.a = new char[end - start]; System.arraycopy(this.a, start, that.a, 0, end - start); return that; }
执行以下操作后，可以得到snapshot diagram
因为这个数据类型是不可变的，那么 substring 实际上没有必要真正去复制子字符串到⼀个新的数组中。它可以仅仅指向原来的 MyString 字符数组，并且记录当前的起始位置和终⽌位置。
那么另一种高效的实现如下：
此使执行相同的代码。snapshot diagram如下：
不需要再拷贝一次char。
不变量
不变量：在任何时候总是true
由ADT 来负责其不变量，与client端的任何行为无关
为什么需要不变量：保持程序的“正确 性”，容易发现错误
表示泄露
下面举例来说明：
/** * This immutable data type represents a tweet from Twitter. */ public class Tweet { public String author; public String text; public Date timestamp; /** * Make a Tweet. * @param author Twitter user who wrote the tweet * @param text text of the tweet * @param timestamp date/time when the tweet was sent */ public Tweet(String author, String text, Date timestamp) { this.author = author; this.text = text; this.timestamp = timestamp; } }
因为变量都是public，所以下面的操作会直接访问到Tweet内部数据：
1 Tweet t = new Tweet("justinbieber", 2 "Thanks to all those beliebers out there inspiring me every day", 3 new Date()); 4 t.author = "rbmllr";
这样的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
那么将变量都改为private final会怎么样呢
看下面的代码
public class Tweet { private final String author; private final String text; private final Date timestamp; public Tweet(String author, String text, Date timestamp) { this.author = author; this.text = text; this.timestamp = timestamp; } /** @return Twitter user who wrote the tweet */ public String getAuthor() { return author; } /** @return text of the tweet */ public String getText() { return text; } /** @return date/time when the tweet was sent */ public Date getTimestamp() { return timestamp; } }
在private和public关键字表明哪些字段和方法可访问时，只在类内部还是可以从类外部访问。所述final关键字还保证该变量的索引不会被更改，对于不可变的类型来说，就是确保了变量的值不可变。
但是上面的代码还是会有表示泄露产生，如下面的操作：
我们画出snap diagram来说明
d和Tweet中的timestamp指向相同的Date，但Date可变，d对Date修改，导致Tweet的timestamp也被修改。这样，Tweet的不变性就被破坏，Tweet将自己内部对于可变对象的索引“泄露”了出来，因此整个对象都变成可变的了，使用者在使用时也容易造成隐藏的bug。
我们可以通过防御性拷贝来解决该问题：
让getTimestamp返回一个新的对象实例。
即使这样，下面的操作还会导致表示泄露
/** @return a list of 24 inspiring tweets, one per hour today */ public static List<Tweet> tweetEveryHourToday () { List<Tweet> list = new ArrayList<Tweet>(); Date date = new Date(); for (int i = 0; i < 24; i++) { date.setHours(i); list.add(new Tweet("rbmllr", "keep it up! you can do it", date)); } return list; }
该代码创建24个Tweet对象，但构造时都是用相同的date，导致最后24个Tweet都同一时间结束，如下图所示
所以我们对creator方法也做了防御性编程：
但这样的拷贝非常浪费，但这没有办法
除非迫不得已，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的类型，彻底避免表示泄露
总结:
简单来说，一个主类有属性和方法两种成分，这里的主类是指用户直接使用的类，需要做到以下两点
1、将类中所有的属性（变量）定义为private类型，目的是不让用户得到你的内部属性
2、方法或者返回immutable data，或者返回本应该返回的mutable data的副本，或者返回一个不可修改的mutable data
为了做到第二点的三个方面
1、尽量使用immutable数据类型，比如能使用String就不使用StringBuilder，能使用Instance就不使用Data
2、为了创造mutable data的副本，可以进行defensive copy。可以在主类方法中构造然后返回，但是推荐方法是使用mutable数据类型的clone，假如该mutable数据类型是自己写的类，那么推荐在类中写一个clone的方法
3、使用Collections.unmodifiableSet等方法这里需要注意的是第二个方面，如果想要返回一个Collection类的数据，有人说我创建了一个Collection类，向里面添加数据后，不管数据怎样，都算defensive copy了，但是如果数据是mutable类型，那么就不算defensive copy，因为Collection类储存的是地址，尽管new了一个hashSet或者hashMap，但是没有真正的对mutable数据进行defensive copy。
抽象函数AF与表示不变量RI
在研究抽象类型的时候，先思考一下两个值域之间的关系：
表示域（rep values）里面包含的是值具体的实现实体。一般情况下ADT的表示比较简单，有些时候需要复杂表示。
抽象域（A）里面包含的则是类型设计时支持使用的值。这些值是由表示域“抽象/想象”出来的，也是使用者关注的。
ADT实现者关注表示空间R，用户关注抽象空间A 。
R->A的映射特点：
每一个抽象值都是由表示值映射而来 ，即满射：每个抽象值被映射到一些rep值一
些抽象值是被多个表示值映射而来的，即未必单射：一些抽象值被映射到多个rep值
不是所有的表示值都能映射到抽象域中，即未必双射：并非所有的rep值都被映射。
抽象函数（AF）：R和A之间映射关系的函数
表示不变量（RI）：将rep值映射到布尔值
对于表示值r，当且仅当r被AF映射到了A，RI(r)为真。
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
在下图中，绿色表示的就是RI(r)为真的部分，AF只在这个子集上有定义。
