Vererbung. Generalisierung und Spezialisierung Vererbung und Polymorphismus

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1 Vererbung Generalisierung und Spezialisierung Vererbung und Polymorphismus Wir wollen in unserem Aquarium verschiedene Arten von Fischen schwimmen lassen. In einem ersten Ansatz definieren wir nicht nur eine Klasse CLOWN, die es uns erlaubt einen Clownfisch zu zeichnen und zu bewegen, sondern eine weitere Klasse ZITRONE, mit der wir einen gelben Fisch zeichnen und bewegen lassen können.

2 Wir stellen fest: Die Fische unterscheiden sich nur in ihrer grafischen Darstellung. Attribute wie x-koordinate, y-koordinate, eine Geschwindigkeit und ein Bild brauchen alle Fische. Wenn wir außer Fischen auch noch andere schwimmende bzw sich bewegende Objekte darstellen wollen, dann stellen wir fest, dass wir bei der Festlegung dieser Objekte durch Klassen ebenfalls viele gleiche Methoden und Attribute benötigen. Manche Attribute brauchen allerdings unterschiedliche Werte oder an dieses Objekte angepasste Methoden. Wir machen also eigentlich immer wieder dasselbe oder etwas sehr ähnliches nur in einer anderen Klasse.

3 Außerdem stellen wir fest: Wenn wir viele Objekte bewegen wollen, dann brauchen wir nicht nur ein Feld, sondern mehrere Felder. Auch diese Felder werden sich nur in Kleinigkeiten unterscheiden. Das muss auch einfacher umzusetzen sein!... ohne dass wir soviel kopieren müssen.

4 Dazu gibt es bei objektorientierten Programmiersprachen wie Java oder Processing das Konzept der Vererbung (auch Ober-/Unterklassenprinzip oder Generalisierung/Spezialisierung genannt). Die Idee ist: Wir programmieren eine Klasse, die die Attribute und Methoden enthält, die die Klassen gemeinsam haben. Das ist die sogenannte Oberklasse (Generalisierung). Die Klassen, die sich um die einzelnen Fischarten oder andere bewegte Objekte kümmern, sind die Unterklassen (Spezialisierung). Dort werden nur die Unterschiede programmiert.

5 Wir wollen vorerst zwei verschiedene Arten von Fischen (Clownfische und zitronengelbe Fische) und Luftblasen in unserem Aquarium darstellen. Die Fische bewegen sich gleich, zum Zeichnen muss der Konstruktor nur ein anderes Bild verwenden. Die Luftblasen bewegen sich von unten nach oben (dafür muss die y-koordinate geändert werden) und werden mit Hilfe einer Ellipse gezeichnet. Da aufsteigende Luftblasen kleiner werden sollen, brauchen die Luftblasen ein Attribut radius, dessen Wert beim Bewegen geändert werden soll. Wir stellen fest: Jede der Klassen braucht einen individuellen Konstruktor, der die passenden Werte setzt. In der Oberklasse fassen wir die Gemeinsamkeiten zusammen.

6 Die Oberklasse sollte einen sinnvollen Namen bekommen z.b. SCHWIMMER. Im Klassendiagramm sieht das wie folgt aus: SCHWIMMER int x int y PImage bild int v SCHWIMMER(int xneu, int yneu) void Zeichne() void Bewege() Oberklasse Diese besondere Art an Pfeilen zeigt, welche Klasse die Oberklasse und welche die Unterklasse ist. Unterklasse CLOWN CLOWN(int xneu, int yneu) ZITRONE BLASE int radius BLASE(int xneu, int yneu) void Bewege() void Zeichne() Die Unterklasse BLASE braucht ein Attribut radius, um einen Kreis zu zeichnen. Die Unterklasse CLOWN erbt alle Attribute und Methoden der Oberklasse ohne dass diese im Klassendiagramm oder im Programmtext stehen. ZITRONE(int xneu, int yneu) Zum Zeichnen und zum Bewegen werden andere Methoden als in der Oberklasse benötigt. Diese Methoden werden überschrieben.

