Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 1

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1 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 1 8 Das Projekt Bahn In diesem Kapitel möchte ich nur einen ersten Einblick in die Konzepte der Vererbung und des Polymorphismus geben. Als Motivation dient ein Zug, den der Benutzer sich aus Güterwagen, Personenwagen und Lokomotiven zusammensetzen kann. Dieser Zug kann sich bewegen und seine Geschwindigkeit vergrößern bzw. verkleinern. Abbildung 8.1: Das Projekt Bahn 8.1 Einfache Modellierung des Zugs (1. Modell) Bemerkung: In dieser ersten Modellierung werden die Grundbegriffe der Vererbung und des Polymorphismus beschrieben. Allerdings weist dieses einfache Modell noch einige Mängel auf. Diese werden dann in einer weiteren, fortgeschrittenen Modellierung behoben. Hier wird dann ein an die Realität besser angepasstes Modell vorgestellt. Ein Zug besteht aus einer Lokomotive und einer bestimmten Anzahl von Personenwagen. Bei einem Zug besitzen alle Personenwagen die gleiche Länge und die gleiche Farbe, sie haben allerdings je nach Zusammenstellung des Zugs ihre eigene x-position. Somit kannst du folgendes vorläufiges Modell der Waggons eines Zugs entwerfen.

2 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 2 Abbildung 8.2: Die Klasse Personenwagen und ein Objekt pwagen1 Abbildung 8.3: Die Klasse Lokomotive und ein Objekt lok Die Abbildungen 8.2 und 8.3 zeigen Modelle der Klasse Personenwagen und der Klasse Lokomotive mit zugehörigen Objekten. Wichtig für die Fahrt des Zugs ist, dass alle Waggons einschließlich der Lokomotive die gleiche Geschwindigkeit haben. Übung 8.1: Stelle nun schriftlich (auf einem Blatt Papier) einen Zug zusammen, der aus drei Personenwagen und einer Lokomotive besteht. Gib den Eigenschaften der Objekte vernünftige Werte. Achte auf sinnvolle Werte des Attributs x-position! Übung 8.2: Entwerfe schriftlich (auf einem Blatt Papier) das Modell eines Güterwagens. Erstelle hierzu ein UML-Diagramm der Klasse Gueterwagen und ein Objekt gwagen. Stelle nun einen Zug zusammen, der aus einer Lokomotive und mehreren Personen- und Güterwagen in beliebiger Reihenfolge besteht. Achte auf sinnvolle Werte der Attribute! Du wirst bei den obigen Übungen bemerkt haben, dass die Klassen Lokomotive, Personenwagen und Gueterwagen weitgehend ähnlich sind. Bei der

3 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 3 Implementierung dieser Klassen wirst du deswegen den Quelltext mehrmals schreiben (oder kopieren und einfügen). Werden später im Zug Tankwagen oder Doppelstockwagen verwendet, musst du wiederum Klassen mit ähnlichem Quelltext implementieren. Auch bei einer späteren Überarbeitung oder Wartung des Programms müssen Änderungen an entsprechenden Stellen all dieser Klassen vorgenommen werden. Für solche sich stark ähnelnde Klassen kennt Java das Konzept der Vererbung und der Polymorphie. Beide sind eng miteinander verbunden Vererbungshierachie des 1. Modells Vererbung ist ein Mechanismus, mit dem du das Problem der Quelltext- Duplizierung lösen kannst. Dahinter steckt die Idee, dass zuerst die Klasse Waggon definiert wird, die diejenigen Eigenschaften, die beiden Klassen Personenwagen und Lokomotive gemeinsam sind, zusammenfasst. Die spezifischen Eigenschaften des Personenwagens fügst du dann in die Klasse Personenwagen und die spezifischen Eigenschaften der Lokomotive in die Klasse Lokomotive ein. Gemeinsame Eigenschaften von Personenwagen und Lokomotive sind xposition, geschwindigkeit, laenge und farbe. Diese Attribute gehören somit in die Klasse Waggon. Nur die Attribute sitze bzw. kmstand sind spezifisch für die Personenwagen bzw. Lokomotive und werden also in den Klassen Personenwagen und Lokomotive untergebracht werden. Abbildung 8.4: Personenwagen und Lokomotive erben von Waggon Die Klasse Personenwagen erbt von der Klasse Waggon oder die Klasse Personenwagen erweitert die Klasse Waggon. Die Klasse Lokomotive erbt von der Klasse Waggon oder die Klasse Lokomotive erweitert die Klasse Waggon. Man bezeichnet die Klasse Waggon als Superklasse (Oberklasse) und die erbenden Klassen Personenwagen und Lokomotive als Subklasse (Unterklasse).

4 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 4 Die Subklasse erweitert demnach die Superklasse. Sie erhält alle Eigenschaften der Superklasse und besitzt zusätzlich ihre speziellen Eigenschaften. In Java wird für die Erweiterung einer Superklasse zur Subklasse das Schlüsselwort extends (engl.: erweitern) verwendet. Für die Vererbungsbeziehung werden üblicherweise Pfeile mit nicht gefüllten Pfeilspitzen verwendet. In BlueJ wird diese Klassenbeziehung folgendermaßen bildlich dargestellt: Abbildung 8.5: Klassendiagramm in BlueJ Datenfelder in Super- und Subklassen Du wirst nun die Beziehung zwischen den Datenfeldern von Super- und Subklasse untersuchen. Übung 8.3: Erzeuge in BlueJ ein neues Projekt Bahn01a. Implementiere die drei Klassen Waggon mit den Datenfeldern xposition, geschwindigkeit, laenge, farbe Personenwagen mit dem Datenfeld sitze Lokomotive mit dem Datenfeld kmstand Ordne im Klassendiagramm diese Klassen wie in Abbildung 8.5 dargestellt. Die Pfeile fehlen noch!

5 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 5 Nun wirst du die beiden Klassen Personenwagen und Lokomotive als Subklassen der Superklasse Waggon auszeichnen. Diese Vererbungsbeziehung wird durch das Schlüsselwort extends definiert. Die Klasse Personenwagen ist somit eine Subklasse der Klasse Waggon. Die Klasse Personenwagen enthält nur die Datenfelder, die spezifisch sind für Personenwagen-Objekte (hier sitze). Die anderen Datenfelder werden von der Superklasse Waggon geerbt und brauchen nicht erneut aufgelistet werden. import java.awt.*; public class Personenwagen extends Waggon private int sitze; // Konstruktor und Methoden hier ausgelassen import java.awt.*; public class Lokomotive extends Waggon private int kmstand; // Konstruktor und Methoden hier ausgelassen Abbildung 8.6: Die Subklassen Personenwagen und Lokomotive Auch die Klasse Lokomotive weist sich durch das Schlüsselwort extends als Subklasse aus und enthält nur Datenfelder, die spezifisch sind für Lokomotive- Objekte. Übung 8.4: Definiere im Projekt Bahn01a die Klassen Personenwagen und Lokmotive als Subklassen. Vergleiche dazu die Abbildung 8.5. Erzeuge nun Objekte der einzelnen Klassen und untersuche diese mit Hilfe des Inspektors Konstruktor in Super- und Subklassen Die Objekte müssen bei ihrer Erzeugung in einen vernünftigen Zustand versetzt werden. Das bedeutet, den Datenfeldern dieser Objekte musst du sinnvolle Werte zuweisen. Verantwortlich dafür ist der Konstruktor. Bei der Erzeugung eines Personenwagens werden den Datenfeldern entsprechende Werte übergeben. Jedoch sind einige Datenfelder in der

