软件构造之不变量

不变量

一个好的抽象数据类型最重要的属性是它保留了它自己的不变量。对于程序的每种可能的运行状态，不变量都是程序中永远为真的属性。不变性是我们遇到的第一个至关重要的不变量：不可变对象一旦创建，在整个程序的生命周期内，他都应该保持相同的值。当抽象数据类型保留自己的不变量时，推理代码变得容易很多。如果我们可以确认字符串永远不变，那么当我们调试使用了字符串的代码时，就可以排除字符串发生改变的可能性

不变性

让我们看下边一个例子

我们应该如何保证这些Tweet对象是不可变的，即一旦创建了一个Tweet对象，其作者，消息和日期永远不会变？

对不变性的第一个威胁是客户可以直接访问类中的字段，当我们编写下边这样的代码时，我们可以直接对该对象进行修改。

这是表示外泄的一个简单例子，这意味着类外部的代码可以直接修改内部的表示。像这样的表示外泄不仅会威胁到不变量，而且对表示独立性也是一个威胁。但幸运的是，Java中提供了语言机制来处理这种表示外泄。

public和private关键字表明哪些字段和方法只能在类中访问，哪些可以从外部访问。final关键字保证在创建对象之后不会重新分配此不可变类型的字段。但这还不是结束，表示依旧可以外泄，让我们看下的例子：

retweetLater根据一个Tweet对象，并且使用该对象中的相同的消息返回另一个Tweet对象。这儿的问题是：getTimestamp调用返回对tweett引用的同一个Date对象的引用。 t.timestamp和d是同一个可变对象的别名。所以当Date对象被d.setHours（）改变时，这也会影响t中的日期，如快照图所示。

Tweet的不变性已被打破。问题在于我们造成了表示外泄，让Tweet不能再保证它的对象是不可变的。我们可以使用防御性复制来防止这种风险，

可变类型通常有一个拷贝构造函数，它允许你创建一个新的实例来复制现有实例的值。在这种情况下，Date的拷贝构造函数使用1970年1月1日以来以毫秒为单位测量的时间戳值。

所以我们在getTimestamp的返回值中做了一些防御性复制。但这还不是结束！ 还有代表外泄。 考虑这个（也是非常合理的）客户端代码：

此代码的目的是在一天中的24小时内推进单个Date对象，每小时创建一条推文。但请注意，Tweet的构造函数只保存传入的引用，因此所有24个Tweet对象最终都以同一时间结束，如此快照图所示。

又一次，Tweet的不变性已被违反。我们可以通过明智的防御性复制来解决这个问题，在构造函数，我们可以写下如下代码：

表示不变量和抽象函数

表示值的空间（或简称为rep值）由实际实现实体的值组成。在简单情况下，抽象类型将作为单个对象来实现，但更常见的是需要一个小型的对象网络，所以这个值实际上往往是相当复杂的。不过，现在，仅仅将其视为数值就足够了。

抽象值的空间由类型设计支持的值组成。例如，无界整数的抽象类型可能具有数学整数作为其抽象值空间，而且它可能由原始（有界）整数的数组实现。

当然，抽象类型的实现者必须对表示值感兴趣，因为实现者的工作使用代表值空间实现抽象值空间。

假设我们选择使用字符串表示一些字符

代表空间R包含字符串，抽象空间A是数学字符集。我们可以用图形方式显示两个值空间，用一个箭头从代表值指向它表示的抽象值。 关于这张图片有几点值得注意的地方。

每个抽象值被映射到一些代表值。实现抽象类型的目的是支持对抽象值的操作。因此，我们可能需要能够创建和操纵所有可能的抽象值，因此它们必须是可表示的。

一些抽象值可以被映射到多个代表值。发生这种情况是因为表示不是严格的，有多种方法可以将一组无序的字符表示为一个字符串。

并非所有的代表值都被映射。在这种情况下，字符串“abbc”未被映射。在这种情况下，我们已确定该字符串不应包含重复项。

在实践中，我们只能说明这两个空间及其关系的一些要素;整个图形是无限的，所以我们通过给出两件事来描述它：

将rep值映射到它们表示的抽象值的抽象函数：

        AF:  R --> A

图中的弧线表示抽象函数

将rep值映射到布尔值的rep不变量：

        IR :  R --> boolean

对于代表值r，当且仅当r由AF映射时，RI（r）才为真

表示不变量和抽象函数都应该记录在代码中，紧挨着代表本身的声明。