Programmieren. Warum Objektorientierung? Objektorientierung. Beispiele für Busobjekte der realen Welt

Transkript

1 Institut für Telematik Universität zu Lübeck 2-2 Warum Objektorientierung? Kapitel 5: Java (5.7 und 5.8) Wintersemester 2008/2009 Prof. Dr. Christian Werner Problem: Wie stelle ich eine Beziehung zwischen meinem Code (Variablen, Schleifen, If-Anweisungen,...) und der realen Welt her? Früher (Basic, C, Pascal usw.): Aufteilung des Codes in Blöcke (Module), welche jeweils bestimmte Aufgaben erledigen. Beispiel Busfahrplan : Hauptmodul (Programmlogik) Dateioperationsmodul Bildschirm-Ein-/Ausgabe-Modul Druckeransteuerungsmodul Usw. Nachteile: Beziehungen zwischen den Modulen schwer durchschaubar! Lokale Änderungen können sich global auswirken! 2-3 Objektorientierung 2-4 Beispiele für Busobjekte der realen Welt Objekte der realen Welt werden eins zu eins im Code modelliert! Beispiel elektronischer Busfahrplan : Fahrgäste Tarifzonen Busse Fahrer Haltestellen Usw.

2 2-5 Objekte im Computermodell 2-6 Grundlagen der Objektorientierung Definition Objekt: Ein Objekt ist die Repräsentation eines Gegenstandes oder Sachverhalts der realen Welt oder eines rein gedanklichen Konzepts. Es ist gekennzeichnet durch: 1. eine eindeutige Identität, durch die es sich von anderen Objekten unterscheidet 2. statische Eigenschaften zur Darstellung des Zustandes des Objekts in Form von Attributen 3. dynamische Eigenschaften in Form von Methoden, die das Verhalten des Objekts beschreiben. Aber: Es ist nicht zweckmäßig sämtliche Zustands- und Verhalteneigenschaften der realen Objekte im Computer zu modellieren! Zustand und Verhalten müssen so umfangreich modelliert werden, wie es für das Computerprogramm erforderlich ist. Beispiel Bus für Reparaturwerkstatt : Zustand (Attribute): - Hersteller - Ölwechselintervall - Km seit letztem Ölwechsel - Sitzplatzanzahl - Anzahl Fahrgäste - Tankfüllstand - Baujahr - Linie Verhalten (Methoden) - Ölwechsel machen - Fahrgäste einsteigen lassen 2-7 Klassen und Objekte (1/3) 2-8 Exkurs: UML Objekte verfügen über Attribute, Methoden und eine Identität. Beobachtung: Es gibt sehr viele Objekte, die bzgl. Attributen, Verhalten und Beziehungen sehr ähnlich sind (z.b. Schulbus aus Groß Grönau, Reisebus von Nr. 47 von Rainbow Tours, Linienbus 19 aus Lübeck usw.) Frage: Sollen für jedes dieser Objekte diese immer gleichen Strukturen immer wieder neu angegeben/implementiert werden? Antwort: NEIN! Man fasst ähnliche Objekte zu einer Klasse zusammen, die Aussagen über die Struktur (Attribute) und das Verhalten der zugehörigen Objekte (Methoden) zusammenfasst und als Ansprechpartner bzgl. Objekterzeugung etc. dient. Grafische Notation: Im Folgenden wird zur grafischen Notation von Klassen und Objekten die Unified Modeling Language (UML) verwendet (allerdings vereinfacht)! UML ist der De Facto -Standard zur Modellierung von Objektsystemen bei Analyse und Entwurf von (objektorientierten) Softwaresystemen. Notation eines Objekts: Beispiel: objekt : Klasse attributname = wert p : Person name = "Walter" geburtsdatum =

