Vorlesung Programmieren

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1 Vorlesung Wintersemester 2006/2007 Computerlinguistik, Campus DU

2 Überblick Seite 2 Rest der letzten Vorlesung: Kapselung final Abstrakte Klassen Interfaces Vector

3 Kapselung Bisher kein wesentlicher Unterschied zwischen Direkt- und Methodenzugriff auf Attribute Wünschenswert: Garantiert kontrollierter Zugriff, um Daten vor Direktzugriff zu schützen Umsetzung: Kapselung Ausschließlich kontrollierten Zugriff auf Attribute nur über die dazugehörigen Methoden erlauben M.a.W.: Attribute»verstecken«und via Methoden darauf zugreifen Zugriffsrechte via Attribut-/Methodenmodifier: public, private, protected,»«(package-private) Seite 3

4 HackTest.java package kapselung; class BankKonto { public String inhaber; public double saldo; public int dispo; public BankKonto(String inhaber, double saldo, int dispo) { this.inhaber = inhaber; this.saldo = saldo; this.dispo = dispo; public void auszahlen( int cash ){ saldo -= cash;»kontrollierter«zugriff, aber public class HackTest{ public static void main ( String[] args ){ BankKonto ba = new BankKonto( "Joe Woh", 12000, 5000); ba.auszahlen( 500 ); ba.saldo += ; Seite 4

5 Die Zugriffsmodifier private int x; Zugriff nur innerhalb der Klasse erlaubt. public int y; Zugriff für alle/von überall erlaubt. protected int z; Zugriff erlaubt für abgeleitete Klassen und das Paket. Abgeleitete Klassen können sich auch in anderen Paketen befinden. int a; Ohne Angabe (package): Zugriff nur innerhalb des aktuellen Pakets. Seite 5

6 Geschützte Bankdaten package kapselungbesser; class BankKonto { private String inhaber; private double saldo; private int dispo; public BankKonto(String inhaber, double saldo, int dispo) { // Alles beim Alten... public void auszahlen( int cash ){saldo -= cash; public double getsaldo( ) {return saldo; public class HackTest{ public static void main ( String[] args ){ BankKonto ba = new BankKonto( "Joe Woh", 12000, 5000); ba.auszahlen( 500 ); ba.saldo += ; // --> Kompilierungsfehler (Lesender) Zugriff auf saldo von außerhalb: Nur noch via getter-methode System.out.println(ba.saldo); // --> Kompilierungsfehler //Ausschließlich (lesender) Zugriff via getsaldo(): System.out.println( ba.getsaldo() ); Seite 6

7 Typecast-Operator, Typkonversion Bereits bekannt: Implizite Typkonversion von int zu double-werten: int x = 12; double y = 0; y = x; // y jetzt 12.0 Explizite Typumwandlungen via Typecast-Operator Der Ausdruck (type) a wandelt den Ausdruck a in einen Ausdruck vom Typ type um. Das Ergebnis von (type) a ist ein Ausdruck, der nur auf der rechten Seite eines Zuweisungsoperators stehen darf! Der Type-Cast-Operator wird benutzt, wenn der Compiler keine implizite Konvertierung vornimmt Bsp.: Zuweisung von größeren an kleinere numerische Typen, oder bei der Umwandlung von Objekttypen (nächste Seite) int x = 12; double y = 3.9; x = (int) y; // x jetzt 3 Seite 7

8 Repository.java public class Repository { public static void main(string[] args){ Person[] repository = new Person[3]; Seite 8 repository[0] = new Person("Tick", " ", 'f'); repository[1] = new Student("Donald"," ",'m',111); repository[2] =new Lecturer("Dagobert", " ", 'm',9877,75500); System.out.println( repository[1].tostring() ); System.out.println( repository[2].tostring() ); System.out.println( repository[2].salary ); Was ist mit salary in Lecturer-Objekten? if ( repository[2] instanceof Lecturer ){ Lecturer lec = (Lecturer) repository[2]; System.out.println( lec.salary ); // Kompakter: System.out.println( ((Lecturer) repository[2]).salary ); (Explizite) Typkonversion Erst Testen, ob de facto eine Instanz von Lecturer vorliegt. Ohne Abfrage kann es zum Laufzeitfehler kommen, wenn dem nicht so ist.

