• Переменные
  • size — число элементов
  • elements — массив элементов
• Методы
  • push — добавить элемент
  • pop — удалить элемент
  • peek — получить элемент на вершине
  • size — число элементов
  • isEmpty — проверка на пустоту

• Последовательность чисел
  • $a[1], a[2], \ldots, a[n]$
  • Операции с последним элементом
• Инвариант
  • $n \ge 0$
  • $∀i=1..n: a_i ≠ null$
• Определения
  • $immutable(k) = ∀i=1..k : a[i]' = a[i]$

• push

  • // Pred: element ≠ null
    // Post: n' = n + 1 ∧ immutable(n) ∧ a'[n'] = element
    void push(Object element)
    

• pop

  • // Pred: n > 0
    // Post: ℝ = a[n] ∧ n = n' − 1 ∧ immutable(n')
    Object pop()
    

• peek

  • // Pred: n > 0
    // peek: ℝ = a[n] ∧ n = n' ∧ immutable(n)
    Object peek()
    

• size

  • // Post: ℝ = n ∧ n = n' ∧ immutable(n)
    int size()
    

• isEmpty

  • // Post: ℝ = n > 0 ∧ n = n' ∧ immutable(n)
    boolean isEmpty()
    

• Объявление модуля

  public class ArrayStackModule {
  

• Данные

  static int size;
  static Object[] elements = new Object[5];
  

• static void push(Object element) {
      Objects.requireNonNull(element);
      ensureCapacity(size + 1);
      elements[size++] = element;
  }
  

• static void ensureCapacity(int capacity) {
      if (capacity > elements.length) {
          elements = 
              Arrays.copyOf(elements, 2 * capacity);
      }
  }
  

• static Object pop() {
      assert size > 0;
      return elements[--size];
  }
  

• static Object peek() {
      assert size > 0;
      return elements[size - 1];
  }
  

• static int size() {
      return size;
  }
  

• static boolean isEmpty() {
      return size == 0;
  }
  

• Добавление элементов

  for (int i = 0; i < 10; i++) {
      ArrayStackModule.push(i);
  }
  

• Получение элементов

  while (!ArrayStackModule.isEmpty()) {
      System.out.println(
          ArrayStackModule.size() + " " +
          ArrayStackModule.peek() + " " +
          ArrayStackModule.pop()
      );
  }
  

• Сокрытие деталей реализации
  • Доступ на уровне модуля
  • Способ поддерживать контракт
• Пример

  • private static int size
    private static Object[] elements
    public push(Object element)
    public Object pop()
    public Object peek()
    public int size()
    public boolean isEmpty()
    private void ensureCapacity()
    

• Объявление структуры

  public class ArrayStackADT {
  

• Данные

  private /*static*/ int size;
  private /*static*/ Object[] elements =
          new Object[5];
  

• Добавление аргументов функций
  • Первый аргумент — ссылка на структуру
  • ArrayStackADT stack
• Доступ к переменным
  • Добавление префикса stack.
• Вызов функций
  • Передача первым аргументом ссылки

• public static void push(ArrayStackADT stack, Object element) {
      Objects.requireNonNull(element);
      ensureCapacity(stack, stack.size + 1);
      stack.elements[stack.size++] = element;
  }
  

• private static void ensureCapacity(
      ArrayStackADT stack, int capacity
  ) {
      if (stack.elements.length < capacity) {
          stack.elements = 
              Arrays.copyOf(stack.elements, capacity * 2);
      }
  }
  

• public static Object pop(ArrayStackADT stack) {
      assert stack.size > 0;
      return stack.elements[--stack.size];
  }
  

• public static Object peek(ArrayStackADT stack) {
      assert stack.size > 0;
      return stack.elements[stack.size - 1];
  }
  

• public static int size(ArrayStackADT stack) {
      return stack.size;
  }
  

• public static boolean isEmpty(
      ArrayStackADT stack
  ) {
      return stack.size == 0;
  }
  

• public static ArrayStackADT create() {
      ArrayStackADT stack = new ArrayStackADT();
      stack.elements = new Object[10];
      return stack;
  }
  

• Добавление элементов

  ArrayStackADT stack = ArrayStackADT.create();
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
      ArrayStackADT.push(stack, i);
  }
  

• Получение элементов

  while (!ArrayStackADT.isEmpty(stack)) {
      System.out.println(
          ArrayStackADT.size(stack) + " " +
          ArrayStackADT.peek(stack) + " " +
          ArrayStackADT.pop(stack)
      );
  }
  

• Объявление класса

  public class ArrayStack {
  

• Данные

  private int size;
  private Object[] elements = new Object[10];
  

• Изменение модификаторов
  • Убрать static
• Замена первого аргумента
  • Замена на аргумента на неявный (this)
• Доступ к переменным
  • Замена префикса stack. на this.
  • Префикс this. можно опускать
• Вызов метода
  • method(stack, ...) ⇒ stack.method(...)

