Beziehungen zwischen Klassen

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1 Beziehungen zwischen Klassen Martin Wirsing in Zusammenarbeit mit Gilbert Beyer und Christian Kroiß WS 09/10

2 2 Ankündigung Abgabe von Übungsblatt 6 noch bis zum Donnerstag,12:00 Uhr, möglich Inhalt der Vorlesung bis Weihnachten: Ausnahmebehandlung und robuste Programmierung Bäume & Listen Entwurfsmuster und Zusammenfassung des ersten Teils der Vorlesung

3 3 Ziele Verstehen der Begriffe Assoziation und Aggregation Implementierung von Assoziationen in Java schreiben lernen Den Begriff der einfachen Vererbung verstehen Vererbung und Redefinition von Oberklassenmethoden verstehen Die Klasse Object kennenlernen

4 4 Assoziation und Aggregation Assoziation ist eine Beziehung zwischen zwei oder mehr Klassen C D Assoziation: Die Klassen C und D stehen in Beziehung C D Aggregation: Jedes Objekt von C enthält Objekte von D C D Vererbung: Die Klasse C ist Erbe der Klasse D C D Abhängigkeit: Die Klasse C benützt Elemente der Klasse D (i.a. Methoden)

5 5 Assoziation Die Assoziation ist die allgemeinste Art einer Beziehung C name mult role D Das Diagramm drückt aus, daß jedes Objekt o von C mit mult -vielen Objekten von D im Beziehung steht, die die Rolle role für o spielen. Dabei ist role ein Name und mult entweder eine natürliche Zahl, ein Stern * für beliebig viele Objekte oder ein Intervall der Form a..b mit a N, b N {* Der Name name gibt den Namen der Assoziation an. Das ausgefüllte Dreieck bezeichnet die Leserichtung.

6 6 Beispiele: Assoziation und Aggregation Assoziation 1. Professor 1 liest 0..* Vorlesung Schwache Aggregation 2. Hypertext-Buch Titel Erscheinungsjahr * * chapter Kapitel Autor AnzahlSeiten Jedes Hypertext-Buch ist gekennzeichnet durch seine Kapitel, d.h. Kapitel spielt die Rolle chapter für Hypertext-Buch.

7 7 Beispiele: Assoziation und Aggregation 3. starke Aggregation (Komposition) Customer 1 owner 0..* account BankAccount Jeder Bankkunde besitzt 0 oder mehrere Konten, die die Rolle account spielen. Jedes Bankkonto hat genau einen Besitzer ( owner ). Die Lebensdauer eines Bankkontos ist durch die des Kunden beschränkt.

8 8 Beispiel: Schwache Aggregation Schwache Aggregation Unternehmen 1 besteht aus 1..* 1 besteht aus 1..* Abteilung Mitarbeiter Schwache Aggregation ist eine Teile-Ganzes Relation, die Lebensdauer der Teile hängt aber nicht von der Lebensdauer des Ganzen ab. Es gilt aber, dass die Objekte der schwachen Aggregation einen gerichteten azyklischen Graphen bilden. (Wenn B Teil von A, dann ist A nicht Teil von B). Ein Teil darf jedoch auch einem anderen Ganzen zugeordnet werden.

9 9 Starke Aggregation Ganzes 1 besteht aus * Teil Die Teile existieren nur innerhalb des Aggregats Ganzes ; d.h. die Lebensdauer eines Teil -Objekts wird durch die Lebensdauer des zugehörigen Aggregats beschränkt. Objekte der starken Aggregation bilden einen Baum. (Gerichteter azyklischer Graph mit Wurzel, in dem jeder Knoten höchstens einen Vorgänger besitzt.) Jedes Objekt der Teilklasse kann - zu einem Zeitpunkt - nur Komponente eines einzigen Objekts der Aggregatklasse sein, d.h. die bei der Aggregatklasse angetragene Kardinalität darf nicht größer als eins sein (unshared aggregation, strong ownership). Die dynamische Semantik des Ganzen gilt auch für seine Teile (propagation semantics). Wird beispielsweise das Ganze kopiert, so werden auch seine Teile kopiert.