9 Kapselung: Definition Kontrollierter Zugriff auf Methoden bzw. Attribute von Klassen durch explizite Zugriffsrechte. Klassen können den internen Zustand anderer Klassen nicht in unerwarteter Weise lesen oder ändern. Eine Klasse hat eine Schnittstelle, die darüber bestimmt, auf welche Weise mit der Klasse interagiert werden kann. Vom Innenleben einer Klasse soll möglichst viel verborgen werden und der Anwender auch wenig wissen müssen. Durch die Kapselung werden nur Informationen über das "Was" einer Klasse (was es leistet) nach außen sichtbar, nicht aber das "Wie" (die interne Repräsentation). Dadurch wird eine Schnittstelle nach außen definiert und zugleich dokumentiert. Seite 9

10 Schlüsselwort final Elemente mit dem Schlüsselwortfinal können nicht mehr weiter modifiziert werden final vor Klassendefinition: Von der Klasse können keine Subklassen gebildet werden (Bsp. java.lang.string) final vor Methodendefinition: Die Methode kann in Subklassen nicht überschrieben werden final vor Attributen: Der Wert des Attributs kann nicht verändert werden, final dient also zur Deklaration von Konstanten Seite 10

11 Gute Gründe für final Klassen? Gutes objektorientieres Design: Ihre Klasse scheint Ihnen so»perfekt«zu sein, dass Erweiterungen über Subklassenbildung unsinnig sind/zu verhindern sind. Erhöhung der Systemsicherheit, indem bspw.»system subversion«verhindert wird: Subklasse einer Klasse bilden, und die originale Klasse durch die Subklasse zu ersetzen Die Subklasse»fühlt sich an«wie das Original, vollzieht jedoch ganz andere Dinge, die wohlmöglich Schaden anrichten Seite 11

12 final-beispiel Seite 12 class MyClass { final int CONSTANT = 0; public final void test() { CONSTANT = 1; MyFinalClass kann nicht mehr vererbt werden Kompilierungsfehler Deklaration und Initialisierung im Klassenrumpf, außerhalb von Methoden! test()kann nicht mehr überschrieben werden final class MyFinalClass extends MyClass { public void test() { System.out.println("Hallo"); class TestClass extends MyFinalClass { Kompilierungsfehler beim Versuch, einefinal- Methode zu überschreiben Kompilierungsfehler beim Versuch, einefinal-klasse abzuleiten

13 Weitere Abstraktionsmittel in Java Bereits bekannt: Sub- und Superklasse, Vererbung Weitere Abstraktionsmittel: Abstrakte Methoden und Klassen Abstrakte Methoden: Methoden ohne Implementierung Abstrakte Klassen: Keine Objekterzeugung möglich, da sie unter anderem abstrakte, nicht-implementierte Methoden enthalten! Wichtig: Enthält eine Klasse eine abstrakte Methode, muss sie die gesamte Klasse abstract deklariert werden Interfaces Ein Interface ist eine besondere Form einer Klasse, die ausschließlich abstrakte Methoden und Konstanten enthält. Seite 13

14 Motivationszenario Mitarbeiterdatenbank Fiktives Programm zur Verwaltung von Angestellten, Arbeitern, und Managern Alle Mitarbeitertypen haben Gemeinsamkeiten: Personalnummer, Name, Eintrittsdatum Die drei Typen haben auch jeweils Spezialisierungen: Arbeiter: Stundenlohn, Überstundenzuschlag, Überstunden, Schichtzulage Angestellter: Grundgehalt, Ortszuschlag, Zulage Manager: Fixgehalt, Provision, Umsatz Als Aktion haben alle die Berechnung des monatlichen Gehalts gemein. Die konkrete Realisierung der Berechnung ist jedoch bei allen unterschiedlich. Arbeiterlohn: stundenlohn * anzahlstunden + überstunden * Angestelltenlohn: grundgehalt + ortszuschlag + zulage Managerlohn: fixgehalt + umsatz * provision / 100 * 2 Seite 14

