2.2 Übersetzung objektorientierter Sprachkonstrukte

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1 2.2 Übersetzung objektorientierter Sprachkonstrukte Vorgehen: Sprachmittel objektorientierter Programmiersprachen Übersetzung anhand eines Beispiels Übersetzung von Klassen bei Einfachvererbung Problematik der Mehrfachvererbung, weitere Aspekte Sprachmittel objektorientierter Programmiersprachen Wir betrachten klassenbasierte Sprachen und verwenden als Beispielsprache Java. Wesentliche objektorientierte Sprachkonzepte sind: Klassen und Objekterzeugung Kapselung Subtyping und Vererbung dynamisches Binden von Methoden 85

2 Beispiel: (objektorientierte Sprachkonzepte) class Person { String name; int gebdatum; /* in der Form JJJJMMTT */ Person( String n, int gd ) { name = n; gebdatum = gd; public void drucken() { System.out.println("Name:"+ this.name); System.out.println("Geb:"+ this.gebdatum); boolean hat_geburtstag ( int datum ) { return (this.gebdatum%10000) == (datum%10000); class Student extends Person { int matrikelnr; int semester; Student(String n,int gd,int mnr,int sem) { super( n, gd ); matrikelnr = mnr; semester = sem; public void drucken() { super.drucken(); System.out.println( "Mnr:"+ matrikelnr); System.out.println( "Sem:" + semester); 86

3 class Test { public static void main( String[] argv ) { int i; Person[] pf = new Person[3]; pf[0] = new Person( "Meyer", ); pf[1] = new Student("M\"uller", ,758475,5); pf[2] = new Student("Planck", , ,47); for( i = 0; i<3; i = i+1 ) { pf[i].drucken(); Das Beispiel zeigt Klassen, Objekterzeugung, Vererbung (mit Subtyping und Spezialisierung) sowie dynamisches Binden von Methoden Umsetzung mit prozeduralen Sprachen Anhand des obigen Beispiels erläutern wir die grundlegenden Übersetzungsschemata: Klassen, Klassentypen Objekterzeugung Verbundtypen, Zeigertypen Allokation dyn. Variablen/Objekte Methoden, Konstruktoren Prozeduren dyn. Bindung Verwendung von Prozedurzeigern mit Selektion von Verbundkomponenten Als Zielsprache verwenden wir hier C. 87

4 Übersetzung der Typen und Methoden: Basisdatentypen von Java Basisdatentypen von z.b. int nach int boolean nach int ( typedef int boolean; ) Referenztypen von Java Zeigertypen von C z.b. String nach String* Person nach Person* wobei und in C geeignete Verbundtypen sind. Wir betrachten die Implementierung von : typedef struct sperson Person; struct sperson { String* name; int gebdatum; /* in der Form JJJJMMTT */ void (*drucken)( Person* ); boolean (*hat_geburtstag)( Person*, int ); ; Methoden werden als Prozeduren realisiert: void Person_drucken( Person* this ) { printf("name:%s\n", this->name ); printf("geb:%d\n",this->gebdatum); boolean Person_hat_geburtstag (Person* this,int datum){ return (this->gebdatum%10000)==(datum%10000); 88

5 Konstruktoren werden als Prozeduren realisiert: Person* PersonK( String* n, int gd ) { Person* this = (Person*) malloc( sizeof(person) ); this->name = n; this->gebdatum = gd; this->drucken = Person_drucken; this->hat_geburtstag = Person_hat_geburtstag; return this; Übersetzung von Vererbung/Spezialisierung: Bzgl. der Verbundkomponenten wird Vererbung im Wesentlichen durch Duplikation realisiert: typedef struct sstudent Student; struct sstudent { String* name; int gebdatum; /* in der Form JJJJMMTT */ void (*drucken)( Student* ); boolean (*hat_geburtstag)( Student*, int ); int matrikelnr; int semester; ; Zu beachten ist die notwendige Typanpassung beim impliziten Argument in der Unterklasse. 89

