Vorlesung Programmieren. Bisher: Klassen und Objekte. Was ist mit ähnlichen Klassen? Vererbung und Polymorphismus

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1 Vorlesung Programmieren Vererbung und Polymorphismus Prof. Dr. Stefan Fischer Institut für Telematik, Universität zu Lübeck Bisher: Klassen und Objekte Haupteigenschaften: Abstraktion und Kapselung Abstraktion Klassen stellen die benötigen Methoden zur Verfügung Attribute werden (idealerweise) ausschließlich über Methodenaufrufe verändert Interne Funktionsweise wird versteckt Kapselung (data hiding) Daten und Funktionen bilden eine integrale Einheit Kapselung ist das Ergebnis der Abstraktion Beispiel: Klasse Punkt Beispiel: Punkt (rotiere und verschiebe) Nach außen ist nur die Schnittstelle sichtbar, nicht die Attribute Security - 04 Cryptology #2 Was ist mit ähnlichen Klassen? Beispiel: Klassen Auto und Haben einige gemeinsame Attribute Hersteller Wechselintervall Gefahrene Kilometer Baujahr Aber auch Unterschiede Auto: Cabriodach, : Toilette, Bildquelle (Porsche): Oliver Kurmis, Security - 04 Cryptology #3 1

2 Was ist mit ähnlichen Klassen? Bisherige Lösungsoptionen Option 1: Implementieren zweier getrennter Klassen Option 2: Implementieren einer gemeinsamen Klasse mit allen Attributen von Auto und Beides ist nicht wirklich schön Wird das Programm korrigiert oder verändert, müssen unter Umständen alle Klassen angepasst werden Lösung: Vererbung Bildquelle (Porsche): Oliver Kurmis, Security - 04 Cryptology #4 Vererbung Vererbung Man versucht, zu ähnlichen Klassen eine gemeinsame Oberklasse zu finden Fasst Ähnlichkeiten zusammen In Form von Attributen, Verhalten (Methoden), Beziehungen zu anderen Klassen Ergänzt in den Unterklassen lediglich die Unterschiede Ergänzende Attribute, Methoden, Beziehungen zu anderen Klassen

3 Vererbung Gemeinsamkeiten ähnlicher Klassen werden zu einer Oberklasse zusammengefasst Gemeinsame hersteller: String wechselintervall: int km_gefahren: int baujahr: int wechsleoel() Oberklasse hersteller: String wechselintervall: int km_gefahren: int baujahr: int toilette: boolean wechsleoel() leeretoilette() Gemeinsamkeiten hersteller: String wechselintervall: int km_gefahren: int baujahr: int Bauart: String wechsleoel() oeffnedach() : boolean Vererbung: Grafische Notation Unterklassen zeigen auf Oberklasse hersteller: String wechselintervall: int km_gefahren: int baujahr: int wechsleoel() toilette: boolean bauart: String leeretoilette() oeffnedach(): boolean Vererbung: Ausdrucksweise ist Oberklasse (Superclass) bzw. Generalisierung von und und sind Unterklassen (Subclasses) bzw. Spezialisierungen von hersteller: String wechselintervall: int km_gefahren: int baujahr: int wechsleoel() toilette: boolean bauart: String leeretoilette() oeffnedach(): boolean

4 Vererbung: Ausdrucksweise Pfeile deuten eine ist ein -Beziehung an ist ein Aber: nicht jedes ist ein hersteller: String wechselintervall: int km_gefahren: int baujahr: int wechsleoel() ist ein Aber: nicht jedes ist ein toilette: boolean bauart: String leeretoilette() oeffnedach(): boolean Vererbung Unterklassen erben von ihrer Oberklasse Erben alle Attribute und Methoden Kann Oberklasse um weitere Attribute und Methoden ergänzen Erben bedeutet Attribute und Methoden der Oberklasse können in der Unterklasse verwendet werden Aus Sicht der Unterklasse wirkt es, als wären sie in der Unterklasse selbst definiert Vererbung in Java Vererbung wird über Schlüsselwort extends angegeben Man kann von genau einer Oberklasse erben Andere Programmiersprachen erlauben auch von mehreren Oberklassen zu erben (C ++, ) Syntax: class Unterklasse extends Oberklasse {} Beispiel class extends {} class extends {}

5 Vererbungshierarchie Vererbung kann auch über mehrere Hierarchiestufen erfolgen Vererbung von Attributen und Methoden erfolgt transitiv Gegenstand Beispiel erbt alles von Gegenstand und erben alles von und damit auch alles von Gegenstand Umsetzung in Java class extends Gegenstand {} class extends {} class extends {} Vererbung in Java In Java gibt es eine Oberklasse aller Klassen java.lang.object Wenn keine Oberklasse angegeben ist, wird Object automatisch zur Oberklasse Konsequenz: java.lang.object ist Oberklasse jeder Klasse Vielleicht nicht direkt, aber irgendwann auf jeden Fall Object Gegenstand Dies ist nicht in allen Programmiersprachen so z.b. nicht in C++ Security - 04 Cryptology #14 Vererbung und Instanzen Von jeder Klasse können Instanzen erzeugt werden Diese können ganz normal verwendet werden Beispiele f = new (); f.wechsleoel(); b = new (); b.wechsleoel(); b.leeretoilette(); p = new (); p.wechsleoel(); p.oeffnedach(); Security - 04 Cryptology #15 5