6 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 6 Superklasse Waggon, andere in der Subklasse Personenzug bzw. Lokomotive. All diese Datenfelder musst du nun korrekt initialisieren. Obwohl du kein Objekt der Klasse Waggon erzeugen willst (in Java gibt es die Möglichkeit, dies auch wirklich zu verhindern), erhält diese Klasse einen Konstruktor. In diesem wird den Datenfeldern xposition und geschwindigkeit jeweils der Wert 0 zugewiesen. Somit erhalten alle Waggons, in diesem Fall also alle Personenwagen und alle Lokomotiven die gleiche xposition und die gleiche Geschwindigkeit. Bemerkung: Bei der späteren Zusammenstellung der Waggons in einem Zug wird der Wert von xposition wieder geändert. Somit mag diese Zuweisung im Konstruktor nicht sinnvoll sein, zumal hier sowieso der Standardwert zugeordnet wird. Jedoch aus didaktischen Gründen habe ich mich entschlossen, auch in der Superklasse einen Konstruktor einzuführen, um das Zusammenspiel zwischen den Konstruktoren von Super- und Subklassen zu verdeutlichen. import java.awt.*; public class Waggon private int xposition, geschwindigkeit, laenge; private Color farbe; public Waggon() xposition = 0; geschwindigkeit = 0; Abbildung 8.7: Konstruktor der Superklasse Waggon Analog erhalten auch die beiden Subklassen jeweils einen Konstruktor. import java.awt.*; public class Personenwagen extends Waggon private int sitze; public Personenwagen() super(); laenge = 60 farbe = Color.blue; sitze = 50;

7 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 7 Abbildung 8.8: Konstruktor der Subklasse Personenwagen In Java muss im Konstruktor einer Subklasse immer als erste Anweisung der Konstruktor der Superklasse mit Hilfe des Schlüsselworts super aufgerufen werden. Wenn also ein Personenwagen erzeugt wird, dann wird der Konstruktor von Personenwagen aufgerufen. In diesem bewirkt das Schlüsselwort super den Aufruf des Konstruktors der Superklasse Waggon. Dieser Konstruktor in Waggon initialisiert die Datenfelder xposition und geschwindigkeit. Anschließend wird wieder in den Konstruktor von Personenwagen zurückgekehrt, der die restlichen Datenfelder laenge, farbe und sitze in der Klasse Personenwagen initialisiert Analog implementierst du in der Subklasse Lokomotive den Konstruktor. import java.awt.*; public class Lokomotive extends Waggon private int kmstand; public Lokomotive() super(); laenge = 40; farbe = Color.black; kmstand = 0; Abbildung 8.9: Konstruktor der Subklasse Lokomotive Übung 8.5: Implementiere die Konstruktoren der Superklasse Waggon und der beiden Subklassen Personenwagen und Lokomotive. Kompiliere das Projekt Bahn01a! Versuche die Fehlermeldung zu erklären. Abbildung 8.10: Fehlermeldungen in den Subklassen

8 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 8 Beim Kompilieren erscheint die Fehlermeldung laenge has private access in Waggon. Offensichtlich kannst du von der Subklasse aus nicht auf die Datenfelder der Superklasse zugreifen. In der Superklasse Waggon ist das Datenfeld laenge als private erklärt und deshalb für alle anderen Klassen inklusive Subklassen nicht zugreifbar. Die Verwendung des Schlüsselworts protected eröffnet eine Möglichkeit, auf die Datenfelder der Superklasse zuzugreifen. Die Zugriffsstufe protected liegt zwischen dem privaten Zugriff und der öffentlichen Verfügbarkeit. Datenfelder und Methoden, die als protected deklariert sind, können innerhalb der Klasse selbst und von allen Subklassen benutzt werden, aber nicht von anderen Klassen. Bemerkung: Barnes und Kölling empfehlen, das Schlüsselwort protected nur bei Konstruktoren und Methoden zu verwenden, da eine Verwendung bei Datenfeldern die Kapselung schwächen würde. Veränderbare Datenfelder in Superklassen sollten private bleiben. Um trotzdem auf diese Datenfelder zugreifen zu können, müssten weitere sondierende und verändernde Methoden implementiert werden. Die Subklassen können dann diese Methoden verwenden, um die Attribute auszulesen und zu verändern. Ich habe hier auf diese Möglichkeit verzichtet, um den Quelltext für die Schüler knapp zu halten. import java.awt.*; public class Waggon private int xposition; protected int laenge; protected Color farbe; public Waggon() xposition = 0; geschwindigkeit = 0; Abbildung 8.11: Quelltext der Superklasse Waggon Übung 8.6: Verändere die Zugriffstufe der Datenfelder wie in Abbildung 8.11 dargestellt. Erzeuge Objekte von allen drei Klassen und untersuche diese mit dem Inspektor. Überlege, welche Objekte sinnvoll sind!

9 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 9 Übung 8.7: Erzeuge eine weitere Subklasse Gueterwagen mit den Datenfeldern laenge = 80, farbe = grün und flaeche = Abstrakte Klassen Die Klasse Waggon besitzt einen Konstruktor, obwohl es eigentlich überflüssig ist, direkt ein Objekt der Klasse Waggon zu erzeugen. In Übung 8.6 konntest du ausprobieren, ob sich wirklich ein Objekt der Klasse Waggon erzeugen lässt. Dies ist jedoch nicht sinnvoll. Klassen, von denen keine Objekte erzeugt werden sollen, heißen abstrakte Klassen. Sie dienen ausschließlich als Superklassen für andere Klassen. Solche Klassen werden als abstrakt deklariert, indem das Schlüsselwort abstract in der Kopfzeile der Klasse angegeben wird. Übung 8.8: Ersetze die Kopfzeile public class Waggon der Klasse Waggon durch abstract public class Waggon. Betrachte die Veränderungen im Klassendiagramm von BlueJ. Versuche Objekte der Superklasse Waggon zu erzeugen. Versuche Objekte der Subklassen Gueterwagen, Personenwagen und Lokomotive zu erzeugen. Verwende den Inspektor! Abbildung 8.12: Superklasse Waggon wird als abstract erklärt

10 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 10 Wird also die Superklasse Waggon als abstract erklärt, wird verhindert, dass du unbeabsichtigt von dieser Klasse Objekte erzeugen könntest. Auf die Subklassen Gueterwagen, Personenwagen und Lokomotive hat dieses keinen Einfluss Methoden in Super- und Subklassen Nun wirst du die Klassen mit Leben füllen. Der Zug, der nun aus mehreren Güter- und Personenwagen und einer Lokomotive zusammengesetzt ist, soll nun fahren. Der Inspektor jedes einzelnen Waggons zeigt jedoch, dass zum Zeitpunkt der Erzeugung ihre Geschwindigkeiten jeweils den Wert 0 haben. Somit musst du in der Klasse Waggon eine Methode beschleunigen() implementieren, die die Geschwindigkeit jedes einzelnen Waggons vergrößert. /** Vergroessert die Geschwindigkeit des Waggons um 1. */ public void beschleunigen() geschwindigkeit += 1; Abbildung 8.13: Die Methode beschleunigen() in der Superklasse Waggon Jetzt kannst du zwar die Geschwindigkeit der Waggons vergrößern, jedoch müssen sich alle Waggons des Zugs um eine bestimmte Strecke bewegen. In diesem einfachen 1. Zugmodell ist der Wert dieser Strecke gleich dem Wert der Geschwindigkeit. Wenn also die Waggons die Geschwindigkeit 2 besitzen, so sollen sich diese um 2 nach rechts bewegen. Da diese Fähigkeit alle Waggons betrifft, ist es sinnvoll, die entsprechende Methode bewegen() in der Superklasse Waggon zu implementieren. /** Bewegt den Waggon auf die neue x-position. */ public void bewegen() xposition += geschwindigkeit; Abbildung 8.14: Die Methode bewegen() in der Superklasse Waggon

11 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 11 Abbildung 8.15: Klassendiagramm von Bahn01 mit Aufruf der Methoden bewegen(), beschleunigen() und bremsen() Die Abbildung 8.15 zeigt in der Objektleiste im Prinzip bereits einen Zug, der aus einem Güterwagen, zwei Personenwagen und einer Lokomotive sich zusammensetzt. Wenn du bei jedem Waggon die Methode bewegen() aufrufst, so hat sich der gesamte Zug um den Wert von geschwindigkeit in die neue xposition bewegt. Übung 8.9: Implementiere die Methoden beschleunigen() und bewegen() in der Superklasse Waggon. Kompiliere das Projekt Bahn01a. Überprüfe diese mit dem Inspektor. Beschleunige einen Waggon und bewege diesen auf die entsprechende xposition Implementiere auch eine Methode bremsen(). Übung 8.10: Implementiere Methoden, die die Ladefläche eines Güterwagens, die Anzahl der Sitze eines Personenwagens und den Kilometerstand einer Lokomotive liefern. Untersuche mit Hilfe des Inspektors die Objekte der Klassen Gueterwagen, Personenwagen und Lokomotive. Erarbeite deren Gemeinsamkeiten und deren Unterschiede. Die Abbildung 8.16 zeigt deine bisherige Modellierung der Waggons, aus denen der Zug nun zusammengestellt wird.

