Objektorientierte Programmierung in Java. Algorithmen und Datenstrukturen II 1

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1 Objektorientierte Programmierung in Java Algorithmen und Datenstrukturen II 1

2 Traditionelle Konzepte der Softwaretechnik Folgende traditionelle Konzepte des Software-Engineering werden u.a. im objektorientierten Ansatz verwendet: Datenabstraktion (bzw. Datenkapselung) und Information Hiding Die zentrale Idee der Datenkapselung ist, dass auf eine Datenstruktur nicht direkt zugegriffen wird, indem etwa einzelne Komponenten gelesen oder geändert werden, sondern, dass dieser Zugriff ausschließlich über Zugriffsoperatoren erfolgt. Es werden also die Implementierungen der Operationen und die Datenstrukturen selbst versteckt. Vorteil: Implementierungdetails können beliebig geändert werden, ohne Auswirkung auf den Rest des Programmes zu haben. abstrakte Datentypen (ADT) Realisiert wird die Datenabstraktion duch den Einsatz abstrakter Datentypen, die Liskov & Zilles (1974) folgendermaßen definierten: Algorithmen und Datenstrukturen II 2

3 An abstract data type defines a class of abstract objects which is completely characterized by the operations available on those objects. This means that an abstract data type can be defined by defining the characterizing operations for that type. Algorithmen und Datenstrukturen II 3

4 Oder etwas prägnanter: Datentyp = Menge(n) von Werten + Operationen darauf abstrakter Datentyp = Operationen auf Werten, deren Repräsentation nicht bekannt ist. Der Zugriff erfolgt ausschließlich über Operatoren. Datenabstraktion fördert die Wiederverwendbarkeit von Programmteilen und die Wartbarkeit großer Programme. Algorithmen und Datenstrukturen II 4

5 Beispiel: Der ADT Stack Stack: Eine Datenstruktur über einem Datentyp T bezeichnet man als Stack a, wenn die Einträge der Datenstruktur als Folge organisiert sind und es die Operationen push, pop und peek gibt: push fügt ein Element von T stets an das Ende der Folge. pop entfernt stets das letzte Element der Folge. peek liefert das letzte Element der Folge, ohne sie zu verändern. Prinzip: last in first out (LIFO) a bedeutet soviel wie Keller oder Stapel Algorithmen und Datenstrukturen II 5

6 Operatoren Typen der Operationen: initstack: Stack push: T Stack Stack pop: Stack Stack peek: Stack T empty: Stack boolean Algorithmen und Datenstrukturen II 6

7 Spezifikation Spezifikation der Operationen durch Gleichungen. Sei x eine Variable vom Typ T, stack eine Variable vom Typ Stack: empty (initstack) empty (push (x, stack)) peek (push (x, stack)) pop (push (x, stack)) = true = false = x = stack initstack und push sind Konstruktoren (sie konstruieren Terme), daher gibt es keine Gleichungen für sie. Algorithmen und Datenstrukturen II 7

8 Konzepte der objektorientierten Programmierung Ziel jeglicher Programmierung ist: Modellierung von Ausschnitten der Realität sachgerechte Abstraktion realitätsnahes Verhalten Nachbildung von Ähnlichkeit im Verhalten Klassifikation von Problemen Algorithmen und Datenstrukturen II 8

9 Phylogenetische Klassifizierung Tiere Insekten Fische Säugetiere Algorithmen und Datenstrukturen II 9

10 Ökonomische Klassifizierung Tiere Zuchttiere Wild Störtiere Algorithmen und Datenstrukturen II 10

11 Drei Vorgehensweisen im Systementwurf 1. die funktionsorientierte 2. die datenorientierte 3. die objektorientierte Algorithmen und Datenstrukturen II 11

12 Der Kerngedanke des objektorientierten Ansatzes besteht darin, Daten und Funktionen zu verschmelzen. Im ersten Schritt werden die Daten abgeleitet, im zweiten Schritt werden den Daten die Funktionen zugeordnet, die sie manipulieren. Die entstehenden Einheiten aus Daten und Funktionen werden Objekte genannt. Wir schränken den Begriff Objektorientierung gemäß folgender Gleichung von Coad & Yourdon weiter ein: Objektorientierung = Klassen und Objekte + Kommunikation mit Nachrichten + Vererbung Algorithmen und Datenstrukturen II 12