10 10 Beispiel: Starke Aggregation * starke Aggregation (Komposition) Verzeichnis Name Erstellung 1 * * Datei Name Erstellung letzte Änderung letzter Zugriff

11 11 Java Implementierung von Assoziationen C name mult role D In Java repräsentiert man Assoziationen durch Attribute. Jede Rolle role vom Typ D wird als Attribut von C implementiert. Ist die Multiplizität 0, 1 oder 0..1 erhält man ein Attribut D role. Ist die Multiplizität >1 oder * verwendet man eine Reihung oder eine ArrayList von D-Objekten.

12 12 Java Implementierung von Assoziationen C multb = 0..1 induziert das Schema: class C { D myd; multb = * induziert das Schema: class C { ArrayList myd; multd myd D! Beachte: Im UML-Diagramm ist myd die Rolle einer Assoziation; in Java wird myd als Attribut implementiert. In einem UML-Diagramm darf myd NICHT doppelt als Rolle und Attribut verwendet werden.

13 13 Implementierung von starker Aggregation Erzeugung der Komponenten durch Konstruktor des Aggregats (um die Lebensdauerabhängigkeit zu berücksichtigen.) Beispiel Circle double radius... 1 center Point class Circle { private double radius; private Point center; public Circle(double rad, double x, double y) { radius = rad; center = new Point(x,y);... Das Point Objekt wird durch den Konstruktor von Circle erzeugt und sollte keine Beziehungen zu äußeren Objekten besitzen.

14 14 Implementierung von starker Aggregation Beispiel Assoziation mit Multiplizität 1: Kunde, der genau ein Bankkonto besitzen muss. Customer name getbalance () deposit (x) withdraw (x) 1 1 account BankAccount

15 15 Implementierung von starker Aggregation class Customer { private String name; private BankAccount account; public Customer(String cname, double initialbalance) { name = cname; account = new BankAccount(initialBalance); public String getname() { return name; public double getbalance() { return account.getbalance(); public void transferto(bankaccount other, double amount) { account.transferto(other, amount); public void withdraw(double x) { account.withdraw(x); public void deposit(double x) { account.deposit(x);

16 16 Implementierung von Assoziationen mit Multiplizität * Beispiel: Kunden mit 0 oder mehreren Bankkonten Customer name getbalance () deposit (x) withdraw (x) 1 0..* accounts BankAccount

17 17 Die Klasse ArrayList class ArrayList { public ArrayList() //Constructs an empty list with an initial capacity of ten. public ArrayList(int initialcapacity) //Constructs an empty list with the specified initial capacity. public T get(int index) //Returns the element at the specified position in this list. public T set(int index, T element) //Replaces the element at the specified position //in this list with the specified element. public boolean add(t element) //Appends the specified element to the end of this list. public int size() //Returns the number of elements in this list.

18 18 Implementierung von Assoziationen mit Multiplizität * import java.util.arraylist; class Customer { private String name; private ArrayList accounts; public Customer(String cname) { name = cname; accounts = new ArrayList(); public void createaccount(double initialbalance) { BankAccount a = new BankAccount(initialBalance); accounts.add(a); public String getname() { return name; fügt neues Element an das Ende der ArrayList an.

19 19 Implementierung von starker Aggregation... public double getbalance(int i) { BankAccount a = accounts.get(i); return a.getbalance(); public void transferto(int i, BankAccount other, double amount) { BankAccount a = accounts.get(i); a.transferto(other, amount); public void withdraw(int i, double x) { BankAccount a = accounts.get(i); a.withdraw(x); public void deposit(int i, double x) { BankAccount a = accounts.get(i); a.deposit(x);

20 20 Vererbung Klasse D ist Erbe einer Klasse C, falls D alle Attribute und Methoden von C erbt, in UML: C Superklasse von D in Java: class D extends C D Subklasse von C d.h D besitzt alle Methoden und Attribute von C und von allen Oberklassen von C. Man nennt C auch allgemeiner als D bzw. D spezieller als C.

