1 Astrazioni sui dati : Specifica ed Implementazione di Tipi di Dato Astratti in Java.

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Astrazioni sui dati :Specifica ed Implementazione di Tipi di Dato Astratti in Java

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Sommario

cos’è un tipo di dato astratto astrazione tramite specifica:

1. specifica

2. implementazione

3. relazione tra specifica ed implementazione (nel seguito)

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Perché l’astrazione sui dati

il più importante tipo di astrazione il nucleo della programmazione orientata ad oggetti lo scopo è quello di estendere il linguaggio

– nel nostro caso, Java

con nuovi tipi di dato (oltre a quelli primitivi int, String…)

quali, dipende dall’applicazione• interprete: stacks e tabelle di simboli (frame, ambiente dei

metodi)• applicazione bancaria: conti• applicazioni numeriche: matrici

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Cos’è un tipo di dato astratto

in ogni caso è– un insieme di dati

• stacks, conti, matrici– un insieme di operazioni

• per crearli e manipolarli

Cosa sta nella specifica?

• La descrizione astratta dei dati• La descrizione delle relative operazioni

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Implementazione

Cosa sta nell’ implementazione?

• La rappresentazione (o implementazione) dei dati

• L’implementazione delle relative operazioni

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Astrazione tramite specifica con la specifica vogliamo astrarre

dall’implementazione del tipo di dato– l’utente deve operare sul tipo di dato

indipendendentemente dalla sua rappresentazione (non la deve vedere)

Le modifiche della rappresentazione non devono modifiche dei moduli che usano il tipo di dato

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Come procediamo?

Prima definiamo la specifica del tipo di dato astratto– interfaccia pubblica per l’utente

Poi la implementiamo– puo’ al solito essere fatto in un momento successivo, in

modo indipendente dai moduli che usano il tipo di dato

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La specifica di un tipo di dato astratto Java (parte sintattica della specifica)

– classe o interfaccia• per ora solo classi

– nome per il tipo • nome della classe

– operazioni• metodi di istanza• incluso il(i) costruttore(i)

la specifica del tipo descrive proprietà generali degli oggetti– per esempio la modicabilità

per il resto la specifica è essenzialmente una specifica dei metodi– strutturata come già abbiamo visto per le astrazioni procedurali– l’oggetto su cui i metodi operano è indicato nella specifica da this

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Formato della specificapublic class NuovoTipo { // OVERVIEW: Gli oggetti di tipo NuovoTipo // sono collezioni modificabili di ..

// costruttori public NuovoTipo ()

// EFFECTS: ...

// metodi // specifiche degli altri metodi}

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L’insieme di interi 1public class IntSet { // OVERVIEW: un IntSet è un insieme modificabile // di interi di dimensione qualunque // costruttore public IntSet ()

// EFFECTS: inizializza this a vuoto // metodi public void insert (int x)

// MODIFIES: this // EFFECTS: aggiunge x a this

public void remove (int x) // MODIFIES: this // EFFECTS: toglie x da this

public boolean isIn (int x) // EFFECTS: se x appartiene a this ritorna

// true, altrimenti false ...}

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L’insieme di interi 2public class IntSet { ... // metodi ... public int size ()

// EFFECTS: ritorna la cardinalità di this public int choose () throws EmptyException

// EFFECTS: se this è vuoto, solleva // EmptyException, altrimenti ritorna un // elemento qualunque contenuto in this}

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IntSet: commenti 1public class IntSet { // OVERVIEW: un IntSet è un insieme modificabile // di interi di dimensione qualunque ....}

descrizione astratta dei dati gli oggetti della classe sono descritti nella specifica in

termini di concetti noti– in questo caso, gli insiemi matematici

gli stessi concetti sono anche utilizzati nella specifica dei metodi

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IntSet: commenti 2public class IntSet { // OVERVIEW: ... // costruttore public IntSet ()

// EFFECTS: inizializza this a vuoto...}

un solo costruttore (senza parametri)– inizializza this (l’oggetto nuovo)– non è possibile vedere lo stato dell’oggetto tra la creazione e

l’inizializzazione• la specifica non ha una clausola MODIFIES

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IntSet: commenti 3public class IntSet {... // metodi public void insert (int x)

// MODIFIES: this // EFFECTS: aggiunge x a this

public void remove (int x) // MODIFIES: this // EFFECTS: toglie x da this

...} modificatori

– modificano lo stato del proprio oggetto (MODIFIES: this)– notare che nè insert nè remove sollevano eccezioni

• se si inserisce un elemento che c’è già• se si rimuove un elemento che non c’è

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IntSet: commenti 4


// true, altrimenti false public int size ()

// EFFECTS: ritorna la cardinalità di this public int choose () throws EmptyException

// EFFECTS: se this è vuoto, solleva // EmptyException, altrimenti ritorna un // elemento qualunque contenuto in this...} osservatori