13 Einfachvererbung Object System Math Point... Algorithmen und Datenstrukturen II 13

14 Mehrfachvererbung... Tiere Pflanzen Fleischfresser... Algorithmen und Datenstrukturen II 14

15 Klasse Object Object oref = new Point(); oref = "eine Zeichenkette"; Algorithmen und Datenstrukturen II 15

16 Konstruktoren und Initialisierungsblöcke Algorithmen und Datenstrukturen II 16

17 public class Circle { int x=0, y=0, r=1; static int numcircles=0; public Circle() { numcircles++; public double circumference() { return 2*Math.PI*r; public double area() { return Math.PI*r*r; public static void main(string[] args) { Algorithmen und Datenstrukturen II 17

18 Circle c = new Circle(); System.out.println(c.r); System.out.println(c.circumference()); System.out.println(c.area()); System.out.println(numCircles); Algorithmen und Datenstrukturen II 18

19 Konstruktor mit Parametern public Circle(int xcoord, int ycoord, int radius) { numcircles++; x = xcoord; y = ycoord; r = radius; Algorithmen und Datenstrukturen II 19

20 mit this-referenz public Circle(int x, int y, int r) { numcircles++; this.x = x; this.y = y; this.r = r; Algorithmen und Datenstrukturen II 20

21 Überladen von Konstruktoren Algorithmen und Datenstrukturen II 21

22 public class Circle { int x = 0, y = 0, r = 1; static int numcircles; public Circle() { numcircles++; public Circle(int x, int y, int r) { this(); this.x = x; this.y = y; this.r = r; public Circle(int r) { this(0,0,r); Algorithmen und Datenstrukturen II 22

23 public static void main(string[] args) { Circle c1 = new Circle(); Circle c2 = new Circle(1,1,2); Circle c3 = new Circle(3); System.out.println(numCircles); Algorithmen und Datenstrukturen II 23

24 Komplexe Initialisierung von Klassenvariablen public class Circle { public static double[] sines = new double[1000]; public static double[] cosines = new double[1000]; static { double x, delta_x; int i; delta_x = (Math.PI/2)/(1000-1); for(i=0,x=0; i<1000; i++,x+=delta_x) { sines[i] = Math.sin(x); cosines[i] = Math.cos(x); Algorithmen und Datenstrukturen II 24

25 Java-Klassen als Realisierung und Implementierung von abstrakten Datentypen Durch den Modifizierer private können wir Implementierungsdetails verstecken, denn als private deklarierte Attribute und Methoden sind nur in der Klasse selbst zugreifbar a. Folgende Klasse implementiert einen ADT Stack mittels eines Feldes: a Synonyme für Zugreifbarkeit sind: Gültigkeit bzw. Sichtbarkeit. Algorithmen und Datenstrukturen II 25

26 Algorithmen und Datenstrukturen II 26

27 public class Stack { private Object[] stack; private int top = -1; private static final int CAPACITY = 10000; /** liefert einen leeren Keller. */ public Stack() { stack = new Object[CAPACITY]; /** legt ein Objekt im Keller ab und liefert dieses Objekt zusaetzlich zurueck. */ public Object push(object item) { stack[++top] = item; return item; Algorithmen und Datenstrukturen II 27

28 /** entfernt das oberste Objekt vom Keller und liefert es zurueck. Bei leerem Keller wird eine Fehlermeldung ausgegeben und null zurueckgeliefert. */ public Object pop() { if (empty()) { System.out.println("Method pop: empty stack"); return null; else return stack[top--]; /** liefert das oberste Objekt des Kellers, ohne ihn zu veraendern. Bei leerem Keller wird eine Fehlermeldung ausgegeben und null zurueckgeliefert. */ Algorithmen und Datenstrukturen II 28

29 public Object peek() { if (empty()) { System.out.println("Method peek: empty stack"); return null; else return stack[top]; /** liefert true genau dann, wenn der Keller leer ist. */ public boolean empty() { return (top == -1); /** liefert die Anzahl der Elemente des Kellers. */ Algorithmen und Datenstrukturen II 29