6 Bzgl. der Methoden lässt sich Vererbung ohne Codeduplikation umsetzen; die Methoden der Oberklasse lassen sich nach geeigneter Typkonvertierung unverändert verwenden: Student* StudentK (String* n,int gd,int mnr,int sem ) { Student* this = (Student*) malloc(sizeof(student)); this->name = n; this->gebdatum = gd; this->matrikelnr = mnr; this->semester = sem; this->drucken = Student_drucken; this->hat_geburtstag = (boolean(*)(student*,int)) Person_hat_geburtstag; return this; Spezialisierung wird durch zusätzliche Attribute (s.o.) und neue Prozeduren realisiert, die ggf. die überschriebenen Methoden aufrufen: void Student_drucken( Student* this ) { Person_drucken( (Person*)this ); printf("mnr:%d\n", this->matrikelnr ); printf("sem:%d\n", this->semester ); 90

7 Übersetzung von Objekterzeugung und Methodenaufruf: Objekterzeugung entspricht einem Konstruktoraufruf ; Methodenaufruf wird durch Selektion und Aufruf der zum Objekt gehörenden Methode realisiert. void main( String* argv[] ) { int i; Person* pf[3]; pf[0] = PersonK( "Meyer", ); pf[1] = (Person*) StudentK("M\"uller", ,758475,5); pf[2] = (Person*) StudentK("Planck", , ,47); for( i = 0; i<3; i = i+1 ) { pf[i]->drucken( pf[i] ); Zu beachten ist die doppelte Angabe des Zielobjekts beim Methodenaufruf. Dynamische Bindung wird also durch Verwendung von Prozedurzeigern erreicht. 91

8 Bemerkungen: Verbundkomponenten werden nicht vererbt und müssen bei jeder Unterklasse neu aufgeführt werden. keine Benutzung des Oberklassenkonstruktors explizite Typkonvertierung nötig Die direkten Zeiger auf die Methoden des Objekts verbrauchen unnötig viel Speicher (s.u.). Dynamische Methodenbindung benötigt nur eine Dereferenzierung, ist also fast so effizient wie ein normaler Prozeduraufruf Übersetzung von Klassen Klassen deklarieren: - Attribute (in Java fields genannt), - Konstruktoren, - Methoden. Im Folgenden gehen wir zunächst von einer Sprache aus, die wie Java nur Einfachvererbung unterstützt; d.h. jede Klasse (außer Object) besitzt genau eine Oberklasse. 92

9 Objektlayout: Objekte werden als Speicherbereiche auf der Halde verwaltet: Dabei enthält ein Objekt einer Klasse K für jedes ererbte und jedes in K deklarierte Attribut eine Variable (Objektzustand). Zusätzlich enthält es eine Variable, mittels der Informationen über Methoden bzw. die Klasse referenziert werden können. Als Identität des Objekts wird häufig die Anfangsadresse des Speicherbereichs verwendet (bzw. eine geeignete andere Adresse). Beispiel: (Objektlayout) class A { int a1; private int a2; Klassen- & Methoden- Information zu Klasse A Objektreferenz class: a1: a2: Wie bei Verbunden werden Attributinstanzen/Instanzvariablen über eine Relativadresse (offset) bzgl. der Objektreferenz adressiert. 93

10 class A { int a1; private int a2;... class B extends A { int b;... class C extends B { int c; Klassen- & Methoden- Information zu Klasse C Objektreferenz class: a1: a2: b: c: Die Größe der einzelnen Instanzvariablen hängt selbstverständlich von deren Typ ab. So benötigt man in Java für int- und float-variablen beispielsweise 4 Byte, für long- und double-variablen 8-Byte. 94

11 Bemerkungen: Im obigen Beispiel haben wir Attributinstanzen der Klasse Object vernachlässigt Private Attributinstanzen von Oberklassen müssen auch in Instanzen von Unterklassen vorhanden sein: class A { int a1; private int a2; int m() { return a2; class B extends A { int b; int n() { return m(); Zur Klassen- und Methodeninformation siehe unten. Die Reihenfolge der Attributinstanzen ist wichtig, um Subtyping zu ermöglichen: Jedes Unterklassen-Objekt muss überall dort eingesetzt werden können, wo ein Oberklassen- Objekt erwartet wird. Deshalb müssen die Attributinstanzen der Oberklasse in Ober- und Unterklasse-Objekten die gleiche Relativadresse besitzen. 95

