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2 1 Programming in the Large versus Programming in the Small (Titel einer bekannten Publikation von DeRemer und Kron, 1974) Programming in the Large ist die Entwicklung von Software(-Systemen), d.h. die Lösung der organisatorischen Probleme, die Analyse und Spezifikation, die Festlegung der Architektur, die Prüfung der Resultate, die Qualitätssicherung Programming in the Small ist die Programmierung (wobei es eine erhebliche Überlappung gibt, vor allem bei der Architektur und bei der Prüfung). Beides ist wichtig! 3 Die Abstraktion von führt zu Binärzahlen und -Codes Assembler-Sprachen speziellen Rechnerstrukturen Hochsprachen speziellen Operationen Funktionsprozeduren X Typen Generische Einheiten X der Datenimplementierung Kapselung, Information Hiding X der Typimplementierung ADTen X ähnlicher Datentypen Varianten-Records X ähnlicher Operationen Overloading X In der objektorientierten Programmierung werden einige dieser Konzepte zusammengefasst (X) und durch ein neues Konzept, die sogenannte Vererbung, ergänzt. Die Vererbung dient dazu, eine neue Klasse (einen neuen ADT) auf der Basis einer bereits definierten Klasse (eines bereits definierten ADTs) zu definieren. Konzepte der objektorientierten Programmierung Zu Beginn der Informatik (d.h. etwa 1950) war die Programmierung dann gut, wenn sie möglichst effizienten Gebrauch von der (sehr schwachen) Rechnerleistung machte. Im Laufe der Zeit wuchs die Leistung der Rechner dramatisch. Damit war es möglich und sinnvoll, die Belastung des Rechners zu Gunsten des Programmierers zu erhöhen. Die Programmierer erhielten durch die Entwicklung neuer Konstrukte immer mächtigere Konzepte, um komplexe Sachverhalte knapp und (relativ) sicher auszudrücken. Ahnentafel der objektorientierten PSn (extrem vereinfacht) FORTRAN LISP Assembler -Sprachen ADA 83 ALGOL60 PASCAL SIMULA 67 MODULA ALGOL68 BCPL C EIFFEL OBERON SMALLTALK-80 C++ ADA 95 JAVA C#

3 5 Der Paradigmen-Wechsel von der imperativen zur objektorientierten Programmierung Zu Beginn der Entwicklung waren die Programme imperativ, d.h. sie bestanden vor allem aus Befehlen (aus dem Befehlssatz des Rechners). Die Daten spielten eine untergeordnete Rolle. Und sie waren völlig passiv: Datenverarbeitung, d.h. die Daten werden verarbeitet. Im Laufe der Entwicklung verschob sich die Aufmerksamkeit hin zu den Daten. Die Daten wurden als die eigentlichen Gegenstände der Programmierung erkannt, als Objekte. Diese Veränderung löste einen Paradigmenwechsel aus: Das Bild vom Programm schlug um. Heute dominiert das objektorientierte Paradigma, weil es einige Vorteile hat. 7 Objektorientierung: Terminologie und Bewertung Merkmale der Objektorientierung Objekte, Botschaften, Klassen, Vererbung Differenzierungen des Begriffs objektorientierte Programmiersprache Objekte Klassen Vererb. Beispiele Objekt-basiert X ADA, MODULA Klassen-basiert X X CLU objektorientiert X X X SMALLTALK nach: Wegner, P. (1987): Dimensions of object-based language design.oopsla'87 Proceedings, afcet, Paris, Der Paradigmenwechsel zur objektorientierten Programmierung Assemblerprogramm: Imperativ, Daten passiv, unauffällig Pascal-Programm:Daten und Datenstrukturen sind deklariert Ada-Package: Mehrere Prozeduren verwalten eine Datenstruktur Smalltalk-80-Klasse: Die Objekte (Daten) treten in den Vordergrund, Methoden (Prozeduren) sind den Objekten untergeordnet 8 Vorteile der objektorientierten Programmierung Imperative Programmierung: Befehlen + Ausführen = zentralistisches Konzept (Kopf und Glieder) oo Programmierung: Dezentrale Entscheidung und Ausführung (Termitenhaufen) Typisch: Simulation komplexer, nicht zentral gesteuerter Systeme Beispiel: Transportsysteme mit vielen und verschiedenen Transportmitteln, die unabhängig voneinander agieren, aber Waren austauschen.

