【c++】面 向 对 象 与 抽 象 数 据 类 型

笑口常开xpr2025-10-07 11:19

💻作 者 简 介：曾 与 你 一 样 迷 茫，现 以 经 验 助 你 入 门 C++。

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📚系 列 专 栏：C++ 炼 魂 场：从 青 铜 到 王 者 的 进 阶 之 路✨代 码 趣 语：ADT 是 "装 修 效 果 图" - - - 先 画 好 图（逻 辑 定 义），施 工 队（数 据 结 构）怎 么 砌 墙（数 组 / 链 表）我 不 管，结 果 对 就 行。

💪代 码 千 行，始 于 坚 持，每 日 敲 码，进 阶 编 程 之 路。

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写 C/C++ 时，想 实 现 "栈" 却 先 纠 结 用 数 组 还 是 链 表？其 实 不 用！抽 象 数 据 类 型（ADT）就 是 解 决 这 一 问 题 的 关 键。本 文 拆 解 ADT 的 "抽 象 + 封 装" 核 心，结 合 栈 的 案 例 对 比 C/C++ 实 现，帮 你 搞 懂 ADT 为 何 是 数 据 结 构 与 面 向 对 象 编 程 的 "桥 梁"，摆 脱 "先 纠 结 实 现、再 迷 失 逻 辑" 的 困 境。

一、抽 象 数 据 类 型 的 定 义

抽 象 数 据 类 型（ADT）是 计 算 机 科 学 中 描 述 数 据 结 构 的 逻 辑 层 面 概 念，它 聚 焦 于 "数 据 是 什 么" 和 "数 据 能 做 什 么"，而 刻 意 隐 藏 "数 据 如 何 实 现" 的 细 节，比 如 C/C++ 中 头 文 件 提 供 的 函 数，即 隐 藏 内 部 实 现 细 节，只 提 供 相 关 的 函 数 供 用 户 使 用。其 核 心 思 想 是 封 装 与 抽 象，将 数 据 的 "逻 辑 特 性" 与 "物 理 实 现" 分 离，从 而 降 低 程 序 复 杂 度、提 高 代 码 复 用 性 和 可 维 护 性。

二、ADT 的 核 心 定 义

ADT 本 质 上 是 一 个 "数 据 模 型"，使 用 3 个 部 分 构 成，即 数 据 对 象（D），数 据 关 系（R）和 基 本 操 作（P）。通 常 使 用 "三 元 组" 表 示：ADT = (D, R, P)。

组成部分 核心含义 举例说明
数据对象（D） 具有相同性质的数据元素的集合 "栈"的数据对象是 "所有整数的集合"
数据关系（R） 数据对象中元素之间的逻辑关系集合 "栈"的数据关系是元素按'后进先出'的顺序排列
基本操作（P） 数据对象的合法操作 "栈"的基本操作包括：Push(入栈)、Pop(出栈)、GetTop(取栈顶)、IsEmpty(判断空)等

三、ADT 的 核 心 思 想

ADT 的 核 心 价 值 在 于 解 决 "用 户 无 需 关 心 内 部 实 现，只 需 关 注 如 何 使 用" 的 问 题，这 依 赖 于 两 个 关 键 思 想：

（1）抽 象

  1. 抽 象 是 只 暴 露 "关 键 信 息"。对 使 用 者 而 言，只 需 知 道 ADT 的 函 数（用 来 做 什 么，如 何 使 用），无 需 知 道 内 部 如 何 存 储 数 据（如 栈 是 用 数 组 还 是 链 表 实 现）、如 何 执 行 操 作（如 Pop 时 如 何 移 动 指 针）。
  2. 例 如 ：C++ 使 用 "栈" 时，你 只 需 先 引 用 头 文 件#include<stack>，然 后 调 用 push(x) 就 能 让 x 入 栈，不 需 要 关 心 栈 是 用 数 组 的 "下 标 + 1" 实 现，还 是 使 用 链 表 的 "头 插 法" 实 现。
javascript 复制代码 
#include<iostream>
#include<stack>
using namespace std;
int main()
{
	stack<int> mystack;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		mystack.push(i);
	}
	while (!mystack.empty())
	{
		cout << mystack.top() << " ";
		mystack.pop();
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

（2）封 装

  1. 封 装 是 隐 藏 内 部 的 "实 现 细 节" 将 ADT 的 "数 据 存 储（如 数 组、链 表）" 和 "操 作 实 现（如 push 的 代 码）" 封 装 成 一 个 独 立 的 模 块 即 头 文 件 stack，不 允 许 用 户 直 接 修 改 内 部 数 据，只 能 通 过 定 义 好 的 "基 本 操 作"（函 数） 访 问。
  2. 好 处：若 后 续 需 要 修 改 实 现（如 把 "数 组 栈" 改 成 "链 表 栈"），只 要 保 持 操 作 接 口 不 变，所 有 使 用 该 ADT 的 代 码 都 无 需 修 改，极 大 降 低 维 护 成 本。

