Objektorientierte Programmierung

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1 Objektorientierte Programmierung Eine Einführung mit anschaulichen Beispielen aus der Java-Welt apl. Prof. Dr. Achim Ebert

2 Inhalt Kapitel 1: Java und Objektorientierung Ein erster Kontakt Allgemeine Grundlagen: Programmiersprachen Objektorientierung Ein erster Kontakt Objektorientierte vs. prozedurale Programmierung Vererbung Klassen und Objekte Garbage Collectible Heap Wiederholung: Interpreter und Compiler Java Erste Grundlagen Erstellung eines Java-Programms Code-Struktur in Java Achim Ebert OOP.1.1

3 Programmiersprachen Maschinennahe Sprachen Primitiv Prozessorabhängig Für Spezialaufgaben Höhere Programmiersprachen Ermöglichen problemorientierte Formulierung eines entworfenen Algorithmus Zur Zeit: über 250 höhere Programmiersprachen Unterscheidungen nach: Anwendungsgebieten Unterstütztem Problemlösungsstil Zugrundeliegender Programmierphilosophie Achim Ebert OOP.1.2

4 Programmiersprachen Unterscheidung von Sprachen Prozedurale / Imperative Programmiersprachen z.b. Fortran, Pascal, Modula, C, C++ Objektorientierte Programmiersprachen i.d.r. Weiterentwicklung der prozeduralen Sprachen z.b. Smalltalk-80, Oberon, C++, Java Funktionale Programmiersprachen z.b. Lisp Symbol-Manipulation, Editor Emacs Prädikative, logik-orientierte Programmiersprachen z.b. Prolog Expertensysteme Deklarative Programmiersprachen z. B. SQL Datenbankanwendungen Achim Ebert OOP.1.3

5 Programmiersprachen Schwerpunkt bei Softwareentwicklung liegt auf Entwurf von Algorithmen und Softwaresystemen Ziel ist Auffinden einer geeigneten Lösungsidee und -modellierung! Umsetzung / Codierung der Lösungsidee (Algorithmus) in geeignete Programmiersprache ist dagegen eher zweitrangig! Daher in Vorlesung nicht nur Programmierung, sondern auch: Objektorientierte Grundlagen Modellierung Achim Ebert OOP.1.4

6 Objektorientierung Ein erster Kontakt Objektorientierte vs. prozedurale Programmierung Aufgabe: Interaktive Figuren in einem GUI Spezifikation Figuren: Quadrat, Kreis, Dreieck Verhalten: Klickt der Benutzer auf eine Figur, so rotiert diese um 360 und es wird gleichzeitig eine MP3-Datei abgespielt. Zwei Programmierer OO und PZ PZ: Was muss das Programm tun? Welche Prozeduren müssen implementiert werden? rotate und playsound! OO: Was sind die Dinge/Hauptakteure im Programm? Figuren Wer ist effizienter? Achim Ebert OOP.1.5

7 Objektorientierung Ein erster Kontakt Objektorientierte vs. prozedurale Programmierung PZ: Prozeduren rotate (figurid) {!!// rotiere Figur um 360! }! playsound (figurid) {!!// spiele MP3 für figurid! }! OO: Klassen Quadrat! Kreis! rotate () {! Dreieck!!// rotiere rotate Quadrat () um {! 360! }!!// rotiere rotate Kreis () um {! 360! }!!// rotiere Dreieck um 360! playsound () {! }!!// spiele playsound MP3 für Quadrat! () {! }!!// spiele playsound MP3 für Kreis! () {! }!!// spiele MP3 für Dreieck! }! Achim Ebert OOP.1.6

8 Objektorientierung Ein erster Kontakt Objektorientierte vs. prozedurale Programmierung Unerwartete Spezifikationsänderung! Zusätzliche Figur: Blitz Verhalten: rotieren und Sound abspielen (WAV-Datei!) PZ: rotate passt, playsound erweitern playsound (figurid) {!// wenn figur kein Blitz!!!// spiele MP3 für figurid!!// sonst!!!// spiele WAV für Blitz! }! OO: neue Klasse für Blitz Blitz! rotate () {}! playsound () {!!// spiele WAV für Blitz! }! Achim Ebert OOP.1.7

