3345

грамме, где эти значения будут использованы*.

То есть основной принцип создания абстрактного типа данных является самодостаточность получаемых значений для всех потребностей программы (решаемой задачи). Следует отметить, что категория «абстракция» является такой же глобально емкой, как и информация. Абстракция – это суть познания реальности разумным субъектом. Поэтому под абстрактностью компьютерные авторитеты понимают многое и по-разному. Это необходимо учитывать при освоении этой технологии чтением соответствующих (очень редких) книг.

Появление технологии абстрагирования типов данных было продиктовано насущной потребностью снижения сложности создаваемых программ, возникающей из-за обилия перекрестных связей (ссылок) между вычисляемыми объектами, построенными на множестве глобальных переменных, несущих опасность потери контроля над программой. В настоящее время считается, что самой фундаментальной проблемой в разработке программного продукта является взаимосвязь его частей. Поэтому насущной потребностью в программировании стали механизмы локализации связей вычисляемых сущностей, составляющих программный продукт. Таким мощным механизмом локализации сущностей и компактирования программ стало введение абстрактных типов данных, сходу разделяющих фрагменты программного продукта на две стороны: на интерфейс и реализацию. Интерфейс фрагмента (компонента) – это вид на него с внешней стороны, показ его возможностей другим, в основном – пользователям. Реализация – это невидимая пользователям внутренняя сторона, интересная и важная только разработчику компонента. Разделение свойств компонента на внешний интерфейс и внутреннюю реализацию является наиболее важной идеей в программировании, обеспечивающей возможность неограниченного экспериментирования с реализацией отдельных компонент, не затрагивая остальные. При этом все изменения реализации

* Например, мало кого волнует, как реализован датчик случайных чисел, если он правильно функционирует, генерируя числа типа RAND и NORM.

161

ции). Переменные и функции могут быть либо открытыми (общими), либо закрытыми членами класса. Если член класса является открытым, то его можно использовать вне класса (между классами), если закрытым – то он может быть использован только при определении других функций – членов класса (то есть внутри класса при реализации).

Для того, чтобы определить класс как абстрактный тип данных, нужно четко разделить как будет использоваться этот тип (интерфейс класса), и детали реализации этого класса. Осуществление разделения заключается в соблюдении следующих правил:

1.Все переменные класса (объекты!) должны быть закрытыми членами.

2.Все основные действия, необходимые программисту, должны быть определены в виде функций, являющихся открытыми членами класса, и их использование должно быть подробно описано. Это составит интерфейс класса.

3.Все вспомогательные функции, определяющие реализацию класса, должны быть закрытыми членами класса.

4.Запись абстрактных утверждений(содержания интерфейса)должна производиться на языке, понятном как пользователю, так и разработчику.

5.Утверждения должны быть точными.

При этом файл, содержащий интерфейс, называется файлом интерфейса (или заголовочным файлом), а файл, содержащий реализацию, – файлом реализации, размещаемых (при желании) раздельно в интересах использования их несколькими программами.

Конкретную реализацию класса составляют его объекты. Объект – это пакет информации и память, отведенная для него вместе с описанием порядка манипулирования им. Взаимодействие объектов между собой при этом резко отличается от правил использования «процедур» и «данных» в обычных системах программирования. Объекты друг с другом обмениваются сообщениями. Сообщение – это спецификация (установление) условий выполнения операции другим объектом. В отличие от процедуры, которая описывает, как должна выполняться обработка, сообщение только определяет, что хочет объект-отправитель, а объект – полу-

164

чатель «сам знает», что должно произойти. То есть он имеет все механизмы выполнения желания отправителя по его установкам, посланным в сообщении.

Все это составляет содержание современной мощной концепции объектно-ориентированного проектирования и программирования, которую, хотите вы или нет, но придется при освоении своей профессии изучать.

На этом мы закончили рассмотрение свойств структур данных, используемых в компьютере. Но в начале курса, впервой лекции, мы условились соизмерять возможности структур данных с выразительными способностями естественного языка. Это очень важно, ибо человеческий мир, использующий компьютер, стремится сделать его полностью согласованным со своими уникальными интеллектуальными средствами, одним из которых является язык. Пока это далеко не так: между человеком и компьютером лежит пропасть ортогональности. Но посмотреть на «согласованность» все-таки необходимо. Для этого на рис.3.15 показана степень приближения возможностей изученных структур данных к выразительной мощи естественного языка. «Края всегда полезно знать!»

3.8. Общие характеристики операций над данными

Данные составляют пассивный компонент компьютерной обработки, активность которому придают операции, позволяющие создавать, уничтожать, пересылать, преобразовывать и воспринимать данные. Связь данных с операциями в ходе выполнения программы обеспечивают управляющие структуры. Общие характеристики операций, важные с точки зрения защиты данных, вам необходимо знать.

Имеется два типа операций: операции над данными, определяемые программистом, и операции над данными, определяемые системой. К первым относятся арифметические и логические операции. Ко вторым относятся операции перехода, вызова подпрограмм, присваивание имен структурам данных, передачи параметров.