12 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 12 Abbildung 8.16: Modellierung der Waggons Der Zug wird zusammengestellt Nun wirst du aus allen Waggons einen Zug zusammenstellen. Hierzu wird die Klasse Zug verwendet, in der mit Hilfe der Methode anhaengen() diese Waggons in einer Liste zusammengefasst werden. Interessant ist nun, wie die Objekte der verschiedenen Klassen Gueterwagen, Personenwagen und Lokomotive in eine gemeinsame Liste waggonliste untergebracht werden. Hier hilft wieder die Technik der Vererbung. All diese Klassen haben von der Superklasse Waggon geerbt. Du sammelst also in der Sammlung waggonliste Objekte vom Typ Waggon. Diese Sammlung weiß dann sozusagen selbst, ob dieser Waggon aus der Subklasse Gueterwagen, Personenwagen bzw. Lokomotive ist. Abbildung 8.17 zeigt den Quelltext der Klasse Zug. import java.util.*; public class Zug private ArrayList<Waggon> waggonliste; public Zug() waggonliste = new ArrayList<Waggon>(); /** Haengt den neuen Waggon an. */ public void anhaengen(waggon waggon) waggonliste.add(waggon);

13 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 13 Abbildung 8.17: Quelltext der Klasse Zug Die Methode anhaengen() erwartet als Parameter kein Objekt der Subklassen Gueterwagen, usw., sondern ein Objekt der Superklasse Waggon. Du weißt nun, dass Klassen Subklassen haben können. Objekte von Subklassen können an allen Stellen verwendet werden, an denen Objekte vom Typ ihrer Superklassen erwartet werden. Denn ein Objekt einer Subklasse ist nur ein spezielles Objekt der Superklasse. Umgekehrt klappt dies nicht! Deswegen funktioniert auch die obige Parameterübergabe. Du darfst also ein Objekt vom Typ Lokomotive an eine Methode anhaengen() übergeben, die einen Parameter vom Typ Waggon erwartet. Deshalb benötigst du auf Grund dieser Subtyp-Regel nur eine Methode (mit einem Parameter vom Typ Waggon), um Güterwagen, Personenwagen oder auch Lokomotiven erfassen zu können. In einer objektorientierten Programmiersprache darfst du, wenn ein Objekt einer Superklasse erwartet wird, dieses durch ein Objekt einer Subklasse ersetzen. Abbildung 8.18: Klassendiagramm des Projekts Bahn01b

14 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 14 Übung 8.11: Speichere dein Projekt Bahn01a unter dem Namen Bahn01b. Implementiere im Projekt Bahn01b der Klasse Zug aus Abbildung 8.17 a) Erzeuge nun die Objekte wie in Abbildung 8.18 und erstelle den Zug mit Hilfe der Methode anhaengen(). b) Überprüfe mit Hilfe des Inspektors, ob der Zug alle Waggons besitzt. Vergleiche dazu die Abbildung Abbildung 8.19: Der Inspektor des Objekts zug1 Variablen für Objekttypen sind in Java polymorphe Variablen. Polymorph bedeutet vielgestaltig. In diesem Sinn kann eine Variable Objekte von verschiedenen Typen halten, nämlich den deklarierten Typ dieser Variablen und den Subtyp dieses deklarierten Typs. Da nun die Reihenfolge der Waggons im Zug festgelegt ist, kannst du jetzt auch die xposition (das ist der jeweils linke Rand) jedes einzelnen Waggons berechnen. In Übung 8.2 hast du auf einem Blatt Papier bereits einen Zug zusammengestellt. Für die Berechnung der jeweiligen xposition benötigst du die Länge der einzelnen Waggons und einen gewissen Abstand (bei mir gleich 2)

15 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 15 zwischen den Waggons. Abbildung 8.20 zeigt, wie du aus der Länge eines Waggons und dessen Position im Zug die entsprechende xposition ermitteln kannst. Abbildung 8.20: Ermittlung der xposition jedes einzelnen Waggons Der Zug ist also verantwortlich für die Berechnung der x-positionen seiner Waggons. Jeder Waggon liefert dem Zug seine Länge und der Zug errechnet hieraus die entsprechende x-position. Anschließend holt sich der Waggon diese x-position und speichert sie in seinem Datenfeld xposition. Übung 8.12: Implementiere in der Klasse Waggon a) die Methode giblaenge(), die die jeweilige Länge des Waggons liefert, b) die Methode holexposition(), die die berechnete x-position in das Datenfeld xposition schreibt. Die Berechnung der x-position jedes einzelnen Waggons erfolgt in der Klasse Zug. In der Methode anhaengen() wird die jeweilige Waggonposition dem gerade neu angehängten Waggon übergeben und anschließend gleich die neue Waggonposition für den nächsten Waggon berechnet. Dazu musst du eine Konstante ABSTAND = 2 und ein neues Datenfeld waggonposition in der Klasse Zug deklarieren. final static int ABSTAND = 2; private int waggonposition; private ArrayList<Waggon> waggonliste; weitere Anweisungen public void anhaengen(waggon waggon) waggonliste.add(waggon); waggon.holexposition(waggonposition); //berechnet xposition des naechsten Waggons waggonposition += ABSTAND + waggon.giblaenge();

16 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 16 Abbildung 8.21: Die Methode anhaengen() in der Klasse Zug Übung 8.13: Implementiere in der Klasse Zug die Methode anhaengen(). Nun stelle wie in Übung 8.11 einen Zug zusammen und überprüfe mit Hilfe des Inspektors die x-positionen der entsprechenden Waggons wie in Abbildung 8.20 dargestellt Der Zug fährt Nachdem du den Zug aus verschiedenen Waggons zusammengesetzt hast, sollte dieser nun auch fahren. Du musst also zuerst die Geschwindigkeit eines jeden Waggons vergrößern (diese hat zurzeit den Wert 0) und anschließend die Waggons bewegen. Dazu besitzt jeder Waggon bereits die Methoden beschleunigen() und bewegen(). Die Klasse Zug muss also nur noch alle Waggons in der waggonliste der Reihe nach durchlaufen und deren entsprechende Methoden aufrufen. /** Der gesamte Zug vergroessert seine Geschwindigkeit. */ public void vergroesseregeschw() for (Waggon waggon : waggonliste) waggon.beschleunigen(); /** Der gesamte Zug faehrt gleichmaessig. */ public void fahren() for (Waggon waggon : waggonliste) waggon.bewegen(); Abbildung 8.22: Die Methoden vergroesseregeschw() und fahren() in der Klasse Zug Zum Durchlaufen der waggonliste wird eine for-each-schleife verwendet. Hier wird eine Schleifenvariable waggon vom Typ Waggon deklariert, die dann nacheinander für alle Elemente der Sammlung waggonliste verwendet wird. Übung 8.14:

17 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 17 Implementiere die Methoden vergroesseregeschw() und fahren() in der Klasse Zug. Überprüfe mit Hilfe des Inspektors, ob sich bei allen Waggons im Zug die xposition korrekt vergrößert. Implementiere nun eine Methode verringeregeschw(). Die Abbildung 8.23 zeigt deine bisherige Modellierung des Zugs, der aus drei verschiedenen Waggontypen zusammengestellt werden kann. Abbildung 8.23: Modellierung des Zugs (1. Modell) Das bisher beschriebene Modell des Zugs weist einige Mängel auf. Den schwerwiegendsten Mangel zeigt folgende Übung. Übung 8.15: Erstelle im Projekt Bahn01b einen Zug, der keine Lokomotive besitzt. Überprüfe, ob dieser Zug auch ohne Lokomotive fahren kann. Bemerkung: Um diese Mängel zu beseitigen, wirst du später eine fortgeschrittene Modellierung des Zuges kennen lernen. Hier wird dann ein an die Realität besser angepasstes Modell vorgestellt. Vorläufig wird jedoch mit diesem ersten. Modell des Zuges weitergearbeitet.