30 public int size() { return top+1; Algorithmen und Datenstrukturen II 30

31 Der Dokumentationskommentar /**... */ wird zur automatischen Dokumentierung der Attribute und Methoden einer Klasse benutzt. Das Programm javadoc generiert ein HTML-File, in dem alle sichtbaren Attribute und Methoden mit deren Parameterlisten aufgezeigt und dokumentiert sind. > javadoc Stack.java Dieses HTML-File ist der Vertrag (die Schnittstelle) der Klasse und entspricht dem ADT Stack, wobei die Operationen bzw. Methoden allerdings nur natürlichsprachlich spezifiziert wurden. Die obige verbale Spezifikation entspricht weitgehend der der vordefinierten Java-Klasse Stack (genauer java.util.stack). Man beachte, dass (aus diesem Grund) die obige Spezifikation von der Gleichungsspezifikation aus dem Unterabschnitt?? abweicht. Algorithmen und Datenstrukturen II 31

32 Methoden in Java 1. Methoden und Signaturen 2. Überladen von Methoden 3. Wertübergabe (call by value) Algorithmen und Datenstrukturen II 32

33 call by value Die Parameterübergabe zu Methoden erfolgt in Java durch Wertübergabe (call by value). D.h., dass Werte von Parametervariablen in einer Methode Kopien der vom Aufrufer angegebenen Werte sind. Das nächste Beispiel verdeutlicht dies. public class CallByValue { public static int sqr(int i) { i = i*i; return(i); public static void main(string[] args) { int i = 3; System.out.println(sqr(i)); System.out.println(i); Algorithmen und Datenstrukturen II 33

34 > java CallByValue 9 3 Algorithmen und Datenstrukturen II 34

35 Allerdings ist zu beachten, dass nicht Objekte, sondern Objektreferenzen übergeben werden. Wir betrachten unser Standardbeispiel Circle in folgender abgespeckter Form (gemäß der Devise, Implementierungsdetails zu verbergen, werden die Datenfelder als private deklariert). Algorithmen und Datenstrukturen II 35

36 public class Circle { private int x,y,r; public Circle(int x, int y, int r) { this.x = x; this.y = y; this.r = r; public double circumference() { return 2 * Math.PI * r; public double area() { return Math.PI * r * r; Algorithmen und Datenstrukturen II 36

37 public static void settozero (Circle arg) { arg.r = 0; arg = null; public static void main(string[] args) { Circle kreis = new Circle(10,10,1); System.out.println("vorher : r = "+kreis.r); settozero(kreis); System.out.println("nachher: r = "+kreis.r); Algorithmen und Datenstrukturen II 37

38 > java Circle vorher : r = 1 nachher: r = 0 Dieses Verhalten entspricht jedoch nicht der Parameterübergabe call by reference, denn bei der Wertübergabe wird eine Kopie der Referenz erzeugt und die ursprüngliche Referenz bleibt erhalten. Bei call by reference würde die übergebene Referenz eben nicht kopiert und daher in der Methode settozero auf null gesetzt. Algorithmen und Datenstrukturen II 38

39 Unterklassen und Vererbung in Java Algorithmen und Datenstrukturen II 39

40 import java.awt.color; import java.awt.graphics; public class GraphicCircle extends Circle { protected Color outline; // Farbe der Umrandung protected Color fill; // Farbe des Inneren public GraphicCircle(int x,int y,int r,color outline) { super(x,y,r); this.outline = outline; this.fill = Color.lightGray; public GraphicCircle(int x,int y,int r,color outline,color fill) { this(x,y,r,outline); this.fill = fill; Algorithmen und Datenstrukturen II 40

41 public void draw(graphics g) { g.setcolor(outline); g.drawoval(x-r, y-r, 2*r, 2*r); g.setcolor(fill); g.filloval(x-r, y-r, 2*r, 2*r); public static void main(string[] args) { GraphicCircle gc = new GraphicCircle(0,0,100,Color.red,Color.blue); double area = gc.area(); System.out.println(area); Circle c = gc; double circumference = c.circumference(); System.out.println(circumference); GraphicCircle gc1 = (GraphicCircle) c; Color color = gc1.fill; System.out.println(color); Algorithmen und Datenstrukturen II 41

43 Color und Graphics Color und Graphics sind vordefinierte Klassen, die durch import zugreifbar gemacht werden (vgl. Abschnitt??). Diese Klassen werden z.b. in [3] beschrieben. Zum Verständnis reicht es hier zu wissen, dass der erste Konstruktor den Konstruktor seiner Oberklasse aufruft (vgl. Abschnitt??) und das Kreisinnere die Farbe hellgrau erhält, sowie, dass die Methode draw einen farbigen Kreis zeichnet. Algorithmen und Datenstrukturen II 43

