5.3 Subtypen und Vererbung

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1 5.3 Subtypen und Vererbung Dieser Abschnitt erläutert die Konzepte der Subtypbildung und Vererbung. Überblick: Klassifizieren von Objekten Subtypen und Schnittstellentypen Vererbung Beispiele: (Klassifikationen) Wirbeltiere Fische Lurche Reptilien Säugetiere Vögel Wale Primaten Paarhufer _ ist_ein _ (Vogel ist ein Wirbeltier) Klassifizieren von Objekten Klassifikation ist eine zentrale Grundlage der objektorientierten Modellierung und Programmierung. Recht Begriffsklärung: (Klassifikation) Klassifizieren ist eine allgemeine Technik, mit der Wissen über Begriffe, Dinge und deren Eigenschaften hierarchisch strukturiert wird. Das Ergebnis nennen wir eine Klassifikation. Öffentliches Recht Bürgerliches Recht Privatrecht Handelsrecht Urheberrecht Kirchenrecht A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 567 Figur Ellipse Vieleck Kreis Viereck Dreieck Parallelogramm Raute Rechteck Quadrat Beobachtungen zu Klassifikationen: - Sie können sich auf Objekte oder Gebiete beziehen. - Sie können baumartig oder DAG-artig sein. - Objektklassifikationen begründen ist-ein-beziehungen. - Es gibt abstrakte Klassen (ohne eigene Objekte) und nicht abstrakte Klassen Üblicherweise stehen die allgemeineren Begriffe oben, die spezielleren unten. Ziel: Anwendung der Klassifikationstechnik auf Objekte in der Software-Entwicklung. Student Person Wissenschaftl. Angestellte Angestellte Verwaltungsangestellte Klassifikation in der Softwaretechnik: Objekte lassen sich nach ihren Eigenschaften klassifizieren: - Alle Objekte mit ähnlichen Eigenschaften werden zu einer Klasse zusammen gefasst. - Die Klassen werden hierarchisch geordnet A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 569

2 Klassifikation beruht auf: - Schnittstellen der Klassen/Objekte - Verhalten/Eigenschaften der Objekte Genauer: 1. Syntaktisch: Subklassenobjekte haben im Allg. größere Schnittstellen als Superklassenobjekte (Auswirkung auf Programmiersprache) 2. Semantisch: Subklassenobjekte bieten mindestens die Eigenschaften der Superklassenobjekte. Zentraler Aspekt der OO-Programmentwicklung: Entwurf und Realisierung von Klassen- bzw. Typhierarchien. Abstraktion/Generalisierung Begriffsklärung: (Abstraktion) das Heraussondern des unter einem bestimmten Gesichtspunkt Wesentlichen vom Unwesentlichen. [Meyers großes Taschenlexikon] Abstraktion geht also vom Speziellen zum Allgemeinen. Ansatz: Für unterschiedliche Objekte bzw. Typen mit gemeinsamen Eigenschaften soll Software entwickelt werden. Beispiele: - Komponenten von Fenstersystemen (Menues, Schaltflächen, Textfelder, ) - Ein-/Ausgabeschnittstellen (Dateien, Netze, ) Erarbeite einen abstrakteren Typ, der die gemeinsamen Eigenschaften zusammenfasst und eine entsprechende Schnittstelle bereitstellt (Verkleinern der Schnittstelle). Programme, die sich auf die Schnittstelle des abstrakteren Typs abstützen, arbeiten für alle Objekte mit spezielleren Schnittstellen. Beispiel: (Gemeinsame Eigenschaften) Wir betrachten zwei Klassen mit gemeinsamen Eigenschaften: A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 571 class Student { String name; int matnr; void drucken() { System.out.println( name ); System.out.println( matnr ); Person[] p = new Person[4]; p[0] = new Student(); p[1] = new Professor(); for( i=0; i<p.length; i++ ) { p[i].drucken(); class Professor { String name; int telnr; void drucken() { System.out.println( name ); System.out.println( telnr ); dynamisches Binden Deklaration des Typs Person in Java: interface Person { ungleiche Typen Anforderung: Alle Personendaten sollen gedruckt werden. Abstraktion: - Entwickle einen Typ Person, der die Nachricht drucken versteht. - Formuliere das Drucken der Personendaten auf Basis des Typs Person Anpassen der Typen Student und Professor: class Student implements Person { // wie oben class Professor implements Person { // wie oben A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 573

