Sebesta_Texto Cap 11

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Capítulo 11
Tipos de Dados Abstratos e Construções de Encapsulamento
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Tópicos do Capítulo 11
O conceito de abstração
Introdução à abstração de dados
Questões de projeto para tipos de dados abstratos
Exemplos de linguagem
Tipos de dados abstratos parametrizados
Construções de encapsulamento
Nomeando encapsulamentos
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
O conceito de abstração
Uma abstração é uma visão ou representação de uma entidade que inclui apenas os atributos mais significativos
O conceito de abstração é fundamental em programação (e ciência da computação)
Quase todas as linguagens de programação suportam abstração de processos com subprogramas
Quase todas as linguagens de programação projetada a partir dos anos 1980 suportam abstração de dados
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Introdução à abstração de dados
Um tipo de dado abstrato é um tipo de dados definido pelo usuário com as seguintes condições:
A implementação do tipo e de suas operações pode estar na mesma unidade sintática, ou podem ser fornecidas em uma unidade separada
A representação dos objetos do tipo é ocultada das unidades de programa que usam o tipo, então as únicas operações diretas possíveis em tais objetos são aquelas fornecidas na definição do tipo
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Vantagens da abstração de dados
Vantagem da primeira condição
Organização do programa, facilidade para mudanças (tudo associado à estrutura de dados está junto) e compilação separada
Vantagem da segunda condição
A vantagem de fazer com que a interface não dependa da representação ou da implementação das operações é que isso permite que a representação e/ou a implementação sejam modificadas sem requerer mudanças aos clientes do tipo
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Requisitos de linguagem para tipos de dados abstratos
Uma unidade sintática para encapsular a definição do tipo
Um método de fazer os nomes de tipo e subprograma cabeçalhos visíveis para os clientes, enquanto esconde as definições reais
Algumas operações primitivas devem ser incorporadas no processador de linguagem
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Questões de projeto
Qual é a forma do contêiner para a interface do tipo?
Tipos de dados abstratos podem ser parametrizados?
Quais controles de acessos são fornecidos e como são especificados?
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Exemplos de linguagem: Ada
As construções de encapsulamento são chamadas de pacotes
Pacote de especificação (a interface)
Pacote de corpo (implementação da maioria das entidades nomeadas no pacote de especificação associado)
Ocultamento de informação
O pacote de especificação tem duas partes: pública e privada
O nome do tipo abstrato aparece na parte pública. 
A representação de um tipo abstrato aparece na parte privada
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Exemplos de linguagem: Ada (continuação)
Razões para os pacotes de especificação públicos ou privados:
O compilador deve poder ver a representação depois de ver apenas o pacote de especificação (não pode ver a parte privada)
Clientes devem poder ver o nome do tipo, mas não a representação (também não podem ver a parte privada)
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Exemplos de linguagem: Ada (continuação)
É de certa forma problemático que o pacote de especificação forneça parte dos detalhes de implementação (a definição dos dados), enquanto que os detalhes de implementação restantes (a definição das operações) estão no pacote de corpo 
	Uma solução: tornar os tipos de dados abstratos ponteiros
	Problemas com isso:
Dificuldades em lidar com os ponteiros
Comparações entre objetos
O controle da alocação do objeto é perdido
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Um exemplo em Ada
package Stack_Pack is
	type stack_type is limited private;
	max_size: constant := 100;
	function empty(stk: in stack_type) return Boolean;
	procedure push(stk: in out stack_type; elem:in Integer);
	procedure pop(stk: in out stack_type);
	function top(stk: in stack_type) return Integer;
	private -- hidden from clients
	type list_type is array (1..max_size) of Integer;
	type stack_type is record
		list: list_type;
		topsub: Integer range 0..max_size) := 0;
	end record;
end Stack_Pack
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Exemplos de linguagem: C++
Baseado no tipo struct de C e classes de Simula 67
A classe é o mecanismo de encapsulamento
Todas as instâncias da classe de uma classe compartilham uma única cópia das funções de membro
Cada instância de uma classe tem sua própria cópia dos membros de dados de classe
Instâncias podem ser estáticas, dinâmicas da pilha ou dinâmicas do monte
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Exemplos de linguagem: C++ (continuação)
