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

Sommario cos’è un tipo di dato astratto astrazione tramite specifica: implementazione relazione tra specifica ed implementazione (nel seguito)

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

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

Implementazione Cosa sta nell’ implementazione? La rappresentazione (o implementazione) dei dati L’implementazione delle relative operazioni

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

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

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

Formato della specifica public class NuovoTipo { // OVERVIEW: Gli oggetti di tipo NuovoTipo // sono collezioni modificabili di .. // costruttori public NuovoTipo () // EFFECTS: ... // metodi // specifiche degli altri metodi }

L’insieme di interi 1 public 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) // EFFECTS: toglie x da this public boolean isIn (int x) // EFFECTS: se x appartiene a this ritorna // true, altrimenti false ...}

L’insieme di interi 2 public 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 }

IntSet: commenti 1 descrizione astratta dei dati public 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

IntSet: commenti 2 un solo costruttore (senza parametri) public 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

IntSet: commenti 3 modificatori public class IntSet { ... // metodi public void insert (int x) // MODIFIES: this // EFFECTS: aggiunge x a this public void remove (int x) // 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

IntSet: commenti 4 osservatori public boolean isIn (int x) // EFFECTS: se x appartiene a this ritorna // 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

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

Esempio di un metodo che usa IntSet public 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

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)

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)

Vector 1 public 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 ...}

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 // modifica this sostituendovi l’oggetto x in // posizione n}

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 // modifica this inserendo o nella posizione n }

Vector: commenti 1 public 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

Vector: commenti 2 un solo costruttore (senza parametri) public 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

Vector: commenti 3 sono modificatori public void add (Object x) // MODIFIES: this // EFFECTS: aggiunge una nuova posizione a // this inserendovi x public void set (int n, Object x) throws IndexOutOfBoundsException // 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

Vector: commenti 3 sono modificatori 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 // 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

Vector: commenti 4 sono osservatori public int size () // EFFECTS: ritorna il numero di elementi di // this 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 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

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

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)

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

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

Implementazione di IntSet 2 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

Implementazione di IntSet 2 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

Implementazione di IntSet 3 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………

Implementazione di IntSet 3 public boolean isIn (int x) // EFFECTS: se x appartiene a this ritorna // true, altrimenti false { return getIndex(new Integer(x)) >= 0; } Usa il solito metodo ausiliario

Implementazione di IntSet 4 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

Implementazione di IntSet 4 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

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)