3 Spezialisierung Begriffsklärung: (Spezialisierung) Spezialisierung bedeutet hier das Hinzufügen speziellerer Eigenschaften zu einem Gegenstand oder das Verfeinern eines Begriffs durch Einführen weiterer Merkmale (z.b. berufliche Spezialisierung). Spezialisierung geht also vom Allgemeinen zum Speziellen. Ansatz: Existierende Objekte bzw. Typen sollen zusätzliche Anforderungen erfüllen. Beispiele: - spezielle Komponenten für eine graphische Bedienoberfläche - Anpassung eines Buchführungssystems an die speziellen Anforderungen einer Firma Erweitere die existierenden Typen (zusätzliche Attribute & Methoden, Anpassen von Methoden). Im Allg. vergrößern sich dabei die Schnittstellen. Existierende Programme für die allgemeineren Typen arbeiten auch mit den spezielleren Typen. Programmtechnische Mittel zur Spezialisierung: - Hinzufügen von Attributen - Hinzufügen von Methoden - Anpassen, Erweitern bzw. Implementieren von Supertyp-Methoden: Überschreiben Anwenden überschriebener Methoden Beispiel: (Spezialisierung) Wir spezialisieren die Klasse Frame des AWT: package memoframe; import java.awt.* ; class MemoFrame extends Frame { private Color letzterhintergrund; public void einstellenletztenhintergrund() { setbackground( letzterhintergrund ); public void setbackground( Color c ) { letzterhintergrund = getbackground(); super.setbackground( c ); A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 575 package memoframe; public class TestMemoFrame { public static void main(string[] args) { MemoFrame f = new MemoFrame(); f.setlocation( 200, 200 ); f.setsize( 300, 200 ); f.setvisible( true ); f.setbackground( Color.red ); f.update( f.getgraphics() ); try{ Thread.sleep(4000); catch( Exception e ){ f.setbackground( Color.green ); f.update( f.getgraphics() ); try{ Thread.sleep(4000); catch( Exception e ){ f.einstellenletztenhintergrund(); f.update( f.getgraphics() ); try{ Thread.sleep(4000); catch( Exception e ){ System.exit( 0 ); Eine genaue Kenntnis der zu spezialisierenden Klasse ist meist nicht nötig. Die ererbten Eigenschaften kann man über die Methoden ansprechen. Überschreibende Methoden können die überschriebene Methode nutzen. Zwei Aspekte werden demonstriert: Subtypbeziehung: Ein MemoFrame-Objekt ist ein Frame-Objekt. Vererbung: Ein MemoFrame-Objekt erbt den größten Teil seiner Implementierung von der Klasse Frame. Zusammenfassung zu Jedes Objekt hat Schnittstelle aus Attributen und Methoden. - Objekte werden entsprechend ihrer Schnittstelle klassifiziert. - Allgemeinere Objekte haben kleinere Schnittstelle als speziellere Objekte A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 577

4 - Abstraktion/Generalisierung erlaubt es, Typen zu deklarieren, die die relevante Gemeinsamkeiten anderer Typen ausdrücken. - Spezialisierung erlaubt es, Typen zu deklarieren, die die Funktionalität existierender Typen erweitern. - Entwurf geeigneter Klassenhierarchien ist ein zentraler Aspekt des objektorientierten Entwurfs bzw. der objektorientierten Programmierung. Dabei sind Abstraktion und Spezialisierung sinnvoll zu kombinieren Subtypen und Schnittstellentypen Übersicht:: - Klassifikationen und Typisierung - Schnittstellentypen in Java - Subtypbildung in Java - Dynamische Methodenauswahl - Weitere Aspekte der Subtypbildung - Programmieren mit Schnittstellentypen Klassifikationen und Typisierung Typ beschreibt Eigenschaften von Werten bzw. Objekten. Annahme bisher: Kein Objekt bzw. Wert gehört zu mehr als einem (nicht-parametrisierten) Typ. Ansatz: - Realisiere jede Klasse/jeden Begriff einer Klassifikation im Programm durch einen Typ. - Führe eine partielle Ordnung (vgl. Folie 174) auf Typen ein, so dass speziellere Typen gemäß der Ordnung kleiner als ihre allgemeineren Typen sind und alle Objekte speziellerer Typen auch zu den allgemeineren gehören. Wenn S T gilt, d.h. wenn S ein Subtyp von T ist, dann gehören alle Objekte von S auch zu T. Wenn S T und S T, heißt S ein echter Subtyp von T, in Zeichen S < T. Wenn S T, dann heißt T ein Supertyp von S, und wir schreiben auch T S. Wenn S <T und es kein U mit S < U < T gibt, dann heißt S ein direkter Subtyp von T A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 579 Beispiel: (Subtypbeziehungen) In Java gibt es einen allgemeinsten Referenztyp, genannt Object. Es gilt: String Object, MemoFrame Object, MemoFrame Frame, int[] Object, Student Person, Person Object Prinzip der Substituierbarkeit: Sei S T; dann ist an allen Programmstellen, an denen ein Objekt vom Typ T zulässig ist, auch ein Objekt vom Typ S zulässig. Konsequenzen: Subtypobjekte müssen alle Eigenschaften des Supertyps aufweisen. Eine Ausdruck von einem Subtyp kann an Stellen verwendet werden, an denen in Sprachen ohne Subtypen nur ein Ausdruck von einem allgemeineren Typ zulässig wäre. Beispiel: (Substituierbarkeit) Folgende Anweisungen sind typkorrektes Java: Object ov = "Ein String ist auch ein Object"; Person[] p = p[0] new Person[4]; = new Student(); Vereinfachend betrachtet, kann man Typen als die Menge ihrer Objekte bzw. Werte auffassen. Bezeichne M(S) die Menge der Objekte vom Typ S. Für Typen S und T gilt: S T impliziert M(S) M(T) In Java wird die Subtyprelation im Wesentlichen zusammen mit den Typdeklarationen definiert. Schnittstellentypen in Java In Java gibt es zwei Arten von benutzerdefinierten Typen: - Klassentypen - Schnittstellentypen A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 581

