111 - Lecture 5

Decomposition,Abstraction and Functions

1. 编程中的基础语言机制(basic language mechanisms)：

回顾我们已经学习的 Java 基本语法，包括：

• Primitives 原始数据类型（byte, short, int, long, float, double, boolean, char）
•complex expressions 复杂表达式
• branching 分支控制（if-else, if-else if, switch）
• iteration 循环控制（for, while, do-while）

这些基本构造可以实现任何计算任务，但要编写复杂且可维护的代码，还需要学习分解和抽象这两个核心概念。

2. 分解（Decomposition）：

分解是指将一个复杂的程序问题拆解为若干个独立(self-contained parts)的小部分，每个部分都能完成一部分特定的计算，并且可以被其他程序重复使用。分解使得代码更加模块化、可读，并且易于调试。

分解的步骤：

•	将一个大问题拆分为多个子问题。
•	每个子问题只使用给定的输入和基本操作来完成任务，不依赖于其他外部部分。

举例了如何计算圆的面积，通过将计算过程分解为计算半径、使用 π 值、计算最终面积等子步骤。

3. 抽象（Abstraction）：

抽象指的是忽略不必要的细节，只关注事物的功能。通过抽象，程序员可以将复杂的细节隐藏在背后，只展示其对外的接口。
将某物的功能与其实际执行方式分开(seperate)。

创建部分并抽象细节使我们能够在抑制细节(suppressing details)的同时编写复杂代码，这样我们就不会被这种复杂性所压倒(overwhelmed)。

4. 通过抽象实现分解：Abstraction Enables Decomposition

implementations is "opaque"不透明(or black an unknown)
抽象和分解的结合可以使程序更加模块化。每个模块都作为“黑箱”来处理，这意味着我们只需要知道模块的输入(inputs)和输出(outputs)，而不需要了解它的内部实现（internal working）。这种方式在硬件和软件开发中广泛应用，通过接口来进行通信。

一个由许多不同公司设计和制造的复杂系统。系统中包含成百上千个独立的部分或组件，这些组件在不直接交流的情况下，通过事先定义好的规格(specification)和接口进行协作。每个组件的制造商需要了解其组件如何与其他组件相互作用(how its component interfaces to other components)，但可以独立解决其部分问题(solve sub-problems independently)，只要确保提供的输出符合规定的接口要求。这种模式既适用于硬件也适用于软件。

• 接口：接口是指组件之间的连接点，定义了组件如何互相交流信息和数据。

black box

• 隐藏繁琐的编码细节，不让用户看到
  hide tedious coding details from the user
• 在应用程序的不同部分重用黑盒，即无需复制和粘贴
  reuse black box at different parties of the application(no copy and pasting)
• 程序员创建细节，并设计界面
  Coder creates details, and designs interface
• 用户不需要也不希望看到这些细节

5. 函数（Function）：

Also known as method or procedure in some programming languages
函数是一种用于实现分解和抽象的重要工具。

• 函数可以将一段代码封装为“黑箱”
  capture code within a black box
  并通过接口提供给其他部分调用。

函数的特点：

•	输入：函数可以接收一个或多个输入参数。
•	输出：函数通过返回值将计算结果传递给调用者。
•	黑箱操作：函数内部的实现细节对调用者隐藏，调用者只需要关心输入和输出。

例如，Math.abs() 函数用于返回一个数的绝对值，调用者只需要传入一个数并获取结果，而不需要了解如何具体计算。

Decomposition relies on abstraction to enable construction of
complex application from simpler functions

Javadoc是一种生成API文档的工具，它通过读取Java代码中的注释生成HTML格式的文档。这些注释通常使用特殊的标记
API文档会概述API（程序编程接口）的功能和用途，告诉开发者这个API能够解决什么问题。

函数的规范 (specification)：

•	函数的行为是通过Javadoc（在Java中是推荐的文档注释格式）来描述的。Javadoc是一种可以生成API文档的注释格式，用于描述类、方法、参数、返回值等。
•	规范确保当用户提供满足条件的输入时，函数会根据规范产生输出。这也包括可能出现的副作用 (side effects)，即函数可能会对外部状态产生影响。

示例代码:

/**
 * Checks if the given character is alpha-numeric.
 *
 * @param ch the character to check
 * @return true if the character is alpha-numeric; otherwise false.
 */
private boolean isAlphaNumeric(int ch) {
    // do something and return the result
}

•	@param 表示输入参数，@return 描述返回值。
•	这个函数的目的是检查给定的字符是否为字母或数字，返回布尔值。

函数的签名 (signature)：

• 函数签名可以唯一标识(identified)一个函数，包括函数名、参数类型、参数数量等。通过函数签名，编译器可以区分同名的重载函数。
• 例如，函数 isAlphaNumeric(int ch) 的签名是：函数名为 isAlphaNumeric，参数类型为 int，参数名为 ch，返回类型为 boolean。