44 Da GraphicCircle alle Methoden von Circle erbt, können wir z.b. den Flächeninhalt eines Objektes gc vom Typ GraphicCircle berechen durch: double area = gc.area(); Jedes Objekt gc vom Typ GraphicCircle ist ebenfalls ein Objekt vom Typ Circle bzw. vom Typ Object. Deshalb sind folgende Zuweisungen korrekt. Circle c = gc; double area = c.area(); Man kann c durch casting a in ein Objekt vom Typ GraphicCircle zurückverwandeln. GraphicCircle gc1 = (GraphicCircle)c; Color color = gc1.fill; Die oben gezeigte Typumwandlung funktioniert nur, weil c tatsächlich ein Objekt vom Typ GraphicCircle ist. a explizite Typumwandlung Algorithmen und Datenstrukturen II 44

45 Überschreiben von Methoden und Verdecken von Datenfeldern Wir betrachten folgendes Java-Programm (Arnold & Gosling [1], S. 66): public class SuperShow { public String str = "SuperStr"; public void show() { System.out.println("Super.show: "+str); Algorithmen und Datenstrukturen II 45

46 public class ExtendShow extends SuperShow { public String str = "ExtendStr"; public void show() { System.out.println("Extend.show: "+str); public static void main(string[] args) { ExtendShow ext = new ExtendShow(); SuperShow sup = ext; sup.show(); ext.show(); System.out.println("sup.str = "+sup.str); System.out.println("ext.str = "+ext.str); Algorithmen und Datenstrukturen II 46

47 Verdecken von Datenfeldern Jedes ExtendShow-Objekt hat zwei String-Variablen, die beide str heißen und von denen eine ererbt wurde. Die neue Variable str verdeckt die ererbte; wir sagen auch die ererbte ist verborgen. Sie existiert zwar, man kann aber nicht mehr durch Angabe ihres Namens auf sie zugreifen. Algorithmen und Datenstrukturen II 47

48 Überschreiben von Methoden Wenn eine Methode von einem Objekt aufgerufen wird, dann bestimmt immer der tatsächliche Typ des Objektes, welche Implementierung benutzt wird. Bei einem Zugriff auf ein Datenfeld wird jedoch der deklarierte Typ der Referenz verwendet. Daher erhalten wir folgende Ausgabe beim Aufruf der main-methode: > java ExtendShow Extend.show: ExtendStr Extend.show: ExtendStr sup.str = SuperStr ext.str = ExtendStr Algorithmen und Datenstrukturen II 48

49 Die Objektreferenz super Das Schlüsselwort super kann in allen objektbezogenen Methoden und Konstruktoren verwendet werden. In Datenfeldzugriffen und Methodenaufrufen stellt es eine Referenz zum aktuellen Objekt als eine Instanz seiner Oberklasse dar. Wenn super verwendet wird, so bestimmt der Typ der Referenz über die Auswahl der zu verwendenden Methodenimplementierung. Wir illustrieren dies wieder an einem Beispielprogramm. Algorithmen und Datenstrukturen II 49

50 super Beispiel public class T1 { protected int x = 1; protected String s() { return "T1"; Algorithmen und Datenstrukturen II 50

52 public class T2 extends T1 { protected int x = 2; protected String s() { return "T2"; protected void test() { System.out.println("x= "+x); System.out.println("super.x= "+super.x); System.out.println("((T1)this).x= "+((T1)this).x); System.out.println("s(): "+s()); System.out.println("super.s(): "+super.s()); System.out.println("((T1)this).s(): "+((T1)this).s()); public static void main(string[] args) { Algorithmen und Datenstrukturen II 52

53 new T2().test(); Algorithmen und Datenstrukturen II 53

54 > java T2 x= 2 super.x= 1 ((T1)this).x= 1 s(): T2 super.s(): T1 ((T1)this).s(): T2 Algorithmen und Datenstrukturen II 54

55 Konstruktoren in Unterklassen In Konstruktoren der Unterklasse kann direkt einer der Oberklassenkonstruktoren mittels des super() Konstruktes aufgerufen werden. Achtung: Der super-aufruf muss die erste Anweisung des Konstruktors sein! Algorithmen und Datenstrukturen II 55