5 Eine Klasse deklariert einen Typ und beschreibt Objekte diesen Typs, d.h. u.a. deren öffentliche Schnittstelle und Implementierung. Eine Schnittstelle deklariert einen Typ T und beschreibt die öffentliche Schnittstelle, die alle Objekte von T haben. Mögliche Implementierungen für Objekte von T liefern die echten Subtypen von T. Insbesondere lassen sich zu einem Schnittstellentyp T keine Objekte erzeugen, die nur zu T gehören. interface Druckbar { interface Farbe { byte gelb = 0; byte gruen = 1; byte blau = 2; Syntax der Schnittstellendeklaration: <Modifikatiorenlist> interface <Schnittstellenname> { [ extends <Liste von Schnittstellennamen> ] <Liste von Konstantendekl. und Methodensignaturen> Beispiel: (Schnittstellendeklaration) interface Person { String getname(); int getgeburtsdatum(); boolean hat_geburtstag( int datum ); A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 582 Subtypbildung in Java Die Deklaration eines Typs T legt fest, welche direkten Supertypen T hat. Bei einer Schnittstellendeklaration T gilt Folgendes: - Gibt es keine extends-klausel, ist Object der einzige Supertyp. - Andernfalls sind die in der extends-klausel genannten Schnittstellentypen die direkten Supertypen A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 583 Beispiel: (Subtyprelation bei Schnittstellen) 1. Die Typen Person, Druckbar und Farbe haben nur Object als Supertypen. 2. Der Typ Angestellte hat Person und Druckbar als direkte Supertypen: interface Angestellte extends Person, Druckbar { String getname(); int getgeburtsdatum(); int geteinstellungsdatum(); String getgehaltsklasse(); boolean hat_geburtstag( int datum ); Eine Schnittstellendeklaration erweitert also die Schnittstelle eines oder mehrerer anderer Typen. Methodensignaturen aus den Supertypen brauchen nicht nochmals aufgeführt werden (Signaturvererbung): interface Angestellte extends Person, Druckbar { int geteinstellungsdatum(); String getgehaltsklasse(); Syntax der Klassendeklartion: <Modifikatiorenlist> { [ extends <Klassenname> ] class <Klassenname> [ implements <Liste von Schnittstellennamen> ] <Liste von Attribut-, Konstruktor-, Methodendekl.> Eine Klassendeklaration T deklariert genau eine direkte Superklasse, die auch eine Supertyp ist, und ggf. mehrere weitere Supertypen: - Gibt es keine extends-klausel, ist Object die direkte Superklasse. - Andernfalls ist die in der extends-klausel genannte Klasse die direkte Superklasse. - Alle in der implements-klausel genannten Schnittstellentypen sind Supertypen. Eine Klasse erweitert die Superklasse (siehe 5.3.3). Sie implementiert die Schnittstellentypen, die in der implements-klausel angegeben sind A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 585