165

Рис.3.15. Соизмерение возможностей структур данных с выразительной мощью естественного языка

неявным операндам, путем использования глобальных переменных или ссылок на другие нелокальные идентификаторы, или путем доступа к данным, определяемым системой. Полное определение всех данных, которые могут воздействовать на результат операции, часто затрудняется благодаря существованию таких неявных операндов (объектов внимания «защитников» информации в компьютерах).

3.Побочные эффекты (неявные результаты). Операция может выдавать явный результат, например сумму 2-х слагаемых, но может также изменять значения, хранящиеся в других структурах данных, определенных как системой, так и пользователем. Такие неявные результаты называются побочными эффектами. Побочные эффекты являются одним из основных свойств многих операций, в особенности тех, которые модифицируют структуры данных. Наиболее типичным является побочный эффект операции присваивания. Основной результат этой операции – изменение значения, хранящегося в структуре данных, явным результатом является присвоенное значение, которое иногда может игнорироваться. Особенно опасен тот случай, когда происходит присваивание значений локальной процедуры нелокальным переменным. Программисту следует отчетливо осознавать все последствия такого присваивания.

Второй тип побочных эффектов имеет место в программе, которая изменяет свои входные параметры.

4.Самоизменение (вирусы). Имеются следующие возможности самоизменений: операция может модифицировать свою собственную структуру, свои локальные данные, свои команды, то есть при двух последовательных выполнениях с одними и теми же операндами давать разные результаты. Пример (положительный) – датчик случайных чисел, обеспечивающий при одном и том же затравочном числе отличающиеся числа на выходе.

По мере улучшения понимания языков программирования увеличивается возможность создания их математикой формализации, но пока увы!

Информация о свойствах операций задается в декларациях. Однако явное описание операций задается только в подпрограм-

168

мах, для примитивных же операций их свойства фиксируются в самих ЯзПр.

При взаимодействии с памятью операция может требовать выделения памяти для своих результатов, может освобождать память, занимаемую операндами или делать то и другое. Операция может быть названа элементарной, если ее требования к памяти фиксированы и не зависят от операндов (например, арифметическая операция), которая выдает результат известного типа и размера для любых двух операндов. Операция создания требует выделения памяти, операция уничтожения освобождает память, а операция модификации делает то и другое.

3.8.1. Элементарные операции. К ним относятся встроенные в ЯзПр операции, выполняющие основные действия над простыми типами данных, например, арифметические, логические и операции преобразования типов данных.

Основные характеристики арифметических операций состоят

вследующем:

1.Операнды и результаты являются числами.

2.Операция является простой функцией без неявных операндов и самоизменения, но, возможно, с остановками по ошибке (АВОСТ).

Обычно основные операции – сложение, вычитание, умножение и деление – обеспечиваются непосредственно аппаратурой как операции над данными определенного типа. Операции – возведение в степень, извлечение квадратного корня и тригонометрические функции должны моделироваться программно. Иногда используются специфические (узконаправленные) операции над данными определенного (и надежно проверенного) типа, которые выполняются более быстро.

3.8.1.1.Операции сравнения. Сравнение чисел – равно, не равно, меньше чем, больше чем, меньше – или – равно, больше – или – равно – образуют второй набор примитивных операций, имеющихся в большинстве ЯзПр. Как и в случае арифметических операций, они могут транслироваться в специфические (обеспечиваемые аппаратно) и универсальные версии. Операндами этих операций являются два числа, а результатом – логическое значение

169

(true, false). В настоящее время операции сравнения используются при сортировке цепочек литер. Для упорядочения таких цепочек используется правило алфавитного упорядочения. Одна цепочка считается меньше другой, если она предшествует ей в таком упорядочении.

3.8.1.2. Логические операции. Они относятся к примитивам во многих языках. Операндами логических операций могут быть только логические значения (истина – ложь, 0 или 1), результатом

– одно логическое значение. Основные операции – это «и», «или» и «не», а иногда – «эквивалентность», «импликация» (следование из Р Q) и др. Логические операции часто обобщаются на цепочки битов.

3.8.1.3. Операции преобразования типов. Они используются для преобразования элементов данных из одного представления в другое и относятся к разряду примитивных, то есть встроенных в ЯзПр. Такие операции могут вызываться прямо – например операция entire (взятие целой части вещественного числа) или косвенно, когда при применении других операций возникает конфликт типов. Поэтому во многих языках осуществляется автоматическое преобразование типа для целых и вещественных чисел, вещественных чисел с двойной точностью, для чисел, представленных в виде цепочек литер, содержащих только цифры, знаки и десятичные точки. Выравнивание длин цепочек литер или битов путем добавления пробелов или нулей также является формой преобразования типа.

3.8.2. Присваивание. Является основной операцией модификации структур данных. Она отличается от других операций, рассмотренных выше, тем, что при его выполнении используется побочный эффект – присваивание не выдает значение как обычная функция, а изменяет значение одного из своих операндов. В качестве операндов требуются (1) значение, которое необходимо записать в память, и (2) указатель на позицию в структуре данных, куда нужно записать это значение. Получив такие операнды, операция присваивания просто заменяет содержимое заданной позиции на заданное значение. Основная трудность здесь заключается в обработке дескрипторов.

170