C++ 數(shù)據(jù)抽象

數(shù)據(jù)抽象是指驱还，只向外界提供關(guān)鍵信息膊毁，并隱藏其后臺的實現(xiàn)細(xì)節(jié)渊鞋，即只表現(xiàn)必要的信息而不呈現(xiàn)細(xì)節(jié)绰更。

數(shù)據(jù)抽象是一種依賴于接口和實現(xiàn)分離的編程（設(shè)計）技術(shù)。

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讓我們舉一個現(xiàn)實生活中的真實例子锡宋，比如一臺電視機(jī)儡湾，您可以打開和關(guān)閉、切換頻道执俩、調(diào)整音量徐钠、添加外部組件（如喇叭、錄像機(jī)役首、DVD 播放器）尝丐，但是您不知道它的內(nèi)部實現(xiàn)細(xì)節(jié)显拜，也就是說，您并不知道它是如何通過纜線接收信號爹袁，如何轉(zhuǎn)換信號远荠，并最終顯示在屏幕上。

因此失息，我們可以說電視把它的內(nèi)部實現(xiàn)和外部接口分離開了譬淳，您無需知道它的內(nèi)部實現(xiàn)原理，直接通過它的外部接口（比如電源按鈕根时、遙控器瘦赫、聲量控制器）就可以操控電視。

現(xiàn)在蛤迎，讓我們言歸正傳确虱，就 C++ 編程而言，C++ 類為數(shù)據(jù)抽象提供了可能替裆。它們向外界提供了大量用于操作對象數(shù)據(jù)的公共方法校辩，也就是說，外界實際上并不清楚類的內(nèi)部實現(xiàn)辆童。

例如宜咒，您的程序可以調(diào)用 sort() 函數(shù)，而不需要知道函數(shù)中排序數(shù)據(jù)所用到的算法把鉴。實際上故黑，函數(shù)排序的底層實現(xiàn)會因庫的版本不同而有所差異，只要接口不變庭砍，函數(shù)調(diào)用就可以照常工作场晶。

在 C++ 中，我們使用類來定義我們自己的抽象數(shù)據(jù)類型（ADT）怠缸。您可以使用類 iostream 的 cout 對象來輸出數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)輸出诗轻，如下所示：

#include <iostream>
using  std::cout;
 
int main( )
{
   cout << "Hello C++" <<endl;
   return 0;
}

在這里，您不需要理解 cout 是如何在用戶的屏幕上顯示文本揭北。您只需要知道公共接口即可扳炬，cout 的底層實現(xiàn)可以自由改變。

訪問標(biāo)簽強(qiáng)制抽象

在 C++ 中搔体，我們使用訪問標(biāo)簽來定義類的抽象接口恨樟。一個類可以包含零個或多個訪問標(biāo)簽：

• 使用公共標(biāo)簽定義的成員都可以訪問該程序的所有部分。一個類型的數(shù)據(jù)抽象視圖是由它的公共成員來定義的疚俱。
• 使用私有標(biāo)簽定義的成員無法訪問到使用類的代碼厌杜。私有部分對使用類型的代碼隱藏了實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

訪問標(biāo)簽出現(xiàn)的頻率沒有限制。每個訪問標(biāo)簽指定了緊隨其后的成員定義的訪問級別夯尽。指定的訪問級別會一直有效瞧壮，直到遇到下一個訪問標(biāo)簽或者遇到類主體的關(guān)閉右括號為止。

數(shù)據(jù)抽象的好處

數(shù)據(jù)抽象有兩個重要的優(yōu)勢：

• 類的內(nèi)部受到保護(hù)匙握，不會因無意的用戶級錯誤導(dǎo)致對象狀態(tài)受損咆槽。
• 類實現(xiàn)可能隨著時間的推移而發(fā)生變化，以便應(yīng)對不斷變化的需求圈纺，或者應(yīng)對那些要求不改變用戶級代碼的錯誤報告秦忿。