21 21 Vererbung C T1 m() x m() D T2 y n() Attribute von D = {y Attribute von C Methoden von D = {n() Methoden von C Folgerung: Die Vererbungsbeziehung ist transitiv: Wenn C von B erbt, dann besitzt D auch alle Attribute und Methoden von B

22 22 Vererbung Beispiel: Sparkonto Ein Sparkonto ist ein Bankkonto, bei dem Zinsen gezahlt werden: type var ist Java-Variante der UML Notation; in Standard UML: var : type Analog in Standard UMl: m(par):restype statt restype m(par) BankAccount SavingsAccount double interestrate SavingsAccount (double rate) void addinterest () double getinterest()

23 23 public class BankAccount { private double balance; public BankAccount() { balance = 0.0; public BankAccount( double initialbalance) { balance = initialbalance; public void deposit(double amount) { balance = balance + amount; public void withdraw(double amount) { balance = balance - amount; public double getbalance() { return balance; public void transferto(bankaccount other,double amount) { withdraw(amount); other.deposit(amount); BankAccount in Java - double balance BankAccount + void deposit (double amount) + void withdraw (double amount) + double getbalance() + void transferto ( BankAccount other, double amount)

24 24 Implementierung in Java public class SavingsAccount extends BankAccount { private double interestrate; public SavingsAccount(double rate) { super(0.0); interestrate = rate; public void addinterest() { double interest = getbalance() * interestrate/100; // auf das Attribut balance kann hier //nicht zugegriffen werden deposit(interest); // geerbte Methode Zugriff auf Konstruktor der Oberklasse siehe später

25 25 Vererbung C Ist D ist Erbe von C, so gilt: D Man kann von D aus nicht direkt auf die privaten Attribute von C zugreifen, sondern nur mittels nichtprivater (geerbter) Zugriffsmethoden von C. Eine Variable der Klasse D kann jede nicht-private Methode von C aufrufen. Einer Variablen der Klasse C kann man ein Objekt eines Nachfahren zuweisen. Beispiel: D d =...; C c = d; Umgekehrt kann man einer Variablen vom Typ D KEIN Objekt einer Vorfahrenklasse zuweisen. Beispiel: D d1 = c; //falsch!

26 26 Abhängigkeitsrelation (Verwendungsrelation, engl. dependency) Die Klasse A ist abhängig von der Klasse C, wenn A Elemente der Klasse C (i.a. Methoden) benützt, UML C A Beispiel: In unserem Beispiel erhalten wir BankAccount SavingsAccount SavingsAccountTest

27 SavingsAccountTest in Java 27 Beispiel: public class SavingsAccountTest { public static void main(string)[] args) { SavingsAccount sparkonto = new SavingsAccount(5); BankAccount konto1 = sparkonto; //ok Sparkonto vom //spezielleren Typ konto1.deposit(1000); // ok // konto1.addinterest(); // nicht ok, da konto1 // nicht den Typ einer // Subklasse hat (SavingsAccount)konto1.addInterest(); // ok, wegen Typcast sparkonto.getbalance(); // ok, geerbte Methode konto1.getbalance(); // ok

28 28 Redefinition von Methoden In vielen Fällen kann man die Implementierung einer Methode m nicht direkt von der Superklasse übernehmen, da z.b. die neuen Attribute in der Superklasse nicht berücksichtigt werden (können). Dann ist es nötig, für die Erbenklasse eine neue Implementierung von m anzugeben. Redefinition von m in UML: Methodenkopf von m wird in der Erbenklasse noch einmal angegeben; Java: neue Implementierung für m im Erben Bemerkung: Bei der Redefinition wird die alte Methode nicht überschrieben; man kann auf sie mit der speziellen Variable super zugreifen. Genauer gesagt, greift man mit super.m() auf die nächste Methodenimplementierung von m in der Vererbungshierarchie zu.

