Institut fu r Informatik

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1 Technische Universita t Mu nchen Institut fu r Informatik Lehrstuhl fu r Bioinformatik Einfu hrung in die Programmierung fu r Bioinformatiker Prof. B. Rost, L. Richter WS 2013/14 Aufgabenblatt 6 9. Dezember Vererbung, Generische Datentypen 6.1 (U ) Einfu hrungsbeispiel: Vererbung (a) Stellen Sie sich Klassen als Repra sentationen von Autos, Zu gen, Schiffen und Flugzeugen vor: Wie ko nnten diese Klassen aussehen? Welche Attribute haben sie? Welche Unterschiede und Gemeinsamkeiten erkennen Sie? (b) Wie lassen sich Redundanzen in den besprochenen Beispiel-Klassen vermeiden? Unter welchem U berbegriff lassen sie sich zusammenfassen? (c) Wie funktioniert die Umsetzung dieser U berlegungen mittels des Vererbungs-Konzepts von Java? Was ist eine Superklasse? (d) Wie kann ausgedru ckt werden, dass die Superklasse wie im besprochenen Beispiel lediglich eine allgemeine Abstraktion ist, von der keine konkreten Instanzen erzeugt werden ko nnen? (e) Ko nnen Sie eine weitere Hierarchie-Ebene hinzufu gen, indem Sie Klassen unter einem U berbegriff zusammenfassen? Wie repra sentieren Sie diesen U berbegriff? (f) Mu ssen der Typ einer Objektreferenz (also der Typ der entsprechend deklarierten Variable) und der Typ des jeweils referenzierten Objekts identisch sein? Bsp.: Vehicle v = new Car(); (g) Was bedeuten die Begriffe statischer bzw. dynamischer Typ? (h) Welche Funktion hat der instanceof-operator? Benutzen Sie das bereitgestellte NetBeansProjekt VehicleTest, um den Operator anhand der Klassenhierarchie wie im obigen Beispiel auszuprobieren. (i) Was sind explizite Typecasts? Probieren Sie auch diese im NetBeans-Projekt VehicleTest aus. (j) Welche der folgenden Zuweisungen und Casts sind mo glich? Vehicle v1 = new Ship (); Car c1 = new LandCraft (); LandCraft l1 = new LandCraft (); LandCraft l2 = new Car (); Car c2 = ( Car ) l2 ; Vehicle v2 = new Car (); 1

2 Plane p1 = ( Plane ) v2; Ship s1 = new Ship (); Vehicle v3 = ( Vehicle ) s1; (k) Gibt es in Java eine spezielle Klasse, von der alle Klassen automatisch erben, auch wenn dies nicht explizit angegeben ist? 6.2 (Ü) Fragen zu Interfaces (a) Was versteht man in Java unter einem Interface? Worin besteht der Unterschied zu abstrakten Klassen? (b) Überlegen Sie sich, wie ein solches Interface für einen Stack bzw. eine Queue zum Speichern von ganzen Zahlen aussehen würde. (c) Wie gibt man in Java an, dass eine Klasse ein solches Interface implementiert? (d) Wie müssen die im Interface deklarierten Methoden in einer Klasse implementiert werden? Welche Rolle spielt in diesem Zusammenhang das (e) Kann eine Klasse mehrere Interface implementieren? Kann eine Klasse analog dazu von mehreren Superklassen erben? (f) Kann ein Interface als Datentyp für Variablen und Parameter verwendet werden? 6.3 (Ü) Benutzung von API Interfaces Interfaces finden in APIs häufig Verwendung, so auch in der Java-Standardbibliothek. Beispielsweise wird dort das Interface Comparable spezifiert, um beliebige Objekte sinnvoll miteinander vergleichen zu können. Sie sollen im Folgenden das NetBeans-Projekt SortComparables erweitern, das zum Sortieren eines Arrays von Comparable-Referenzen die statische Methode Sort.quickSort bereitstellt. (a) Diskutieren Sie zunächst das gegebene Beispiel in der main-methode der Klasse SortComparables: Was wird hier sortiert? Nach welchem Schema werden Strings im Allgemeinen sortiert? (b) Mit Hilfe des Interfaces Comparable ist es u.a. möglich, Instanzen beliebiger Klasse, die dieses Interface entsprechend der Spezifikation implementieren, zu sortieren. Lesen Sie die originale Spezifikation des Interfaces Comparable unter durch. 1 Welche Fälle können beim Vergleich zweier Objekte miteinander eintreten? Was passiert, wenn die null-referenz übergeben wird? 1 Wir verweisen an dieser Stelle auf die Spezifikation der Version und nicht etwa auf aktuellere Versionen, da Sie zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Generics kennen. 2

