CS1005 Objektorientierte Programmierung Bachelor of Science (Informatik)

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1 CS1005 Objektorientierte Programmierung Bachelor of Science (Informatik) Interface Seite 1

2 Schnittstelle / Interface Seite 2

3 Spezifikation / Schnittstelle / Interface Spezifikation Beschreibung einer Komponente Dient als Basis der Implementierung Nicht Bestandteil (des Codes) der Komponente Begr if Schnittstelle Beschreibung einer Komponente Dient als Basis der Benutzung der Komponente Bestandteil der Komponente (ihr sichtbarer Teil) fsübe rs i ch t Interface Beschreibung einer (Gruppe von) Komponente(n) Dient als Basis der Benutzung der Komponente(n) Nicht Bestandteil der Komponente Java-Konstrukt Seite 3

4 Spezifikation / Schnittstelle / Interface : UML Spezifikation Schnittstelle Interface Beschreibung des Verhaltens einer Komponente Reduktion der Spezifikation auf ihre syntaktischen Bestandteile Schnittstelle als eigenständiges herausgelöstes Konstrukt Spezifikation Stack - elems: Sequence(double) + Stack() + empty():bool + full():bool + push(int):void + pop():void + top():int Schnittstelle Interface init: <> inv: size(elems) <= 10 pre: post: return size(elems)==0 pre: post: size(elems)==10 pre: size(elems)<10 post: elems = x+elems@pre <<interface>> Stack + empty():bool + full():bool + push(int):void + pop():void + top():int pre: size(elems)>0 post: elems@pre = x + elems pre: size(elems)>0 post: returns first(elems) Seite 4

5 Interface in UML Interface-Piktogramm Bestandteil von Klassendiagrammen Piktogramm ähnlich zu Klassendiagramm Zwei Bereiche Name mit Stereotyp <<interface>> Methoden Stereotyp-Bezeichnung <<interface>> Stack empty():bool full():bool push(int):void pop():void top():int Name Methoden (implizit oder explizit alle öffentlich) Seite 5

6 Interface in Java Interface Definition als interface entsprechend einer Klasse Die Definition kann enthalten Deklaration nicht statischer Methoden (Kopf der Methode) Definition von statischen Konstanten Definition von Klassen-Typen (class, oder interface) Ein Interface beschreibt die Schnittstelle der Objekte (!) der Klassen, die das Interface implementieren public interface Stack { int top(); void push(int x); void pop(); Interface-Definition in Java: - Methoden ohne Körper - keine Konstruktoren - alle Methoden sind immer public (ob man es hinschreibt oder nicht) - Konstanten (implizit public static final) - Typdefinition (class / enum / interface) Seite 6

7 Interface und Ausnahmen public interface Stack { int top() throws IllegalStateException ; void push(int x) throws IllegalStateException ; void pop(); Schnittstellen-Definition deklarieren auch die Ausnahmen von Methoden Seite 7

8 Implementierung eines Interface / UML UML-Piktogramm implementiert (realisiert) ArrayStack - count: int - elem: int[10] + Stack() + empty():bool + full():bool + push(int):void + pop():void + top():int <<interface>> Stack empty():bool full():bool push(int):void pop():void top():int UML-Piktogramm Interface weiteres UML-Piktogramm für ein Interface Stack ArrayStack realisiert (implementiert) die Stack-Schnittstelle Seite 8 ArrayStack abgekürzte Notation mit speziellem Piktogramm für Schnittstellen

9 Implementierung eines Interface / Java Klassen implementieren ein Interface, wenn sie (ihre Objekte) eine Implementierung aller Methoden des Interface bieten (wenn also ihre Schnittstelle das Interface umfasst) und wenn sie dies explizit erklären. Stack public class ArrayStack implements Stack { private int count; private int[] a = new int[10]; public ArrayStack() { count = 0; ArrayStack Stack public int top() throws StackEmptyEx { ArrayStack Interface und implementierende Klasse : Zwei alternative Darstelllungen in UML Seite 9