总结来说，这张图强调了通过规范来清楚描述函数行为的必要性，以及函数签名的重要性。在Java中，通过文档注释如Javadoc，可以为函数提供详细的说明，有助于提高代码的可读性和可维护性。

6. 函数的定义：

Defining a function
文档提供了函数的定义格式：

<修饰符> <返回类型> <函数名>(<参数>) {
// 函数体
return <结果>;
}

•	<modifier>：修饰符，如 private 或 public，控制该方法的访问权限。private 表示该方法只能在该类内部使用。
•	<return type>：返回类型，表示该方法返回的值的类型。在此例中，boolean 表示返回一个布尔值（true 或 false）。
•	<function name>：方法的名称，在此例中是 isAlphaNumeric，表示这个方法是检查字符是否为字母或数字。
•	<parameters>：方法的参数，在此例中是一个 int ch，表示要检查的字符作为输入。例如，isEven() 函数用于判断一个数字是否为偶数：

public boolean isEven(int num) {
    int result = num % 2;
    return result == 0;
}

make the code cleaner

public boolean isEven(int num) {
    return num % 2 == 0;
}

• 当编写了一个函数后，Java 虚拟机(Java Virtual Machine)会把该函数加载到内存中，函数就可以在程序运行时被多次调用，而不需要重复编写代码。

7. 调用函数：

内部与外部函数
internal and external functions
• 内部函数：用户定义的函数。即程序员自己在代码中编写的函数。
• 外部函数：通常是来自外部库的函数，例如 JUnit 库(library)中包含的函数。它们通常被打包在 JAR 文件中，可以直接导入和使用。

•	所有 Java 函数必须定义在类中。（be declared within a class)
•	可以通过 类名.方法名(参数) 来调用类中的静态方法。
•	这是 Java 面向对象的设计，所有的代码都必须放在类的结构内。

• static 表示该方法是一个静态方法，可以不需要创建类的对象就可以直接通过类名调用。
• 举个例子，如果没有 static，你需要先创建类的实例（对象）来调用该方法：

 Maths maths = new Maths();
System.out.println(maths.isEven(4));  // 通过对象调用

• 如果加上了 static 关键字，你可以直接通过类名来调用方法：

System.out.println(Maths.isEven(4));  // 直接通过类名调用

当调用函数时，Java 会根据传入的参数替换(substitute)函数定义中的形参，然后执行函数体，最后返回计算结果。

add all odd integers between a and b inclusively

int sumOfOdds(int a, int b) {
    int sum = 0;
    
    // Ensure 'a' starts from the first odd number
    if (a % 2 == 0) {
        a++;
    }
    
    // Iterate from 'a' to 'b', only considering odd numbers
    for (int i = a; i <= b; i += 2) {
        sum += i;
    }
    
    return sum;
}

（1） 函数调用的执行：

• 当Java执行一个函数调用时，它会创建一个新的“环境”envionment（也可以称为上下文context或作用域scope）。这个新环境就像一个迷你程序，它需要完成特定的任务。

• Java通过为每个函数调用创建一个新的独立环境，确保函数内部的变量与外部变量隔离，避免相互干扰。
• 函数内部的环境在函数执行结束后会消失，这样做保证了内存的有效管理。

（2） 全局环境与局部环境：

Global environment & Local environmenth
• 全局环境：是程序一开始运行时所在的默认环境，所有全局变量和函数都定义在全局环境中。
• 局部环境：每当调用一个函数时，Java会为该函数创建一个新的局部环境，这个环境独立于全局环境，是函数执行的上下文。
2. 函数调用的局部环境：
• 每次调用函数都会创建一个新的局部环境，这个环境只在函数内部有效，函数结束后，局部环境也会被销毁。

8. 作用域（Scope）：

作用域是指变量或函数在程序中可访问(accessibility)的范围。
1. 访问修饰符：
• Java 中有四种访问修饰符来控制变量和方法的可访问性：
• public：公开访问，任何地方都可以访问。
• protected：受保护访问，包内和子类中可访问，包外的其他类无法访问。
• 无修饰符：包级别访问，只能在同一个包内访问。
• private：私有访问，仅能在类内部访问。

9. 函数重载（Method Overloading）：
called(or ran, invoked)
函数重载允许在同一个类中定义多个同名函数，但它们的参数类型或数量不同。通过这种方式，可以为不同的输入类型提供不同的实现。例如：

public boolean isEven(int num) {
    return num % 2 == 0;
}

public boolean isEven(double num) {
    return num % 2 == 0;
}

Signature：在编程中，函数的签名是指函数的名称加上它的参数类型和数量，而不包括返回类型。函数签名用于唯一地标识一个函数，确保在同一个作用域内没有其他函数与之冲突。