18 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite Die grafische Oberfläche Bemerkung: Das Erstellen einer grafischen Oberfläche soll in diesem Kapitel nicht im Vordergrund stehen, es würde zu sehr vom eigentlichen Ziel der Vererbung wegführen. Deswegen habe ich bereits alle notwendigen Anweisungen in der Klasse BahnGUI_1 implementiert, einige davon musst du allerdings noch auskommentieren. Die grafische Benutzeroberfläche ist weitgehend bereits vorbereitet. Ich habe diese in zwei größere Panels eingeteilt: das Einstellungspanel einstellungp, das die Buttons zur Zusammenstellung des Zugs und zur Bewegung des Zugs enthält, und das Darstellungspanel darstellungp, das die Bühne für den Zug und dessen Fahrt darstellt. Abbildung 8.24: Die vorbereitete grafische Oberfläche von BahnGUI_1 Das Projekt BahnGUI_1 enthält bereits die Klassen Ansicht und Buehne. Die Klasse Ansicht erzeugt die in Abbildung 8.24 dargestellte Benutzeroberfläche. Sie enthält a) die Zeichenfläche, in der der Zug dargestellt werden soll, b) Buttons, Textfelder und die dafür notwendigen Methoden, von denen zum jetzigen Zeitpunkt viele noch auskommentiert sind.

19 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 19 Die Klasse Buehne dient zur bildlichen Darstellung des Zugs. Sie enthält zum jetzigen Zeitpunkt bereits die Methode paintcomponent(), die den oben abgebildeten schwarzen Elementarwaggon zeichnet, der später durch die entsprechenden Objekte ersetzt wird. Übung 8.16: Hole vom Schulserver das Projekt BahnGUI_1. Speichere dieses unter dem Namen Bahn02. Vergleiche dazu die Abbildung Füge mit Hilfe von Edit > Add Class from File die Klassen Zug, Waggon, Lokomotive, Personenwagen und Gueterwagen in das Projekt Bahn02 hinzu Zeichnen des Zugs Du musst dir nun überlegen, was alles in der Klasse Ansicht passiert, wenn der Benutzer auf den Button Personenwagen drückt. 1. Das Objekt pwagen der Klasse Personenwagen wird erzeugt. 2. Dieses Objekt pwagen wird an den Zug angehängt: zug.anhaengen(). 3. Damit die Klasse Buehne nun alle Waggons des Zugs zeichnen kann, muss a) die Klasse Zug eine Liste aller Waggons liefern: gibwaggonliste() b) die Klasse Buehne diese Liste aller Waggons sich holen: holewaggonliste(), c) um nun diese Liste der Reihe nach zu durchlaufen und somit die Waggons auch bildlich darstellen: zeichne() Du siehst, es gibt einiges zu tun. Am besten, du fängst mit dem letzten Punkt 3c) an. In der Klasse Buehne wird die Methode paintcomponent()implementiert: /** Zeichnet den Zug mit allen Waggons. */ public void paintcomponent(graphics g) for (Waggon waggon : waggonliste) waggon.zeichne(g); Abbildung 8.25: Die Methode paintcomponent() in der Klasse Buehne Hier wird also die Waggonliste durchlaufen. Jeder einzelne Waggon muss sich nun selbst zeichnen. Vorläufig sollen all diese Waggons nur aus einem Rechteck

20 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 20 und den beiden Rädern bestehen. Somit erhält die Klasse Waggon die Methode zeichne(). /** Zeichnet die allgemeine Form des Waggons. */ public void zeichne(graphics g) g.setcolor(farbe); g.fillrect(xposition, yposition, laenge, hoehe); //Kasten g.filloval(xposition+5, yposition+hoehe, 7, 7); //Hinterrad g.filloval(xposition+(laenge-12), yposition+hoehe, 7, 7); //Vorderrad Abbildung 8.26: Die Methode zeichne() in der Klasse Waggon Übung 8.17: a) Ersetze in der Klasse Buehne die Methode paintcomponent() durch die in Abbildung 8.25 vorgeschlagene. b) Implementiere in der Klasse Waggon die Methode zeichne(). Weiterhin werden die Datenfelder yposition und hoehe benötigt, die im Konstruktor initialisiert werden. public Waggon() xposition = 0; yposition = 100; hoehe = 30; geschwindigkeit = 0; Nun werden die Punkte 3a) und 3b) abgearbeitet. Die Klasse Zug besitzt die Sammlung aller Waggons, aus denen der Zug zusammengestellt wurde. Diese Liste muss die Klasse Zug nun liefern können. /** Liefert die Waggonliste. */ public ArrayList<Waggon> gibwaggonliste() return waggonliste; Abbildung 8.27: Die Methode gibwaggonliste() in der Klasse Zug Die Klasse Buehne, die verantwortlich für das Zeichnen des Zuges ist, holt sich anschließend diese Liste aller Waggons. /** Holt sich die Waggonliste. */ public void holewaggonliste(arraylist<waggon> waggonlisteh)

21 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 21 waggonliste = waggonlisteh; Abbildung 8.28: Die Methode holewaggonliste() in der Klasse Buehne Übung 8.18: Implementiere in der Klasse Zug die Methode gibwaggonliste() und in der Klasse Buehne die Methode holewaggonliste(). Zum Schluss musst du noch die beiden Punkte 1 und 2 bearbeiten. /** Reagiert auf Druecken des Buttons Personenwagen. */ public void personenwagenaction() pwagen = new Personenwagen(); zug.anhaengen(pwagen); zeichnezug(); Abbildung 8.29: Die Methode personenwagenaction() in der Klasse Ansicht Hier wird also ein Objekt pwagen der Klasse Personenwagen erzeugt und anschließend mit Hilfe der Methode zug.anhaengen() an den Zug angehängt. Übung 8.19: Entferne nun in der Klasse Ansicht alle Auskommentierungen außer diejenigen, die zur Bewegung des Zugs benötigt werden. Implementiere die Methode personenwagenaction() aus Abbildung 8.29 in der Klasse Ansicht. Implementiere auch die Methoden gueterwagenaction() und lokomotiveaction() in der Klasse Ansicht. Nach dem Kompilieren solltest du ein Klassendiagramm wie in Abbildung 8.30 und eine Oberfläche wie in Abbildung 8.31 erhalten.

22 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 22 Abbildung 8.30: Klassendiagramm des Projekts Bahn02 Abbildung 8.31: Vorläufige Oberfläche des Projekts Bahn02 Vielleicht gefällt dir der Zug in Abbildung 8.1 etwas besser. Aber für den Anfang sieht er doch gar nicht so übel aus Bewegen des Zugs Nun wirst du dem Zug das Fahren beibringen. In der Klasse Zug hast du bereits die Methoden vergroesseregeschw(), verringeregeschw() und fahren()

23 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 23 implementiert. Diese Methoden müssen nun von der Klasse Ansicht verwendet werden. Im Konstruktor der Klasse Ansicht wird die Methode bewegen() aufgerufen. Diese startet den Timer, der im Konstruktor der Klasse Ansicht erzeugt wurde und alle 50 ms ein Signal sendet, d.h. er ruft alle 50 ms die Methode timeran() auf. In dieser Methode bewegt sich der gesamte Zug nach rechts. Anschließend wird der Zug in der neuen Position auf der Bühne gezeichnet. Allerdings hat zu Beginn das Datenfeld geschwindigkeit noch den Wert 0, der Zug wird also immer auf derselben Position gezeichnet. Klickt der Benutzer auf den Button mit dem Rechtspfeil, so registriert dieser Button das Ereignis und ruft die Methode beschleunigenaction() auf. Diese verwendet nun die entsprechende Methode vergroesseregeschw() in der Klasse Zug.. /** Reagiert auf Druecken des Buttons Beschleunigen (-->). */ public void beschleunigenaction() zug.vergroesseregeschw(); Abbildung 8.32: Die Methode beschleunigenaction() in der Klasse Ansicht Nun kann der Zug auf der Oberfläche nach rechts fahren. Übung 8.20: Entferne nun in der Klasse Ansicht alle Auskommentierungen, die auch zur Bewegung des Zugs benötigt werden. Implementiere auch die Methoden beschleunigenaction() in der Klasse Ansicht. Überprüfe, ob der Zug mit verschiedenen Geschwindigkeiten nach rechts fahren kann. Implementiere auch eine Methode bremsenaction(). 8.3 Individuelle Gestaltung der Waggons In diesem letzten Abschnitt über das einfache Zugmodell wirst du nun die Waggons je nach Klasse etwas individueller zeichnen darstellen Darstellung von Einzelheiten Abbildung 8.1 zeigt, dass alle Güterwagen Kohle geladen haben, alle Personenwagen Fenster besitzen und die Lokomotive zusätzlich noch einen