10 Interface : Verwendung Benutzung eines Interface kann in UML explizit dargestellt werden in Java ist die Verwendung nur implizit erkennbar public class StackUser { private Stack stack; nutzt / benötigt / importiert das Interface Stack public StackUser(Stack stack) { this.stack = stack; public void use() { Scanner scan = new Scanner(System.in); try { int x = scan.nextint(); while (x > 0 ) { stack.push( x ); x = scan.nextint(); catch( Exception e ) { System.out.println(e); Import-Interface: Funktionalität benötigen Export-Interface: Funktionalität bereit stellen StackUser benötigt / benutzt Stack-Interface / braucht die Stack-Funktionalität StackUser Stack Stack ArrayStack ArrayStack bietet StackFunktionalität Seite 10

11 Interface und anonyme Klassen interface Stack { int top(); void push(int x); void pop(); static void use(stack stack) { Scanner scan = new Scanner(System.in); int x = scan.nextint(); while (x > 0) { stack.push(x); x = scan.nextint(); public static void main(string[] args) { use( new Stack() { private int count = -1; private int[] a = new public void pop() { public void push(int x) { a[++count] = public int top() { return a[count]; ); Seite 11 Eine anonyme innere Klasse die das Interface Stack implementiert.

12 Interface Objekt Interfaces: allgemeine (Standard-) Typen Seite 12

13 Interface : Verwendung Ein Interface ist ein Typ Verwendung als Parametertyp / Ergebnistyp als Typ einer Variablen public void usestack(stack stack) { stack.push(5); nutze irgendeine Art von Stack usestack( new ArrayStack() );... z.b. einen ArrayStack Stack astack; astack = new ArrayStack();... z.b. mit einen ArrayStack belege mit irgendeiner Art von Stack Seite 13

14 Interface : Entkopplung von Anbieter und Nutzer Interfaces machen den Programmcode flexibler durch die Entkopplung von Anbieter und Nutzer einer Funktionalität User Benutzer-Klassen benötigen eine bestimmte Funktionalität dargestellt durch eine Schnittstelle Sie verwenden im Code das entsprechende Interface <<user>> Interface Die Funktionalität / Schnittstelle kann von mehreren Anbieter-Klassen realisiert werden Sie implementieren das entsprechende Interface Jede beliebige Anbieter-Klasse (Implementierung) kann von der Benutzerklasse genutzt werden Schnittstelle : Schnittstelle als JavaKonstrukt Schnittstelle Schnittstelle Anbieter und Benutzer sind entkoppelt Interfaces machen nur dann Sinn, wenn eine Schnittstelle (eventuell) von mehreren Klassen implementiert werden kann! Seite 14 2 (Anbieter-) Klassen mit gleicher Schnittstelle

15 Interface: Verwendung als Entkoppler public class ArrayStack implements Stack { private int[] a = new int[10];... Variante 1 der Stack-Impl. Stackimplementierung mit Feld Ein Exemplar der Klasse ArrayStack ist ein Stack ; Ein Exemplar der Klasse VarStack ist ein Stack ; Ein Exemplar der Klasse StackUser, benutzt ein (oder mehrere) Objekt(e) die Stacks sind. ArrayStack public class VarStack implements Stack { private int a0,a1,a2,a3, a5,a6,a7,a8,a9;... Variante 2 der Stack-Impl. VarStack Stack Stack Stack Stackimplementierung mit Variablen StackUser public static void main(string[] args) { Stackuser stackuser1 = new StackUser( new ArrayStack() ); Stackuser stackuser2 = new StackUser( new VarStack() );... Seite 15

16 Interface und Typ Ein Interface ist ein Typ ArrayStack VarStack Der Typ eines Interface ist eine Verallgemeinerung des Typs der Implementierungs-Klassen Ein ArrayStack ist eine Art von Stack Jedes Exemplar der Klasse / des Typs ArrayStack ist ein Exemplar des Typs Stack Ein VarStack ist eine Art von Stack Jedes Exemplar der Klasse / des Typs VarStack ist ein Exemplar des Typs Stack Stack ist allgemeiner als ArrayStack ist allgemeiner als VarStack Wir sind alle Stacks Wir sind alle Stacks Wir benötigen Dinge vom Typ Stack StackUser Seite 16

