數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周佳寧++馮俊安

摘 要 本文將介紹筆者構(gòu)想的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫，它將可視化技術(shù)的加入到了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類庫，使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠被直觀可視。同時(shí)，給出了擴(kuò)充數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類庫的途徑，以及達(dá)成多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化安排算法的一般模型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫能夠在程序的調(diào)試以及軟件的開發(fā)上起到作用，并有助于提升軟件的可視性、實(shí)用性和開發(fā)的速度。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 類庫 可視化

1 引言

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化屬于軟件可視化的一個(gè)枝干學(xué)科。軟件可視化設(shè)計(jì)一圖形來表達(dá)和監(jiān)測預(yù)設(shè)格式的程序，以完成程序整體的可視化。程序可視化技術(shù)一般可以分成四大類：事件驅(qū)動(dòng)、狀態(tài)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)動(dòng)畫以及可視化設(shè)計(jì)。

使用事件驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)比較為人熟知的有ANIMAL系統(tǒng)，若是用這種途徑，就需要在程序要求可視化的區(qū)域使用interest-ing envents在加以注釋，對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)動(dòng)畫也要在考慮到interest-ing envents的前提下編制。使用狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)主要有LEONARDO等。所謂狀態(tài)驅(qū)動(dòng)，指的是指在程序與可視化情況下設(shè)計(jì)一個(gè)映射關(guān)系，它一般會(huì)在程序開始執(zhí)行前就被可視化工具所指出。選擇可視化設(shè)計(jì)是旨在使用可視符號(hào)來將程序命令和句子加以表達(dá)，從而讓程序更容易被理解。使用自動(dòng)動(dòng)畫的系統(tǒng)主要有Jeliot等。Jeliot的原理是使用可視解釋器來完成以數(shù)據(jù)類型為基本的self-animation：開發(fā)者在源代碼中選取需要被可視的數(shù)據(jù)種類，Jeliot就能自行生成演示動(dòng)畫。

筆者研究的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫把可視化技術(shù)加進(jìn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類庫，找出了一種能夠可視化擴(kuò)充數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類的途徑：構(gòu)建可視數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在原本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一般屬性和操作的前提下，新增可視功能，并給出相應(yīng)的接口。這一方式的特點(diǎn)是可以不使用可視解釋器就能達(dá)成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化解釋，以調(diào)用它的可視化接口的形式即可達(dá)成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的全自動(dòng)可視。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫提升了軟件的開發(fā)速度和重用性，它能夠廣泛用于程序的調(diào)試和軟件的制作。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的重要性及目的

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的重要意義

在應(yīng)用和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及程序具體設(shè)計(jì)時(shí)，如果能達(dá)成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化，就能更好的提升的對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的直觀解析，進(jìn)而加快理解速度。在調(diào)試程序時(shí)，使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫能更好的提升編程的整體速度。從當(dāng)前的發(fā)展而言，已經(jīng)有不少使用比較廣泛的可視化集成開發(fā)軟件，比較常見的就是Visual C++。這樣的視化的集成開發(fā)軟件能讓程序頁面大大簡化，也減少了編寫程序頁面的難度，使得軟件開發(fā)速度能更多的上升。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫設(shè)計(jì)的目標(biāo)

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是能讓數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫可以獲得更多的用途和適應(yīng)性。這就需要增加其靈活性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫可以直接在軟件應(yīng)用程序開發(fā)中使用的，開發(fā)者也能使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫來構(gòu)造新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，此外也能增強(qiáng)其穩(wěn)定性，而這也是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫另一大應(yīng)用目標(biāo)之一。此外就是可以面向?qū)ο?。?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的對(duì)象主要是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然算法也同樣是，他們儲(chǔ)存運(yùn)行結(jié)構(gòu)，并能給出輸出訪問結(jié)果的接口。

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫時(shí)，應(yīng)對(duì)待解決問題有整體上的考慮。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫中，一般是基于Java集合庫的來就原本存在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類做出的擴(kuò)展，在拓展的過程中也會(huì)新增一些對(duì)應(yīng)的、比較繁復(fù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用最多的就是樹圖。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫進(jìn)程中就可視化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做構(gòu)建來達(dá)成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化，這樣可視化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)亦是以Java集合庫的來就原本存在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類為操作前提完成的，此外就是介入了部分可視屬性并提供了可視化的接口。所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有著多樣的顯示模式，而這就要開發(fā)者做出權(quán)衡和選擇了。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫中，所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都存在多種布局的方式來對(duì)其進(jìn)行布局。