Ocultamento de informação
Cláusula private para entidades que devem ser ocultas
Cláusula public entidades visíveis, ou públicas
Cláusula protected discutida no contexto de herança no Capítulo 12 
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Exemplos de linguagem: C++ (continuação)
Construtores:
Funções para inicializar os membros de dados de novos objetos sendo criados
Também pode alocar os dados dinâmicos do monte que são referenciados pelos membros ponteiros do novo objeto
Pode incluir parâmetros para parametrização de objetos
Implicitamente chamado quando um objeto do tipo da classe é criado
Pode ser chamado explicitamente
O nome é o mesmo que o da classe
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Exemplos de linguagem: C++ (continuação)
Destrutores
Implicitamente chamado quando o tempo de vida de uma instância da classe termina
Pode ser chamado explicitamente
O nome de um destrutor é o nome da classe, precedido por til (~)
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Um exemplo em C++
class Stack {
	private:
		int *stackPtr, maxLen, topPtr;
	public:
		Stack() { // a constructor
			stackPtr = new int [100];
			maxLen = 99;
			topPtr = -1;
		};
		~Stack () {delete [] stackPtr;};
		void push (int num) {…};
		void pop () {…};
		int top () {…};
		int empty () {…};
}
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Classe Stack
// Stack.h - the header file for the Stack class
#include <iostream.h>
class Stack {
private: //** These members are visible only to other
//** members and friends (see Section 11.6.4)
 int *stackPtr;
 int maxLen;
 int topPtr;
public: //** These members are visible to clients
 Stack(); //** A constructor
 ~Stack(); //** A destructor
 void push(int);
 void pop();
 int top();
 int empty();
}
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O código para Stack
// Stack.cpp - the implementation file for the Stack class
#include <iostream.h>
#include "Stack.h"
using std::cout;
Stack::Stack() { //** A constructor
 stackPtr = new int [100];
 maxLen = 99;
 topPtr = -1;
}
Stack::~Stack() {delete [] stackPtr;}; //** A destructor
void Stack::push(int number) {
 if (topPtr == maxLen)
 cerr << "Error in push--stack is full\n";
 else stackPtr[++topPtr] = number;
}
...
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Avaliação de tipos abstratos em C++ e Ada
O suporte de C++ para tipos de dados abstratos, por meio de sua construção de classes, é similar ao poder de expressão do suporte de Ada, por seus pacotes
Ambos fornecem mecanismos efetivos para o encapsulamento e o ocultamento de informação de tipos de dados abstratos
A diferença primária é que classes são tipos, enquanto que os pacotes de Ada são encapsulamentos mais gerais
Conceitos de Linguagens de Programação– Robert W. Sebesta
Exemplos de linguagens: C++ (continução)
Funções amigas ou classes – para fornecer acesso a membros privados para unidades ou funções não relacionadas
Necessárias em C++
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Exemplos de linguagem: Java
Similar a C++, exceto que:
Todos os tipos de dados definidos pelo usuário em Java são classes
Todos os objetos são alocados do monte e acessados por meio de variáveis de referência
Entidades individuais em classes têm modificadores de controle de acesso (público ou privado), em vez de cláusulas
Java tem um segundo mecanismo de escopo, o escopo do pacote, que pode ser usado no lugar das amigas
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Um exemplo em Java
class StackClass {
	private:
		private int [] *stackRef;
		private int [] maxLen, topIndex;
		public StackClass() { // a constructor
			stackRef = new int [100];
			maxLen = 99;
			topPtr = -1;
		};
		public void push (int num) {…};
		public void pop () {…};
		public int top () {…};
		public boolean empty () {…};
}
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Exemplos de linguagens: C#
Baseado em C++ e Java
Acrescenta dois modificadores de acesso internal e protected internal
Todas as instâncias de classe são dinâmicas do monte
Construtores padrão são pré-definidos para todas as classes
Coleção de lixo é usada para a maioria de seus objetos do monte, e os destrutores são raramente usados
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Exemplos de linguagens: C# (continuação)
A solução comum é fornecer métodos de acesso, leitores e escritores (getters e setters), que permitem que os clientes acessem indiretamente os dados chamados ocultos
C# fornece propriedades, que são herdadas do Delphi, como uma maneira de implementar leitores e escritores sem requerer chamadas a métodos explícitas
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Exemplo de propriedade de C#
public class Weather {
	public int DegreeDays { //** DegreeDays é uma propriedade
		get {return degreeDays;} 
		set {
 if(value < 0 || value > 30)
 Console.WriteLine(
 "Value is out of range: {0}", value);
 else degreeDays = value;}
	}
	private int degreeDays;
	...