9 Objektorientierung Ein erster Kontakt Objektorientierte vs. prozedurale Programmierung Wie aber war die Spezifikation zu interpretieren? Interpretation beider Programmierer Alle Figuren rotieren um die Mitte Umsetzung: Rotation der Bounding Box um deren Mittelpunkt Interpretation der Auftraggeber Quadrat, Kreis, Dreieck: Rotation um die Mitte Blitz: Rotation um die Spitze Achim Ebert OOP.1.8

10 Objektorientierung Ein erster Kontakt Objektorientierte vs. prozedurale Programmierung PZ: schreibt rotate-funktion komplett um Übergabe eines Rotationszentrums Unterscheidung Blitz und sonstige Figuren rotate (figurid, xr, yr) {!// wenn figur kein Blitz!!!// berechne Bounding Box B!!!// berechne Mittelpunkt von B!!!// rotiere B (inkl. figur)!!// sonst!!!// rotiere um xr, yr! }! OO: nur Methode in Blitz-Klasse muss überarbeitet werden Fertiger, getesteter Code für die anderen Figuren muss nicht angepackt werden! Achim Ebert OOP.1.9

11 Objektorientierung Ein erster Kontakt Vererbung Aber: Ist im Ansatz von OO nicht alles doppelt und dreifach? Jede Figur-Methode hat ein eigenes rotate! Jede Figur-Methode hat ein eigenes playsound! Dabei ist bis auf die Blitz-Figur doch das Vorgehen identisch... Nein! Objektorientierung kennt Vererbung! Schritt 1: Suche nach den Elementen, die alle Klassen gemeinsam haben Alle Figuren sollen rotieren und Sound abspielen Schritt 2: Extrahiere alle gemeinsamen Features und packe diese in eine eigene Klasse Diese Klasse heißt Superklasse Im Beispiel: Superklasse Figur (Features: Rotieren über Bounding Box, MP3 spielen) Achim Ebert OOP.1.10

12 Objektorientierung Ein erster Kontakt Vererbung Nein! Objektorientierung kennt Vererbung! Schritt 3: Alle Klassen mit Superklasse verknüpfen Entstandene Beziehung heißt Vererbung Die erbenden Klassen heißen Unterklassen Figur! rotate () playsound ()!// Bouding Box!!// MP3! Quadrat! Kreis! Dreieck! Blitz! Achim Ebert OOP.1.11

13 Objektorientierung Ein erster Kontakt Vererbung Nein! Objektorientierung kennt Vererbung! Figur! rotate () playsound ()!// Bouding Box!!// MP3! Quadrat! Kreis! Dreieck! Blitz! rotate () {!!// Rotieren!// um Eckpunkt! }! playsound () {!!// WAV spielen! }! Achim Ebert OOP.1.12

14 Objektorientierung Ein erster Kontakt Klassen und Objekte Entwurf einer Klasse Welche Objekte sollen erzeugt werden? Welche Informationen speichert das Objekt? Welche Aktionen führt das Objekt aus? Instanzvariablen speichern Informationen Methoden beschreiben Aktionen Beispiel: Instanzvariablen Methoden Car! manufacturer! model color! setmanufacturer () setmodel () setcolor () soundhorn () blink ()! Achim Ebert OOP.1.13

15 Objektorientierung Ein erster Kontakt Klassen und Objekte Objekt Klasse Klasse = Blaupause für Objekt Klasse definiert, woraus ein Objekt besteht Objekt füllt diese Hülle erst mit seinen Informationen Objekt wird auf (Garbage Collectible) Heap abgelegt Car! manufacturer! model color! SetManufacturer () setmodel () setcolor () soundhorn () blink ()! Achim Ebert OOP.1.14

16 Objektorientierung Ein erster Kontakt Garbage Collectible Heap Kurz: Java-Heap, Heap Speicherbereich, in dem Java die Objekte bei ihrer Erzeugung ablegt Java alloziert auf dem Heap soviel Speicherplatz, wie das jeweilige Objekt benötigt Objekt mit vielen Instanzvariablen belegt also i.d.r. mehr Speicheplatz als Objekt mit wenigen D.h.: alle Objekte leben auf dem Heap Freigabe von Speicherplatz Wird ein Objekt nicht mehr benötigt, so sollte es auch keinen Speicher mehr belegen Objekt muss also vom Heap genommen werden JVM erledigt dies für den Programmierer! Garbage Collector gibt Speicherplatz wieder frei Achim Ebert OOP.1.15