3 2-9 Klassen und Objekte (2/3) 2-10 Klassen und Objekte (3/3) Klassenbildung: ähnliche Objekte werden zu einer Klasse zusammengefasst! Beispiel: Bus b1: Bus hersteller="ford" wechselintervall=10000 km_gefahren=3722 baujahr=1920 b3: Bus hersteller="man" wechselintervall=30000 km_gefahren=10432 baujahr=2005 Bus : boolean b2: Bus hersteller="mercedes-benz" wechselintervall=20000 km_gefahren=5647 baujahr=1999 b4: Bus hersteller="scania" wechselintervall=35000 km_gefahren=54432 baujahr=2003 Definition Klasse: Anschaulich: Eine Klasse ist eine Menge von Objekten mit gleichen Eigenschaften und gleichem Verhalten. Genauer: Eine Klasse ist eine Beschreibung von Objekten (ggf. nur einem), die über eine gleichartige Menge von Attributen und Methoden verfügen und beinhaltet eine Beschreibung, wie neue Objekte dieser Klasse erzeugt werden können. Anmerkung: Objekte einer Klasse nennt man auch Instanzen dieser Klasse Redeweise: b1 ist Instanz der Klasse Bus 2-11 Umsetzung in Java (1/5) 2-12 Umsetzung in Java (2/5) Attribute: Syntax: Typ Name; Können selbst Objekte sein oder aber primitive Datentypen. Methoden: Syntax: Rückgabetyp Methodenname (Typ1 Name1, Typ2 Name2, ) { können einen Wert zurückliefern (Objekt oder primitiver Datentyp) Andernfalls: Rückgabetyp void Konstruktoren: Syntax: Klassenname (Typ1 Name1, Typ2 Name2, ) { Liefern neue Objektinstanzen zurück der Klasse. Daher ist hier die Angabe eines Rückgabetyps nicht erforderlich! Eine Klasse kann durchaus mehrere Konstruktoren haben. Ein Konstruktor sollte sämtliche Attribute initialisieren (guter Programmierstil). Jede Klasse wird in einer separaten Datei abgelegt. Der Dateiname entspricht dem Klassennamen. Jede Klasse, die eine Main-Methode enthält, kann von der Virtual Machine ausgeführt werden: public static void main(string[] args) args ist dabei ein Array der Kommandozeilen-Parameter! Konvention: Großschreibung: Klassennamen (Beispiele: Bus, String) Konvention Kleinschreibung: primitive Datentypen (Beispiele: byte, short, boolean) Variablen (Beispiel: myint, meinprivatbus) Methodennamen (Beispiel:, main(string[] args))

4 2-13 Umsetzung in Java (3/5) 2-14 Umsetzung in Java (4/5) class Bus { String hersteller; int wechselintervall; int km_gefahren; //seit letztem Ölwechsel int baujahr; Bus (String s1, int i1, int i2, int i3) { hersteller=s1; wechselintervall=i1; km_gefahren=i2; baujahr=i3; Attribute (Man nennt diese auch Klassenvariablen.) Konstruktor (Er dient zur Erzeugung einer Instanz dieser Klasse.) void { if (km_gefahren>=wechselintervall) { Methode System.out.println("Ölwechsel durchgeführt"); km_gefahren = 0; else { System.out.println("Ölwechsel nicht erforderlich"); Klasse Bus ist fertig, doch wie kann man nun damit arbeiten? Antwort: 1. Neue Klasse mit Main-Methode schreiben: BusTest 2. Hier Konstruktor benutzen und Instanz erzeugen: Bus meinprivatbus = new Bus("VW",20000,0,1983); 3. Objekt verwenden: - Zugriff auf Attribute: meinprivatbus.wechselintervall=15000; - Methoden rufen: meinprivatbus.; 2-15 Umsetzung in Java (5/5) 2-16 Demo: Erweiterung der Klasse Bus class BusTest { public static void main(string[] args) { // Parameter: Hersteller, Ölwechselintervall, // km seit letztem Ölwechsel, Baujahr Bus meinprivatbus = new Bus("VW",20000,0,1983); Bus linie4 = new Bus("MAN",30000,45000,1989); meinprivatbus.; linie4.; Neue Methode, welche Informationen über ein Busobjekt ausgibt. info() Neuer Konstruktor mit folgenden Parametern: Bus (String hersteller, int km_gefahren, int baujahr) Neue Methode, welche km_gefahren hochsetzt und true zurückgibt, falls Ölwechselintervall dabei nicht überschritten wird. Ansonsten gibt sie false zurück: boolean fahre(int km);