如果只在類的私有部分定義數(shù)據(jù)成員，編寫該類的作者就可以隨意更改數(shù)據(jù)蛾娶。如果實現(xiàn)發(fā)生改變灯谣，則只需要檢查類的代碼，看看這個改變會導(dǎo)致哪些影響蛔琅。如果數(shù)據(jù)是公有的胎许，則任何直接訪問舊表示形式的數(shù)據(jù)成員的函數(shù)都可能受到影響。

數(shù)據(jù)抽象的實例

C++ 程序中罗售，任何帶有公有和私有成員的類都可以作為數(shù)據(jù)抽象的實例辜窑。請看下面的實例：

class AdderNums{
   public:
      // 構(gòu)造函數(shù)
      AdderNums(int i = 0)
      {
        total = i;
      }
      // 對外的接口
      void addNum(int number)
      {
          total += number;
      }
      // 對外的接口
      int getTotal()
      {
          return total;
      };
   private:
      // 對外隱藏的數(shù)據(jù)
      int total;
};
int main( )
{
   AdderNums a;
   
   a.addNum(10);
   a.addNum(20);
   a.addNum(30);
 
   cout << "Total " << a.getTotal() <<endl;
   return 0;
}

當(dāng)上面的代碼被編譯和執(zhí)行時，它會產(chǎn)生下列結(jié)果：

Total 60

上面的類把數(shù)字相加寨躁，并返回總和穆碎。公有成員 addNum 和 getTotal 是對外的接口，用戶需要知道它們以便使用類职恳。私有成員 total 是用戶不需要了解的所禀，但又是類能正常工作所必需的。

設(shè)計策略

抽象把代碼分離為接口和實現(xiàn)放钦。所以在設(shè)計組件時色徘，必須保持接口獨立于實現(xiàn)，這樣最筒，如果改變底層實現(xiàn)，接口也將保持不變蔚叨。

在這種情況下床蜘，不管任何程序使用接口，接口都不會受到影響蔑水，只需要將最新的實現(xiàn)重新編譯即可邢锯。

C++ 數(shù)據(jù)封裝

所有的 C++ 程序都有以下兩個基本要素：

• 程序語句（代碼）：這是程序中執(zhí)行動作的部分，它們被稱為函數(shù)搀别。
• 程序數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)是程序的信息丹擎，會受到程序函數(shù)的影響。

封裝是面向?qū)ο缶幊讨械陌褦?shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)綁定在一起的一個概念，這樣能避免受到外界的干擾和誤用蒂培，從而確保了安全再愈。數(shù)據(jù)封裝引申出了另一個重要的 OOP 概念，即數(shù)據(jù)隱藏护戳。

數(shù)據(jù)封裝是一種把數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)捆綁在一起的機(jī)制翎冲，數(shù)據(jù)抽象是一種僅向用戶暴露接口而把具體的實現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏起來的機(jī)制。

C++ 通過創(chuàng)建類來支持封裝和數(shù)據(jù)隱藏（public媳荒、protected抗悍、private）。我們已經(jīng)知道钳枕，類包含私有成員（private）缴渊、保護(hù)成員（protected）和公有成員（public）成員。默認(rèn)情況下鱼炒，在類中定義的所有項目都是私有的衔沼。例如：

class Box
{
   public:
      double getVolume(void)
      {
         return length * breadth * height;
      }
   private:
      double length;      // 長度
      double breadth;     // 寬度
      double height;      // 高度
};

變量 length、breadth 和 height 都是私有的（private）田柔。這意味著它們只能被 Box 類中的其他成員訪問俐巴，而不能被程序中其他部分訪問。這是實現(xiàn)封裝的一種方式硬爆。

為了使類中的成員變成公有的（即欣舵，程序中的其他部分也能訪問），必須在這些成員前使用 public 關(guān)鍵字進(jìn)行聲明缀磕。所有定義在 public 標(biāo)識符后邊的變量或函數(shù)可以被程序中所有其他的函數(shù)訪問缘圈。