• public void push(Object element) {
      Objects.requireNonNull(element);
      ensureCapacity(size + 1);
      elements[size++] = element;
  }
  

• private void ensureCapacity(int capacity) {
      if (elements.length < capacity) {
          elements = 
              Arrays.copyOf(elements, capacity * 2);
      }
  }
  

• public Object pop() {
      assert size > 0;
      return elements[--size];
  }
  

• public Object peek() {
      assert size > 0;
      return elements[size - 1];
  }
  

• public int size() {
      return size;
  }
  

• public boolean isEmpty() {
      return size == 0;
  }
  

• Добавление элементов

  ArrayStack stack = new ArrayStack();
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
      stack.push(i);
  }
  

• Получение элементов

  while (!stack.isEmpty()) {
      System.out.println(stack.size() + " " +
          stack.peek() + " " + stack.pop());
  }
  

• Объявление класса

  // inv: value != null
  public class Node {
     Object value;
     Node next;
  }
  

• Инициализация

  public init(Object value, Node next) {
      assert value != null;
      this.value = value;
      this.next = next;
  }
  

• Значения по умолчанию

  value = null;
  next = null;
  

  • Инвариант нарушен
• Метод init

  assert value != null;
  this.value = value;
  this.next = next;
  

  • Инвариант соблюдается

• Соблюдение инварианта при создании
• Пример конструктора

  public Node(Object value, Node next) {
      assert value != null;
      this.value = value;
      this.next = next;
  }
  

• Вызов конструктора

  Node node = new Node(1, null);
  

• Конструктор по умолчанию
  • Без аргументов
  • Ничего не делает
  • Создается, если нет других

• Исходное состояние

• push(v¹)

• push(v²)

• pop()

• Объявление класса

  public class LinkedStack {
  

• Данные

  private int size;
  private Node head;
  

• // Pred: element ≠ null
  // Post: n = n' + 1 ∧ ∀i=1..n' : a[i]' = a[i]∧
  //          ∧ a[n] = element
  public void push(Object element) {
      assert element != null;
      size++;
      head = new Node(element, head);
  }
  

• // Pred: n > 0
  // Post: ℝ = a[n + 1] ∧ n = n' − 1 ∧
  //          ∧ ∀i=1..n : a[i]' = a[i]
  public Object pop() {
      assert size > 0;
      size--;
      Object result = head.value;
      head = head.next;
      return result;
  }
  

• // Pred: n > 0
  // Post: ℝ = a[n] ∧ immutable
  public Object peek() {
      assert size > 0;
      return head.value;
  }
  

• // Post: ℝ = n ∧ immutable
  public int size() {
      return size;
  }
  

• // Post: ℝ = n > 0 ∧ immutable
  public boolean isEmpty() {
      return size == 0;
  }
  

• Добавление элементов

  LinkedStack stack = new LinkedStack();
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
      stack.push(i);
  }
  

• Получение элементов

  while (!stack.isEmpty()) {
      System.out.println(stack.size() + " " +
          stack.peek() + " " + stack.pop());
  }
  

• Одинаковый контракт стеков
• Одинаково использование
  • Почти одинаковый код
• Код знает тип списка
  • ArrayStack
  • LinkedStack

• Интерфейс
  • Набор методов
  • Контракт
• Пример

  public interface Stack {
      /*public*/ void push(Object element);
      /*public*/ Object pop();
      /*public*/ Object peek();
      /*public*/ int size();
      /*public*/ boolean isEmpty();
  }
  

• Синтаксис

  public class ArrayStack implements Stack { ... }
  public class LinkedStack implements Stack { ... }
  

• Реализация методов
  • Проверяется компилятором
• Выполнение контракта
  • Гарантируется программистом

• Добавление элементов

  public static void fill(Stack stack) {
      for (int i = 0; i < 10; i++) {
          stack.push(i);
      }
  }
  

• Получение элементов

  public static void dump(Stack stack) {
      while (!stack.isEmpty()) {
          System.out.println(stack.size() + " " +
              stack.peek() + " " + stack.pop());
      }
  }
  

• a instanceof T
  • a может быть приведено к T
• Примеры
  • new ArrayStack() instanceof ArrayStack ⇒ true
  • new ArrayStack() instanceof LinkedStack ⇒ false
  • new ArrayStack() instanceof Stack ⇒ true
  • new ArrayStack() instanceof Object ⇒ true
  • new Object() instanceof Stack ⇒ false

class StackImpl {
    public static void pop(Stack this) {
        if (this instanceof ArrayStack) {
            return ArrayStack.pop(this);
        } else if (this instanceof LinkedStack) {
            return LinkedStack.pop(this);
        } else {
            // ?
        }
    }
    …
}

• Достоинства
  • Простота реализации
• Недостатки
  • Разбухание кода
  • Линейное время