	}
...
Weather w = new Weather();
int degreeDaysToday, oldDegreeDays;
...
w.DegreeDays = degreeDaysToday;
...
oldDegreeDays = w.DegreeDays;
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Tipos de dados abstratos em Ruby
A construção de encapsulamento é a classe
Variáveis locais têm nomes “normais”
Nomes de variáveis de instância começam com o sinal de arroba (@)
Nomes de variáveis de classe começam com dois arrobas (@@)
Métodos de instância têm a sintaxe de funções Ruby (def … end)
Construtores são nomeados initialize (apenas um por classe) — implicitamente chamado quando new é chamado
Membros de classe podem ser marcados como públicos ou privados
Classes são dinâmicas
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Tipos de dados em Ruby (continuação)
class StackClass {
	def initialize
 @stackRef = Array.new
 @maxLen = 100
 @topIndex = -1
 end
 def push(number) … end
 def pop … end
 def top … end
 def empty … end
end
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Tipos de dados abstratos parametrizados
É conveniente ser capaz de parametrizar tipos de dados abstratos, como projetar um tipo de dados abstrato pilha que possa armazenar quaisquer tipos escalares. É apenas uma questão para linguagens estaticamente tipadas
Também conhecidos como classes genéricas
C++, Ada, Java 5.0 e C# 2005 fornecem suporte para tipos de dados abstratos parametrizados
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Tipos de dados abstratos parametrizados 
em Ada
Pacotes genéricos
Faz o tipo de dados abstrato pilha mais flexível ao fazer o elemento do tipo e o tamanho da pilha genéricos
generic
Max_Size: Positive;
type Elem_Type is private;
package Generic_Stack is 
Type Stack_Type is limited private;
function Top(Stk: in out StackType) return Elem_type;
…
end Generic_Stack;
Package Integer_Stack is new Generic_Stack(100,Integer);
Package Float_Stack is new Generic_Stack(100,Float);
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Tipos de dados abstratos parametrizados 
em C++
Classes podem se tornar genéricas ao modificar as funções construtoras
	class Stack {
	…
 	Stack (int size) {
 	stk_ptr = new int [size]; 
 	max_len = size - 1;
 	 top = -1;
 	};
	 	…
 }
 	Stack stk(100);
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Tipos de dados abstratos parametrizados 
em C++ (continuação)
O tipo de elemento da pilha pode ser parametrizado por tornar a classe uma classe de modelo 
 template <class Type> class Stack { private: Type *stackPtr; const int maxLen; int topPtr; public: Stack() { stackPtr = new Type[100]; maxLen = 99; topPtr = -1; } … }
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Classes parametrizadas em Java 5.0
Parâmetros genéricos devem ser classes
Os tipos genéricos mais comuns são os tipos de coleção, como LinkedList e ArrayList
Elimina a necessidade de converter um objeto sendo removido da coleção
Elimina o problema de ter múltiplos tipos em uma estrutura
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Classes parametrizadas em C# 2005
Similar às de Java 5.0
Elementos de estruturas parametrizadas podem ser acessados por meio de índices
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Construções de encapsulamento
Programas grandes têm duas necessidades adicionais:
Outros meios de organização, que não apenas divisão em subprogramas
Meios de compilação parcial (compilação de unidades menores do que o programa inteiro)
Solução óbvia: organizar os programas em coleções de códigos e dados logicamente relacionados, cada uma das quais pode ser compilada sem a recompilação do resto do programa
Essa coleção é chamada de encapsulamento
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Subprogramas aninhados
Os programas podem ser organizados por definições de subprogramas aninhados dentro de subprogramas logicamente maiores que os usam 
Isso pode ser feito em Ada, Fortran 95, Python e Ruby