24 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 24 Schornstein hat. Hierzu werden wieder die Konzepte der Vererbung aufgegriffen. Übung 8.21: Speichere dein Projekt Bahn02 unter dem Namen Bahn03. Anschließend überlege dir, was die Methode paintcomponent() in der Klasse Buehne eigentlich macht. Verfolge genau die Methodenaufrufe zurück, allerdings ist die Sache sehr verzwickt. Der Aufruf waggon.zeichne() in der Methode paintcomponent() der Klasse Zugbild ist noch viel verzwickter als du ahnst. Dazu musst du den Mechanismus der Methodensuche genau verstehen, um deine Waggons später individueller gestalten zu können. Eigentlich fängt alles in der Klasse Zug an. Hier werden deine Güterwagen, Personenwagen und Lokomotive mit Hilfe der Methode anhaengen() zu einem Zug zusammengesetzt. /** Haengt den neuen Waggon an. */ public void anhaengen(waggon waggon) waggonliste.add(waggon); waggon.holexposition(waggonposition); //berechnet xposition des naechsten Waggons waggonposition += ABSTAND + waggon.giblaenge(); Abbildung 8.33: Die Methode anhaengen() in der Klasse Zug Erinnere dich, der Parameter waggon dieser Methode ist eine polymorphe (vielgestaltige) Variable. In diesem Sinn kann diese Variable Objekte von verschiedenen Typen halten, nämlich den deklarierten Typ dieser Variablen und den Subtyp dieses deklarierten Typs. Du sammelst also in der Liste waggonliste Objekte vom Typ Waggon. Diese Liste weiß dann sozusagen selbst, ob dieser Waggon aus der Subklasse Gueterwagen, Personenwagen bzw. Lokomotive ist. Nun zurück zur Methode paintcomponent() der Klasse Buehne. /** Zeichnet den Zug mit allen Waggons. */ public void paintcomponent(graphics g) for (Waggon waggon : waggonliste) waggon.zeichne(g); Abbildung 8.34: Die Methode paintcomponent() in der Klasse Buehne

25 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 25 Wie Abbildung 8.1 zeigt, ist das erste Element in dieser Liste ein Güterwagen. In der Variablen waggon ist also nicht ein Objekt der Klasse Waggon enthalten (dies geht sowieso nicht, da die Klasse Waggon als abstract erklärt wurde), sondern ein Objekt der Klasse Gueterwagen. Der Aufruf waggon.zeichne() startet nun eine Suche nach einer Methode zeichne() bei einem Güterwagen. Abbildung 8.35 zeigt den Mechanismus dieser Methodensuche. Abbildung 8.35: Die Methode zeichnen() befindet sich in der Superklasse 1. Die Klasse Gueterwagen des Objekts gwagen wird gefunden. 2. In der Klasse Gueterwagen wird keine Methode zeichne() gefunden. 3. Weil keine passende Methode gefunden wird, wird die Superklasse Waggon nach einer passenden durchsucht. 4. Die Methode zeichne() wird in der Superklasse Waggon gefunden und ausgeführt. Analoges erfolgt auch bei den Objekten der Klasse Personenwagen und Lokomotive. Deshalb haben alle Waggons des Zugs bis auf Farbe und Länge das gleiche Aussehen. Nun kannst du versuchen, den Schornstein und das Fenster der Lokomotive zu zeichnen. /** Zeichnet die speziellen Formen der Lokomotive. */ public void zeichne(graphics g) g.fillrect(xposition+25, yposition-15, 10, 15); //Schornstein g.setcolor(color.lightgray);

26 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 26 g.fillrect(xposition+10, yposition+10, 10, 10); //Fenster Abbildung 8.36: Die Methode zeichne() in der Klasse Lokomotive Übung 8.22: Implementiere die Methode zeichne() aus Abbildung 8.36 in der Klasse Lokomotive. Du musst auch einigen Datenfeldern der Superklasse Waggon eine andere Zugriffsstufe zuweisen. Erstelle nun einen Zug aus zwei Güterwagen, zwei Personenwagen und einer Lokomotive. Versuche dieses Ergebnis zu erklären. Abbildung 8.37: Lokomotive hat nur Schornstein und Fenster Du musst auch hier den Mechanismus der Methodensuche verstehen. Abbildung 8.38: Die Methode zeichne() befindet sich in der Subklasse 1. Die Klasse Lokomotive des Objekts lok wird gefunden. 2. Die Implementierung der Methode zeichne() wird in der Subklasse Lokomotive gefunden und ausgeführt. 3. Somit gelangt man nie zur Methode zeichne() der Superklasse Waggon. Diese Methode wurde überschrieben.

27 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 27 Nun hast du verstanden, warum die Lokomotive ohne Rumpf und Räder gezeichnet wird. Damit auch der Rumpf und die Räder gezeichnet werden, könntest du natürlich die entsprechenden Anweisungen aus der Superklasse Waggon in die Subklasse Lokomotive verschieben. Aber diese Anweisungen müsstest du dann zusätzlich auch in die Klassen Personenwagen und Güterwagen verschieben. Sinnvoll ist das nicht! Das Konzept der Vererbung liefert hier einen Ausweg. Mit einem super-aufruf, den du bereits im Zusammenhang mit Konstruktoren verwendet hast, kannst du auf die Methode zeichne() in der Superklasse zugreifen. /** Zeichnet die speziellen Formen der Lokomotive. */ public void zeichne(graphics g) super.zeichne(g); g.fillrect(xposition+25, yposition-15, 10, 15); //Schornstein g.setcolor(color.lightgray); g.fillrect(xposition+10, yposition+10, 10, 10); //Fenster Abbildung 8.39: Verwendung des Aufrufs super in der Subklasse Lokomotive Wird nun ein Lokomotive-Objekt aufgerufen, wird zuerst die Methode zeichne() aus der Subklasse Lokomotive ausgeführt. In der ersten Anweisung ruft diese Methode mit dem super-aufruf die Methode zeichne() der Superklasse Waggon auf, die nun den Rumpf und die Räder zeichnet. Wenn der Kontrollfluss aus der Superklasse zurückkehrt, werden die restlichen Anweisungen in der Methode der Subklasse abgearbeitet und nun der Schornstein und das Fenster gezeichnet. Übung 8.23: Implementiere die Methode zeichne() aus Abbildung 8.39 in der Klasse Lokomotive. Vergleiche das Ergebnis mit Abbildung Abbildung 8.40: Lokomotiv wird nun vollständig gezeichnet Übung 8.24: Nun solltest du auch die Güterwagen und die Personenwagen gestalten. Abbildung 8.41 zeigt eine Möglichkeit.

28 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 28 Abbildung 8.41: Eine mögliche Gestaltung des Zugs Darstellung durch ImageIcons Bisher hast du die einzelnen Waggons gezeichnet. Eine andere Möglichkeit zur Darstellung der Waggons ist die Verwendung von ImageIcons. Abbildung 8.42 zeigt eine Möglichkeit, auf der grafischen Benutzeroberfläche solche ImageIcons zu verwenden. Mehrere solche jpg-bilder befinden sich im Ordner Bilder, der im Projekt BahnGUI_1 mitgeliefert wird. Abbildung 8.42: Zur Darstellung der Waggons werden ImageIcons verwendet Als Basis zur Darstellung des Zugs durch ImageIcons verwendest du dein Projekt Bahn02. Einige Änderungen musst du durchführen in der Klasse Buehne, in der Superklasse Waggon und in den Subklassen Lokomotive, Personenwagen und Gueterwagen. Da die Klasse ImageIcon im Pakat javax.swing definiert ist, musst du in all diesen Klassen das Paket javax.swing.* importieren. Übung 8.25: Speichere dein Projekt Bahn02 unter dem Namen Bahn04. Führe nun nacheinander die folgenden Änderungen durch.