– non modificano lo stato del proprio oggetto – choose può sollevare un’eccezione (se l’insieme è vuoto)

• EmptyException può essere unchecked, perché l’utente può utilizzare size per evitare di farla sollevare

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Astrazione tramite specifica

• La specifica contiene tutte e sole le informazioni per utilizzare il tipo di dato in altri moduli

• Possiamo (dobbiamo) scrivere codice che crea oggetti di tipo Intset e li modifica tramite metodi e costruttori guardando solo la specifica

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Esempio di un metodo che usa IntSetpublic static IntSet getElements (int[] a) throws NullPointerException // EFFECTS:se a=null solleva NullPointerException// altrimenti, restituisce un insieme che

//contiene tutti e soli gli interi di a

{IntSet s = new IntSet(); for (int i = 0; i < a.length; i++)

s.insert(a[i]); return s;}

scritta solo conoscendo la specifica di IntSet

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Notate che

– non accede all’implementazione • non esiste ancora• anche se ci fosse non potrebbe “vederla”

– costruisce, accede e modifica l’oggetto solo attraverso i metodi (incluso il costruttore)

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Specifica di un tipo “primitivo”

le specifiche sono ovviamente utili per capire ed utilizzare correttamente i tipi di dato “primitivi” di Java

vedremo, come esempio, il caso dei vettori– Vector

– arrays dinamici che possono cambiare dimensione

– contengono Object (per il principio di sostituzione possiamo memorizzarci qualsiasi sottotipo di Object)

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Vector 1public class Vector { // OVERVIEW: un Vector è un array modificabile // di dimensione variabile i cui elementi sono // di tipo Object: indici tra 0 e size - 1 // costruttore public Vector ()

// EFFECTS: inizializza this a vuoto // metodi public void add (Object x)

// MODIFIES: this // EFFECTS: aggiunge una nuova posizione a

// this inserendovi x public int size ()

// EFFECTS: ritorna il numero di elementi di // this ...}

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Vector 2... public Object get (int n) throws

IndexOutOfBoundsException // EFFECTS: se n<0 o n>= this.size solleva

// IndexOutOfBoundsException, altrimenti // ritorna l’oggetto in posizione n in this public void set (int n, Object x) throws

IndexOutOfBoundsException // MODIFIES: this

// EFFECTS: se n<0 o n>= this.size solleva // IndexOutOfBoundsException, altrimenti // modifica this sostituendovi l’oggetto x in // posizione n}

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Vector 3...public void remove (int n) throws

IndexOutOfBoundsException // MODIFIES: this // EFFECTS: se n<0 o n>= this.size solleva

// IndexOutOfBoundsException, altrimenti // modifica this eliminando l’oggetto in // posizione n

public void insert (Object o, int n) throws IndexOutOfBoundsException // MODIFIES: this // EFFECTS: se n<0 o n>= this.size solleva

// IndexOutOfBoundsException, altrimenti // modifica this inserendo o nella posizione n

}

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Vector: commenti 1public class Vector { // OVERVIEW: un Vector è un array modificabile // di dimensione variabile i cui elementi sono // di tipo Object: indici tra 0 e size - 1 ....} gli oggetti della classe sono descritti nella specifica in

termini di concetti noti– in questo caso, gli arrays

gli stessi concetti sono anche utilizzati nella specifica dei metodi– indice, elemento identificato dall’indice

il tipo è modificabile (come l’array) notare che gli elementi sono di tipo Object

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Vector: commenti 2public class Vector { // OVERVIEW: un Vector è un array modificabile // di dimensione variabile i cui elementi sono // di tipo Object: indici tra 0 e size - 1 // costruttore public Vector ()

// EFFECTS: inizializza this a vuoto...}

un solo costruttore (senza parametri)– inizializza this (l’oggetto nuovo) ad un “array” vuoto

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Vector: commenti 3public void add (Object x)

// MODIFIES: this // EFFECTS: aggiunge una nuova posizione a

// this inserendovi xpublic void set (int n, Object x) throws

IndexOutOfBoundsException // MODIFIES: this

// EFFECTS: se n<0 o n>= this.size solleva // IndexOutOfBoundsException, altrimenti modifica // this sostituendovi l’oggetto x in posizione n

sono modificatori– modificano lo stato del proprio oggetto (MODIFIES: this)– set e remove possono sollevare un’eccezione primitiva

unchecked

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Vector: commenti 3public void remove (int n) throws IndexOutOfBoundsException

// MODIFIES: this // EFFECTS: se n<0 o n>= this.size solleva

// IndexOutOfBoundsException, altrimenti modifica // this eliminando l’oggetto in posizione n

public void insert (Object o, int n) throws IndexOutOfBoundsException // MODIFIES: this // EFFECTS: se n<0 o n>= this.size solleva