17 Wdh.: Interpreter und Compiler Umwandlung höhere Programmiersprache in Mikroanweisungen: 2 Schritte Höhere Programmiersprache Maschinensprache Maschinensprache Mikroanweisungen Zweiter Schritt mehrfach verwendbar (für verschiedene höhere Programmiersprachen) Vorlesung: Konzentration auf ersten Schritt Interpreter Vor allem bei Sprachen mit einfacher Syntax (z.b. Basic) sinnvoll, insbesondere auch bei Maschinensprachen Interpreter führt Umwandlung von einer höheren Programmiersprache in Maschinensprache zeilenweise, Anweisung für Anweisung, durch Achim Ebert OOP.1.16

18 Wdh.: Interpreter und Compiler Interpreter Arbeitet während der Laufzeit eines Programms Bei Verwendung eines Interpreters für den ersten Schritt werden (bei Schleifen, ) Anweisungen mehrfach übersetzt! Arbeitsweise Beginne am Anfang des Programms Wiederhole Analysiere Syntax der nächsten Anweisung, um ihren Typ zu bestimmen Falls kein Syntaxfehler vorliegt Dann: rufe das Modul (Folge von Maschinensprach-Anweisungen) für diesen Anweisungstyp auf Sonst: melde einen Fehler Bis Ende des Programms erreicht ist oder Syntaxfehler auftritt Achim Ebert OOP.1.17

19 Wdh.: Interpreter und Compiler Compiler Liest Gesamtprogramm und wandelt es in ein Gesamtprogramm in Maschinencode (sog. object code) um Compilierung Übersetzung von der Ausführung getrennt Übersetzung abhängig von Syntax der Sprache Lexikalische Analyse (Scanner) Zerteilt eingelesenen Quelltext in Token verschiedener Klassen, z.b. Schlüsselwörter, Zahlen, Operatoren,... Syntaktische Analyse (Parser) Analyse des Outputs der lexikalischen Analyse mit Hilfe der Grammatikregeln der Programmiersprache Semantische Analyse Einfache semantische Kontrolle, z.b. Typüberprüfung, fehlende Deklarationen,... Achim Ebert OOP.1.18

20 Wdh.: Interpreter und Compiler Beispiel: Java Einsatz sowohl von Compiler als auch Interpreter Java-Programm wird vom Java-Compiler nicht direkt in Maschinensprache, sondern in Code für eine virtuelle Java-Maschine (Java Bytecode) übersetzt Bytecode wird anschließend durch die virtuelle Java-Maschine interpretiert und ausgeführt Virtuelle Java-Maschine (Interpreter!) i.a. in Software realisiert und auf sehr vielen Plattformen verfügbar Durch diesen Zwischenschritt wird Java plattformunabhängig! Übersetztes Java-Programm ist ohne Anpassungen auf jeder Maschine lauffähig, auf der die virtuelle Java-Maschine installiert ist Bytecode kann auch von virtueller Java-Maschine eines Browsers direkt interpretiert werden Achim Ebert OOP.1.19

21 Java Erste Grundlagen Java Objektorientierte Programmiersprache Eingetragene Marke von Sun Microsystems (2010 von Oracle aufgekauft) Java-Technologie Java-Programmiersprache Java-Entwicklungswerkzeug (JDK): Erstellen von Java-Programmen Java-Laufzeitumgebung (JRE): Ausführung der Programme JRE-Laufzeitumgebung Virtuelle Maschine (JVM) Mitgelieferte Bibliotheken der Java-Laufzeitumgebung Achim Ebert OOP.1.20

22 Java Erste Grundlagen Java SE 7 Plattform im Überblick [Oracle: Java Platform Standard Edition 7 Documentation, Conceptual Diagram] Achim Ebert OOP.1.21