四、经 典 ADT 示 例 - - - 栈

为 了 更 直 观 理 解 ADT，这 里 采 用 自 然 语 言 完 整 描 述 "栈" 的 ADT 定 义。

（1）数 据 对 象（D）

D = {a₀, a₁, ..., aₙ₋₁ | aᵢ ∈ 整 数 集 合，i = 0, 1, ..., n-1, n ≥ 0}

（2）数 据 关 系（R）

R = {<aᵢ₋₁, aᵢ> | aᵢ₋₁ 是 aᵢ 的 前 一 个 元 素，且 aₙ₋₁ 是 栈 顶 元 素，元 素 只 能 从 栈 顶 插 入 / 删 除 }（即 "后 进 先 出" 关 系）

（3）基 本 操 作（P）

这 里 需 要 注 意 的 是 如 果 C++ 中 引 入 了 头 文 件 stack，则 无 需 写 栈 的 初 始 化 函 数，因 为 栈 属 于 内 置 类 型，编 译 器 会 自 动 生 成 栈 的 构 造 函 数。

操作名称 前置条件 功能 后置条件
构造函数 无 初始化一个空栈S S为空栈
push 栈未满 将元素x插入栈顶 栈顶元素变为x，栈长度+1
pop S 非空 删除栈顶元素 栈顶元素变为原栈顶的下一个元素，栈长度-1
top S 非空 得到栈顶元素 栈的结构不发生改变

五、ADT 与 "数 据 结 构" 的 区 别

很 多 人 会 混 淆 ADT 和 数 据 结 构，核 心 区 别 在 于 逻 辑 层 面 与 物 理 层 面 的 区 别。

对比维度 抽象数据类型（ADT） 数据结构
关注层面 逻辑层面（"做什么"） 物理层面（"怎么做"）
核心内容 定义数据的逻辑关系和操作接口 实现ADT的具体方式（如用数组 / 链表存储数据）
示例 "栈"的ADT（定义后进先出关系和具体操作关系） "数组实现的栈"、"链表实现的栈"
关系 ADT是"需求"，数据结构是"实现方案" 一个ADT可以对应多种数据结构（如栈可由数组或链表实现）

六、ADT 的 核 心 优 势

  1. 降 低 耦 合 度：修 改 内 部 实 现 不 会 影 响 用 户 代 码。
  2. 提 高 复 用 性：ADT 的 接 口 是 标 准 化 的（如 栈 的 push/pop），可 在 不 同 程 序 中 直 接 复 用。
  3. 增 强 安 全 性：禁 止 用 户 直 接 操 作 内 部 数 据，避 免 因 非 法 修 改 导 致 的 逻 辑 错 误（如 直 接 修 改 栈 的 数 组 下 标 导 致 越 界 访 问）。
  4. 简 化 程 序 逻 辑：用 户 无 需 关 注 底 层 细 节，只 需 聚 焦 实 现 逻 辑（如 用 栈 解 决 "括 号 匹 配" 问 题 时，只 需 调 用 push/pop，无 需 关 心 栈 的 存 储）。

七、ADT 的 应 用：面 向 对 象 编 程 的 基 础

（1）类

ADT 的 思 想 直 接 催 生 了 面 向 对 象 编 程 的 核 心 概 念 - - - 类（Class）

  1. 类 的 成 员 变 量 对 应 ADT 的 "数 据 对 象（D）" 和 "数 据 关 系（R）"；
  2. 类 的 成 员 方 法 对 应 ADT 的 "基 本 操 作（P）"；
  3. 类 的 "访 问 控 制（public/private）" 实 现 了 ADT 的 "封 装"（private 隐 藏 实 现，public 暴 露 接 口）。

（2）C 语 言 实 现 栈

javascript 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
	DataType* array;
	int capacity;
	int size;
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
	if (NULL == ps->array)
	{
		assert(0);
		return;
	}
	ps->capacity = 3;
	ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	if (ps->array)
	{
		free(ps->array);
		ps->array = NULL;
		ps->capacity = 0;
		ps->size = 0;
	}
}
void CheckCapacity(Stack* ps)
{
	if (ps->size == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity * 2;
		DataType* temp = (DataType*)realloc(ps->array,
			newcapacity * sizeof(DataType));
		if (temp == NULL)
		{
			perror("realloc申请空间失败!!!");
			return;
		}
		ps->array = temp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
	assert(ps);
	CheckCapacity(ps);
	ps->array[ps->size] = data;
	ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return 0 == ps->size;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
	if (StackEmpty(ps))
		return;
	ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->array[ps->size - 1];
}
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->size;
}
int main()
{
	Stack s;
	StackInit(&s);
	StackPush(&s, 1);
	StackPush(&s, 2);
	StackPush(&s, 3);
	StackPush(&s, 4);
	printf("%d\n", StackTop(&s));
	printf("%d\n", StackSize(&s));
	StackPop(&s);
	StackPop(&s);
	printf("%d\n", StackTop(&s));
	printf("%d\n", StackSize(&s));
	StackDestroy(&s);
	return 0;
}