// IndexOutOfBoundsException, altrimenti // modifica this inserendo o nella posizione n

sono modificatori In entrambi i casi vengono shiftati gli elementi che occorrono dopo la

posizione n, in indietro o avanti

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Vector: commenti 4public int size ()

// EFFECTS: ritorna il numero di elementi di // thispublic Object get (int n) throws

IndexOutOfBoundsException // EFFECTS: se n<0 o n>= this.size solleva

// IndexOutOfBoundsException, altrimenti // ritorna l’oggetto in posizione n in thispublic Object lastElement ()

// EFFECTS: ritorna l’ultimo oggetto in this sono osservatori

– non modificano lo stato del proprio oggetto – get può sollevare un’eccezione primitiva unchecked

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Specifica di un tipo “primitivo”

– La specifica e’ di fatto la descrizione che troviamo nel manuale (a parte il formato dei commenti)

– Quando usiamo il tipo di dato primitivo non sappiamo come e’ realizzato, ovvero come e’ implementato il Vector e come sono realizzate le operazioni relative

– Lo stesso meccanismo di astrazione tramite specifica deve valere per i tipi di dato astratti che definiamo

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Implementazione

scelta fondamentale è quella della rappresentazione (rep)– come i valori del tipo astratto sono

implementati in termini di altri tipi• tipi primitivi o già implementati• nuovi tipi astratti che facilitano l’implementazione

del nostro

segue l’implementazione dei costruttori e dei metodi (più eventuali altri metodi ausiliari privati)

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La rappresentazione

in Java, gli oggetti del nuovo tipo sono semplicemente collezioni di valori di altri tipi– definite da un insieme di variabili di istanza

private• accessibili solo dai costruttori e dai metodi della

classe

• questo e’ necessario per evitare l’accesso diretto alla rappresentazione dell’oggetto da parte degli utenti

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Implementazione di IntSet 1

public class IntSet { // OVERVIEW: un IntSet è un insieme modificabile // di interi di dimensione qualunque private Vector els; // la rappresentazione // costruttore public IntSet ()

// EFFECTS: inizializza this a vuoto {els = new Vector();}...} un insieme di interi è rappresentato da un Vector

– più adatto dell’Array, perché l’insieme ha dimensione variabile gli elementi di un Vector sono di tipo Object

– non possiamo memorizzarci valori di tipo int– usiamo oggetti di tipo Integer

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public void insert (int x) // MODIFIES: this // EFFECTS: aggiunge x a this

{Integer y = new Integer(x); if (getIndex(y) < 0) els.add(y); }

Inseriamo l’elemento solo se non occorre gia’ nell’insieme Vogliamo che non ci siano occorrenze multiple di elementi

– implementazione piu’ efficiente (vedi remove e size) A tale fine si utilizza un metodo ausiliario getIndex , che ritorna -1 se

l’elemento non occorre

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private int getIndex (Integer x) // EFFECTS: se x occorre in this //ritorna la posizione in cui si trova, //altrimenti -1

{for (int i = 0; i < els.size(); i++) if (x.equals(els.get(i))) return i; return -1; }

il metodo privato ausiliario getIndex ritorna un valore speciale e non solleva eccezioni

non sta nella specifica (perché è privato) notare l’uso del metodo equals su Integer

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public void remove (int x) // MODIFIES: this// EFFECTS: toglie x da this

{int i = getIndex(new Integer(x)); if (i < 0) return; els.set(i, els.lastElement()); els.remove(els.size() - 1);}

nella rimozione, se l’elemento c’è, ci scrivo sopra l’ultimo corrente ed elimino l’ultimo elemento

E’ corretto sse l’elemento occorre in una sola posizione del vettore………

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// true, altrimenti false { return getIndex(new Integer(x)) >= 0; }

Usa il solito metodo ausiliario

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public int size () // EFFECTS: ritorna la cardinalità di this {return els.size(); }

E’ corretto dato che non ci possono essere occorrenze multiple di elementi nel vettore

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public int choose () throws EmptyException // EFFECTS: se this è vuoto, solleva // EmptyException, altrimenti ritorna un // elemento qualunque contenuto in this {if (els.size() == 0) throw new EmptyException(“IntSet.choose”); return ((Integer) els.lastElement()).intValue();

}

lastElement non puo’ sollevare eccezioni dato che si effettua un controllo che non sia vuoto

ritorna un Object (come tipo apparente), quindi per trasformarlo in int tramite intValue() bisogna fare il cast

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Sommario

Abbiamo realizzato tipi di dato astratto usando l’astrazione fornita dalla specifica

La specifica e l’implementazione stanno nella stessa classe la specifica funge da interfaccia con chi usa il tipo di dato,

puo’ anche essere compilata senza avere l’implementazione insieme ai moduli che la usano

Specifica ed implementazione sono di conseguenza legate da un concetto di correttezza (che vedremo)

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