29 29 Redefinition von Methoden und Konstruktoren Beispiel: Girokonto Bei einem Girokonto werden bei jeder Transaktion Gebühren verlangt BankAccount deposit withdraw getbalance Redefinition nötig CheckingAccount SavingsAccount deductfees deposit withdraw addinterest getinterest

30 30 Redefinition von Methoden Statische Konstanten, die für jede Instanz public class CheckingAccount extends BankAccount von CheckingAccount { private int transactioncount; gelten. public static final int FREE_TRANSACTIONS = 3; public static final double TRANSACTIONS_FEE = 0.3; public void deposit(double d) { super.deposit(d); // Aufruf von BankAccount::deposit transactioncount++; public void withdraw(double d) { super.withdraw(d); // Aufruf von BankAccount::withdraw transactioncount++;

31 31 Redefinition von Methoden Fortsetzung public void deductfees() { if (transactioncount > FREE_TRANSACTIONS) { double fees = TRANSACTIONS_FEE * (transactioncount - FREE_TRANSACTIONS); super.withdraw(fees); transactioncount = 0;

32 32 Redefinition von Konstruktoren Zugriff auf einen Konstruktor einer Superklasse: bzw. super(); super(p 1,...,p n ); // parameterloser Konstruktor // Konstruktor mit n Parametern Bemerkung: Dieser Aufruf muss die erste Anweisung des Subklassenkonstruktors sein.

33 33 Redefinition von Konstruktoren Beispiel: CheckingAccount public CheckingAccount(double initialbalance) { super(initialbalance); // muss 1. Anweisung sein transactioncount = 0; Äquivalent dazu könnte man die Methode deposit verwenden: public CheckingAccount(double initialbalance) { // super(); Standardkonstruktor wird automatisch // aufgerufen, wenn 1. Anweisung kein Konstruktor ist. transactioncount = 0; super.deposit(initialbalance); // super.m() kann // überall im Rumpf // vorkommen

34 34 Falscher Zugriff auf super Man kann mit super(...) nur auf den Konstruktor der direkten Oberklasse zugreifen, aber nicht transitiv auf Konstruktoren weiter oben liegender Klasse. Die Compilerausgabe für diesen, im folgenden Beispiel zu findenden Fehler lautet: >javac C.java C.java:17: cannot resolve symbol symbol : constructor B (int,int) location: class B super(a, b); ^ 1 error

35 35 Redefinition von Methoden und Konstruktoren class A { A(int a, int b) { System.out.println(a); System.out.println(b); A(){ class B extends A { B(int a, int b, int c) { super(a, b); class C extends B { C(int a, int b, int c, int d) { super(a, b); public static void main(string args[]) { C c = new C(1, 2, 3, 4);

36 36 Vererbungspolymorphie und dynamisches Binden Vererbungspolymorphie Man spricht von Vererbungspolymorphie, wenn eine Methode von Objekten von Subklassen aufgerufen werden kann. Dynamisches Binden Falls eine Methode T m(t 1 x 1,..., T n x n ) mehrere Implementierungen besitzt (die im Vererbungsbaum übereinander liegen), so wird bei einem Aufruf o.m(a 1,..., a n ) die richtige Implementierung dynamisch bestimmt und zwar sucht man ausgehend von der Klasse des dynamischen Typs von o die speziellste Methodendeklaration, auf die der Methodenaufruf anwendbar ist (genauer siehe übernächste Folie). Man nennt dies auch dynamische Bindung, da der Methodenrumpf erst zur Laufzeit ausgewählt wird. Dagegen wird bei statischer Bindung (nicht in Java) der Methodenrumpf zur Übersetzungszeit bestimmt.

37 37 C m() n() D m() E m() Beispiel für Dynamische Bindung D d = exp1; //exp1 sei vom Typ D d.n(); //Aufruf von n in C F f = exp2; //exp2 sei vom Typ F d = f; //Wert von d ist Instanz von F d.m(); //Aufruf von m in E d.n(); //Aufruf von n in F F n()

38 39 Vererbungspolymorphie und dynamisches Binden Dynamisches Binden Methodenaufruf in Java von o.m(a 1,...,a n )mit o vom statischen Typ D und a 1,...,a n vom Typ T 1,..., T n. Ein Methodenkopf R m(p 1,..., P n ) der Klasse C heißt anwendbar auf o.m(a 1,...,a n ), wenn C gleich D oder allgemeiner als D ist und wenn jedes P i gleich T i oder allgemeiner als T i ist (für i=1,...,n). C Beispiel m() n() D m() C c = exp1; D d = exp2; c.m(); //m in C anwendbar auf c.m() // aber m in D nicht anwendbar auf c.m() d.n(); //n in C anwendbar auf d.n() d.m(); //m in C und D beide anwendbar auf d.m() //m(d x) ist spezieller als m(c x)