4 Die objektorientierte Programmierung bringt als Vorteile mit sich: durch Objekte! Kapselung sehr leicht gemacht, praktisch erzwungen. durch Botschaften! Autonomie der Objekte (nicht die Botschaft bestimmt die spezielle Methode, sondern das Objekt durch seine Klasse) durch Klassen! wie beim ADT die Verallgem. des Information Hiding auf Typen Die Bedeutung der Vererbung Die Vererbung ist faktisch ein technisches Konzept: Y erbt von X bedeutet: Klasse Y wird auf der Basis der Klasse X definiert. In Y gilt also alles, was in X gilt (und was nicht in Y widerrufen wurde). Achtung: Mit den beiden üblichen Bedeutungen des Vererbens hat die Vererbung nichts zu tun, das Wort ist irreführend. Die Vererbung kann unterschiedlich eingesetzt werden; die beiden wichtigsten Verwendungen sind: rein technisch: als elegante Form der Code-Wiederverwendung abstrakt: als Ausdruck der Verfeinerung, Spezialisierung 9 durch Vererbung! Übernahme statt Neuschöpfung od. Ausklammern gleicher Teile 11 Die rein technische Interpretation führt zu schwer verständlichen Programmstrukturen. Sinnvoll ist darum nur die abstrakte Interpretation: Ein Objekt der Klasse Y ist auch ein Objekt der Klasse X. In der Terminologie der Syntax begegnen uns die Begriffe Subjekt und Objekt: Satzteil Subjekt Prädikat Objekt Funktion aktiv Handlung passiv Beispiele Maus / Prozessor frisst / verarbeitet den Käse / Daten Das Subjekt ist also jeweils der handelnde Teil, das Objekt ist der betroffene Teil. Daten waren in der imperativen Programmierung passiv, also Objekte. Das ändert sich in der objektorientierten Programmierung. Das Wort oo ist also paradox, denn indem die Objekte Autonomie erlangen, werden sie selbst Subjekte, d.h. das Zugrundeliegende. Ding und Begriff Ding Gegenstand (Objekt) Dieses Stück Kreide Dieser Raum Stuttgart, BRD Rainer Schmidberger Die Beispiele zeigen: Begriff Art, Gattung, Typ (Class) Kreide, ein Stück Kreide Hörsaal Großstadt, Landeshauptstadt Mitarbeiter, Mann, Deutscher, Europäer Ein Ding braucht einen Namen oder muss gezeigt werden. Der Übergang Ding Begriff ist fließend. z.b.: " genau 1 Ding! Ding = Begriff, oder pars pro toto (Repräsentant): Der Hund hat wieder gebellt. Der Hund stammt vom Wolf ab Das Auto hat die Welt verändert.

5 13 Aussagen über Dinge Ding: ist eindeutig (im Sinne der Identität), hat unveränderliche und veränderliche Merkmale, hat eine (i.a. begrenzte) Existenzdauer, steht in Beziehungen und Wechselwirkungen mit anderen Dingen, kann aktiv sein (oder nur passiv). Zu den Merkmalen (i.d.r. den unveränderlichen) zählt die Fähigkeit des Objekts, auf Botschaften einer bestimmten Art zu reagieren. (Zugrundeliegendes Modell: diskrete, d.h. klar abgegrenzte Dinge, charakterisiert durch ebensolche Merkmale. Beziehungen # Dinge) Wenn mehrere Dinge in den (oder den wesentlichen) unveränderlichen Merkmalen übereinstimmen, entsteht durch Abstraktion von der Identität, allgemeiner: von den variablen Merkmalen, ein Begriff. 