17 Interface und Schnittstelle Interface Schnittstelle Die Schnittstelle einer Klasse ist Bestandteil der Klassendefinition Ein Interface ist nicht Teil einer Klassendefinition Ein Interface hat eine eigene Existenz Schnittstelle ~ Gesicht Interface ~ Maske Interface Schnittstelle Die Schnittstelle ist integraler Bestandteil der Definition Ihre Benutzersicht. Das Interface ist vorgesetzt, es passt exakt zu (einem Teil) der Schnittstelle Seite 17

18 Interface und Typ Override (to override: aufheben, ausschalten, überschreiben, überspielen, ) Die Annotation Override sagt dass eine Definition eine andere überschreibt / ersetzt. Ab Java 1.6: Override kann (sollte) auch verwendet werden, wenn eine Methodendefinition in einer Klasse die (Ankündigung einer) Definition in einem Interface ersetzt. public interface Stack { int top(); überschreibt public class ArrayStack implements Stack public top() { Seite 18

19 Interface und ADT Seite 19

20 Interface und ADT Ein abstrakter Datentyp (ADT) ist ein selbst implementierter Datentyp ADT: Abstrakter Datentyp Bei einem Konstrukt (Klassendefinition) sind Schnittstelle und Implementierung getrennt (Geheimnisprinzip / Kapselung). Zu einer Schnittstelle gibt es genau eine Implementierung. Schnittstelle Implementierung Geheimnisprinzip Schnittstelle als Interface Interface Schnittstelle und Implementierung sind als Sprachkonstrukte (Klasse und Interface) getrennt. Zu einer Schnittstelle kann es beliebig viele Implementierungen geben Schnittstelle Schnittstelle Implementierung A Implementierung B Geheimnisprinzip plus Entkopplung der Schnittstelle Seite 20

21 Interface und ADT: Beispiel Stack Beispiel Stack: Interface OK ArrayStack Stack public interface Stack { void push ( int x ); void pop(); int pop(); VarStack Stack public class ArrayStack implements Stack { public class VarStack implements Stack { private int count; private int[] a = new int[10]; private int a0,a1,a2,a3, a5,a6,a7,a8,a9;... Konstruktor(en) Methoden-Implementierung Konstruktor(en) Methoden-Implementierung... Schnittstelle als eigenständiges Programmkonstrukt ist sinnvoll: Die Stack-Klasse(n) und Anwender sind maximal entkoppelt; Für eine Stack-Benutzer ist es unerheblich welche Variante er nutzt. Seite 21

22 Interface und ADT: Beispiel Vektor Beispiel Vektor KarthesischerVektor Vektor public interface Vektor { void add ( Vektor v ); PolarKoordVektor Vektor public class KarthesischerVektor implements Vektor { y private double x; private double y; x public void add ( Vektor v ) {... Problem? public class PolarKoordVektor implements Vektor { private double rho; l rho private double l; public void add ( Vektor v ) {... Seite 22

23 Interface und ADT: Beispiel Vektor Beispiel Vektor: Interface zweifelhaft public interface Vektor { public void add ( Vektor v ); KarthesischerVektor Vektor PolarKoordVektor public class KarthesischerVektor Vektor implements Vektor { private double x; private double y; public void add ( Vektor v ) { if ( v instanceof KarthesischerVektor) { Stapel interagieren nicht, Vektoren aber sehr wohl!... einfach... else {... kompliziert / Umwandeln enge Kopplung der beiden Vektor-Implementierungen wahrscheinlich nicht sinnvoll eine Vektor-Implementierung reicht wohl Seite 23