設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的最主要部分就是對(duì)基本的可視化結(jié)構(gòu)的編制，以及對(duì)應(yīng)的顯示形式、布局方式。在構(gòu)建可視化接口時(shí)，比較關(guān)鍵的接口是V Collection接口，它不僅負(fù)擔(dān)著提供Collection接口的任務(wù)，同時(shí)也能提供可視化接口，在此方面，一般有void draw，在操作上可以理解為重新繪制確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用displayMode參數(shù)值來確定選擇的顯示方式，在此接口中的參數(shù)c代表了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)出的顏色。在設(shè)計(jì)顯示模式時(shí)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的顯示模式是不盡相同的，如圖1所示。

此外，在設(shè)計(jì)布局方面，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化需要解決的主要問題就是對(duì)于圖形的布局。它的設(shè)計(jì)是和開發(fā)者對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的效果了解程度有關(guān)的。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫中比較的關(guān)鍵的是線性布局的途徑和圖布局的措施，對(duì)于各種不同的布局，其算法也是有所差別的。而在其線性布局上，主要在于可以在隊(duì)列和線性表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中使用上，在對(duì)線性的布局途徑上，其一般算法架構(gòu)是通過取得數(shù)據(jù)的元素?cái)?shù)量，并憑借著所顯示的大小以及數(shù)據(jù)元素的數(shù)量來就布局的具體值做出計(jì)算。

而圖布局的設(shè)計(jì)如果按照算法來區(qū)分，它可以北歸類為二維彈性模型算法，比較基礎(chǔ)的思想就是二維平面上來做計(jì)算。此種方法在圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用比較合適。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫中可以提供的多樣算法以達(dá)成圖的多樣化。它包括在遺傳模擬退火算法圖基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維可視化，還有上文提到過的二維彈性模擬算法?？梢暬夹g(shù)最主要的作用就是能幫助增強(qiáng)開發(fā)者的認(rèn)知，而在計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)方面，可以把它看做是一種處理信息的工具，基于此來考慮更加多樣的樣本以及變量&聯(lián)系。

此外，對(duì)于僅僅對(duì)節(jié)點(diǎn)之間管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，應(yīng)選擇使用樹布局的方式來對(duì)樹坐標(biāo)加以確定。通常使用的處理方式是若樹非空后跟遍歷樹。這種方式的原理是要先設(shè)置處于樹左下的節(jié)點(diǎn)位置，然后以從左到右的順序來對(duì)節(jié)點(diǎn)的所有子樹進(jìn)行遍歷，然后再回到子樹的節(jié)點(diǎn)位置，對(duì)另一個(gè)子樹最左節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行設(shè)定。要做的使得全部樹的節(jié)點(diǎn)沒有相交重合的部分，做到排列完全等距離，此外就是全部的葉子節(jié)點(diǎn)以根節(jié)點(diǎn)做參照的話，應(yīng)成等要排列

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫的實(shí)現(xiàn)分析

限于篇幅，筆者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化類庫的實(shí)現(xiàn)方面僅做簡單的闡述。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)能對(duì)各類不同算法的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫變化步驟進(jìn)行表現(xiàn)，但這也需要開發(fā)者進(jìn)行大量的畫圖操作才能都達(dá)成，例如在對(duì)鏈表階段的繪制上，如果應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫就無須再自行編碼，就能夠完成畫圖工作，在動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)的層面上有了層次性的提升，在這一步驟中開發(fā)者無需再考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的布局，因?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫本身就帶有自動(dòng)布局的功能，開發(fā)者所要做的就是按照自身需求來重制就就可以達(dá)成目標(biāo)。此外，調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的draw（）也可以達(dá)成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化的目的。

4 結(jié)語

總的來說，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化類庫可以更好的的提升軟件的重用性和擴(kuò)展性，基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化類庫來進(jìn)行設(shè)計(jì)，能顯著提升軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)的速度，并降低難度。在中國的軟件技術(shù)設(shè)計(jì)能力日益提高的大背景下，我國開發(fā)者也可以在這此領(lǐng)域內(nèi)獲得更為出色的設(shè)計(jì)成果。

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作者簡介

周佳寧（1995-），男，山西省太原市人。大學(xué)本科學(xué)歷。

馮俊安（1996-），男，山西省大同市人。大學(xué)本科學(xué)歷。

作者單位

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 山西省晉中市 030801endprint