В программном обеспечении процедурные абстракции скрывают за вызовом процедур сложности реализации процесса. В алгоритме trade (см. раздел «Разделяй и властвуй» главы 3) процедуры min и max скрывают механику поиска минимальных и максимальных чисел и тем самым упрощают алгоритм. При помощи абстракций можно создавать модули
[44], которые позволяют выполнять сложные операции вызовом одной единственной процедуры, вроде этой:
html ← fetch_source("https://code.energy")
Всего одной строкой кода мы получили страницу сайта, несмотря на то что внутренние операции для этой задачи чрезвычайно сложны
[45].
Абстракции данных будут центральной темой главы. Они скрывают детали процессов обработки данных. Но прежде чем мы сможем понять, как работает абстракция, нам необходимо освежить наше понимание типов данных.
Тип данных
Мы различаем разные типы крепежных изделий (как, например, винты, гайки и гвозди) согласно операциям, которые можем с ними выполнить (к примеру, используя отвертку, гаечный ключ или молоток). Точно так же мы различаем разные типы данных согласно операциям, которые могут быть выполнены с ними.
Например, переменная, содержащая последовательность символов, которые можно преобразовать в верхний или нижний регистр, и допускающая добавление новых символов, имеет тип String (строка). Строки представляют текстовые данные. Переменная, которую можно инвертировать и которая допускает операции XOR, OR и AND, имеет тип Boolean (логический). Такие булевы переменные принимают одно из двух значений: True или False. Переменные, которые можно складывать, делить и вычитать, имеют тип Number (численный).
Каждый тип данных связан с конкретным набором процедур. Процедуры, которые предназначены для работы с переменными, хранящими списки, отличаются от процедур, которые предназначены для работы с переменными, хранящими множества, а те, в свою очередь, отличаются от процедур, которые предназначены для работы с числами.
4.1. Абстрактные типы данных
Абстрактный тип данных (АТД) — это подробное описание группы операций, применимых к конкретному типу данных. Они определяют интерфейс для работы с переменными, содержащими данные конкретного типа, и скрывают все подробности хранения данных в памяти и управления ими.
Когда нашим алгоритмам приходится оперировать данными, мы не включаем в них команды чтения и записи в память компьютера. Мы используем внешние модули обработки данных, которые предоставляют процедуры, определенные в АТД.
Например, для работы с переменными, хранящими списки, нам нужны: процедуры для создания и удаления списков; процедуры для доступа к n-му элементу списка и его удаления; процедура для добавления нового элемента в список. Определения этих процедур (их имена и что они делают) содержатся в АТД «Список». Мы можем работать со списками, руководствуясь исключительно этими процедурами. Так что мы никогда не управляем памятью компьютера непосредственно.
Преимущества использования АТД
Простота. АТД делает наш код доступнее для понимания и изменения. Опустив детали в процедурах обработки данных, вы сможете сосредоточиться на самом главном — на алгоритмическом процессе решения задачи.
Гибкость. Существуют разные способы структурирования данных в памяти и, как следствие, разные модули обработки одного и того же типа данных. Мы должны выбрать тот, что лучше соответствует текущей ситуации. Модули, которые реализуют тот же АТД, предлагают одинаковые процедуры. Это означает, что мы можем изменить способ хранения данных и выполнения операций, просто применив другой модуль обработки данных. Это как с автомобилями: все автомобили на электрической и бензиновой тяге имеют одинаковый интерфейс. Если вы умеете управлять одним автомобилем, вы сумеете управлять и любыми другими.
Повторное использование. Мы задействуем одни и те же модули в проектах, где обрабатываются данные одинакового типа. Например, процедуры power_set и recursive_power_set из предыдущей главы работают с переменными, представляющими множества, Set. Это означает, что мы можем использовать один и тот же модуль Set в обоих алгоритмах.
Организация. Нам, как правило, приходится оперировать несколькими типами данных: числами, текстом, географическими координатами, изображениями и пр. Чтобы лучше организовать нашу программу, мы создаем отдельные модули, каждый из которых содержит код, работающий исключительно с конкретным типом данных. Это называется разделением функциональности: части кода, которые имеют дело с одним и тем же логическим аспектом, должны быть сгруппированы в собственном, отдельном модуле. Когда они перемешаны с чем-то посторонним, это называется запутанным кодом.
Удобство. Мы берем модуль обработки данных, написанный кем-то другим, разбираемся с использованием определенных в его АТД процедур, и сразу после этого можем их использовать, чтобы оперировать данными нового типа. Нам не нужно понимать, как функционирует этот модуль.
Устранение программных ошибок. Если вы используете модуль обработки данных, то в вашем программном коде не будет ошибок обработки данных. Если же вы найдете ошибку в модуле обработки данных, то, устранив ее один раз, вы немедленно исправите все части своего кода, которые она затрагивала.
4.2. Общие абстракции
Чтобы решить вычислительную задачу, крайне важно знать тип обрабатываемых данных и операции, которые вам предстоит выполнять с этими данными. Не менее важно принять решение, какой АТД вы будете использовать.
Далее мы представим хорошо известные абстрактные типы данных, которые вы должны знать. Они встречаются во множестве алгоритмов. Они даже поставляются в комплекте вместе со многими языками программирования.
Примитивные типы данных
Примитивные типы данных — это типы данных со встроенной поддержкой в языке программирования, который вы используете. Для работы с ними на нужны внешние модули. Сюда относятся целые числа, числа с плавающей точкой
[46] и универсальные операции с ними (сложение, вычитание, деление). Большинство языков также по умолчанию поддерживают хранение в своих переменных текста, логических значений и других простых данных.