3 Was passiert, wenn ein Objekt, das weder direkt noch indirekt von Friend abstammt, übergeben wird? Diskutieren Sie den Unterschied zwischen Referenz- und struktureller Gleichheit. (c) Versuchen Sie nun, eine Array von Objekten der Klasse Friend anzulegen und diese mit Hilfe von Sort.quickSort zu sortieren. Wieso funktioniert der Aufruf von Sort.quickSort nicht, obwohl die Klasse Friend über eine compareto-methode verfügt? Wieso können Sie dieser Funktion Referenzen auf Instanzen von Friend übergeben, obwohl Sie eine Referenz auf ein Object erwartet? Ändern Sie die Klasse Friend nun so ab, dass das Interface Comparable implementiert wird und versuchen Sie es erneut. 6.4 (Ü) Allgemeine Fragen zu Vererbung (a) Wieviele Ober- und wieviele Unterklassen kann eine Klasse haben? (b) Was sind abstrakte Methoden? Müssen Klassen, die abstrakte Methoden definieren, selbst abstrakt sein? (c) Was bedeutet Sichtbarkeit von Variablen bzw. Methoden? Welche Sichtbarkeiten gibt es in Java? Tragen Sie die zugehörigen Schlüsselworte sowie die daraus resultierenden Zugriffsberechtigungen in die folgende Tabelle ein. Schlüsselwort Klasse Package Erbende Klassen Global (d) Was bedeutet Overriding? Worin unterscheidet sich Overriding vom Overloading? (e) Können statische Methoden überschrieben werden? (f) Was bedeuten die Bezeichnungen statischer Typ bzw. dynamischer Typ einer Variablen oder eines Ausdrucks? 6.5 (Ü) Überschreiben und Überladen Das Identifizieren des dynamischen Typs ist äußerst wichtig, um entscheiden zu können, welcher Methodenrumpf zur Laufzeit wirklich ausgeführt wird. Um ihn zu ermitteln, muss (a) die Signatur S des konkreten Aufrufs bestimmt werden, d.h. der Name m der Methode sowie der statische Typ ihrer aktuellen Parameter. Der Rückgabetyp spielt dabei keine Rolle; (b) der statische Typ T des Objekts o bestimmt werden, auf das sich der Aufruf bezieht, d.h. der Typ der zugehörigen Variablen, 3

4 der Typ des Ausdrucks, von dem dereferenziert wird oder implizit der Typ des konkreten Objekts, auf dem der Aufruf stattfindet bei Verwendung von this; (c) in allen Klassen der Typhierarchie zwischen Object und T nach der Deklaration einer Methode m gesucht werden, deren Signatur kompatibel zu S und die am meisten spezialisiert ist. Die Signatur S dieser Methode m ist die Signatur der zur Laufzeit ausgeführten Methode; (d) nun noch in den Klassen der Typhierarchie zwischen Object und o nach der jüngsten Ausprägung einer Methode mit der Signatur S gesucht werden. Diese Methode ist diejenige, die zur Laufzeit ausgeführt wird. Bestimmen Sie für das folgende Programm, welche Methoden ausgeführt werden und was ausgegeben wird: c l a s s A { p u b l i c void somemethod ( ) { System. out. p r i n t l n ( A. somemethod ( ) ) ; p u b l i c void somemethod (A a ) { System. out. p r i n t l n ( A. somemethod (A a ) ) ; p u b l i c void somemethod (B b ) { System. out. p r i n t l n ( A. somemethod (B b ) ) ; p u b l i c A anothermethod ( ) { r e t u r n t h i s ; p u b l i c s t a t i c void somestaticmethod ( ) { System. out. p r i n t l n ( A. somestaticmethod ( ) ) ; c l a s s B extends A { p u b l i c void somemethod ( ) { System. out. p r i n t l n ( B. somemethod ( ) ) ; p u b l i c void somemethod (A a ) { System. out. p r i n t l n ( B. somemethod (A a ) ) ; p u b l i c B anothermethod ( ) { r e t u r n t h i s ; p u b l i c s t a t i c void somestaticmethod ( ) { System. out. p r i n t l n ( B. somestaticmethod ( ) ) ; c l a s s C extends A { p u b l i c void f o o (B b ) { ( (A) b ). somemethod ( super. anothermethod ( ) ) ; p u b l i c c l a s s ExampleOne { p u b l i c s t a t i c void main ( S t r i n g [ ] a r g s ) { A a = new A ( ) ; B b = new B ( ) ; a. somestaticmethod ( ) ; // 1 b. somestaticmethod ( ) ; // 2 ( (A) b ). somestaticmethod ( ) ; // 3 A. somestaticmethod ( ) ; // 4 B. somestaticmethod ( ) ; // 5 a. somemethod ( ) ; // 6 b. somemethod ( ) ; // 7 ( (A) b ). somemethod ( ) ; // 8 a. somemethod ( a ) ; // 9 a. somemethod ( b ) ; // 10 b. somemethod ( a ) ; // 11 b. somemethod ( b ) ; // 12 4

