CS1005 Objektorientierte Programmierung

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1 CS1005 Objektorientierte Programmierung Bachelor of Science (Informatik) Objektorientierung I : Statische Klassen Statische Aspekte (Modularisierung) Dynamische Aspekte (Klassen-Objekte) Seite 1 Th Letschert

2 Modularisierung Modularisierung Nach dem Vorbild der Ingenieurwissenschaften (speziell der Elektrotechnik) wird der Quelltext komplexer Software in Module aufgeteilt. Fortschritt in der Softwaretechnik: Zunehmend komplexere Antworten auf die Frage: Was ist ein Software-Modul? Begriff Modul Ursprünglich Maßeinheit / Größe standardisierter Bauteile von Gebäuden später Bezeichnung dieser Bauteile selbst 1950er: Bezeichnung standardisierter Bauteile in der Elektronik nach dem Vorbild der Bautechnik Modul: Standardisiertes austauschbares Bauelement 1970er: Übernahme der Idee und des Begriffs standardisierter Bauteile in die Informatik Modul: Code-Komponente mit definierter Schnittstelle und austauschbarer Implementierung 2000er: Übernahme der Idee und des Begriffs standardisierter Bauteile in die höhere Ausbildung (Lehrveranstaltungen als Module ) Seite 2

3 Modularisierung Funktionen: Erste Modularisierungs-Techniken Unterprogramm-Technik Identischen Programmcode durch Sprünge wiederverwenden Funktionen / Prozeduren Wiederverwendbarer Programmcode mit Parametern (Eingangswerten) Lokale Variablen, lokalem Algorithmus Ergebnis (Rückgabewert) Seite 3

4 Modularisierung Module bestehen klar erkennbar aus Schnittstelle Von außen zugreifbarer Teil der Funktionalität zur Verfügung stellt Implementierung Interner Mechanismus der die Funktionalität realisiert Geheimnisprinzip (Information Hiding Principle) Der Schnittstellen-Anteil soll so groß wie nötig sein. Der Implementierungsanteil soll so groß wie möglich sein. Ein Modul soll möglichst viel zu seinem Geheimnis machen. Schnittstelle ImplemenImplementierung tierung Anwender: ist froh über alles was er nicht wissen muss, wenn er das Bauteil verwenden will. Entwickler: ist froh über alles, auf das der Anwender nicht zugreifen kann: es kann ohne Rücksprache ersetzt werden. Seite 4

5 Modularisierung mit Funktionen Funktionsdefinitionen als Module: Schnittstelle und Implementierung /* * Sortiere eine Liste * Eingabe l: Liste vergleichbarer Daten * Ergebnis: Liste in sortierter Form, aufsteigende Reihenfolge */ Schnittstelle void sort(int[] a) for (int i=0; i<a.length; i++) { for (int j=i+1; j<a.length; j++) { if (a[i] > a[j]) { int t = a[i]; a[i] = a[j]; a[j] = t; Implementierung Seite 5

6 Modularisierung mit Funktionen Statik vs Dynamik Statik Alles was sich auf den Quelltext des Programms bezieht, Alles was vor Programmstart mit dem Programmtext passiert Dynamik Alles was sich auf die Ausführung des Programms bezieht, Alles was zur Laufzeit des Programms passiert. Statik und Dynamik bei Funktionen Statik Funktionsdefinition im Quelltext Dynamik Funktionsinstanz (Stack-Frame) zur Laufzeit Seite 6

7 Modularisierung mit Funktionen Statik und Dynamik bei Funktionen Funktion statischer Aspekt (Modularisierung) dynamischer Aspekt Funktionsinstanz Funktionsdefinition package beispiele; Aufrufe public class Funktionen { private Funktionen() { private static int f(int x, int y) { return 2*x + y; public static void main(string[] args) { int a = 1; int b = 2; System.out.println(f(1, a+b)); 1 x 3 y Funktionsinstanz (Stackframe) des laufenden Aufrufs von f 1 a 2 Funktionsinstanz (Stackframe) des laufenden Aufrufs von main b Stack Seite 7