15 Beispiel konkret Motor Nr.... >> Auto mit Kennz. S-... Auto mit Kennz. S-... >=> Tankstelle XY Auto S-... > > Auto KA-... auf Begriffe übertragen Motor >> Auto Auto >=> Tankstelle Auto > > Auto Beziehungen lassen sich auf die Begriffe verallgemeinern. Motor >> Auto bedeutet: M 1 $ Motor % A 1 $ Auto! M 1» A 1 ist möglich! Folgerungen für die OOP und ihre Terminologie Aus historischen Gründen (Smalltalk) sind folgende Bezeichnungen üblich: Ding = Object & Begriff = Class inherits ( erbt ) >> = >=> uses ( benutzt ) > > sends message to ( schickt Botschaft an ) 14 Beziehungen zwischen Dingen und zwischen Begriffen Begriff kann bedeuten: Abstraktion: Holz arbeitet. (Aussage über alle Dinge $ Holz) Unbestimmtheit: Der Griff ist aus Holz. (Satz über 1 Ding $ Holz) Umschreibung: Er fällte eine Eiche und schnitt das Holz in Bretter. Gegenstand: Holz steht im Lexikon vor Metall. Begriffe können in Beziehung stehen: B2 & B1 Eichenholz & Holz d.h. B2 ist Teilmenge (Spezialisierung) von B1. d.h. Eichenholz ( Holz Dinge können in Beziehung stehen: a) D1 >> D2 D1 ist Teil von D2 b) D1 >=> D2 D1 benutzt D2 c) D1 > > D2 D1 kommuniziert mit D2, wirkt auf D2 ein 16 Beispiel für eine Klassenhierarchie, Mehrfachvererbung Druckerzeugnis ' Buch ' Fachbuch ' ' Informatik-Buch Tagungsband ' ' Mehrfachvererbung Informatik-Tagungsband Nicht-strenge Vererbung: Form kann nur bei Druckerzeugnis frei gewählt werden. Autor kann beim Tagungsband nicht gesetzt werden. Mehrfachvererbung darf nicht zu inkonsistenten Aussagen führen. In JAVA ist sie eingeschränkt durch die sog. Interfaces.

6 17 Beispiel : Verwaltung von Kunden und Lieferanten Imperative Programmierung Beim 2. Versuch, die Ausgabe der Adressen zu schreiben, fällt die Ähnlichkeit der beiden Programmteile auf.! Datenstruktur Adresse vereinheitlichen, die Ausgabeprozedur dazu ausklammern. oop Gemeinsames frühzeitig identifizieren, Klassenhierarchie bilden (Deduktion statt Induktion). z.b. Adressat hier ist die Adresse zugeordnet ' ' Kunde Lieferant Wesentliche Unterschiede zur imperativen Programmierung: ) Gemeinsames kommt vor dem Speziellen ) Die Lösung bleibt für weitere Spezialisierungen offen. Das erfordert auch ein anderes Vorgehen bei der Analyse! 19 Beispiel: Wir betrachten als Klassen A: n-ecke (alle Punkte verschieden) B: 4-Ecke C: Rechtecke D: Quadrate E: Strecken (mit verschiedenen Endpunkten) F: Punkte a) (Spezialfall) D! C! B! A b) (Teilmenge) wie a c) (kann mindestens so viel wie) keine Unterschiede zwischen A, B, C, D bzgl. sich zeichnen, Fläche oder Umfang angeben. aber: D + C können Mittelpunkt angeben, B können Seiten auf verschiedene Werte gesetzt werden. außerdem: D! E! F (nicht umgekehrt) d) (alle oder mehr Merkmale) A! B! C! D! E! F e) (enthält) A! E! F " B! E " C! E " D! E Verwendungen des Vererbungsbegriffs Zwischen B1 und B2 bestehe die Vererbungsbeziehung: B1! B2 Achtung, nach gängiger Praxis erbt hier B1 von B2, nicht umgekehrt! Mögliche Interpretationen dafür sind: a) B1 ist Spezialfall von B2 b) B1 ist Teilmenge von B2 c) Objekte "B1 können soviel wie Objekte " B2 können, und noch mehr. d) Objekte "B1 haben mehr Merkmale als Objekte " B2 e) Objekte " B1 enthalten Objekte " B2 Welche Interpretation für Vererbung ist sinnvoll? Antwort 1: Das ist Geschmackssache Antwort 2: Wir sind zusammen mit vielen anderen Leuten der Meinung, dass die Beziehung erbt von am sinnvollsten zu beschreiben ist durch die Begriffsbeziehung is a (ist ein oder ist eine). Das bedeutet: Wir verwenden die Definition a (= b) Probleme bei der Umsetzung in Programme: Die Programmiersprachen bieten tatsächlich die Beziehungen c und d an (Typerweiterung). Damit lässt sich sehr gut darstellen: Aber nicht: Ein Student ist eine Person. Ein Quadrat ist ein Rechteck