29 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 29 Die Klasse Buehne muss nun ImageIcons auf die Zeichenfläche malen. Hierzu wird die Methode paintcomponent() ersetzt durch /** Zeichnet den Zug mit allen Waggons. */ public void paintcomponent(graphics g) for (Waggon waggon : waggonliste) ImageIcon icon = waggon.gibicon(); int xposition = waggon.gibxposition(); if (icon!= null) icon.painticon(this, g, xposition, 100); Abbildung 8.43: Die Methode paintcomponent() in der Klasse Buehne Von jedem Waggon aus der waggonliste holt sich die Methode das icon und die xposition. Anschließend wird es an die entsprechende Position auf der Bühne gezeichnet. In der Superklasse Waggon werden folgende Datenfelder yposition, hoehe, laenge und farbe nicht mehr benötigt. Hinzugefügt werden muss jedoch das Datenfeld ImageIcon icon. Im Konstruktor entfernst du auch die Initialisierungen yposition = 100; hoehe = 30; Wie Abbildung 8.43 zeigt, benötigt die Klasse Buehne von jedem Waggon sein icon und seine xposition. Deswegen musst du die Methode zeichne() ersetzen durch gibicon() und zusätzlich die Methode gibxposition() implementieren. Zur Zusammenstellung des Zugs benötigt die Klasse Zug in der Methode anhaengen() die Länge der einzelnen Waggons. Diese Länge entspricht nun der Größe der einzelnen Icons und wird mit der geänderten Methode giblaenge() geliefert /** Liefert das ImageIcon des entsprechenden Waggons. */ public ImageIcon gibicon() return icon; /** Liefert die x-position, wird von der Klasse Buehne benutzt. */ public int gibxposition() return xposition; /** Der Waggon liefert seine Laenge. */ public int giblaenge()

30 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 30 return icon.geticonwidth(); Abbildung 8.44: Die Methoden gibicon(), gibxposition() und giblaenge() in der Klasse Waggon Die letzten Änderungen werden in den Subklassen am Beispiel der Lokomotive durchgeführt. Nicht mehr benötigt werden im Konstruktor die Initialisierungen laenge = 40, farbe = Color.black. Dafür muss jedoch im Konstruktor das entsprechende jpg-bild aus dem Ordner Bilder geholt mit icon = new ImageIcon(Lokomotive.class.getResource("bilder/Lok.jpg")); Zum Schluss musst du noch die Methode zeichne() löschen, da sie nicht mehr benötigt wird. Diese Änderungen in der Sublasse Lokomotive musst du nun in analog in den Subklassen Personenwagen und Lokomotive durchführen. 8.4 Fortgeschrittene Modellierung des Zugs (2. Modell) Bemerkung: In der ersten, einfachen Modellierung hast du die Grundbegriffe der Vererbung und des Polymorphismus kennen gelernt. Allerdings weist dieses einfache Modell noch einige Mängel auf. Diese werden nun in einer weiteren, fortgeschrittenen Modellierung behoben. Hier stelle ich dir ein an die Realität besser angepasstes Modell vor. Das bisher beschriebene Modell des Zugs weist einige Mängel auf. Den schwerwiegendsten Mangel zeigt folgende Übung. Übung 8.26: Erstelle im Projekt Bahn03 oder Bahn04 einen Zug, der keine Lokomotive besitzt. Überprüfe, ob dieser Zug auch ohne Lokomotive fahren kann. Überlege, welche Mängel das bisherige Modell aufweist und wie diese beseitigt werden könnten Vererbungshierachie des 2. Modells Wiederum besteht der Zug aus einer Lokomotive und einer bestimmten Anzahl von Personenwagen und Güterwagen. Somit kannst du folgendes vorläufiges Modell der Waggons eines Zugs entwerfen.

31 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 31 Abbildung 8.45: Die Klasse Personenwagen und ein Objekt pwagen1 Abbildung 8.46: Die Klasse Lokomotive und ein Objekt lok Die Abbildungen 8.45 und 8.46 zeigen Modelle der Klasse Personenwagen und der Klasse Lokomotive mit zugehörigen Objekten. Wichtig in diesem verbesserten Modell des Zugs ist, dass ausschließlich die Lokomotive das Datenfeld geschwindigkeit besitzt und dieses mit entsprechenden Methoden später vergrößern bzw. verringern kann. Die Personen- und Güterwagen brauchen nur ihre xpositionen kennen. Somit wird gewährleistet, dass ein Zug ohne Lokomotive nicht fahren kann. Mit Hilfe der Mechanismen der Vererbung erhält man nun folgendes vorläufige Modell, das noch keine Methoden kennt. Abbildung 8.47: Personenwagen und Lokomotive erben von Waggon

32 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite Datenfelder in Super- und Subklassen Übung 8.27: Erzeuge in BlueJ ein neues Projekt Bahn05a Implementiere die vier Klassen Waggon Gueterwagen Personenwagen Lokomotive mit den Datenfeld xposition, laenge, farbe Mit dem Datenfeld flaeche mit dem Datenfeld sitze mit dem Datenfeldern kmstand, geschwindigkeit Definiere die Klassen Gueterwagen, Personenwagen und Lokomotive als Subklassen und die Klasse Waggon als abstrakte Superklasse. Erzeuge nun Objekte der einzelnen Klassen und untersuche diese mit Hilfe des Inspektors Konstruktoren in Super- und Subklassen Übung 8.28: Implementiere die Konstruktoren der Superklasse Waggon und der drei Subklassen. Achte auf die korrekte Zugriffsstufe der Datenfelder. Erzeuge Objekte von allen drei Klassen und untersuche diese mit dem Inspektor. import java.awt.*; abstract public class Waggon private int xposition; protected int laenge; protected Color farbe; public Waggon() xposition = 0; Abbildung 8.48: Quelltext der Superklasse Waggon import java.awt.*; public class Lokomotive extends Waggon private int kmstand, geschwindigkeit; public Lokomotive() super(); laenge = 40;

33 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 33 farbe = Color.black; kmstand = 0; geschwindigkeit = 0; Abbildung 8.49: Quelltext der Subklasse Lokomotive Methoden in Super- und Subklassen Nun wirst du die Klassen mit Leben füllen. Der Zug, der aus mehreren Güterund Personenwagen und einer Lokomotive zusammengesetzt ist, soll nun fahren. In deinem Modell ist ausschließlich die Lokomotive für die Bewegung zuständig. Der Inspektor der Lokomotive zeigt jedoch, dass zum Zeitpunkt der Erzeugung ihre Geschwindigkeit den Wert 0 hat. Somit musst du in der Klasse Lokomotive eine Methode beschleunigen() implementieren, die ihre Geschwindigkeit vergrößert. /** Vergroessert die Geschwindigkeit der Lokomotive um 1. */ public void beschleunigen() geschwindigkeit += 1; Abbildung 8.50: Die Methode beschleunigen() in der Subklasse Lokomotive Jetzt kannst du zwar die Geschwindigkeit der Lokomotive vergrößern, jedoch müssen sich alle Waggons des Zugs um eine bestimmte Strecke dx bewegen. In diesem Zugmodell ist der Wert der Strecke dx gleich dem Wert der Geschwindigkeit der Lokomotive. Die Subklasse Lokomotive muss mit einer Methode gibgeschwindigkeit() den Wert für ihre momentane Geschwindigkeit liefern. Da diese Geschwindigkeit der Schrittweite dx aller Waggons entspricht, wird sie als Parameter dx der Methode bewegen() übergeben wird. /** Liefert die Geschwindigkeit der Lokomotive. */ public int gibgeschwindigkeit() return geschwindigkeit; Abbildung 8.51: Die Methode gibgeschwindigkeit() in der Subklasse Lokomotive Wenn also die Lokomotive nun die geschwindigkeit = 2 liefert, so sollen sich alle Waggons um dx = 2 nach rechts bewegen. Da diese Fähigkeit alle Waggons betrifft, ist es sinnvoll, die entsprechende Methode bewegen() in der Superklasse Waggon zu implementieren.