8 Modularisierung mit Klassen Klasse Klassen sind ein Modularisierungskonstrukt : mit ihnen kann der Quellcode strukturiert werden package rechnen; Struktur: 2 Funktionen und 2 Klassen public class Rechnen { private Rechnen() { Alternative Struktur I public static double div(int x, int y) { if(y == 0) { return Double.MAX_VALUE; else { return ((double) x) / ((double) y); 2 Funktionen und 1 Klasse Alternative Struktur II 1 Funktionen und 1 Klasse package rechnen; public class RechnenUI { private RechnenUI() { public static void main(string[] args) { Scanner scanner = new Scanner(System.in); int x1 = scanner.nextint(); int x2 = scanner.nextint(); System.out.println(Rechnen.div(x1, x2)); scanner.close(); Warum 2 Klassen und 2 Funktionen? Vorteil, Nachteil? Seite 8

9 Modularisierung mit Klassen Klasse Klassen sind ein Modularisierungskonstrukt : sie haben eine Schnittstelle und eine Implementierung /** * Sammlung zahlenteheoretischer Funktionen die niemand braucht. Karl Napp */ public class Zahlentheorie { Schnittstelle /** * Berechnet den ggt von zwei Werten grösser Null. x erstes Argument y zweites Argument groesster gemeinsamer Teiler von x und y IllegalArgumentException falls x<=0 oder y <= 0 */ Implementierung public static int ggt(int x, int y) { if (x <= 0 y <= 0) throw new IllegalArgumentException(); return (x==y)? x : ggt(max(x,y)-min(x,y), min(x,y)); /** * Berechnet das kleinste gemeinsame Vielfache von zwei Werten > Null. x der erste Parameter y der zweite Parameter kleines gemeinsames Vielfache von x und y IllegalArgumentException falls x<=0 oder y <= 0 */ public static int kgv(int x, int y) { if (x <= 0 y <= 0) throw new IllegalArgumentException(); return x*y/ggt(x,y); private static int max(int x, int y) { return x>y?x:y; private static int min(int x, int y) { return x<y?x:y; Seite 9

10 Modularisierung mit Klassen Modularisierung mit Klassen Klassen kapseln (d.h. machen zu einem Modul) Dinge die inhaltlich zusammen gehören: Funktionen mit einem Themenbereich oder Daten und dazugehörigen Operationen Klassen trennen Schnittstelle und Implementierung Schnittstelle: public von außen (anderem Code) benutzbar Implementierung: private von aussen unzugängliche Interna Die Modularisieren führt zu einer besseren Organisation des Codes Entwicklung (klare Zuständigkeiten) Test und Wartung (abgegrenzte Funktionalitäten) werden erleichtert Seite 10

11 Modularisierung mit Klassen Klassen: Können und Wissen Klassen kapseln 1. Funktionen mit einem Themenbereich oder 2. Daten und dazugehörigen Operationen package zahlentheorie; Beispiel: Klasse mit zahlentheoretischen Funktionen public class ZahlenFunktionen { public static int ggt(int x, int y) { return (x==y)? x : ggt(max(x,y)-min(x,y), min(x,y)); public static int kgv(int x, int y) { return x*y/ggt(x,y); private static int max(int x, int y) { return x>y?x:y; private static int min(int x, int y) { return x<y?x:y; Seite 11

12 Modularisierung mit Klassen Klassen: Können und Wissen Klassen kapseln 1. Funktionen mit einem Themenbereich oder 2. Daten und dazugehörigen Operationen public class TelefonVerzeichnis { Beispiel: private Telefonverzeichnis() { private static String[] allenamen = new String[10]; private static int[] allenr = new int[10]; private static int letzterindex = -1; Telefonverzeichnis als Klasse. public static void eintrage(string name, int nr) { letzterindex = letzterindex+1; allenamen[letzterindex] = name; allenr[letzterindex] = nr; TelefonVerzeichnis.eintrage("Hugo", 4711); TelefonVerzeichnis.eintrage("Karla", 8150); public static int suche(string name) { for (int i=0; i<=letzterindex; i++) { if (name == allenamen[i]) { return allenr[i]; return -1; System.out.println(TelefonVerzeichnis.suche("Hugo")); System.out.println(TelefonVerzeichnis.suche("Karla")); Nutzung des Telefonverz. Aufgabe: Analysieren Sie den Code des Beispiels: Was passiert beispielsweise bei einem Eintrag und was, wenn das Verzeichnis voll ist? Seite 12