5 a. somemethod ( (A) b ) ; // 13 b. somemethod ( (A) b ) ; // 14 System. out. p r i n t l n ( a. anothermethod ( ) ) ; // 15 System. out. p r i n t l n ( b. anothermethod ( ) ) ; // 16 System. out. p r i n t l n ( ( ( A) b ). anothermethod ( ) ) ; // 17 System. out. p r i n t l n ( a. anothermethod ( ) i n s t a n c e o f A ) ; // 18 System. out. p r i n t l n ( a. anothermethod ( ) i n s t a n c e o f B ) ; // 19 System. out. p r i n t l n ( b. anothermethod ( ) i n s t a n c e o f A ) ; // 20 System. out. p r i n t l n ( b. anothermethod ( ) i n s t a n c e o f B ) ; // 21 (new C ( ) ). f o o ( b ) ; // (Ü) Adressbuch Nun soll ein komplexeres Adressbuch für verschiedene Arten von Einträgen als NetBeans-Projekt AddressBook erstellt werden. Dabei soll es folgende unterschiedliche Typen von Kontakten geben: Eine Firma (Company) hat einen Firmennamen und eine Homepage. Kollegen (Colleague) haben einen Vor- und Nachnamen, eine adresse sowie eine Raumnummer. Freunde (Friend) haben einen Vor- und Nachnamen, eine adresse sowie einen Geburtstag, der mit Hilfe der bereits vorhandenen Klasse Birthday repräsentiert wird. Sämtliche Kontakte leiten sich von der abstrakten Klasse AddressBookItem ab. Sehen Sie sich zunächst die Klassen Klassen AddressBookItem und Company an. (a) Was bedeutet implements Comparable? (b) Was bedeutet extends AddressBookItem? (c) Wieso ist AddressBookItem kein Interface? (d) Welche Methoden sind in der Klasse AddressBookItem sichtbar? (e) Welche Methoden sind in der Klasse Company sichtbar? Die Einträge des Adressbuches können in einem sortierten AddressBook gespeichert werden. (f) Fügen Sie einige Firmenkontakte in das Adressbuch ein: p u b l i c c l a s s TestAddressBook { p u b l i c s t a t i c void main ( S t r i n g [ ] a r g s ) { AddressBook book = new AddressBook ( ) ; book. addaddressbookitem ( new Company ( SUN, www. sun. com ) ) ; book. addaddressbookitem (new Company ( C a n o n i c a l Ltd., www. ubuntu. com ) ) ; book. addaddressbookitem ( new Company ( IBM, www. ibm. com ) ) ; System. out. p r i n t l n ( book ) ; (g) Sehen Sie sich die tostring-methode der Klasse AddressBook an und erklären Sie, wie sie funktioniert. 5

