數據結構可視化類庫的設計與實現

周佳寧++馮俊安

摘 要 本文將介紹筆者構想的數據結構可視化類庫，它將可視化技術的加入到了數據結構類庫，使得數據結構能夠被直觀可視。同時，給出了擴充數據結構類庫的途徑，以及達成多種數據結構可視化安排算法的一般模型。數據結構可視化類庫能夠在程序的調試以及軟件的開發上起到作用，并有助于提升軟件的可視性、實用性和開發的速度。

【關鍵詞】數據結構 類庫 可視化

1 引言

數據結構可視化屬于軟件可視化的一個枝干學科。軟件可視化設計一圖形來表達和監測預設格式的程序，以完成程序整體的可視化。程序可視化技術一般可以分成四大類：事件驅動、狀態驅動、自動動畫以及可視化設計。

使用事件驅動的系統比較為人熟知的有ANIMAL系統，若是用這種途徑，就需要在程序要求可視化的區域使用interest-ing envents在加以注釋，對應的表現動畫也要在考慮到interest-ing envents的前提下編制。使用狀態驅動的系統主要有LEONARDO等。所謂狀態驅動，指的是指在程序與可視化情況下設計一個映射關系，它一般會在程序開始執行前就被可視化工具所指出。選擇可視化設計是旨在使用可視符號來將程序命令和句子加以表達，從而讓程序更容易被理解。使用自動動畫的系統主要有Jeliot等。Jeliot的原理是使用可視解釋器來完成以數據類型為基本的self-animation：開發者在源代碼中選取需要被可視的數據種類，Jeliot就能自行生成演示動畫。

筆者研究的數據結構可視化類庫把可視化技術加進了數據結構類庫，找出了一種能夠可視化擴充數據結構類的途徑：構建可視數據結構。這種結構在原本數據結構的一般屬性和操作的前提下，新增可視功能，并給出相應的接口。這一方式的特點是可以不使用可視解釋器就能達成數據結構的可視化解釋，以調用它的可視化接口的形式即可達成數據結構的全自動可視。數據結構可視化類庫提升了軟件的開發速度和重用性，它能夠廣泛用于程序的調試和軟件的制作。

2 數據結構可視化類庫的重要性及目的

2.1 數據結構可視化類庫的重要意義

在應用和學習數據結構以及程序具體設計時，如果能達成數據結構的可視化，就能更好的提升的對數據結構的直觀解析，進而加快理解速度。在調試程序時，使用數據結構可視化類庫能更好的提升編程的整體速度。從當前的發展而言，已經有不少使用比較廣泛的可視化集成開發軟件，比較常見的就是Visual C++。這樣的視化的集成開發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，使得軟件開發速度能更多的上升。

2.2 數據結構可視化類庫設計的目標

在數據結構可視化類庫設計目標主要是能讓數據結構可視化類庫可以獲得更多的用途和適應性。這就需要增加其靈活性。數據結構可視化類庫可以直接在軟件應用程序開發中使用的，開發者也能使用數據結構可視化類庫來構造新的數據結構，此外也能增強其穩定性，而這也是數據結構可視化類庫另一大應用目標之一。此外就是可以面向對象。數據結構可視化類庫的對象主要是數據結構，當然算法也同樣是，他們儲存運行結構，并能給出輸出訪問結果的接口。

3 數據結構可視化類庫的設計與實現

3.1 數據結構可視化類庫的設計

在設計數據結構可視化類庫時，應對待解決問題有整體上的考慮。在數據結構可視化類庫中，一般是基于Java集合庫的來就原本存在的數據結構類做出的擴展，在拓展的過程中也會新增一些對應的、比較繁復的數據結構，使用最多的就是樹圖。在數據結構可視化類庫進程中就可視化數據結構做構建來達成數據結構的可視化，這樣可視化的數據結構亦是以Java集合庫的來就原本存在的數據結構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。所有的數據結構都有著多樣的顯示模式，而這就要開發者做出權衡和選擇了。在數據結構可視化類庫中，所有的數據結構都存在多種布局的方式來對其進行布局。

設計對數據結構可視化類庫的最主要部分就是對基本的可視化結構的編制，以及對應的顯示形式、布局方式。在構建可視化接口時，比較關鍵的接口是V Collection接口，它不僅負擔著提供Collection接口的任務，同時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據結構，使用displayMode參數值來確定選擇的顯示方式，在此接口中的參數c代表了數據結構將呈現出的顏色。在設計顯示模式時，數據結構可視化類庫的各種數據結構的顯示模式是不盡相同的，如圖1所示。

此外，在設計布局方面，數據結構可視化需要解決的主要問題就是對于圖形的布局。它的設計是和開發者對于數據結構和算法的效果了解程度有關的。在數據結構可視化類庫中比較的關鍵的是線性布局的途徑和圖布局的措施，對于各種不同的布局，其算法也是有所差別的。而在其線性布局上，主要在于可以在隊列和線性表的數據結構中使用上，在對線性的布局途徑上，其一般算法架構是通過取得數據的元素數量，并憑借著所顯示的大小以及數據元素的數量來就布局的具體值做出計算。

而圖布局的設計如果按照算法來區分，它可以北歸類為二維彈性模型算法，比較基礎的思想就是二維平面上來做計算。此種方法在圖等數據結構使用比較合適。在數據結構可視化類庫中可以提供的多樣算法以達成圖的多樣化。它包括在遺傳模擬退火算法圖基礎上進行的三維可視化，還有上文提到過的二維彈性模擬算法。可視化技術最主要的作用就是能幫助增強開發者的認知，而在計算機可視化技術方面，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&聯系。

此外，對于僅僅對節點之間管理的數據進行描述，應選擇使用樹布局的方式來對樹坐標加以確定。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置處于樹左下的節點位置，然后以從左到右的順序來對節點的所有子樹進行遍歷，然后再回到子樹的節點位置，對另一個子樹最左節點位置進行設定。要做的使得全部樹的節點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點以根節點做參照的話，應成等要排列

3.2 數據結構可視化類庫的實現分析

限于篇幅，筆者數據結構的可視化類庫的實現方面僅做簡單的闡述。數據結構動態演示系統能對各類不同算法的結構數據庫變化步驟進行表現，但這也需要開發者進行大量的畫圖操作才能都達成，例如在對鏈表階段的繪制上，如果應用數據結構可視化類庫就無須再自行編碼，就能夠完成畫圖工作，在動態演示系統的層面上有了層次性的提升，在這一步驟中開發者無需再考慮數據結構的布局，因為數據結構可視化類庫本身就帶有自動布局的功能，開發者所要做的就是按照自身需求來重制就就可以達成目標。此外，調用數據結構中的draw（）也可以達成數據結構的可視化的目的。

4 結語

總的來說，設計并實現數據結構的可視化類庫可以更好的的提升軟件的重用性和擴展性，基于數據結構可視化類庫來進行設計，能顯著提升軟件的開發設計的速度，并降低難度。在中國的軟件技術設計能力日益提高的大背景下，我國開發者也可以在這此領域內獲得更為出色的設計成果。

參考文獻

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作者簡介

周佳寧（1995-），男，山西省太原市人。大學本科學歷。

馮俊安（1996-），男，山西省大同市人。大學本科學歷。

作者單位

山西農業大學信息學院 山西省晉中市 030801endprint