15 Lösungsansatz Individuengruppen als Klassen implementieren Vererbung, um allgemeine Eigenschaften einmalig festzuhalten: Code-Verdoppelung vermeiden Fraglich: Welcher der Klassen soll die Oberklasse bilden, wenn alle bereits (relativ) spezifisch sind? Vererbung von Arbeiter zu Angestellter. Problem: Angestellte haben keinen Stundenlohn Arbeitslohn wird anders berechnet, Methode muss überschrieben werden Wünschenswert: Oberklasse nur mit den allgemeinsten Eigenschaften Monatslohn-Methode ohne konkrete Implementierung Seite 15

16 Lösung: Abstraktion via abstract Erstellen einer neuen Basisklasse Mitarbeiter abstract class Mitarbeiter {... Mitarbeiter enthält die allgemeinen Eigenschaften der Mitarbeitergruppen Angestellter, Arbeiter, Manager int persnr; String name; Date eintritt; eine abstrakte, nicht-implementierte Methode zur Lohnberechung public abstract double monatsbrutto(); Von abstrakten Klassen können keine Objekte erzeugt werden. Cool, denn die Firmenposition»Mitarbeiter«gibt es in der Firma gar nicht Seite 16

17 Mitarbeiter.java Seite 17 package abstraction; import java.util.date; abstract class Mitarbeiter { int persnr; String name; Date eintritt; public abstract double monatsbrutto(); Eine abstrakte Methode Ganze Klasse muss abstract deklariert sein Wichtig: Abstrakte Methoden müssen von abgeleiteten Klassen implementiert werden, oder die Klasse muss ebenfalls abstract sein! Rumpf( -klammern { ) bei der Definition abstrakter Methoden stets weglassen! public String tostring(){ return name+", "+", "+eintritt.tostring(); Abstrakte Klassen können auch nicht-abstrakte Methoden enthalten!

18 Arbeiter.java Seite 18 package abstraction; class Arbeiter extends Mitarbeiter { double stundenlohn; double anzahlstunden; double ueberstundenzuschlag; double anzahlueberstunden; double schichtzulage; Ableitung abstrakter Klassen wie gehabt via Schlüsselwort extends: Arbeiter erbt hier alles von Mitarbeiter. public double monatsbrutto() { return stundenlohn * anzahlstunden + ueberstundenzuschlag * anzahlueberstunden + schichtzulage; monatsbrutto() wurde implementiert, Manager muss nicht abstract deklariert werden!

19 Angestellter.java Seite 19 package abstraction; class Angestellter extends Mitarbeiter { double grundgehalt; double ortszuschlag; double zulage; public double monatsbrutto() { return grundgehalt + ortszuschlag + zulage; monatsbrutto() muss implementiert werden, da Angestellter sonst abstract sein muss! Folge: Man müsste wieder ableiten, um ein Objekterzeugende Klasse zu haben.

20 Manager.java Seite 20 package abstraction; class Manager extends Mitarbeiter { double fixgehalt; double provision; double umsatz; public double monatsbrutto() { return fixgehalt+umsatz*provision/100*2; monatsbrutto() implementiert, da Manager die Ableitung einer abstrakten Klasse ist!