把一個類定義為另一個類的友元類，會暴露實現(xiàn)細(xì)節(jié)袜蚕，從而降低了封裝性糟把。理想的做法是盡可能地對外隱藏每個類的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

數(shù)據(jù)封裝的實例

C++ 程序中牲剃，任何帶有公有和私有成員的類都可以作為數(shù)據(jù)封裝和數(shù)據(jù)抽象的實例遣疯。請看下面的實例：

class AdderNums{
   public:
      // 構(gòu)造函數(shù)
      AdderNums(int i = 0)
      {
        total = i;
      }
      // 對外的接口
      void addNum(int number)
      {
          total += number;
      }
      // 對外的接口
      int getTotal()
      {
          return total;
      };
   private:
      // 對外隱藏封裝的數(shù)據(jù)
      int total;
};
int main( )
{
   AdderNums a;
   
   a.addNum(10);
   a.addNum(20);
   a.addNum(30);
 
   cout << "Total " << a.getTotal() <<endl;
   return 0;
}

上面的類把數(shù)字相加，并返回總和凿傅。公有成員 addNum 和 getTotal 是對外的接口缠犀，用戶需要知道它們以便使用類。私有成員 total 是對外隱藏的聪舒，用戶不需要了解它辨液，但它又是類能正常工作所必需的。

設(shè)計策略

通常情況下箱残，我們都會設(shè)置類成員狀態(tài)為私有（private）止吁，除非我們真的需要將其暴露燎悍，這樣才能保證良好的封裝性敬惦。

這通常應(yīng)用于數(shù)據(jù)成員间涵，但它同樣適用于所有成員仁热，包括虛函數(shù)。

C++ 接口（抽象類）

接口描述了類的行為和功能勾哩，而不需要完成類的特定實現(xiàn)。

C++ 接口是使用抽象類來實現(xiàn)的思劳，抽象類與數(shù)據(jù)抽象互不混淆，數(shù)據(jù)抽象是一個把實現(xiàn)細(xì)節(jié)與相關(guān)的數(shù)據(jù)分離開的概念潜叛。

如果類中至少有一個函數(shù)被聲明為純虛函數(shù)秽褒，則這個類就是抽象類。純虛函數(shù)是通過在聲明中使用 "= 0" 來指定的威兜，如下所示：

class Box
{
   public:
      // 純虛函數(shù)
      virtual double getVolume() = 0;
   private:
      double length;      // 長度
      double breadth;     // 寬度
      double height;      // 高度
};

設(shè)計抽象類（通常稱為 ABC）的目的，是為了給其他類提供一個可以繼承的適當(dāng)?shù)幕惤范妗３橄箢惒荒鼙挥糜趯嵗瘜ο螅荒茏鳛?strong>接口使用笔宿。如果試圖實例化一個抽象類的對象，會導(dǎo)致編譯錯誤涝动。

因此炬灭，如果一個 ABC 的子類需要被實例化醋粟，則必須實現(xiàn)每個虛函數(shù)重归，這也意味著 C++ 支持使用 ABC 聲明接口。如果沒有在派生類中重載純虛函數(shù)提前，就嘗試實例化該類的對象泳唠，會導(dǎo)致編譯錯誤。

可用于實例化對象的類被稱為具體類拓哺。

設(shè)計策略

面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)可能會使用一個抽象基類為所有的外部應(yīng)用程序提供一個適當(dāng)?shù)摹⑼ㄓ玫氖颗浮?biāo)準(zhǔn)化的接口。然后讼积，派生類通過繼承抽象基類脚仔，就把所有類似的操作都繼承下來勤众。

外部應(yīng)用程序提供的功能（即公有函數(shù)）在抽象基類中是以純虛函數(shù)的形式存在的鲤脏。這些純虛函數(shù)在相應(yīng)的派生類中被實現(xiàn)。

這個架構(gòu)也使得新的應(yīng)用程序可以很容易地被添加到系統(tǒng)中窥突，即使是在系統(tǒng)被定義之后依然可以如此硫嘶。