5 2-17 Vererbung (1/6) 2-18 Vererbung (2/6) Es gibt in der Praxis häufig das Problem, dass mehrere Klassen gebraucht werden, die in weiten Teilen gleiche Funktionalitäten bereitstellen. Beispiel: Bus LKW PKW Es ist ungeschickt, alle Klassen separat zu implementieren: Viel Schreibarbeit Wird das Programm korrigiert oder verändert, müssen unter Umständen alle Klassen angepasst werden! Lösung: Man versucht, zu ähnlichen Klassen eine gemeinsame Oberklasse zu finden, die die Ähnlichkeiten subsumiert (Attribute, Verhalten, Beziehungen), und ergänzt in den Unterklassen lediglich die Unterschiede Vererbung (3/6) 2-20 Vererbung (4/6) Klassenbildung: ähnliche Klassen werden zu einer Oberklasse zusammengefasst! Bus toilette: boolean toiletteleeren() Fahrzeug Gemeinsame Oberklasse Gemeinsamkeiten PKW Bauart: String cabriodach(boolean) Bus toilette: boolean toiletteleeren() Notation (UML) Fahrzeug Redeweise: Bus und PKW sind Unterklassen (Subclasses) bzw. Spezialisierungen von Fahrzeug Fahrzeug ist Oberklasse (Superclass) bzw. Generalisierung von Bus und PKW PKW bauart: String cabriodach(): boolean

6 2-21 Vererbung (5/6) 2-22 Vererbung (6/6) Eine Unterklasse erbt von ihrer Oberklasse (rekursiv) alle Attribute und Methoden und kann diese um weitere Attribute und Methoden ergänzen. Erben bedeutet: Die Attribute und Methoden der Oberklasse können in der Unterklasse verwendet werden, als wären sie in der Klasse selbst definiert. Beispiel: Zur gezeigten Vererbungshierarchie sind folgende Objekte möglich: f: Fahrzeug Bus toilette: boolean Fahrzeug PKW bauart: String Instanziierung hersteller = "Honda" wechselintervall = 5000 Km_gefahren = 542 baujahr = 2003 b: Bus hersteller = "MAN" wechselintervall = Km_gefahren = 4243 baujahr = 1999 toilette = true p: PKW toiletteleeren() cabriodach(): boolean hersteller = "VW" wechselintervall = Km_gefahren = 433 baujahr = 2005 bauart = "Cabrio" 2-23 Vererbung in Java 2-24 Polymorphie In Java wird Vererbung durch die folgende Notation ausgedrückt: class Unterklasse extends Oberklasse {... Vollständiges Beispiel folgt als Demo Hinweis: Wird keine Oberklasse angegeben, so ist automatisch die Klasse Object Oberklasse. D.h. Object ist Oberklasse jeder Klasse. Methoden von Oberklassen können in Unterklassen redefiniert werden. Hierbei gibt es zwei Varianten: 1. Überladen (Overloading) Hierbei wird ein alternativer Programmblock unter dem gleichen Methodennamen, aber mit unterschiedlicher Anzahl und/oder unterschiedlichem Typ der Parameter angegeben. Allerdings bleibt der Ergebnistyp bei Funktionen gleich. Überladen ist auch innerhalb einer Klassendefinition möglich (s. z.b. Konstruktoren). 2. Überschreiben (Overriding) Hierbei wird unter dem gleichen Methodennamen ein alternativer Programmblock mit gleichem Parameterblock angegeben. Auch in bzgl. Vererbung unabhängigen Klassenbäumen sinnvoll!