24 Interface und ADT: Stapel / Vektor Stapel Zustands-orientierte Klasse Objekte modellieren Stack-Variablen Stapel ist Container-Typ (stark Schnittstellenorientiert, Innenleben nicht interessant) Keine Operation, die mehr als einen Stack verarbeitet (art-fremde Stacks begegnen sich nie) Integer push pop top ADT Stack Signaturdiagramm Vektor Wert-orientierte Klasse Objekte modellieren Vektoren Operation, die mehr als einen Vektor-Wert verarbeiten (art-fremde Vektoren können sich begegnen) Stack add Vektor sub ADT Vektor Signaturdiagramm Seite 24

25 Interface und ADT: Stapel / Vektor Stapel Interface zur Vereinheitlichung von Implementierungsvarianten OK! Vektor Interface zur Vereinheitlichung von Implementierungsvarianten Wenig sinnvoll! Ein Interface als Zusammenfassung unterschiedlicher ImplementierungsVarianten kann sinnvoll sein, muss aber nicht! Seite 25

26 Interface als Gemeinsames unterschiedlicher Schnittstellen allgemeine Funktionalität ADT Bei einem Konstrukt (Klassendefinition) sind Schnittstelle und Implementierung getrennt (Geheimnisprinzip / Kapselung). Zu einer Schnittstelle gibt es genau eine Implementierung. Schnittstelle A als Interface weitere speziellere Funktionalitäten Interface Schnittstelle und Implementierung sind als Sprachkonstrukte (Klasse und Interface) getrennt. Schnittstelle A Schnittstelle A Zu einer Schnittstelle kann es beliebig Schnittstelle A1 Schnittstelle A2 viele Implementierungen geben Zu einer Schnittstelle kann es beliebig Implementierung X Implementierung Y viele weiter spezialisierte Schnittstellen geben. (Bieten mehr als Geheimnisprinzip plus Entkopplung der die Basis-Funktionalität) Schnittstelle plus Verallgemeinerung der Schnittstelle Seite 26

27 Interface als Gemeinsames unterschiedlicher Schnittstellen Grasfresser Grasfresser Grasfresser Milch-Lieferant Woll-Lieferant Kuh Schaf Grasfresser : können mit Gras gefüttert werden Kühe : können mit Gras gefüttert werden und geben Milch Schafe : können mit Gras gefüttert werden und geben Wolle Die Grasfresser müssen noch mit Gras gefüttert werden! Beim Füttern ist es egal, welches Tier gefüttert wird, solange es Gras fressen kann. Es kommt nur auf das Grasfressen an. Seite 27

28 Interface als Gemeinsames unterschiedlicher Schnittstellen public interface GrasFresser { void fresse(gras g); public final class Kuh implements GrasFresser { private boolean satt; public class Bauer { public final void fuettern(grasfresser[] stall, Gras[] grasvorrat) { int i = 0; for (GrasFresser fresser : stall) { fresser.fresse(grasvorrat[i++]); public final class Schaf implements GrasFresser { private boolean public void fresse(gras g) { satt = true; public void fresse(gras g) { satt = true; System.out.println("BAEHH"); public Milch melke() { satt = false; return new Milch(); public Wolle schere() { satt = false; return new Wolle(); Seite 28

29 Interface als Gemeinsames unterschiedlicher Schnittstellen public static void main(string[] args) { Bauer egon = new Bauer(); GrasFresser[] stall = new GrasFresser[3]; stall[0] = new Kuh(); stall[1] = new Schaf(); stall[2] = new Kuh(); Gras[] grasvorrat = grasvorrat[0] = new grasvorrat[1] = new grasvorrat[2] = new Nun fresst schön ihr GrasFresser! new Gras[3]; Gras(); Gras(); Gras(); egon.fuettern(stall, grasvorrat); Bauer egon public class Bauer { public final void fuettern(grasfresser[] stall, Gras[] grasvorrat) { int i = 0; for (GrasFresser fresser : stall) { fresser.fresse(grasvorrat[i++]); Seite 29

