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【HIT-SC-MEMO3】哈工大2022软件构造复习笔记3

2022-08-04 05:32:00 【XMeow】

三、ADT & OOP

3.1 数据类型和类型检查

基本数据类型 & 对象数据类型

Primitives	Object Reference Types
int, long, byte, short, char, float, double, boolean	Classes, interfaces, arrays, enums,annotations
只有值，没有ID (与其他值无法区分)	既有ID，也有值
不可变	可变/不可变
在栈中分配内存	在堆中分配内存
Can’t achieve unity of expression	Unity of expression with generics
代价低	代价昂贵

静态类型检查 & 动态类型检查

静态类型检查
关于“类型的检查”，不考虑值
在编译阶段发现错误，避免将错误带入运行阶段
提高程序的正确性、健壮性

静态类型检查错误：
语法错误
类名/函数名错误
参数数目错误
参数类型错误
返回值类型错误

动态类型检查
- 关于“值”的检查

动态类型检查错误：
非法的参数值
非法的返回值
越界
空指针

Mutable可变 & Immutable不可变

不变对象：一旦被创建，始终指向同一个值
可变对象：拥有方法可以修改自己的值/引用

final

尽量使用final作为方法的输入参数、作为局部变量
final表明了程序员的一种“设计决策”
final类无法派生子类
final变量无法改变值/引用
final方法无法被子类重写

String 不可变
StringBuilder 可变

/* String部分 */
String s = "a";    //开辟一个存储空间，里面存着字符a，s指向这块空间，记为space1
String t = s;    //让t指向s所指向的空间即space1
s = s.concat("b"); //把字符a和字符b连接，然后把“ab”放在一个新的存储空间，记为space2，最后让s指向这块空间
//我们可以看到，现在s和t所指向的是两块不同的空间，空间中的内容也不一样，因此s和t的效果是不一样的

/* StringBuilder部分 */
StringBuilder sb = new StringBuilder("a"); //开辟一个存储空间，里面存着字符a
StringBuilder tb = sb;    //开辟一个存储空间，里面存着字符a
sb.append("b");    //取出a，然后与字符b连接，然后把“ab”仍然放在这块空间内，把原来的“a”覆盖了，sb的指向没变
//在这个情况下，由于从始至终只用到了一块存储空间，所以sb和tb的效果实际上是相同的

mutable 优点：

拷贝：不可变类型，频繁修改会产生大量的临时拷贝，需要垃圾回收；可变类型，最少化拷贝，以提高效率
获得更好的性能
模块之间共享数据

UnmodifiableCollections：Java设计有不可变的集合类提供使用

值的改变 & 引用的改变

“改变一个变量”：将该变量指向另一个值的存储空间（引用）
“改变一个变量的值”：将该变量当前指向的值的存储空间中写入一个新的值

表示泄露和防御式拷贝

通过防御式拷贝，给客户端返回一个全新的对象（副本），客户端即使对数据做了更改，也不会影响到自己。例如：

return new Date(groundhogAnswer.getTime());

大部分时候该拷贝不会被客户端修改，可能造成大量的内存浪费
如果使用不可变类型，则节省了频繁复制的代价
Snapshot diagram

运行时、代码层面、瞬时

基本类型的值
对象类型的值
- 可变对象：单线圈
- 不可变对象：双线圈
- 不可变的引用：双线箭头
- 可变的引用：单线箭头
- 引用是不可变的，但指向的值却可以是可变的
- 可变的引用，也可指向不可变的值

例：用Snapshot表示String和StringBuilder的区别

集合类Snapshot图

List
Set
Map

3.2 设计规约（Specification）

Spec概念

程序和客户端达成的一致

在这里插入图片描述
作用：

给“供需双方”都确定了责任并区分责任，调用时双方都要遵守（客户端只需要理解Spec即可）
隔离“变化”、降低耦合度
不需要了解具体实现

要素：

输入数据类型（客户端约束）
输出数据类型（内部实现约束）

前置条件 & 后置条件

前置条件：For 客户端
后置条件：For 开发者

契约：
前置条件满足了，后置条件必须满足；
前置条件不满足，后置条件不一定满足（输入错误，可以抛出异常）。

行为等价性

站在客户端角度、根据规约：功能是否等价

例：以下两段代码是否等价

规约：

解：

当val在范围内时，两者返回相同；
当val不在范围内时，前者返回arr.length，后者返回-1；
根据规约，两者效果相同，因此等价。

Spec的写法

方法注释
@param
@return
@throws
输入类型、返回类型
一个好的Spec应该：

内聚的
Spec描述的功能应单一、简单、易理解
规约做了两件事，所以要分离开形成两个方法。
信息丰富的
不能让客户端产生理解歧义
足够“强”
太弱的spec，客户不放心
开发者应尽可能考虑特殊情况，在post-condition给出处理措施
足够“弱”
太强的spec，在很多特殊情况下难以达到，给开发者增加了实现的难度（client当然非常高兴）