7 Die Unterklassen erben alle Attribute und Methoden der Oberklasse. Eine Unterklasse kann zusätzlich zu den Attributen der Oberklasse weitere Attribute definieren. Für die Unterklassen CLOWN und ZITRONE heißt das, dass ein Objekt dieser Klassen genau vier Attribute hat (auch wenn diese im Programmtext der Unterklasse nicht vorkommen!). Die Unterklasse BLASE hat dagegen die vier Attribute der Oberklasse und das Attribut radius, also insgesamt fünf Attribute. Wenn eine Methode mit dem gleichen Namen wie in der Oberklasse in der Unterklasse vorkommt, dann bedeutet das, dass diese Methode überschrieben (override) wurde. Damit wird z.b. für ein Objekt der Klasse BLASE beim Aufruf von Bewege nicht die Bewege-Methode der Oberklasse verwendet, sondern die Methode gleichen Namens, die in der Unterklasse steht.

8 Wie wird das im Programm umgesetzt? Woher weiss die Oberklasse, dass sie eine Oberklasse ist und woher weiss die Unterklasse, dass sie eine Unterklasse ist? Die Oberklasse braucht das nicht zu wissen, hier ändert sich nichts. Bei der Angabe der Unterklasse muss allerdings ein passendes Schlüsselwort (extends) angeben, woher die geerbten Attribute und Methoden stammen.

9 in Java/Processing: Unterklasse CLOWN class CLOWN extends SCHWIMMER // das Schluesselwort extends // sorgt dafuer, dass SCHWIMMER // als Oberklasse genommen wird // Hier steht nichts, da diese Unterklasse keine zusaetzlichen Attribute hat CLOWN(int xneu, int yneu) super(xneu, yneu); bild = image( fisch.png ); // Konstruktor der Unterklasse // als erste Anweisung muss der Konstruktor // der Oberklasse aufgerufen werden - // dieser sorgt dafuer, dass alle Attribute auf // einen Startwert gesetzt werden. // ein Clownfisch braucht das passende Bild // Das war's schon, mehr muss in dieser Unterklasse nicht stehen, da // die Methoden aus der Oberklasse benutzt werden können.

10 class BLASE extends SCHWIMMER // SCHWIMMER ist die Oberklasse int radius; // Diese Unterklasse hat radius als weiteres Attribut. BLASE(int xneu, int yneu) // Konstruktor der Unterklasse super(xneu, yneu); // Aufruf des Konstruktors der Oberklasse radius = (int) random(20)+5; // zufaelliger Radius mit Mindestgroesse 5 void Bewege() y = y v; // Diese Attribute wurden von der Oberklasse geerbt // und koennen verwendet werden. radius = radius -1; // Die Blasen werden kleiner, indem der Radius // kleiner wird. void Zeichne() if (radius > 2) // sonst sind die Blasen zu klein (negativer Radius) nofill(); // durchsichtige Luftblasen ellipse(x, y, radius, radius);

11 Um nun Objekte der Unterklassen in das gleiche Feld einzutragen, muss in der Klasse SCHWARM nur noch der Datentyp des Feldes geändert werden. Jetzt wird fische als Feld von Objekten der Klasse SCHWIMMER deklariert (ein anderer Name wäre nun auch passender): SCHWIMMER [ ] fische; // statt CLOWN... Im Konstruktor wird das Feld mit Hilfe der Anweisung fische = new SCHWIMMER[n]; erzeugt. Zum Erzeugen und Eintragen von n Objekten aus den verschiedenen Unterklassen verwenden wir wieder die Zufallsfunktion random und eine passende Mehrfachauswahl.