23 Java Erste Grundlagen Eigenschaften von Java Einfachheit und Robustheit Reduzierter Sprachumfang (z.b. sind explizite Operationen auf Zeigern und Mehrfachvererbung im Gegensatz zu C/C++ nicht möglich) Java-Design reduziert Wahrscheinlichkeit ungewollter Systemfehler (z.b. durch starke Typisierung, Speicherverwaltung, keine Zeigerarithmetik usw.) Objektorientierung Im Gegensatz zu C++ ist Java rein objektorientiert Basiert auf sog. Klassen und Instanzen dieser Klassen Plattformunabhängigkeit Java-Programme können ohne neue Compilierung auf unterschiedlichen Plattformen ausgeführt werden Achim Ebert OOP.1.22

24 Java Erste Grundlagen Java Virtual Machine (JVM) Laufzeitumgebung aller Java-Programme Für jedes Betriebssystem existiert eigene JVM Muss installiert sein, bevor Java-Programme ausgeführt werden können Für reine Ausführung reicht die sog. Runtime- Umgebung (JRE) Java-Programme werden daher nicht für spezielles Betriebssystem übersetzt, sondern nur für die JVM JVM für Mac MacOS Java Quellcode Java Bytecode JVM für Windows Windows JVM für Achim Ebert OOP.1.23

25 Java Erste Grundlagen Java Virtual Machine (JVM) (cont.) Sicherheit Alle Programme laufen innerhalb virtueller Maschine Dynamische Optimierung Beim Schreiben des Programmes muss darunter liegende Architektur nicht beachtet werden, d.h. keine Optimierung auf bestimmtes System Sun Hotspot Optimizer analysiert Code zur Laufzeit (Branch Prediction, Umstellung von Befehlen, usw.) Garbage Collector Java kümmert sich selbständig um Objektverwaltung Explizites Freigeben von Objekten im Speicher entfällt Achim Ebert OOP.1.24

26 Java Erste Grundlagen Java Virtual Machine (JVM) (cont.) Nachteile Im Vergleich zu für spezifische Plattformen übersetzten Code sind Java-Programme langsamer (z.b. Problem bei geforderter Echtzeitfähigkeit) Durch die eigenständige Objektverwaltung verbrauchen sie i.d.r. mehr Speicherplatz Jedoch... Ressourcenverbrauch verliert mit wachsender Komplexität von Software zunehmend an Gewicht Speicher ist heute günstig Robustheit und Plattformunabhängigkeit wiegen Nachteile i.d.r. auf Achim Ebert OOP.1.25

27 Java Erste Grundlagen Erstellung eines Java-Programms Schritt 1: Quellcode Eingabe des Quellcodes mit Editor Abspeichern des Codes als.java-datei Achim Ebert OOP.1.26

28 Java Erste Grundlagen Erstellung eines Java-Programms (cont.) Schritt 2: Compiler Übersetzung der.java-datei in Bytecode Compiler-Anwendung: javac <dateiname>.java Achim Ebert OOP.1.27

29 Java Erste Grundlagen Erstellung eines Java-Programms (cont.) Schritt 3: Bytecode Compiler speichert Bytecode ab Ergebnis: Datei <dateiname>.class Achim Ebert OOP.1.28

30 Java Erste Grundlagen Erstellung eines Java-Programms (cont.) Schritt 4: Virtuelle Maschinen Java-Programm ausführen, indem die Java Virtual Machine (JVM) mit der.class-datei gestartet wird Z.B.: java <dateiname> JVM interpretiert.class-datei und führt Programm aus Achim Ebert OOP.1.29

31 Java Erste Grundlagen Code-Struktur in Java Quelldatei Erweiterung.java Enthält genau eine (öffentliche) Klassendefinition (Klasseninhalt innerhalb geschweifter Klammern) Klasse Klasse ist Teil des Programms Klasse hat eine oder mehrere Methoden Methoden werden innerhalb der Klasse definiert (also innerhalb der geschweiften Klammern) Methode Methode besteht aus Satz von Anweisungen Anweisungen legen fest wie Methode ausgeführt wird Anweisungen innerhalb geschweifter Klammern der Methode Achim Ebert OOP.1.30

32 Java Erste Grundlagen Code-Struktur in Java Aufbau einer Klasse public class JavaAnwendung { public static void main (String[] args){ } System.out.print ("Hello World! "); System.out.println ("Hi... "); } Achim Ebert OOP.1.31