13 Modularisierung mit Klassen Klassen: Sichtbarkeits-Modifizierer Sichtbarkeits-Modifizierer einer Klasse class C { Die Klasse C kann nur in Klassen des gleichen Pakets verwendet werden. public class C { Die Klasse C kann in jeder anderen Klasse verwendet werden. Sichtbarkeits-Modifizierer einer Klasse-Komponente [public] class C { private x x kann nur in der Klasse C verwendet werden. [public] class C { x x kann nur in der Klassen des gleichen Pakets verwendet werden. [public] class C { public x x kann in der Klassen verwendet werden, die Zugriff auf C haben. Seite 13

14 Modularisierung mit Klassen Klassen: Code um Kompetenzbereiche organisieren! public class TelefonBuchAnwendung { static String[] allenamen = new String[100]; static int[] allenr = new int[100]; static int letzterindex = -1; static void eintrage(string name, int nr) { letzterindex = letzterindex+1; allenamen[letzterindex] = name; allenr[letzterindex] = nr; static int suche(string name) { for (int i=0; i<=letzterindex; i++) { if (name == allenamen[i]) { return allenr[i]; return -1; public static void main(string args[]) { eintrage("hugo", 4711); eintrage("karla", 8150); System.out.println(suche("Hugo")); System.out.println(suche("Karla")); Das ist Mist Warum? Seite 14

15 Modularisierung mit Klassen Klassen: Code um Kompetenzbereiche organisieren! public class TelefonBuchAnwendung { static String[] allenamen = new String[100]; static int[] allenr = new int[100]; static int letzterindex = -1; static void eintrage(string name, int nr) { letzterindex = letzterindex+1; allenamen[letzterindex] = name; allenr[letzterindex] = nr; Verwaltung von Namen und Nummern static int suche(string name) { for (int i=0; i<=letzterindex; i++) { if (name == allenamen[i]) { return allenr[i]; return -1; public static void main(string args[]) { eintrage("hugo", 4711); eintrage("karla", 8150); System.out.println(suche("Hugo")); System.out.println(suche("Karla")); Kompentenzbereiche Kommunikation mit dem Endbenutzer Seite 15

16 Modularisierung mit Klassen Klassen: Code um Kompetenzbereiche organisieren!? Das ist gut Warum? Seite 16

17 Klassen Dynamik Statik und Dynamik bei Klassen Statik Klassendefinition im Quelltext Dynamik Klassen-Instanz (Objekt) zur Laufzeit Seite 17

18 Klassen Dynamik Statik und Dynamik bei Klassen Klasse statischer Aspekt (Modularisierung) dynamischer Aspekt Klasseninstanz (Klassen-Objekt) Klassendefinition public class TelefonVerzeichnis { private TelefonVerzeichnis() { private static String[] allenamen = new String[10]; private static int[] allenr = new int[10]; private static int letzterindex = -1; public static void eintrage(string name, int nr) { letzterindex = letzterindex+1; allenamen[letzterindex] = name; allenr[letzterindex] = nr; public static int suche(string name) { for (int i=0; i<=letzterindex; i++) { if (name == allenamen[i]) { return allenr[i]; return -1; Klassen-Objekt TelefonVerzeichnis -1 letzterindex allenr allenamen Heap Seite 18

19 public class TelefonVerzeichnis { private TelefonVerzeichnis() { Klassen Dynamik private static String[] allenamen = new String[10]; private static int[] allenr = new int[10]; private static int letzterindex = -1; Das Klassen-Objekt public static void eintrage(string name, int nr) {... ist ein Repräsentant der Klasse zur Laufzeit Es wird im Speicher angelegt In einem Bereich der Heap genannt wird public static int suche(string name) { for (int i=0; i<=letzterindex; i++) { if (name == allenamen[i]) { return allenr[i]; return -1; Stack und Heap Stack: Der Speicherbereich für aktive Funktionsinstanzen Heap: Der Speicherbereich für aktive (Klassen-) Instanzen (Objekte) TelefonVerzeichnis.eintrage("Hugo", 4711); TelefonVerzeichnis.eintrage("Karla", 8150); System.out.println(TelefonVerzeichnis.suche("Hugo")); System.out.println(TelefonVerzeichnis.suche("Karla")); Stack name Klassen-Objekt TelefonVerzeichnis Karla Funktionsinstanz (Stackframe) des 2-ten Aufrufs von Telefonverzeichnis.suche Funktionsinstanz (Stackframe) des laufenden Aufrufs von main letzterindex allenr allenamen Seite eintrag e(strin g name, int nr) suche(s tring name) Hugo Karla Heap...