7 2-25 Schlüsselwort super 2-26 Abstrakte Klassen und Methoden (1/2) Soll in einer Unterklasse auf den Konstruktor oder eine Methode der Oberklasse zugegriffen werden, verwendet man das Schlüsselwort super: super( ) // Kontruktor super.methodenname( ) // Methode Dies ist vor allem beim Überschreiben von Methoden sinnvoll, um zwischen dem Code der Ober- und der Unterklasse zu unterscheiden! Problem: Es soll eine Klasse definiert werden, deren Instanzen und Methoden in einem bestimmten Kontext verwendet werden sollen, deren Implementierung man aber nicht vorgeben bzw. bewusst offen halten möchte. Beispiel: Geometrische Objekte: Umfangberechung Oberklasse: GeometrischeForm Unterklassen: Kreis, Quadrat Oberklasse enthält eine abstrakte Methode: abstract double berechneumfang(); Bedeutung: Jede GeometrischeForm unterstützt die Berechnung des Umfangs, aber die Implementierung erfolgt in einer Unterklasse Abstrakte Klassen und Methoden (2/2) 2-28 Interfaces (1/2) Jede Klasse, die mindestens eine abstrakte Methode enthält, wird selbst abstrakt: abstract class GeometrischeForm { Eine abstrakte Klasse kann nicht instanziiert werden! Unterklassen einer abstrakten Klasse müssen alle abstrakten Methoden konkretisieren (oder müssen selbst als abstract gekennzeichnet werden): class Kreis { double berechneumfang() { //hier kommt der Code rein Kann eine Klasse auch von mehreren Oberklassen erben (sog. Mehrfachvererbung)? Prinzipiell ja z.b. in C++. In Java jedoch nicht. Bei Mehrfachvererbung können nämlich Konflikte entstehen, deren Auflösung kompliziert sein kann. Um dennoch ähnliche Funktionalitäten zu realisieren, gibt es in Java neben echten Oberklassen sog. Interfaces. Im Gegensatz zu einer Klasse enthält ein Interface lediglich Methodenköpfe, jedoch keinen Code (vergleichbar mit einer Klasse, die ausschließlich abstrakte Methoden enthält).

8 2-29 Interfaces (1/2) 2-30 Interfaces (2/2) Beispiele: interface Gebrauchsgegenstand { int wertverlustprojahr(); interface Prestigeobjekt { //Für Erläuterungen siehe: // int womanacceptancefactor(); Von einem Interface wird nicht geerbt, sondern es wird implementiert. Schlüsselwort: implements Eine Klasse kann von max. einer Klasse erben, aber sie kann beliebig viele Interfaces implementieren: class PKW extends Fahrzeug implements Gebrauchsgegenstand, Prestigeobjekt { //muss alle Methoden der Interfaces implementieren! int wertverlustprojahr(){ int womanacceptancefactor(){ 2-31 Demo 2-32 Fahrzeug.java Schreibe zunächst Oberklasse Fahrzeug. Erweitere Fahrzeug um die Methode void drucke(). Schreibe die Interfaces Gebrauchsgegenstand und Prestigeobjekt. Implementiere Unterklasse PKW, welche von Fahrzeug erbt, die beiden Interfaces implementiert und die Methode drucke() überschreibt. Beim Überschreiben soll die Methode drucke() der Oberklasse gerufen werden. class Fahrzeug { String hersteller; int wechselintervall; int km_gefahren; int baujahr; Fahrzeug (String s1, int i1, int i2, int i3) { hersteller=s1; wechselintervall=i1; km_gefahren=i2; baujahr=i3; void { if (km_gefahren>=wechselintervall) { System.out.println("Ölwechsel durchgeführt"); km_gefahren = 0; else { System.out.println("Ölwechsel nicht erforderlich"); void drucke() { System.out.println("Hersteller: " + hersteller); System.out.println("Wechselintervall: " + wechselintervall); System.out.println("km seit letztem Ölwechsel: " + km_gefahren); System.out.println("Baujahr: " + baujahr);

9 2-33 Gebrauchsgegenstand.java und Prestigeobjekt.java 2-34 PKW.java class PKW extends Fahrzeug implements Gebrauchsgegenstand, Prestigeobjekt { String bauart; interface Gebrauchsgegenstand { int wertverlustprojahr(); interface Prestigeobjekt { //Für Erläuterungen siehe: // int womanacceptancefactor(); PKW (String herst, int wechselint, int km, int bauj, String baua) { // Konstruktor der Oberklasse rufen: super(herst,wechselint, km, bauj); bauart=baua; void drucke() { super.drucke(); System.out.println("Bauart: "+bauart); public int womanacceptancefactor() { // Die Methode equals aus der Klasse String // testet zwei Strings auf Gleichheit. if (bauart.equals("cabrio")) { return 7; else { return 3; public int wertverlustprojahr() { if (baujahr>2004) { return 2000; else { return 500; boolean cabriodach() { if (bauart.equals("cabrio")) { return true; else { return false;