33 Java Erste Grundlagen Methoden Ziel: Code übersichtlicher und wartbarer gestalten durch Aufteilung in Teilaufgaben, z.b.: Zustand eines Objektes abfragen Zustand eines Objektes ändern Berechnung durchführen Ausgabe auf dem Bildschirm machen... Objekte interagieren miteinander, indem sie gegenseitig Methoden auf sich aufrufen und somit einen Nachrichtenaustausch generieren main-methode Spezielle Methode Hier beginnt die JVM mit der Ausführung Achim Ebert OOP.1.32

34 Java Erste Grundlagen Aufbau von Methoden Methodenkopf + Methodenrumpf Methodenrumpf Umsetzung der Aufgabe der Methode Eingerahmt in geschweifte Klammern {...} Methodenkopf (Signatur) [Sichtbarkeit] Ergebnistyp Name ([Param.]) Sichtbarkeit (optional): z.b. public Ergebnistyp: hat Methode keinen Ergebniswert, so wird deren Typ mit void definiert Name: Bezeichner der Methode, z.b. ausgabe Parameterliste (optional): eingerahmt in runden Klammern Bei leerer Parameterliste muss () angegeben werden Klasse darf keine zwei Methoden mit identischer Signatur haben! Achim Ebert OOP.1.33

35 Java Erste Grundlagen Beispiele für Methoden in Java class Methodentest1 { } void ausgabe() { System.out.println ("Hallo"); } public static void main(string[] args) { System.out.println ("Start"); } Klasse Methodentest1 besitzt zwei Methoden Methode ausgabe Soll Hallo auf dem Bildschirm ausgeben Methode main Soll Start ausgeben Fehlt hier nicht etwas? Achim Ebert OOP.1.34

36 Java Erste Grundlagen Beispiele für Methoden in Java (cont.) class Methodentest1b { } public static void ausgabe() { System.out.println ("Hallo"); } public static void main(string[] args) { System.out.println ("Start"); ausgabe (); } Methode ausgabe wurde bisher nicht aufgerufen! Dies wurde hier nun korrigiert Achim Ebert OOP.1.35

37 Java Erste Grundlagen Beispiele für Methoden in Java (cont.) class Methodentest2 { } public static void ausgabe() { System.out.println ("Hallo"); ausgabe2 (); } public static void ausgabe2() { System.out.println ("Hi"); System.out.println (" "); } public static void main(string[] args) { System.out.println ("Start"); ausgabe (); ausgabe2 (); } Methoden können an verschiedenen Stellen und beliebig oft aufgerufen werden. Achim Ebert OOP.1.36

38 Java Erste Grundlagen Klassen und Objekte in Java Erinnerung: Auto-Klasse und -Objekte Car! manufacturer! model color! SetManufacturer () setmodel () setcolor () soundhorn () blink ()! Eine Klasse Vier Objekte Achim Ebert OOP.1.37

39 Java Erste Grundlagen Klassen und Objekte in Java Die Auto-Klasse in Java!class Car { } String manufacturer; String model; int color; void soundhorn () { System.out.println ("beep beep"); } Erzeugung eines Auto-Objekts!!class TestCar { public static void main (String[] args) { Car c = new Car (); c.color = 42; c.soundhorn (); } } Achim Ebert OOP.1.38

40 Java Erste Grundlagen main-methode Nur zwei Verwendungszwecke Testen der entwickelten Klassen Java-Anwendungen starten Folgerung für echte OO-Anwendung Besteht nur aus Objekten Objekte rufen aufeinander Methoden auf main-methode bringt nur den Stein ins Rollen! Java-Programm Menge von Klassen (mind. eine) Eine der Klassen muss main-methode haben Bei sehr vielen Klassen ( i.d.r. viele Dateien): meist gepackt in einem Java-Archiv (.jar-datei) Achim Ebert OOP.1.39

41 Lessons Learned Objektorientierung Interaktion zwischen Objekten Objekte sind Instanzen von Klassen Jedes Objekt hat nach außen eigenes Verhalten Rest des Programms weiß nicht wie das Verhalten intern umgesetzt ist Vererbung ist eine der zentralen Techniken Java Objektorientierte Programmiersprache 4 grundlegende Schritte bei der Programmerstellung Java-Datei besteht aus Klassen und Methoden Aufteilung in einzelne Methoden macht Code übersichtlicher und wartbarer Achim Ebert OOP.1.40