6 (h) Wieso wird anscheinend die tostring-methode der Klasse Company ausgeführt, obwohl hier doch der Typ der Elemente AddressBookItem ist? Erarbeiten Sie zusammen mit Ihrem Tutor eine geeignete Klassenhierarchie für Freunde und Kollegen. Fügen Sie an geeigneter Stelle eine weitere abstrakte Klasse in diese Hierarchie ein. (i) Implementieren Sie die benötigten Klassen. (j) Fügen Sie nun auch ein paar Kollegen und Freunde in Ihr Adressbuch ein: p u b l i c c l a s s TestAddressBook { p u b l i c s t a t i c void main ( S t r i n g [ ] a r g s ) { AddressBook book = new AddressBook ( ) ; book. addaddressbookitem ( new Company ( SUN, www. sun. com ) ) ; book. addaddressbookitem (new Company ( C a n o n i c a l Ltd., www. ubuntu. com ) ) ; book. addaddressbookitem ( new Company ( IBM, www. ibm. com ) ) ; book. addaddressbookitem ( new C o l l e a g u e ( K a r l, K o l l e g e, k a r k o l l e g e. de, ) ) ; book. addaddressbookitem ( new F r i e n d ( Paul, P r i v a t, p a u p r i v a t. de, new B i r t h d a y ( 2 4, 1 2, ) ) ) ; System. out. p r i n t l n ( book ) ; (k) Sehen Sie sich abschliessend nochmals die Methode AddressBook.toString() an und erklären Sie, wieso wann welche Implementierung der tostring-methode in der Schleife aufgerufen wird. 6.7 (Ü) Allgemeine Fragen zu generischen Datentypen (a) Was sind generische Datentypen? (b) Im NetBeans-Projekt Generics finden Sie die Quellcodes der Klassen StringItem und GenericItem, die jeweils einen Eintrag einer verketteten Liste von Strings bzw. eines generischen Typs darstellen. Wo liegen Unterschiede und Gemeinsamkeiten? StringItem.java: public class StringItem { private String content ; private StringItem next ; public StringItem ( String content, StringItem next ) { this. content = content ; this. next = next ; public StringItem getnext () { return next ; public void setnext ( StringItem next ) { this. next = next ; public String getcontent () { return content ; 6

7 GenericItem.java public class GenericItem <T > { private T content ; private GenericItem <T > next ; public GenericItem ( T content, GenericItem <T > next ) { this. content = content ; this. next = next ; public GenericItem <T > getnext () { return next ; public void setnext ( GenericItem <T > next ) { this. next = next ; public T getcontent () { return content ; (c) Ausserdem gibt es eine Klasse StringSinglyLinkedList, die intern mit StringItem- Objekten arbeitet. Entwickeln Sie zusammen mit Ihrem Tutor die Klasse GenericSinglyLinkedList, die anstelle des festgelegten Typens String mit generischen Typen T arbeitet. public class StringSinglyLinkedList { private StringItem first ; public void add ( String element ) { StringItem item = new StringItem ( element, null ); if ( first == null ) { first = item ; return ; StringItem curr = first ; while ( curr. getnext ()!= null ) { curr = curr. getnext (); curr. setnext ( item ); (d) Erweitern Sie die Klasse GenericSinglyLinkedList um die Methode boolean contains(t entry) die prüft, ob der übergebene Eintrag bereits in der Liste vorhanden ist. Wie können Sie die Objekt-Vergleiche durchführen, ohne zu wissen, von welchem Typ sie sind? (e) Wie instanziieren Sie nun eine auf String spezialisierte GenericSinglyLinkedList? Auf was müssen Sie achten, wenn Sie beispielsweise eine Liste mit ganzzahligen Werten anlegen möchten? (f) Erweitern Sie die Klasse GenericSinglyLinkedList um eine statische, generische Methode createfrom(s firstelement), die eine neue generische Liste vom Typ S zurückgibt, die 7

8 das übergebene Element enthält. Was ist hieran das Besondere? (g) Java stellt bereits eine große Menge generischer Collections zur Verfügung, so zum Beispiel: LinkedList<E> Queue<E> Stack<E> PriorityQueue<E> ArrayList<E> Beschreibungen dazu finden Sie unter Wie legt man einen auf Double spezialisierten Stack an? 6.8 (Ü) Generische Anwendung von Comparable Weiter oben haben Sie bereits Sie das nicht-generische Interface Comparable implementiert, das ein Objekt mit Objekten grundsätzlich beliebigen Typs vergleichbar macht. Für den (eigentlich relevanten) Vergleich mit Objekten desselben Typs musste zunächst ein expliziter Cast auf dem richtigem Klassentyp durchgeführt werden. (a) Lesen Sie zunächst die Spezifikation des generischen Interfaces Comparable: (b) Wie sähe die generische Implementierung der compareto-methode der Klasse Friend aus der Adressbuch-Aufgabe aus? (c) Worin liegt der Vorteil dieser generischen Variante? 8