Spec的强度

前置条件越弱，规约强度越强；
后置条件越强，规约强度越强；
规约越强，开发者责任越重，客户端责任越轻；

在这里插入图片描述

某个具体实现，若满足规约，则落在其范围内；否则，在其之外。
程序员可以在规约的范围内自由选择实现方式；
更强的规约，表达为更小的区域；

3.3 抽象数据类型（ADT）

设计ADT：规格Spec–>表示Rep–>实现Impl

四类ADT操作

Creators
实现：构造函数constructor或静态方法（也称factory method）
Producers
需要有“旧对象”
return新对象
eg. String.concat()
Observers
eg. List的.size()
Mutators
改变对象属性
若返回值为void，则必然改变了对象内部状态（必然是mutator）

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。

抽象函数AF & 表示不变量RI

抽象值构成的空间（抽象空间）：客户端看到和使用的值
程序内部用来表示抽象值的空间（表示空间）：程序内部的值
Mapping：满射、未必单射（未必双射）

ADT开发者关注表示空间R，client关注抽象空间A

抽象函数（AF）：
- R和A之间映射关系的函数
- 即如何去解释R中的每一个值为A中的每一个值。
- AF : R → A
- R中的部分值并非合法的，在A中无映射值
表示不变性（RI）：
- 某个具体的“表示”是否是“合法的”
- 所有表示值的一个子集，包含了所有合法的表示值
- 一个条件，描述了什么是“合法”的表示值

检查RI：
随时检查RI是否满足
在所有可能改变rep的方法内都要检查
Observer方法可以不用，但建议也要检查，以防止你的“万一”

测试ADT

因为测试相当于client使用ADT，所以它也不能直接访问ADT内部的数据域，所以只能调用其他方法去测试被测试的方法。

针对creator：构造对象之后，用observer去观察是否正确
针对observer：用其他三类方法构造对象，然后调用被测observer，判断观察结果是否正确
针对producer：produce新对象之后，用observer判断结果是否正确

以注释的形式撰写AF、RI、 Safety from Rep Exposure

在代码中用注释形式记录AF和RI
- 精确的记录RI：rep中的所有fields何为有效
- 精确记录AF：如何解释每一个R值
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

3.4 面向对象编程（OOP）

接口（Interface）& 抽象类（Abstract Class）& 具体类（Concrete Class）

接口：定义ADT
类：实现ADT

Concrete class --> Abstract Class --> Interface

接口：

接口之间可以继承与扩展
一个类可以实现多个接口（从而具备了多个接口中的方法）
一个接口可以有多种实现类

抽象类：

至少有一个抽象方法
抽象方法 Abstract Method
- 未被实现
- 如果某些操作是所有子类型都共有，但彼此有差别，可以在父类型中设计抽象方法，在各子类型中重写

具体类：

实现所有父类未实现的方法

继承（Inheritance） & 重写（Override）

类 & 类：继承
类 & 接口：实现、扩展

覆盖/重写Override：

重写的函数：完全同样的signature
- 实际执行时调用哪个方法，运行时决定
- 重写的时候，不要改变原方法的本意
- 运行阶段进行动态检查
- 父类型中的被重写函数体
  - 不为空：
    - 该方法是可以被直接复用的
    - 对某些子类型来说，有特殊性，可重写父类型中的函数，实现自己的特殊要求
  - 为空：
    - 其所有子类型都需要这个功能
    - 但各有差异，没有共性，在每个子类中均需要重写

super

重写之后，利用super()复用了父类型中函数的功能，还可以对其进行扩展
如果是在构造方法中调用父类的构造方法，则必须在构造方法的第一行调用super()

严格继承：子类只能添加新方法，无法重写超类中的方法（方法带final关键字）

多态（Polymorphism） & 重载（Overload）

重载：多个方法具有同样的名字，但有不同的参数列表或返回值类型。
Override和Overload

特殊多态：功能重载
- 方便client调用：client可用不同的参数列表，调用同样的函数
- 根据参数列表进行最佳匹配
  - public void changeSize(int size, String name, float pattern) {}
  - 重载函数错误情况
    - public void changeSize(int length, String pattern, float size) {}：虽然参数名不同，但类型相同
    - public boolean changeSize(int size, String name, float pattern) {}：参数列表必须不同
- 在编译阶段时决定要具体执行哪个方法（与之相反，overridden methods则是在run-time进行dynamic checking）
- 可以在同一个类内重载，也可在子类中重载
参数化多态：使用泛型?编程
子类型多态：期望不同类型的对象可以统一处理而无需区分，遵循LSP原则