12 Beispiel: (Zugriff auf Unterklassen-Objekte) A avar = new B();... avar.a2... d.h. Relativadresse von a2 muss unabhängig vom dynamischen Typ von avar sein, wobei der dynamische Typ eines referenzwertigen Ausdrucks E in einem Zustand S der Typ des Objekts ist, das man bei Auswertung von E in S erhält. Alternatives Objektlayout: Teilweise wird auch mit einem Objektdeskriptor gearbeitet, hier am Beispiel eines C-Objekts: Objektreferenz class: Deskriptor a1: a2: b: c: Klassen- & Methoden- Information zu Klasse C 96

13 Bemerkungen: Nachteile: - größerer Speicherbedarf pro Objekt - zusätzlicher Dereferenzierungsschritt beim Zugriff auf Instanzvariablen Vorteile: - Alle Objektdeskriptoren haben gleichen Speicherbedarf. - Speicherblock für Instanzvariablen leichter verschiebbar (vereinfacht z.b. Garbage Collection). Klasseninformation: Der Umfang und Inhalt der Klasseninformation ist sehr sprachabhängig. Drei typische Beispiele: Klasseninformation wird zur Laufzeit nicht bereitgestellt. Die Klasseninformation enthält alle Angaben, die für dynamische Typkonvertierung notwendig sind: A avar = new B(); B bvar = (B) avar; Die Klasseninformation wird durch ein Objekt repräsentiert, dass Introspektion (Abfragen der Klasseninformation zur Laufzeit) oder Reflexion (Programmänderungen zur Laufzeit) ermöglicht. 97

14 Beispiel: (Introspektion in Java) Java unterstützt Introspektion mittels Objekten der Klasse Class. Für jeden Typ eines Java-Programms gibt es ein Objekt der Klasse Class. Die Klasse Class besitzt unter anderem: die statische Methode forname die Instanzmethode getmethod import java.lang.reflect.*; public class Inspektor { public static void main(string[] ss) { try{ Class klasse = Class.forName( ss[0] ); Method[] methoden = klasse.getmethods(); for( int i = 0; i < methoden.length; i++ ){ Method m = methoden[i]; Class rettype = m.getreturntype(); String methname = m.getname(); Class[] partypes = m.getparametertypes(); System.out.print(retType.getName() + " " + methname+"(" ); for( int j = 0; j < partypes.length; j++ ){ if( j > 0 ) System.out.print(", "); System.out.print( partypes[j].getname() ); System.out.println( ");" ); catch( ClassNotFoundException e ) { System.out.println("Klasse "+ ss[0]+" fehlt"); 98

15 Methodenrealisierung: Die Methodeninformation ermöglicht den Zugriff auf die zu einem Objekt gehörenden Methoden: Sie liefert die Datenstruktur zur Realisierung des dynamischen Bindens. Da bei klassenbasierten Sprachen alle Objekte einer Klasse die gleichen Methoden haben, kann man die Methodeninformation aller Objekte einer Klasse gemeinsam speichern. Dadurch spart man gegenüber der Realisierung von erheblich an Speicher. Wir betrachten hier die klassische Realisierung mit einer Methodentabelle (virtual method/functions table): class A { int a1; int a2; int m() {... int n( int i ) {... Objektreferenz mtab: a1: a2: Alle A-Objekte teilen sich mtab A::m A::n (Aus Gründen der Übersichtlichkeit haben wir auf die Angabe von Klasseninformation verzichtet.) 99

16 Es existiert also für jede Klasse genau eine Methodentabelle. Der Zeiger auf die Methodentabelle wird vom Konstruktor gesetzt. Die Methodentabelle enthält Zeiger auf die Methodenimplementierungen. Die Technik ermöglicht Subtyping, da die Relativadressen von Oberklasse-Methoden so gewählt werden können, dass sie in Ober- und Unterklasse gleich sind. Die Technik ermöglicht Überschreiben durch Ausstausch des entsprechenden Eintrags (s. Beispiel) Beispiel: (Überschreiben von Methoden) class A { int a1; int a2; int m() {... int n( int i ){... mtab: a1: a2: A::m A::n class B extends A { int b; int m() {... void p() {... mtab: a1: a2: B::m A::n B::p b: 100