34 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 34 /** Bewegt den Waggon auf die neue x-position. */ public void bewegen(int dx) xposition += dx; Abbildung 8.52: Die Methode bewegen() in der Superklasse Waggon Übung 8.29: Implementiere die Methode beschleunigen() und gibgeschwindigkeit() in der Subklasse Lokomotive. Implementiere die Methode bewegen() in der Superklasse Waggon. Kompiliere das Projekt Bahn05. Überprüfe nun mit dem Inspektor, ob die Methode bewegen() die xposition der jeweiligen Objekte um den Wert des Parameters dx vergrößert. Implementiere auch eine Methode bremsen(), die die Geschwindigkeit der Lokomotive verringert. Überprüfe diese Methoden mit dem Inspektor Übung 8.30: Implementiere Methoden, die die Ladefläche eines Güterwagens, die Anzahl der Sitze eines Personenwagens und den kmstand einer Lokomotive liefern. Die Abbildung 8.53 zeigt deine bisherige Modellierung der Waggons, aus denen der Zug nun zusammengestellt wird. Abbildung 8.53: Modellierung der Waggons Der Zug wird zusammengestellt Nun wirst du aus einem Güterwagen, zwei Personenwagen und einer Lokomotive einen Zug zusammenstellen. Hierzu wird die Klasse Zug verwendet.

35 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 35 Abbildung 8.54: Ermittlung der xposition jedes einzelnen Waggons Der Zug ist also verantwortlich für die Berechnung der x-positionen seiner Waggons. Jeder Waggon liefert dem Zug mit der Methode giblaenge() seine Länge und der Zug errechnet hieraus die entsprechende x-position. Anschließend holt sich der Waggon mit der Methode holexposition() diese x- Position und speichert sie in seinem Datenfeld xposition. import java.util.*; public class Zug final static int ABSTAND = 2; private int waggonposition; private ArrayList<Waggon> waggonliste; public Zug() Methodenkörper public void anhaengen(waggon waggon) Methodenkörper Abbildung 8.55: Unvollständiger Quelltext der Klasse Zug Die Berechnung der x-position jedes einzelnen Waggons erfolgt in der Klasse Zug. In der Methode anhaengen() wird ein neuer Waggon der waggonliste hinzugefügt und die jeweilige Waggonposition dem gerade neu angehängten Waggon übergeben. Anschließend wird gleich die neue Waggonposition für den nächsten Waggon berechnet. Übung 8.31: Speichere dein Projekt unter dem Namen Bahn05b.

36 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 36 Implementiere in der Klasse Waggon a) die Methode giblaenge(), die die jeweilige Länge des Waggons liefert, b) die Methode holexposition(), die die berechnete x-position in das Datenfeld xposition schreibt. Implementiere die Klasse Zug mit ihren Datenfeldern, ihrem Konstruktor und ihrer Methode anhaengen(). Nun stelle einen Zug zusammen. Überprüfe mit Hilfe des Inspektors entsprechend den Abbildung 8.54 und 8.56 die x-positionen der entsprechenden Waggons im Zug. Abbildung 8.56: Die Inspektoren zeigen die korrekten x-positionen der Waggons im Zug Der Zug fährt Nachdem du nun den Zug aus verschiedenen Waggons zusammengesetzt hast, sollte dieser auch fahren. Du musst also zuerst die Geschwindigkeit der Lokomotive vergrößern (diese hat zurzeit den Wert 0) und anschließend alle Waggons bewegen. Da nur in der Klasse Lokomotive die Methode beschleunigen() implementiert ist, wird in der Sammlung waggonliste nach dieser Lokomotive gesucht und ihre Methode beschleunigen() zum Vergrößern der Geschwindigkeit aufgerufen. /** Die Lokomotive vergroessert ihre Geschwindigkeit. */ public void vergroesseregeschw() for (Waggon waggon : waggonliste) if (waggon instanceof Lokomotive) Lokomotive lok = (Lokomotive) waggon; lok.beschleunigen(); Abbildung 8.57: Die Methode vergroessere Geschw() in der Klasse Zug

37 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 37 Um nun den kompletten Zug fahren zu lassen, wird die Sammlung waggonliste durchlaufen und von jedem Waggon dessen Methode bewegen(dx) aufgerufen. Die Schrittweite dx entspricht der momentanen geschwindigkeit der Lokomotive, deren Wert zuvor noch ermittelt werden muss. /** Der gesamte Zug faehrt gleichmaessig um dx weiter. */ public void fahren() int dx = 0; //Schrittweite = Geschwindigkeit der Lokomotiv //holt sich die Geschwindigkeit der Lokomotive for (Waggon waggon : waggonliste) if (waggon instanceof Lokomotive) Lokomotive lok = (Lokomotive) waggon; dx = lok.gibgeschwindigkeit(); //alle Waggons bewegen sich um dx for (Waggon waggon : waggonliste) waggon.bewegen(dx); Abbildung 8.58: Die Methoden fahren() in der Klasse Zug Zum Durchlaufen der waggonliste wird eine for-each-schleife verwendet. Hier wird eine Schleifenvariable waggon vom Typ Waggon deklariert, die dann nacheinander für alle Elemente der Sammlung waggonliste verwendet wird. Übung 8.32: Implementiere die Methoden vergroesseregeschw() und fahren() in der Klasse Zug. Überprüfe mit Hilfe des Inspektors, ob sich bei allen Waggons im Zug die xposition korrekt vergrößert. Implementiere nun eine Methode verringeregeschw(). Die Abbildung 8.59 zeigt deine bisherige Modellierung des Zugs, der aus drei verschiedenen Waggontypen zusammengestellt werden kann.

38 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 38 Abbildung 8.59: Modellierung des Zugs (2. Modell) Übung 8.33: Erstelle einen Zug ohne Lokomotive. Überprüfe nun, welche Auswirkungen die Methoden vergroesseregeschw(), verringeregeschw() und fahren() auf die x- Position der Waggons haben Eventuell könntest du hier noch eine entsprechende Fehlermeldung ausgeben. 8.5 Abstrakte Methoden Übung 8.34: Speichere nun dein Projekt Bahn05b unter dem Namen Bahn06. Der Zugführer möchte nun die Gesamtdaten des Zuges ermitteln: a) wie groß ist die Ladefläche aller Güterwagen zusammen, b) wie viele Sitzplätze zählen alle Personenwagen zusammen, c) welchen Kilometerstand besitzt die Lokomotive, d) mit welcher Geschwindigkeit fährt der Zug gerade. Um die Gesamtladefläche zu erhalten, implementierst du eine Methode gibflaeche(), die alle in einem Zug gesammelten Waggons durchläuft und

39 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 39 speziell bei den Güterwagen deren Fläche addiert. Abbildung 8.60 zeigt eine solche mögliche Methode. /** Liefert die Gesamtladeflaeche aller Gueterwagen. */ public int gibflaeche() int flaeche = 0; for (Waggon waggon : waggonliste) if (waggon instanceof Gueterwagen) Gueterwagen gwagen = (Gueterwagen) waggon; flaeche += gwagen.gibflaeche(); return flaeche; Abbildung 8.60: Die Methoden gibflaeche() in der Klasse Zug Dieser Quelltext macht folgendes Problem deutlich. In der waggonliste werden Waggons gesammelt. Trotzdem musst du herausfinden, um welche Art von Waggon es sich handelt. Da die waggonliste nur die Supertypen waggon zurückliefert, musst du anschließend den Cast-Operator anwenden, um den richtigen Subtyp gwagen, pwagen oder lok zu erhalten. Erst jetzt kann die entsprechende Methode des jeweiligen Subtyps aufgerufen werden. Dies alles ist ein deutlicher Hinweis, dass du noch nicht alle Vorteile der Vererbung ausgeschöpft hast. Du wirst nun lernen, wie in der Superklasse Waggon eine Methode gibdaten() implementiert wird, die in jeder Subklasse redefiniert wird. Du benutzt also einen polymorphen Methodenaufruf, damit jeder Waggon seine speziellen Daten dem Zug mitteilen kann. Abbildung 8.61 zeigt den Quelltext in der Subklasse Gueterwagen mit diesem Lösungsansatz. /** Liefert die Ladeflaeche. */ public int gibdaten() return flaeche; Abbildung 8.61: Die Methode gibdaten() in der Klasse Gueterwagen Statt also jedem Waggon genau mitzuteilen, welche Daten er liefern soll (also gibflaeche(), gibsitze() oder gibkmstand()), sagt man ihm nur noch, dass er

40 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 40 Daten zu liefern hat. Welche Daten er dann liefert, bleibt somit jedem Waggon selbst überlassen. /** Liefert die Gesamtladeflaeche aller Gueterwagen. */ public int gibflaeche() int flaeche = 0; for (Waggon waggon : waggonliste) if (waggon instanceof Gueterwagen) flaeche += waggon.gibdaten(); return flaeche; Abbildung 8.62: Die Methode gibflaeche() in der Klasse Zug Übung 8.35: Verändere in der Subklasse Gueterwagen die entsprechenden Methodennamen wie in Abbildung 8.60 dargestellt. Implementiere nun in der Klasse Zug die Methode gibflaeche() aus Abbildung Allerdings lässt sich nun das Projekt nicht mehr kompilieren. Die Abbildung 8.63 zeigt die Fehlermeldung cannot find symbol method gibdaten() in der Klasse Zug. Abbildung 8.63: Fehlermeldungen in der Klasse Zug Diese Fehlermeldung ist verständlich, da die Methode gibdaten() nicht in der Superklasse Waggon implementiert, sondern in deren Subklassen.