C 语 言 是 面 向 过 程 的 编 程 语 言，面 向 过 程 围 绕 的 是 步 骤 和 函 数 展 开，强 调 的 是 怎 么 做。通 过 结 构 体 和 函 数 实 现 栈，在使用时Stack 相 关 操 作 函 数 有 以 下 共 性：

  1. 每 个 函 数 的 第 一 个 参 数 都 是 Stack*
  2. 函 数 中 必 须 要 对 第 一 个 参 数 检 测，因 为 该 参 数 可 能 会 为 NULL
  3. 函 数 中 都 是 通 过 Stack* 参 数 操 作 栈 的
  4. 调 用 时 必 须 传 递 Stack 结 构 体 变 量 的 地 址

C 语 言 中 结 构 体 中 只 能 定 义 存 放 数 据 的 结 构，操 作 数 据 的 方 法 不 能 放 在 结 构 体 中，即 数 据 和 操 作 数 据 的 方 式 是 分 离 开 的，而 且 实 现 上 相 当 复 杂 一 点，涉 及 到 大 量 指 针 操 作，稍 不 注 意 可 能 就 会 出 错。

（3）C++ 实 现 栈

在 C++ 中，用 类 实 现 "栈" 的 ADT：

javascript 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
	void Init()
	{
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
		if (NULL == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败!!!");
			return;
		}
		_capacity = 3;
		_size = 0;
	}
	void Push(DataType data)
	{
		CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}
	void Pop()
	{
		if (Empty())
			return;
		_size--;
	}
	DataType Top()
	{ 
		return _array[_size - 1]; 
	}
	int Empty()
	{ 
		return 0 == _size; 
	}
	int Size() 
	{
		return _size; 
	}
	void Destroy()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = NULL;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
private:
	void CheckCapacity()
	{
		if (_size == _capacity)
		{
			int newcapacity = _capacity * 2;
			DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity * sizeof(DataType));
			if (temp == NULL)
			{
				perror("realloc申请空间失败!!!");
				return;
			}
			_array = temp;
			_capacity = newcapacity;
		}
	}
private:
	DataType* _array;
	int _capacity;
	int _size;
};
int main()
{
	Stack s;
	s.Init();
	s.Push(1);
	s.Push(2);
	s.Push(3);
	s.Push(4);
	printf("%d\n", s.Top());
	printf("%d\n", s.Size());
	s.Pop();
	s.Pop();
	printf("%d\n", s.Top());
	printf("%d\n", s.Size());
	s.Destroy();
	return 0;
}

C++ 是 面 向 对 象 的 编 程 语 言，面 向 对 象 围 绕 的 是 对 象 和 对 象 之 间 的 交 互，强 调 的 是 做 什 么。C++ 中 通 过 类 可 以 将 数 据 以 及 操 作 数 据 的 方 法 进 行 完 美 结 合，通 过 访 问 权 限 可 以 控 制 那 些 方 法 在 类 外 可 以 被 调 用，即 封 装，在 使 用 时 就 像 使 用 自 己 的 成 员 一 样，更 符 合 人 类 对 一 件 事 物 的 认 知。而 且 每 个 方 法 不 需 要 传 递 Stack* 的 参 数 了，编 译 器 编 译 之 后 该 参 数 会 自 动 还 原，即 C++ 中 Stack* 参 数 是 this 指 针，它 是 由 编 译 器 维 护 的，C 语 言 中 需 要 用 户 自 己 维 护。

八、总 结

抽 象 数 据 类 型（ADT）是 一 种 "从 问 题 出 发" 的 思 维 方 式：它 先 定 义 数 据 的 逻 辑 特 性 和 操 作 能 力，再 通 过 具 体 的 数 据 结 构 （数 组、链 表 等）实 现。其 核 心 价 值 在 于 "分 离 逻 辑 与 实 现"，是 降 低 程 序 复 杂 度、提 高 代 码 质 量 的 关 键 工 具，也 是 面 向 对 象 编 程 的 理 论 基 础。掌 握 ADT，能 帮 助 开 发 者 从 "关 注 代 码 细 节" 提 升 到 "设 计 数 据 模 型" 的 更 高 层 次。

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