30 Klasse und Interface Klasse und Interface Eine Klasse kann mehrere Interfaces implementieren: Ihre Objekte sind in der Lage mehrere Rolle zu spielen. WollTier GrasFresser Gentlemen Verbrecher Schaf IrrerArzt Seite 30

31 Klasse und Interface public interface WollTier { Wolle schere(); WollTier GrasFresser public interface GrasFresser { void fresse(gras g); Schaf public final class Schaf implements GrasFresser, WollTier { private boolean public void fresse(gras g) { satt = true; public Wolle schere() { satt = false; return new Wolle(); Seite 31

32 Klasse und Interface Statischer und dynamischer Typ Statischer Typ: Der rein aus dem Programmtext erkennbare Typ eines Ausdrucks im Programmtext (Variable, Parameter, arithmetischer Ausdruck, etc.) Der statische Typ spielt in Java die erste Geige : er steuert die Code-Erzeugung des Compilers. WollTier wt = new Schaf(); wt.fresse(new Gras()); The method fresse(gras) is undefined for Type WollTier Fressen?: Geht nicht: Zum (statischen) Typ WollTier gibt es keine Methode fresse! Dynamischer Typ: Der Typ eines Objektes zur Laufzeit. Der dynamische Typ spielt in Java die zweite Geige : Er steuert die Feinheiten des Verhaltens. Der dynamische Typ muss immer zum statischen Typ passen. Grassfresser gf1 = new Schaf(); Grassfresser gf2 = new Kuh(); gf1.fresse(new Gras()); gf2.fresse(new Gras()); Fresse Gras nach Art der Schafe. Fresse Gras nach Art der Kühe Seite 32

33 Klasse und Interface public static void main(string[] args) { Bauer egon = new Bauer(); WollTier GrasFresser GrasFresser[] stall = new GrasFresser[2]; stall[0] = new Kuh(); stall[1] = new Schaf(); Gras[] grasvorrat = new Gras[2]; grasvorrat[0] = new Gras(); grasvorrat[1] = new Gras(); Schaf Cast: egon.fuettern(stall, grasvorrat); WollTier wt = new Schaf(); egon.scheren(new WollTier[]{ wt ) stall[1] hat den Typ GrassFresser, scheren erwartet WollTiere. Der GrassFresser in stall[1] muss mit (WollTier) als WollTier deklariert werden (Cast). Wolle w = egon.scheren(new WollTier[]{ (WollTier) stall[1] ); Seite 33

34 Klasse und Interface Statischer und dynamischer Typ : Cast Ein Ausdruck hat einen festen statischen Typ und zur Laufzeit (wechselnde) Werte mit jeweils einem eventuell anderen - dynamischen Typ. Der statische Typ kann mit einem Cast geändert werden, wenn das Objekt den geforderten Typ haben könnte. Zur Laufzeit wird geprüft, ob dies tatsächlich der Fall ist. GrasFresser[] stall = In stall[1] könnte ein WollTier sein, denn es gibt GrasFresser die WollTiere sind. Eine Prüfung ist aber sinnvoll, denn nicht alle GrasFresser sind WollTiere. WollTier GrasFresser (WollTier) stall[1] Schaf MilchTier Kuh Der Cast wird zur Laufzeit überwacht: Ist da wirklich ein Wolltier in stall[1]? Seite 34

35 Interface : Zusammenfassung Interface Das Konzept Interface ist sehr wichtig für einen modernen Programmierstil (nicht nur) in Java. Ein Interface trennt Verhalten und Verwendbarkeit von Implementierungen auf Sprachebene. Statt wie das Konzept der Schnittstelle auf konzeptioneller Ebene. Ein Interface definiert einen Typ: D.h. Eine Verwendungsmöglichkeit für Objekte! Eine Klasse, die ein Interface implementiert, kann Objekte erzeugen, die entsprechend verwendbar sind. Variablen und Parameter sollten als Typ (wenn möglich) ein Interface haben. Der Typ einer Variablen sollte die minimale Anforderung an deren Inhalte (Werte) formulieren. Seite 35