20 Klassen Dynamik Das Klassen-Objekt ist ein Repräsentant der Klasse zur Laufzeit Es wird im Speicher angelegt In einem Bereich der Heap genannt wird Es enthält: Den Code jeder Methode der Klasse (statisch oder nicht) alle statischen Variablen der Klasse (engl. static field) Hugo letzterindex allenr allenamen Karla... Klassen-Objekt TelefonVerzeichnis public static void eintrage(string name, int nr) {... public static int suche(string name) {... Seite 20 Heap

21 Klassen Dynamik Zugriff auf das Klassen-Objekt Zugriff auf Bestandteile des Klassenobjekts KlassenName. NameDerStatischenVariable KlassenName. NameDerStatischenMethode Zugriff auf das gesamte Klassenobjekt KlassenName. class Seite 21

22 Klassen Dynamik Zugriff auf das Klassen-Objekt Beispiel: package telefonverzeichnis; import java.lang.reflect.field; import java.lang.reflect.method; public class TelefonVZUI { public static void main(string[] args) { direkter Zugriff auf Komponenten des Klassenobjekts TelefonVerzeichnis.eintrage("Hugo", 4711); TelefonVerzeichnis.eintrage("Karla", 8150); System.out.println(TelefonVerzeichnis.suche("Hugo")); System.out.println(TelefonVerzeichnis.suche("Karla")); System.out.println(TelefonVerzeichnis.class); Zugriff auf das Klassen-Objekt insgesamt System.out.println("Die Variablen von TelefonVerzeichnis: "); for (Field f : TelefonVerzeichnis.class.getDeclaredFields()) { System.out.println(" " + f); System.out.println(); System.out.println("Die Methoden von TelefonVerzeichnis: "); for (Method m : TelefonVerzeichnis.class.getDeclaredMethods()) { System.out.println(" " + m); Zugriff auf Komponenten des Klassen-Objekts über das Klassenobjekt insgesamt System.out.println(TelefonVZUI.class); System.out.println("Die Variablen von TelefonVZUI: "); for (Field f : TelefonVZUI.class.getDeclaredFields()) { System.out.println(" " + f); System.out.println(); System.out.println("Die Methoden von TelefonVZUI: "); for (Method m : TelefonVZUI.class.getDeclaredMethods()) { System.out.println(" " + m); Seite 22

23 Klassen Dynamik Zugriff auf das Klassen-Objekt Beispiel: System.out.println(TelefonVerzeichnis.suche("Hugo")); System.out.println(TelefonVerzeichnis.suche("Karla")); System.out.println(TelefonVerzeichnis.class); System.out.println("Die Variablen von TelefonVerzeichnis: "); for (Field f : TelefonVerzeichnis.class.getDeclaredFields()) { System.out.println(" " + f); class telefonverzeichnis.telefonverzeichnis Die Variablen von TelefonVerzeichnis: private static java.lang.string[] telefonverzeichnis.telefonverzeichnis.allenamen private static int[] telefonverzeichnis.telefonverzeichnis.allenr private static int telefonverzeichnis.telefonverzeichnis.letzterindex Die Methoden von TelefonVerzeichnis: public static void telefonverzeichnis.telefonverzeichnis.eintrage(java.lang.string,int) public static int telefonverzeichnis.telefonverzeichnis.suche(java.lang.string) class telefonverzeichnis.telefonvzui Die Variablen von TelefonVZUI: Die Methoden von TelefonVZUI: public static void telefonverzeichnis.telefonvzui.main(java.lang.string[]) Seite 23

24 Statische / Nicht-Statische Klassen Zwei Arten von Klassen Statische Klassen enthalten nur statische Komponenten (Methoden / Variablen) zur Laufzeit wird nur das Klassen-Objekt erzeugt Nicht statische Klassen enthalten auch oder nur nicht-statische Komponenten (Methoden / Variablen) zur Laufzeit wird das Klassen-Objekt erzeugt und dazu eventuell noch weitere Objekte Seite 24

25 Klassen Rückblick Klassen statische Aspekte Mit Klassen wird die Struktur des Quellcodes verbessert Sie erlauben es Schnittstelle und Implementierung zu trennen (Modularisierung) Code in Form von Kompetenz-Feldern mit Können und Wissen zu organisieren Klassen dynamische Aspekte Klassen werden zur Laufzeit durch Instanzen (Objekte) repräsentiert Jede Klasse hat ein Klassenobjekte mit den Daten Methoden der Klasse Nicht-Statische Klassen können darüber hinaus noch weitere Objekte erzeugen Seite 25