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Encapsulamento em C
Arquivos que contêm um ou mais subprogramas podem ser compilados independentemente
A interface é colocada em um arquivo chamado de arquivo de cabeçalho
Problema: o vinculador não verifica os tipos entre um cabeçalho e implementação associados
Especificação de pré-processador #include – usado para incluir arquivos de cabeçalho 
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Encapsulamento em C++
Pode definir arquivos de cabeçalho e arquivos de código, como em C
Classes também podem ser usadas para encapsulamento
Funções amigas (friends) dão acesso às entidades privadas da classe onde elas são declaradas como amigas
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Pacotes em Ada
Pacotes de especificação em Ada podem incluir qualquer número de declarações de dados ou de subprogramas em suas seções pública e privada
Pacotes Ada podem ser compilados separadamente
As duas partes do pacote, especificação e corpo, também podem ser compiladas separadamente se o pacote de especificação for compilado primeiro
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Montagens em C#
Uma coleção de um ou mais arquivos que aparecem para os programas aplicativos como uma única biblioteca de ligação dinâmica ou executável
Cada arquivo define um módulo, que pode ser desenvolvido separadamente
Uma biblioteca de ligação dinâmica (DLL) é uma coleção declasses e métodos individualmente ligados a um programa que está executando
C# tem um modificador de acesso, chamado internal; um membro internal de uma classe é visível para todas as classes na montagem na qual ele aparece
Conceitos de Linguagens de Programação – Robert W. Sebesta
Nomeando encapsulamentos
Um grande programa pode ser escrito por muitos desenvolvedores, trabalhando de maneira independente, o que requer que as unidades lógicas sejam independentes
Encapsulamentos de nomeação definem escopos de nome que ajudam a evitar esses conflitos
Espaços de nome em C++ 
Pode colocar cada biblioteca em seu próprio espaço de nome e qualificar os nomes utilizados fora do espaço
C# também inclui espaços de nome
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Nomeando encapsulamentos (continuação)
Pacotes em Java
Pacotes podem conter mais de uma definição de classe, e as classes em um pacote são amigas parciais umas das outras
Os clientes de um pacote podem referenciar nomes definidos no pacote usando nomes completamente qualificados
Pacotes em Ada
Pacotes são definidos em hierarquias, que correspondem às hierarquias de arquivos, nas quais eles são armazenados
A visibilidade a um pacote a partir de uma unidade de programa é obtida com a cláusula with
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Nomeando encapsulamentos (continuação)
Classes Ruby são encapsulamentos de nomeação, mas Ruby tem também módulos
Módulos normalmente definem coleções de métodos e constantes
Módulos são diferentes das classes de forma que eles não podem ser instanciados ou estendidos por herança e nem definem variáveis
Os módulos são discutidos mais detalhadamente no Capítulo 12
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Resumo
O conceito de tipos de dados abstratos, e seu uso em projeto de programas, foi um marco no desenvolvimento da programação como uma disciplina de engenharia
Seus dois recursos principais são o empacotamento de objetos de dados com suas operações associadas e o ocultamento de informações
Ada fornece encapsulamentos chamados pacotes que simulam tipos de dados abstratos
A abstração de dados em C++ é fornecida pelas classes
Em Java, são similares às de C++
Ada, C++, Java 5.0 e C# 2005 permitem que seus tipos de dados abstratos sejam parametrizados 
C++, C#, Java, Ada e Ruby fornecem encapsulamentos de nomeação
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