12 Zum Erzeugen und Eintragen von n Objekten aus den verschiedenen Unterklassen verwenden wir wieder die Zufallsfunktion random und eine passende Mehrfachauswahl. Damit kann der Konstruktor nun wie folgt aussehen: SCHWARM(int n) fische = new SCHWIMMER[n]; for (int i= 0; i < n; i++) switch ((int)random(3)) // hier wird zufaellig eine Zahl aus 0;1;2 erzeugt case 0: fische[i] = new CLOWN((int) random(width), (int) random (height)); break; case 1: fische[i] = new ZITRONE((int) random(width), (int) random (height)); break; case 2: fische[i] = new BLASE((int) random(width), (int) random (height)); break;

13 Die Möglichkeit in ein Feld über einer Oberklasse Objekte von beliebigen Unterklassen einzutragen gehört zum Konzept des Polymorphismus. Polymorphismus Ein Attribut oder Parameter vom Datentyp einer Oberklasse kann auch eine Referenz auf ein Objekt einer Unterklasse aufnehmen. Dies nennt man Polymorphismus. Beim Aufruf einer Methode eines Objekts wird die passende Methode genommen, d.h. ein Objekt der Klasse BLASE wird die in dieser Klasse definierte Methode (z.b. Bewege) ausführen, während ein Objekt der Klasse CLOWN die Methode Bewege aus der Oberklasse ausführen wird, da in der Klasse CLOWN keine eigene Methode Bewege definiert wurde. Auch das gehört zum Polymorphismus-Konzept.

14 Zusammenfassung Durch Vererbung kann man aufbauend auf schon existierenden Klassen neue schaffen. Dabei stehen die Klassen in einer Ober-/Unterklassenbeziehung (typischerweise ist das eine ist ein -Beziehung). Unterklassen erben die Attribute und Methoden der Oberklasse, können diese allerdings auch durch Angabe eigener Methoden überschreiben. Beim Vorgang des Erbens spricht man auch von einer Spezialisierung (Umkehrung: Generalisierung). Geerbte Attribute und Methoden werden in der Unterklasse im Klassendiagramm nicht angegeben. Unter Polymorphismus versteht man die Fähigkeit eines Attributs (einer Variablen) abhängig von seiner Verwendung unterschiedliche Datentypen anzunehmen (Beispiel: ein Feld von Objekten der Klasse SCHWIMMER kann auch Objekte jeder Unterklasse aufnehmen). In Java: In der Unterklasse wird durch extends Name_der_Oberklasse die Beziehung festgelegt. Die erste Anweisung im Konstruktor der Unterklasse muss ein Aufruf des Konstruktors der Oberklasse durch die Anweisung super(..) sein. Die Anzahl und die Typen der Parameter in der runden Klammer müssen mit der Anzahl und den Typen der Parameter des aufgerufenen Konstruktors übereinstimmen.

15 Abstrakte Klassen Wenn es Methoden in einer Oberklasse gibt, die jede Unterklasse implementieren sollte, dann werden solche Methoden als abstrakte Methoden markiert (durch das Schlüsselwort abstract). In der Oberklasse wird für eine abstrakte Methode nur der Methodenkopf angegeben - statt eines Methodenrumpfes steht nur ein Strichpunkt. Beispiel: abstract Bewege(); Jede Unterklasse muss nun diese Methode implementieren. Eine abstrakte Methode definiert damit eine Schnittstelle. Oberklassen, die mindestens eine abstrakte Methoden enthalten, sind als abstrakt zu kennzeichnen. Von einer abstrakten Klasse kann kein Objekt erzeugt werden. Beispiel: abstract class SCHWIMMER...

16 Arbeitsauftrag: Kopieren Sie das Projekt Giessen oder Ungeziefer auf Ihren Schreibtisch und verbesseren Sie es, indem Sie z.b. bei dem Projekt Ungeziefer die Oberklasse als abstrakte Klasse markieren (finden Sie heraus, welche Methode als abstrakt definiert werden sollte), weitere Unterklassen schreiben, einen Zähler einführen, der mitzählt, wie viele Insekten vernichtet wurden,... Bei dem Projekt Giessen können Sie das Generalisierungs-/Spezialisierungkonzept einführen, indem Sie weitere Pflanzen definieren oder verschiedene Arten von Ungeziefer durch den Garten laufen lassen. Auch hier sollten Sie sich mit abstrakten Klassen und Methoden beschäftigen.

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