56 Wird kein Oberklassenkonstruktor explizit aufgerufen, so wird der parameterlose Konstruktor der Oberklasse automatisch aufgerufen, bevor die Anweisungen des neuen Konstruktors ausgeführt werden. Verfügt die Oberklasse nicht über einen parameterlosen Konstruktor, so muss ein Konstruktor der Oberklasse explizit mit Parametern aufgerufen werden, da es sonst einen Fehler bei der Übersetzung gibt. Ausnahme: Wird in der ersten Anweisung eines Konstruktors ein anderer Konstruktor derselben Klasse mittels this aufgerufen, so wird nicht automatisch der parameterlose Oberklassenkonstruktor aufgerufen. Algorithmen und Datenstrukturen II 56

57 Java liefert einen voreingestellten parameterlosen Konstruktor für eine erweiternde Klasse, die keinen Konstruktor enthält. Dieser ist äquivalent zu: public class ExtendedClass extends SimpleClass { public ExtendedClass () { super(); Der voreingestellte Konstruktor hat dieselbe Sichtbarkeit wie seine Klasse. Algorithmen und Datenstrukturen II 57

58 Ausnahme: Enthält die Oberklasse keinen parameterlosen Konstruktor, so muss die Unterklasse mindestens einen Konstruktor bereitstellen. Algorithmen und Datenstrukturen II 58

59 Reihenfolgeabhängigkeit von Konstruktoren Wird ein Objekt erzeugt, so werden zuerst alle seine Datenfelder auf voreingestellte Werte initialisiert. Jeder Konstruktor durchläuft dann drei Phasen: Aufruf des Konstruktors der Oberklasse. Initialisierung der Datenfelder mittels der Initialisierungsausdrücke. Ausführung des Rumpfes des Konstruktors. Algorithmen und Datenstrukturen II 59

61 public class X { protected String infix = "fel"; protected String suffix; protected String alles; public X() { suffix = infix; alles = verbinde("ap"); public String verbinde(string original) { return (original+suffix); public class Y extends X { protected String extra = "d"; Algorithmen und Datenstrukturen II 61

62 public Y() { suffix = suffix+extra; alles = verbinde("biele"); public static void main(string[] args) { new Y(); Algorithmen und Datenstrukturen II 62

63 Schritt Aktion infix extra suffix alles 0 Datenfelder auf Voreinstellungen 1 Y-Konstruktor aufgerufen 2 X-Konstruktor aufgerufen 3 X-Datenfeld initialisiert fel 4 X-Konstruktor ausgeführt fel fel Apfel 5 Y-Datenfeld initialisiert fel d fel Apfel 6 Y-Konstruktor ausgeführt fel d feld Bielefeld Algorithmen und Datenstrukturen II 63

64 Abstrakte Klassen und Methoden Es gilt: eine abstrakte Methode hat keinen Rumpf; jede Klasse, die eine abstrakte Methode enthält, ist selbst abstrakt und muss als solche gekennzeichnet werden; jede abstrakte Klasse muss mindestens eine abstrakte Methode besitzen; man kann von einer abstrakten Klasse keine Objekte erzeugen; von einer Unterklasse einer abstrakten Klasse kann man Objekte erzeugen vorausgesetzt sie überschreibt alle abstrakten Methoden der Oberklasse und implementiert diese; eine Unterklasse, die nicht alle abstrakten Methoden der Oberklasse implementiert ist selbst wieder abstrakt. Algorithmen und Datenstrukturen II 64

65 Beispiel Benchmark public abstract class Benchmark { public abstract void benchmark(); public long repeat(int count) { long start = System.currentTimeMillis(); for(int i=0; i<count; i++) benchmark(); return (System.currentTimeMillis()-start); Algorithmen und Datenstrukturen II 65

66 public class MethodBenchmark extends Benchmark { public void benchmark() { public static void main(string[] args) { int count = Integer.parseInt(args[0]); long time = new MethodBenchmark().repeat(count); System.out.println(count+" Methodenaufrufe in "+time+ " Millisekunden"); Algorithmen und Datenstrukturen II 66

67 Literatur [1] K. Arnold, J. Gosling: Java T M - Die Programmiersprache. Addison-Wesley, [2] T.H. Cormen, C.E. Leierson, R.L. Rivest: Introduction to Algorithms. MIT Press, [3] D. Flanagan: Java in a Nutshell. O Reilly & Associates Inc., [4] F. Jobst: Programmieren in Java. Hanser Verlag, [5] H. Klaeren: Vom Problem zum Programm. 2.Auflage, B.G. Teubner Verlag, [6] K. Echtle, M. Goedicke: Lehrbuch der Programmierung mit Java. dpunkt-verlag, 2000.