39 41 Vererbungspolymorphie und dynamisches Binden Dynamisches Binden Zur Übersetzungszeit wird zunächst der speziellste Methodenkopf R m(q 1,..., Q n ) bestimmt, der auf o.m(a 1,...,a n ) anwendbar ist. Zur Laufzeit bestimme den dynamischen Typ D1 von o; wenn D1 eine Methodendeklaration R m(q1,..., Qn) enthält, wende diese Methode an; andernfalls suche die speziellste Klasse C mit Methodendeklaration R m(q1,..., Qn), so daß C allgemeiner oder gleich D1 ist und wähle diese Methodendeklaration für den Aufruf.

40 Die Klasse Object 42 Object ist die allgemeinste Klasse in Java. Alle Klassen sind Erben von Object. Beispiel Object BankAccount Point Hallo SavingsAccount CheckingAccount

41 Die Klasse Object 43 Die Klasse Object besitzt u.a. die folgenden Methoden, die man häufig benötigt: Textrepräsentation von this Object String tostring() boolean equals(object o)... Vergleich zweier Objekte

42 Die Klasse Object 44 String tostring(): Die tostring-methode erzeugt eine Textrepräsentation einer Klasse. Im Allgemeinen ist es nötig, für selbstdefinierte Klassen eine tostring-methode zu definieren. Beispiel: BankAccount String tostring() { return BankAccount[balance is + balance + ] ;

43 45 Die Klasse Object boolean equals(object o): equals vergleicht die Objektreferenzen von this und o. Im Allgemeinen ist es nötig, für selbstdefinierte Klassen eine equals-methode zu definieren, wenn die Attributwerte und nicht Objektreferenzen verglichen werden sollen. :C a = null b = 100 this.equals(o1) == true this.equals(o2) == false this o1 o2 :C a = null b = 100

44 46 Zusammenfassung Eine Assoziation ist eine Relation (Beziehung) zwischen Klassen. Eine Aggregation ist eine Teile-Ganzes-Beziehung und damit eine spezielle Assoziation. Bei einer starken Aggregation sind die Teile existenzabhängig vom Ganzen. Insbesondere kann jedes Teil nur zu einem Aggregat gehören. Eine Rolle myb (vom Typ B) mit Multiplizität 1 oder 0..1 wird durch ein Attribut myb vom Typ B implementiert, bei Multiplizität * bekommt es den Typ ArrayList. Bei der starken Aggregation werden die abhängigen Objekte im Konstruktor des Aggregats erzeugt, um die Lebensdauerabhängigkeit zu garantieren.

45 47 Zusammenfassung (I) Die Abhängigkeitsbeziehung gibt an, dass D Symbole der Klasse C verwendet. C D Die Vererbungsbeziehung hat folgende Eigenschaften: C D Für Variablen gilt: a) Jedes Attribut von C ist automatisch Attribut von D. Möglicherweise kann man aber auch von D nicht direkt darauf zugreifen! b) Ein neu definiertes Attribut von D ist nicht Attribut von C. c) Einer lokalen Variablen oder einem Parameter der Klasse C kann ein Objekt der Klasse D zugewiesen werden (aber nicht umgekehrt, dazu ist ein gültiger Cast nötig!)

46 48 Zusammenfassung (II) Für Methoden gilt: a) Jede Methode von C ist automatisch eine Methode von D und kann daher mit Objekten von D aufgerufen werden (Vererbungspolymorphie). Eine Methode von D kann aber nicht von einer lokalen Variablen vom Typ C aufgerufen werden. b) Soll in einem Methodenrumpf auf die Methode der Superklasse zugegriffen werden, verwendet man spezielle Variable super. c) In der Subklasse D können Methoden redefiniert werden. Solche Methoden müssen im UML-Diagramm der Klasse D explizit genannt werden. C d) Beim Methodenaufruf wird die passende Methodenimplementierung zur Laufzeit ausgewählt (dynamisches Binden). D