21 Polymorphismus Polymorphismus: Bedingte Fähigkeit, Objektvariablen Werte mit unterschiedlichen Typen zuweisen zu können. Wie kann das im Mitarbeiter-Szenario nützlich sein? Beispiel Gehaltsabrechnung: Alle Mitarbeitertypen können in einer Datenstruktur gehalten werden (Array) Der deklarierte Typ der Elemente im Array ist dann»allgemein«: Mitarbeiter Beim direkten Zugriff auf die Array-Elemente stehen die in der Basisklasse definierten Eigenschaften zur Verfügung, u.a. monatsbrutto Zur Laufzeit ist dann bekannt, welcher abgeleitete Typ hinter jedem einzelnen Array-Element steht, und das Laufzeitsystem ruft die darin implementierte Variante der Methode monatsbrutto auf. Seite 21

22 Gehaltsberechnung.java package abstraction; public class Gehaltsberechnung { private static final int ANZ_MA = 100; private static Mitarbeiter[] ma; private static double bruttosumme; public static void main(string[] args){ ma = new Mitarbeiter[ANZ_MA]; //Mitarbeiter-Array füllen, z.b. Manager mana = new Manager(); //... mana.fixgehalt = 1000; //... ma[0] = mana;//... Polymorphismus: Unabhängig davon, ob Arbeiter, Angestellter oder Manager, führt der Aufruf von monatsbrutto dank dynamischer Methodensuche die zum Typ des konkreten Objekts passende Berechnung aus. //ma[1] = new Arbeiter(); ma[2] = new Angestellter();... //Bruttosumme berechnen bruttosumme = 0.0; for (int i=0; i<ma.length; ++i) { bruttosumme += ma[i].monatsbrutto(); System.out.println("Bruttosumme = "+bruttosumme); Seite 22

23 Fazit/Zusammenfassung (1) Eine abstrakte Klasse dient dazu, die Schnittstelle zukünftiger Unterklassen festzulegen Muster, das vorgibt, welche Methoden in Unterklassen implementiert werden müssen Definition einer Familie von Klassen, die alle eine bestimmte Menge von Nachrichten verstehen. Jede Klasse, die bspw. mit Mitarbeiter arbeiten kann, kann auch mit Unterklassen von Mitarbeiter arbeiten Man kann sich darauf verlassen, dass die Unterklassen auch die Methoden monatsbrutto haben! Seite 23

24 Fazit/Zusammenfassung (2) Hinzufügen von neuen Personaltypen via Ableitung erfordert keine Veränderung bei der Berechnung der monatlichen Bruttosumme: package abstraction; public class GFManager extends Manager { double gfzulage; public double monatsbrutto() { return super.monatsbrutto()+gfzulage; Mehrfachvererbung Seite 24 package abstraction; public class Gehaltsberechnung { //... main(string[]... ma[14] = new GFManager(); // Bruttosumme berechnen bruttosumme = 0.0; for (int i=0; i<ma.length; ++i) { bruttosumme += ma[i].monatsbrutto(); //... Alles beim Alten

25 Interfaces Interfaces sind eine besondere Form von Klassen. Enthalten ausschließlich abstrakte Methoden und Konstanten Anstelle des Schlüsselwortes class wird ein Interface mit dem Bezeichner interface deklariert. Alle Methoden eines Interfaces sind implizit abstrakt und öffentlich. Interfaces können Konstanten enthalten. (final xyz) Interfaces dürfen keine Datenfelder und Konstruktoren definieren. Interfaces können zunächst nicht instantiiert werden Klassen können mehrere Interfaces gleichzeitig implementieren Seite 25

26 Interface-Beispiel Das folgende Listing definiert ein Interface Groesse, das die drei Methoden laenge, hoehe und breite definiert: Seite 26 public interface Groesse { public int laenge(); public int hoehe(); public int breite(); Durch das bloße Definieren eines Interfaces wird die gewünschte Funktionalität noch nicht zur Verfügung gestellt, sondern lediglich beschrieben. Soll diese von einer Klasse tatsächlich realisiert werden, muss das Interface erst implementiert werden!