6 Vererbung und Instanzen: Darstellung Syntax: Instanzname: Klassenname Syntax (Attribute): Attributname = Wert f: hersteller: String wechselintervall: int km_gefahren: int baujahr: int wechsleoel() Instanziierung bauart: String toilette: boolean leeretoilette() oeffnedach(): boolean hersteller = "Honda" wechselintervall = 5000 km_gefahren = 542 baujahr = 2003 b: hersteller = "MAN" wechselintervall = km_gefahren = 4243 baujahr = 1999 toilette = true p: hersteller = "VW" wechselintervall = km_gefahren = 433 baujahr = 2005 bauart = "Cabrio" Vererbung und Instanzen Merkregel: Vererbungsbeziehung drückt eine ist ein Beziehung aus Beispiel: Ein ist ein Aber: Nicht jedes ist ein Variablen der Basisklasse können auf Referenzen der Subklassen verweisen f = new (); f1 = new (); f2 = new (); b = new (); f3 = b; Aber nicht umgekehrt b = new (); //Fehler Security - 04 Cryptology #17 Schlüsselwort super Jede Instanz hat eine Referenz auf Ober-Instanz z.b. um Attribute und Methoden explizit zu referenzieren Diese heißt super super Gegenstand Erfüllt ähnlichen Zweck zum Zugriff auf Elemente der Oberinstanz wie this für die aktuelle Instanz super super Kann nicht wie this ausgegeben werden (zeigt auf dieselbe Instanz) Security - 04 Cryptology #18 6

7 Aufruf des super -Konstruktors Aufruf des Konstruktors der Oberklasse Nur aus Konstruktor möglich Muss erster Aufruf im Konstruktor sein Syntax: super( evtl. Parameter ) class { (int i) { /* Code des Konstruktors */ } } class extends { () { super(1); } } Security - 04 Cryptology #19 Aufruf des super -Konstruktors: Beispiel Ruft Konstruktor von Object auf Security - 04 Cryptology #20 Aufruf der Super-Methode Ruft Methode der Oberklasse auf Nur möglich im Konstruktor und in Methoden Ohne super würde die Methode der aktuellen Klasse aufgerufen Syntax super.methodenname( evtl. Parameter ) Security - 04 Cryptology #21 7

8 Aufruf der Super-Methode: Beispiel Security - 04 Cryptology #22 Zugriff auf Super-Attribute Greift auf Attribut der Oberklasse zu Ohne super würde (falls vorhanden) das Attribut in der aktuellen Klasse verwendet werden Syntax: super.attributname = 123; Security - 04 Cryptology #23 Zugriff auf Super-Attribute: Beispiel Security - 04 Cryptology #24 8

9 Modifier Modifier Wichtig bei Objektorientierung: information hiding Jeder soll nur das verwenden können, was relevant ist Trägt zur Übersichtlichkeit und Fehlersicherheit bei Zugriffsbeschränkung wird über sog. Modifier gesteuert Schlüsselwörter: public, protected, private, nichts Möglich für Klassen Attribute Konstruktoren Methoden Klasse Obst Attribute Gewicht double gewichtinkg; Methoden double getgewichtinkg(); Gibt Gewicht dieser Obstinstanz zurück 9

10 Beispiel: Klasse Obst Private Attribute: Nur aus Klasse zugreifbar Öffentlicher Konstruktor und Methode: Von überall aus aufrufbar Beispiel: Klasse Obst Ok, da öffentlicher Konstruktor Nicht möglich, da das Attribut privat ist Ok, da Methode öffentlich ist Modifier Modifier Klasse Package Zugriff möglich von Unterklasse Überall public þ þ þ þ protected* þ þ þ ý Keine Angabe: package private þ ** þ ** ý ý private* þ ý ý ý *) Nicht für Klassen (nur für Attribute, Konstruktoren und Methoden) **) Je nachdem ob Unterklasse im selben Package oder nicht 10

11 Klasse Apfel Attribute Preis pro kg double preisprokg; Methoden Apfel(double gewichtinkg, double preisprokg) Konstruktor mit gewichtinkg und preisprokg Initialisiert die Attribute double getpreisineuro(); Berechnet Preis basierend auf Gewicht und Gewicht pro kg Beispiel: Klasse Apfel Problem: Zugriff auf privates Attribut der Oberklasse nicht möglich Beispiel: Klasse Obst Lösung: Zugriff für Unterklassen erlauben 11