• Достоинства
  • Константные трудозатраты
• Недостатки
  • Затраты памяти
  • Проблемы с множественным наследованием

• Один код, разные типы
• Ad-hoc
  • Для каждого типа свое поведение
• Универсальный
  • Одинаковое поведение для всех типов

• Операция сложения (+)
• Примеры использования
  • 1 + 1
  • 1.0 + 1
  • 1 + 1.0
  • 1.0 + 1.0
• Перегрузка времени компиляции по обоим параметрам
  • Ad-hoc полиморфизм
• Перегрузка для разных типов + автоматизированное приведение типов
  • Ad-hoc полиморфизм

• Перегрузка функций

  void test(LinkedStack stack) { … }
  void test(ArrayStack stack) { … }
  …
  test(new LinkedList());
  test(new ArrayList());
  

• Ad-hoc полиморфизм

• Функция printf
• Примеры использования
  • printf("%d", 10);
  • printf("%s", "hello");
• Перегрузка времени исполнения по всем параметрам, кроме первого + явная передача информации о типах
  • Ad-hoc полиморфизм

• Наследование в ООП

  • drawWithColor(Shape shape, Color color) {
        shape.setColor(color);
        shape.draw()
    }
    

• drawWithColor – полиморфизм включения по первому параметру
  • Параметрический полиморфизм
• draw(this) – перегрузка времени исполнения по первому параметру
  • Ad-hoc полиморфизм

• Определение типа во время исполнения
• Пример использования

  • void draw(Shape shape) {
        if (shape instanceof Rect) …
        if (shape instanceof Circle) …
    }
    

• draw() – перегрузка времени исполнения
  • Ad-hoc полиморфизм

• Управление размером
  • size
  • isEmpty
  • push
  • pop
• Обработка null
  • push
• Обработка пустого стека
  • pop
  • peek

• Полное дублирование

  • public isEmpty() {
        return size == 0;
    }
    

  • Общая функция/метод
• Частичное дублирование

  • public peek() {
        assert size > 0;
        // Получить элемент
        // Зависит от реализации
    }
    

  • Что делать?

• Метод для дублирующейся части
  • Вызывает методы для различных частей

  • public peek() {
        assert size > 0;
        doPeek();
    }
    

  • protected abstract Object doPeek();
    

• Методы для различающихся частей

  • protected doPeek() { // ArrayStack
        return elements[size - 1];
    }
    

  • protected doPeek() { // LinkedStack
        return head.value;
    }
    

• Как реализовать?
  • Указатели на функции
  • Таблица функций

• Определение

  public interface Copiable {
      public Copiable makeCopy();
  }
  

• Множественная реализация интерфейсов

  public class ArrayStack
      implements Stack, Copiable {
  

• Реализация

  public Copiable makeCopy() {
      final ArrayStack copy = new ArrayStack();
      copy.size = size;
      copy.elements = elements;
      return copy;
  }
  

• Общий массив элементов
• makeCopy()

• pop()

public Copiable makeCopy() {
    final ArrayStack copy = new ArrayStack();
    copy.size = size;
    copy.elements = Arrays.copyOf(elements, size);
    return copy;
}

• Ссылка передается по значению
  • Объект – не копируется
  • При изменении – изменяется по всем ссылкам
• Поверхностное копирование
  • Только ссылок на объекты
• Глубокое копирование
  • Создание копий объектов
  • В явном виде

• Получение ссылки
  • new
  • присваивание
  • вызов метода
• Мусор
  • Нет ссылок
  • ⇒ никогда не будет
  • ⇒ можно удалить объект
• Сборщик мусора
  • Удаляет мусор
  • delete не нужен

• Проблема
  • ArrayStack copy = (ArrayStack) stack.makeCopy();
• Решение

  public ArrayStack makeCopy() { ... }
  

• Почему это работает?
  • ArrayStack реализует Copiable

• Объявление

  public class LinkedStack
      implements Stack, Copiable {
  

• Реализация

  public LinkedStack makeCopy() {
      final LinkedStack copy = new LinkedStack();
      copy.size = size;
      copy.head = head;
      return copy;
  }
  

• Почему это работает?
  • Node не изменяется

• Конкретный стек можно скопировать
  • Stack нельзя скопировать
• Решение

  public interface Stack extends Copiable { ... }
  

• Уточнение возвращаемого значения

  public interface Stack extends Copiable {
      Stack makeCopy();
      ...
  

• Пример использования

  Stack stack = ...;
  Stack copy = stack.makeCopy();
  

• Мейер Б. Объектно-ориентированное конструирование программных систем http://www.rusedit.com/book.aspx?BookID=1211
• Java Modeling Language http://www.cs.ucf.edu/~leavens/JML/
• Сборка мусора
  http://ru.wikipedia.org/wiki/Сборка_мусора
• Java Tutorial: Interfaces and Inheritance http://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/IandI/index.html