27 Implementierung von Interfaces Implementierung durch Erweiterung der class- Definition um eine implements-klausel class Golfplatz implements Groesse { Name des zu implementierenden Interfaces nach implements Die implementierende Klasse muss alle im Interface definierten Methoden implementieren Sonst musst die implementierende Klasse abstract sein Zusätzlich»verleiht«er der implementierenden Klasse einen neuen Datentyp, der - wie wir noch sehen werden - ähnliche Eigenschaften wie eine echte Klasse hat. Eine implementierende Klasse»besitzt«demnach den eigenen Typ, sowie den Typ des Interfaces Beispielimplementierungen Auto, Fußballplatz, Papier Seite 27

28 Auto.java public class Auto implements Groesse { public String name; public int erstzulassung; public int leistung; public int laenge; public int hoehe; public int breite; Seite 28 public int laenge() { return this.laenge; public int hoehe() { return this.hoehe; public int breite() { return this.breite;

29 FussballPlatz.java Seite 29 public class FussballPlatz implements Groesse { private final int LAENGE = ; private final int BREITE = 70000; public int laenge(){ return LAENGE; public int hoehe(){ return 0; public int breite() { return BREITE;

30 Papierblatt.java public class Papierblatt implements Groesse { Seite 30 public int format; //0=DIN A0, 1=DIN A1 usw. public int laenge() { int result = 0; if (format == 0){result = 1189; else if (format == 1){result = 841; else if (format == 2){result = 594; //usw... return result; public int hoehe() { return 0; public int breite() { int ret = 0; if (format == 0) {ret = 841; else if (format == 1) {ret = 594; else if (format == 2) {ret = 420; //usw... return ret;

31 Gemeinsamkeiten, Erweiterung des Beispiels Wichtigste Gemeinsamkeit zwischen abstrakten Klassen und Interfaces: Beide können im Programm zur Deklaration von lokalen Variablen, Membervariablen oder Methodenparametern verwendet werden. Eine Interface-Variable ist kompatibel zu allen Objekten, deren Klassen dieses Interface implementieren. Folge hier: Effiziente Berechnung der Flächen von Autos, Fußballplätzen, Papier via Methode möglich. Methodenparameter benötigt lediglich den Typ des Interfaces (Groesse) Seite 31

32 FlaechenCalc.java»Eine Interface-Variable ist public class FlaechenCalc { kompatibel zu allen Objekten, public static long grundflaeche( Groesse g ) { deren Klassen dieses Interface return (long)g.laenge() * g.breite(); implementieren.«rufen zur Laufzeit die public static void main(string[] args) { tatsächlichen Methoden von Auto auto = new Auto(); //Zuerst ein Auto... Auto, Blatt, auf auto.laenge = 4235; auto.hoehe = 1650; auto.breite = 1820; Papierblatt blatt = new Papierblatt(); blatt.format = 1; //Ein DIN A1-Blatt... FussballPlatz platz = new FussballPlatz(); System.out.println("Auto: " + grundflaeche(auto)); System.out.println("Blatt: " + grundflaeche(blatt)); System.out.println("Platz: " + grundflaeche(platz)); Seite 32 auto, blatt, platz: Zwar unterschiedliche Klassen, implementieren jedoch alle Groesse Auto: Blatt: Platz:

33 Zusammenfassung/Fazit des Beispiels Nützlich ist ein Interface immer dann, wenn Eigenschaften einer Klasse beschrieben werden sollen, die nicht direkt in seiner normalen Vererbungshierarchie abgebildet werden können. Autos, Fußballplätze, Papier als Subklasse einer (abstrakten) Klasse Groesse? Wäre möglich, allerdings kann dann nichts anderes geerbet werden. Durch Implementieren des Groesse-Interfaces wird die Verfügbarkeit der drei Methoden laenge, hoehe und breite unabhängig von der eigenen Vererbungslinie garantiert: Auto leitet sich bspw. von Fahrzeug ab, Fußballplatz von Sportplatz, etc. Seite 33

34 Interfaces und instanceof instanceof-operator funktioniert auch mit Interfaces Erlaubt alternative Implementierung der Methode grundflaeche, die mit allen Objekttypen funktioniert: public static long grundflaeche( Object o ) { long ret = 0; if (o instanceof Groesse) { Groesse g = (Groesse)o; ret = (long)g.laenge() * g.breite(); return ret; Diese Implementierung verhält sich für alle Objekte, die das Interface Groesse implementieren, so wie die vorige. Für alle übrigen Objekte wird 0 zurückgegeben. Seite 34