17 Adressierung einer Methode jeweils indirekt über Methodentabelle und Relativadresse: A avar = new A();... avar.m()... // M[avar.mtab]+RA(m) A::m... avar.n(7)... // M[avar.mtab]+RA(n) A::n A avar = new B();... avar.m()... // M[avar.mtab]+RA(m) B::m... avar.n(7)... // M[avar.mtab]+RA(n) A::n Wie bei den Instanzvariablen gewährleistet die richtige Reihenfolge der Einträge in der Methodentabelle, dass auf ein Unterklassen-Objekt wie auf ein Oberklassen-Objekt zugegriffen werden kann. Dabei werden automatisch überschreibende Methoden ausgewählt, sofern vorhanden. 101

18 Konstruktorrealisierung: Konstruktoren werden als Prozeduren realisiert. Üblicherweise verlangt die Quellsprachsemantik folgendes Vorgehen bei einem Objekt der Klasse K: Allokation des Speichers fürs neue K-Objekt Rekursiv Aufruf der Konstruktoren der Oberklassen Ausführen des aufgerufenen Konstruktors von K Hinzu kommt ggf. Klassenladen und Initialisierung von Variablen Probleme der Mehrfachvererbung Die in erläuterte Übersetzungstechnik lässt sich nur für Sprachen bzw. Klassen mit Einfachvererbung verwenden. Hier skizzieren wir: was Mehrfachvererbung bedeutet und welche zusätzlichen Probleme sie verursacht. Mehrfachvererbung gibt es z.b. in C++ und Eiffel. Bei Mehrfachvererbung kann eine Klasse von mehreren Oberklassen erben. Zur Darstellung der sprachlichen Aspekte betrachten wir zunächst ein Beispiel. 102

19 Beispiel: (Mehrfachvererbung) In folgendem Klassendiagramm erbt E mehrfach: B k1 k2 A k3 k4 C k5 D k2 k3 Problematik: E k6 Soll E die Attribute von A doppelt erben, d.h. von jeder Komponente zwei Kopien besitzen? (nur relevant im Zusammenhang mit Attributen) Wie sollen Namenskonflikte aufgelöst werden? ( E erbt zwei Komponenten mit Namen k2) Mit welchen Techniken können E-Objekte so realisiert werden, dass sie auch als A-, B-, C- und D-Objekte auftreten können? 103

20 Unter der Annahme, dass E von A doppelt erbt, besitzt ein E-Objekt die folgenden Komponenten: B::k1 B::k2 A::k3 A::k4 C::k5 A::k3 A::k4 D::k2 D::k3 E::k6 A B C D E Mit obigem Komponentenlayout kann ein E-Objekt direkt als B- und C-Objekt verwendet werden, nicht aber als A- oder D-Objekt. Lösungsansätze: 1. Implizite Typkonvertierung mit Veränderung der Referenz in den Speicherbereich. (Nachteil: ggf. Problem bei Objektidentität) 2. Adressierung mit klassenspezifischen, global verwendbaren Relativadressen (s. Appel). (Nachteil: nicht modular, gesamtes Programm muss bekannt sein). 104

21 2.2.5 Weitere Aspekte bei OO-Sprachen statische Methoden geschachtelte Klassen virtuelle Klassen Kapselungsaspekte dynamisches Laden Reflexion Beispiel: (Lokale Klassen) class Outer { Outer w( int j ) { int i = 2; class Local extends Outer { Outer w( int jj ) { System.out.println("i == " + i ); System.out.println("j == " + j ); return this; System.out.println("j == " + j ); return new Local(); 105

22 public class LocalClassTest { static public void main(string[] args){ Outer ov = new Outer(); ov.w( 5 ).w( 7 ); ov.w( 7 ).w( 9 ); Gibt es Fehler? Was ist die Ausgabe und warum? Lesen Sie zu Abschnitt 2.2: Wilhelm, Maurer: Abschnitt 5.2 und Anfang von 5.3 (S ) Appel: Sections , S