6 Beispiel: (Implementieren von Schnittstellen) class Student implements Person, Druckbar { private String name; private int geburtsdatum; // Form JJJJMMTT private int matrikelnr; private int semester; public Student(String n,int g,int m,int s){ name = n; geburtsdatum = g; matrikelnr = m; semester = s; public String getname() { return name; public int getgeburtsdatum() { return geburtsdatum; public int getmatrikelnr() { return matrikelnr; public int getsemester() { return semester; public void drucken() { System.out.println("Name:"+ name); System.out.println("Gdatum:"+ geburtsdatum); System.out.println("Matnr:" + matrikelnr ); System.out.println("Semzahl:"+ semester ); public boolean hat_geburtstag ( int datum ) { return (geburtsdatum%10000)==(datum%10000); Zusammenfassung: Typen & Subtyp-Ordnung: Typen: elementare Datentypen: int, char, byte,. Schnittstellentypen Klassentypen Feldtypen Subtyp-Ordnung: Referenztypen Deklaration: interface S extends T1, T2, impliziert S <T1, S <T2, Deklaration: class S extends T implements T1, T2, impliziert: S < T, S < T1, S < T2, S < T impliziert: S[] < T[] und davon die reflexive, transitive Hülle A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 587 Realisierung von Klassifikationen: Die Klassen bzw. Begriffe in einer Klassifikation können im Programm durch Schnittstellen- oder Klassentypen realisiert werden. Wir betrachten die Klassifikation bestehend aus: Person, Druckbar, Student, Angestellte, WissAngestellte und VerwAngestellte. 1. Variante: Nur die Blätter der Klassifikation (Student, Wiss- Angestellte, VerwAngestellte) werden durch Klassen realisert, alle anderen durch Schnittstellen. Druckbar Student Object WissAngestellte Person Angestellte ist Subtyp ist Subklasse VerwAngestellte Dazu die entsprechenden Typdeklarationen: interface Person { interface Druckbar { interface Angestellte extends Person,Druckbar { class Student implements Person, Druckbar { class WissAngestellte implements Angestellte { class VerwAngestellte implements Angestellte { 2. Variante: Außer des Typs Druckbar realisieren wir alle Typen durch Klassen: class Person { interface Druckbar { class Student extends Person implements Druckbar { class Angestellte extends Person implements Druckbar { class WissAngestellte extends Angestellte { class VerwAngestellte extends Angestellte { A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 589

7 Das Klassendiagramm zur 2. Variante: Dynamische Methodenauswahl Druckbar Object Person ist Subtyp ist Subklasse Die Auswertung von Ausdrücken vom (statischen) Typ T kann Ergebnisse haben, die von einem Subtyp sind. Damit stellt sich die Frage, wie Methodenaufrufe auszuwerten sind. Hier sind die charakteristischen Beispiele: Student Angestellte WissAngestellte VerwAngestellte Diskussion: Verwendung von Schnittstellen in Java: - nur wenig über den Typ bekannt - keine Festlegung von Implementierungsteilen - als Supertyp von Klassen mit mehreren Supertypen Verwendung von Klassen in Java, wenn - Objekte von dem Typ erzeugt werden sollen; - Vererbung an Subtypen ermöglicht werden soll. Beispiel: (Methodenaufruf) Welche Methode soll ausgeführt werden: 1. Auswahl zwischen Methode der Super- und Subklasse: Frame f = new MemoFrame(); f.setbackground( Color.red ); 2. Auswahl zwischen Methode verschiedener Subklassen: static void alle_drucken (Druckbar[] df) { int i; for( i =0; i<df.length; i++) { df[i].drucken(); A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 591 Begriffsklärung: (dynamische Meth.auswahl) Die auszuführende Methode zu einem Methodenaufruf: <ZielAusdr>.<methodenName>( <AktParam1>,); wird wie folgt bestimmt: 1. Werte <ZielAusdr> aus; Ergebnis ist das Zielobjekt. 2. Werte die aktuellen Parameter <AktParam1>, aus. 3. Führe die Methode mit Namen <methodenname> des Zielobjekts mit den aktuellen Parametern aus. Dieses Verfahren nennt man dynamische Methodenauswahl oder dynamisches Binden (engl. dynamic method binding). Die Unterstützung von Subtypen und dynamischer Methodenauswahl ist entscheidend für die verbesserte Wiederverwendbarkeit und Erweiterbarkeit, die durch Objektorientierung erreicht wird. Zusätzlich werden diese Aspekte auch durch Vererbung unterstützt. Beispiel: (Erweiterbarkeit) Wir gehen von einem Programm aus mit der Methode: static void alle_drucken( Druckbar[] df ) { int i; for( i =0; i<df.length; i++) { df[i].drucken(); Druckbar ist dabei Supertyp von Student, Angestellte, WissAngestellte und VerwAngestellte. Das Programm soll erweitert werden, um auch Professoren und studentische Hilfskräfte behandeln zu können. Es reicht, zwei Klassen hinzuzufügen: class Professor implements Person, Druckbar { class StudHilfskraft extends Student { Eine Änderung des ursprünglichen Programms ist NICHT nötig! A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern A. Poetzsch-Heffter, Universität Kaiserslautern 593