35 FlaechenKalc.java public class FlaechenKalc { public static long grundflaeche( Object o ) { long ret = 0; if (o instanceof Groesse) { Groesse g = (Groesse)o; ret = (long)g.laenge() * g.breite(); return ret; public static void main(string[] args) { Auto auto = new Auto(); auto.laenge = 4235; auto.hoehe = 1650; auto.breite = 1820; Papierblatt blatt = new Papierblatt(); blatt.format = 1; FussballPlatz platz = new FussballPlatz(); System.out.println("Auto: "+ grundflaeche(auto)); System.out.println("Blatt: "+ grundflaeche(blatt)); System.out.println("Platz: "+ grundflaeche(platz)); System.out.println("Platz: "+ grundflaeche(new FlaechenKalc())); War vorher nicht möglich, da nur Groesse-implementierende Argumenttypen erlaubt waren! Seite 35

36 Mehrfachimplementierung public class Auto implements Groesse, Gewicht, Vermietung {... Seite 36

37 Die Klasse Vector Die Klasse Vector ist die Java-Repräsentation einer linearen Liste, und ihre Länge ist zur Laufzeit veränderbar. Vector erlaubt das Einfügen von Elementen an beliebiger Stelle und bietet sowohl sequentiellen als auch wahlfreien Zugriff auf die Elemente. Neue Elemente können wahlweise an das Ende des Vektors oder an einer beliebigen anderen Stelle eingefügt werden. Vector erlaubt die Speicherung beliebiger Objekttypen, denn die Einfüge- und Zugriffsmethoden arbeiten mit Instanzen der Klasse Object. Da jede Klasse letztlich aus Object abgeleitet ist, können auf diese Weise beliebige Objekte in die Liste eingefügt werden Konsequenz: Mit Hilfe des Typkonvertierungsoperators müssen im Vector abgelegte Objekte dann in das ursprüngliche Objekt zurückverwandelt werden. Die Verantwortung für korrekte Typisierung liegt damit beim Entwickler. Mit Hilfe des Operators instanceof kann bei Bedarf zumindest eine Laufzeit- Typüberprüfung vorgeschaltet werden. Seite 37

38 Wichtige Vector-Methoden Vector() Konstruktor, erzeugt leeren Vector void add( int index, Object Element) Fügt Objekt an Position index ein Elemente werden nicht überschrieben, sondern»rücken«eine Position weiter boolean add( Object o ) Fügt o am Ende der Liste ein Object elementat( int index ) Gibt Element an Position index zurück int size() Anzahl der Elemente Object toarray() Gibt Vector-Inhalt als Array zurück Seite 38

39 VectorTest.java import java.util.vector; class Katze{ String name; Katze(String name){this.name=name;; class Ball{ String farbe; Ball(String color){this.farbe=color;; public class VectorTest { public static void main(string[] args) { Typecast Pflicht, da tatsächlicher Typ»vergessen«wurde Vector v = new Vector(); v.addelement(new Katze("Mung")); v.addelement(new Ball("rot")); for (int i=0; i<v.size(); i++ ) { if ( v.elementat(i) instanceof Katze ){ System.out.println(( (Katze)v.elementAt(i) ).name); else if ( v.elementat(i) instanceof Ball ){ System.out.println(( (Ball)v.elementAt(i) ).farbe); else { System.out.println("Unknown Type"); ; Kann ohne Überpfrüfung zum Laufzeitfehler führen, falls es keine Katze/kein Ball ist Seite 39

40 Organisatorisches Klausur Datum:11. Januar 2007 Zeit: 14 Uhr 16 Uhr Raum: LB 107 Seite 40 Testat Bereitstellung in der letzten Sitzung (Februar) Bearbeitungszeit: 2 Wochen Täuschungsversuche unerwünscht Täter und Opfer erhalten 0 Punkte