12 Beispiel: Klasse Obst Alternative: package private erlaubt Zugriff im selben Package Beispiel: Klasse Obst Achtung!, Zugriff jetzt möglich, da Klasse Main im selben Package Polymorphismus 12

13 Polymorphismus Methoden von Oberklassen können in Unterklassen redefiniert werden Überladen (Overloading) Methode mit gleichem Namen und unterschiedlichen Parametern Rückgabetyp bleibt gleich Überschreiben (Overriding) à Polymorphismus Gleiche Signatur einer Methode in einer Unterklasse Nach außen gleiches Interface, aber anderes Verhalten Überladen (altes Beispiel) Gleicher Methodenname und Rückgabetype, andere Parameterliste void gebeaus(int i); void gebeaus(string s); void gebeaus(double d); Verwendung gebeaus(1); //Aufruf von void gebeaus(int i); gebeaus( Hallo ); //Aufruf von void gebeaus(string s); gebeaus(2.098); //Aufruf von void gebeaus(double d); Wesentliches Prinzip: Aufruf der passenden Methode basierend auf den Typen der übergebenen Parameter Security - 04 Cryptology #38 Überschreiben Beispiel: class { void motoran() {} } class extends { void motoran() {} } f = new (); f.motoran(); Was passiert? Welche Methode wird aufgerufen? Die aus oder die aus? Anders gefragt: Was ist relevant? Der Typ der Referenz f? Der Typ der Instanz, die f referenziert? Security - 04 Cryptology #39 13

14 Überschriebene Methoden In Java entscheidet immer der Typ der referenzierten Instanz f = new (); f.motoran(); Methode aus Klasse f = new (); f.motoran(); Methode aus Klasse f = new (); f.motoran(); Methode aus Klasse Security - 04 Cryptology #40 Polymorphismus: Beispiel Implementierung eines Obstkorbs Menge von Früchten speichern Preisberechnung (Gesamtpreis) Benötigte Klassen Obst (Oberklasse) Wir wollen Obst in den Obstkorb tun Apfel (Unterklasse von Obst) Birne (Unterklasse von Obst) Obstkorb Speichert Instanzen von Obst 14

15 Klasse Obst Methode gibt Fehler (-1) zurück Das abstrakte Konzept Obst kostet ja nichts Public, damit sie von außen aufgerufen werden kann Security - 04 Cryptology #43 Beispiel: Klasse Apfel Überschriebene Methode Klasse Birne Attribute Preis pro kg double preisprokg; Methoden Birne(double gewichtinkg, double preisprokg) Konstruktor mit gewichtinkg und preisprokg Initialisiert die Attribute double getpreisineuro(); Berechnet Preis basierend auf Gewicht und Gewicht pro kg 15

16 Beispiel: Klasse Birne Überschriebene Methode Klasse Obstkorb Attribute Speichert max. 10 Instanzen vom Typ Obst (mehr Platz ist nicht) Hat Array vom Typ Obst: Obst obst[] = new Obst[10]; Methoden boolean legeinkorb(obst o); Legt eine Obst-Instanz in den Korb double getgesamtpreis(); Berechnet Gesamtpreis des enthaltenen Obsts Klasse Obstkorb Kann 10 Instanzen von Obst speichern Damit auch Apfel und Birne Berechnet Gesamtpreis Ruft dazu die Methode getpreis() aller Obst- Instanzen auf Durch Polymorphie wird die Methode der jeweiligen Instanz aufgerufen, auf die verwiesen wird Security - 04 Cryptology #48 16

17 Eine Klasse mit Main-Methode zum Testen Erzeugt Eine Instanz von Obstkorb Ein paar Instanzen von Apfel und Birne Legt die Obst- Instanzen in den Obstkorb Gibt den Gesamtpreis aus Mehr Früchtchen Ergänzung des Warensortiments Kiwi als neue Frucht Preis nicht pro kg sondern pro Stück Klasse Kiwi Attribute Preis pro Stück double preisprostueck; Methoden double getpreisineuro(); Kiwi(double preisprostueck); 17

18 Klasse Kiwi Security - 04 Cryptology #52 Zusammenfassung Über Vererbung können gemeinsame Attribute, Methode, etc. ähnlicher Klassen zusammengefasst werden Unterklassen erben alle Eigenschaften der Oberklasse In Java kann man von einer Oberklasse erben Mit super kann man auf die Oberklasse zugreifen (Methoden, Attribute, Konstruktoren) In Java ist ein Objekt ohne explizite Angabe der Oberklasse implizit von Object abgeleitet Modifier: Zugriff auf Attribute, Methoden und Konstruktoren regeln Polymorphie: andere Klassen kennen nur gemeinsame Oberklasse Das Verhalten wird durch die konkrete referenzierte Instanz bestimmt Es werden immer die Methoden der referenzierten Instanz aufgerufen Wird durch Überschreiben von Methoden in Unterklassen erreicht Security - 04 Cryptology #53 18

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