41 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 41 Die Variable waggon ist vom Typ Waggon und der Aufruf waggon.gibdaten() kann nur kompiliert werden, wenn die Klasse Waggon eine solche Methode besitzt. Das Problem aber ist, dass du in der Superklasse Waggon keine vernünftige Implementierung angeben kannst, weil je nach Subtyp andere Daten geliefert werden. Die Lösung ist, diese Methode in der Superklasse Waggon als abstract zu deklarieren. /** Abstrakte Methode, um die Daten der Subtypen zu erhalten. */ abstract public int gibdaten(); Abbildung 8.64: Abstrakte Methode gibdaten() in der Superklasse Waggon Da diese abstrakte Methode keinen Rumpf hat, kann sie auch niemals ausgeführt werden. Aber eine Ausführung der Methode ist auch nicht beabsichtigt, da von der abstrakten Superklasse Waggon keine Objekte erzeugt werden können. Solche abstrakten Klassen mit abstrakten Methoden erzwingen, dass Subklassen die abstrakt deklarierten Methoden überschreiben (redefinieren). Nur wenn eine Subklasse eine Implementierung für eine geerbte abstrakte Methode anbietet, können von ihr Objekte erzeugt werden. Übung 8.36: a) Verändere in allen Subklassen die entsprechenden Methoden. b) Implementiere nun in der Superklasse Waggon die abstrakte Methode gibdaten(). Beachte, dass im Quelltext solche abstrakten Methoden direkt hinter den Konstruktoren anzuordnen sind! c) Implementiere in der Klasse Zug entsprechende Methoden (ähnlich wie gibflaeche() ), die die Gesamtzahl der Sitze und den Kilometerstand der Lokomotive liefert. d) Überprüfe nun dein Projekt Bahn03 mit Hilfe des Inspektors. Falls du Probleme beim Ermitteln des Kilometerstands der Lokomotive hattest, solltest du die folgenden beiden Methoden untersuchen. /** Vergroessert den kmstand um geschwindigkeit. */ public void erhoehekmstand() kmstand += Math.abs(geschwindigkeit); /** Der gesamte Zug faehrt gleichmaessig. */ public void fahren()

42 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 42 eventuell weitere Anweisungen for (Waggon waggon : waggonliste) waggon.bewegen(); if (waggon instanceof Lokomotive) Lokomotive lok = (Lokomotive) waggon; lok.erhoehekmstand(); Abbildung 8.65: Die Methoden erhoehekmstand() in der Klasse Lokomotive und fahren() in der Klasse Zug Wie in jedem modernen ICE soll den Fahrgästen auch noch die aktuelle Momentangeschwindigkeit angezeigt werden. Übung 8.37 Implementiere eine geeignete Methode gibmomentangesch(), so dass die Klasse Zug die Momentangeschwindigkeit des Zugs (besser der Lokomotive) liefert. Im Prinzip ist der Zug nun fertig. Das ganze Programm wirkt jedoch langweilig, wenn dieser Zug nicht grafisch dargestellt wird. Die Erstellung einer grafischen Benutzeroberfläche für diese fortgeschrittene Modellierung wird dir nun in den folgenden Kapiteln gezeigt. 8.6 Die grafische Oberfläche Die grafische Benutzeroberfläche für diese Modellierung ist weit gehend bereits vorbereitet. Ich habe diese in zwei größere Panels eingeteilt: das Einstellungspanel einstellungp, das die Buttons zur Zusammenstellung des Zugs und zur Bewegung des Zugs enthält, und das Darstellungspanel darstellungp, das die Bühne für den Zug und dessen Fahrt darstellt.

43 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 43 Abbildung 8.66: Die vorbereitete grafische Oberfläche von BahnGUI Das Projekt BahnGUI_2 enthält bereits die Klassen Ansicht und Buehne. Die Klasse Ansicht erzeugt die in Abbildung 8.66 dargestellte Benutzeroberfläche. Sie enthält a) die Zeichenfläche, in der der Zug dargestellt werden soll, b) Buttons, Textfelder und die dafür notwendigen Methoden, von denen zum jetzigen Zeitpunkt viele noch auskommentiert sind, Die Klasse Buehne dient zur bildlichen Darstellung des Zugs. Sie enthält zum jetzigen Zeitpunkt bereits die Methode paintcomponent(), die den oben abgebildeten schwarzen Elementarwaggon zeichnet, der später durch die entsprechenden Objekte ersetzt wird. Übung 8.38: Hole vom Schulserver das Projekt BahnGUI_2. Speichere dieses unter dem Namen Bahn07. Vergleiche dazu die Abbildung Füge aus Bahn06 mit Hilfe von Edit > Add Class from File die Klassen Zug, Waggon, Lokomotive, Personenwagen und Gueterwagen in das Projekt Bahn07 hinzu Zeichnen des Zugs Du musst dir nun überlegen, was alles in der Klasse Ansicht passiert, wenn der Benutzer auf den Button neupersonb gedrückt wird. 1. Das Objekt pwagen der Klasse Personenwagen wird erzeugt.

44 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite Dieses Objekt pwagen wird an den Zug angehängt: zug.anhaengen(). 3. Damit die Klasse Buehne nun alle Waggons des Zugs zeichnen kann, muss a) die Klasse Zug eine Liste aller Waggons liefern: gibwaggonliste() b) die Klasse Buehne diese Liste aller Waggons sich holen: holewaggonliste(), c) um nun diese Liste der Reihe nach zu durchlaufen und somit die Waggons auch bildlich darstellen: zeichne() Du siehst, es gibt einiges zu tun. Am besten, du fängst mit dem letzten Punkt 3c) an. In der Klasse Buehne wird die Methode paintcomponent()implementiert: /** Zeichnet den Zug mit allen Waggons. */ public void paintcomponent(graphics g) for (Waggon waggon : waggonliste) waggon.zeichne(g); Abbildung 8.67: Die Methode paintcomponent() in der Klasse Buehne Hier wird also die Waggonliste durchlaufen. Jeder einzelne Waggon muss sich nun selbst zeichnen. Vorläufig sollen all diese Waggons nur aus einem Rechteck und den beiden Rädern bestehen. Somit erhält die Klasse Waggon die Methode zeichne(). /** Zeichnet die allgemeine Form des Waggons. */ public void zeichne(graphics g) g.setcolor(farbe); g.fillrect(xposition, yposition, laenge, hoehe); //Kasten g.filloval(xposition+5, yposition+hoehe, 7, 7); //Hinterrad g.filloval(xposition+(laenge-12), yposition+hoehe, 7, 7); //Vorderrad Abbildung 8.68: Die Methode zeichne() in der Klasse Waggon Übung 8.39: a) Ersetze in der Klasse Buehne die Methode paintcomponent() durch die in Abbildung 8.67 vorgeschlagene.

45 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 45 b) Implementiere in der Klasse Waggon die Methode zeichne(). Weiterhin werden die Datenfelder yposition und hoehe benötigt, die im Konstruktor initialisiert werden. public Waggon() xposition = 0; yposition = 100; hoehe = 30; Nun werden die Punkte 3a) und 3b) abgearbeitet. Die Klasse Zug besitzt die Sammlung aller Waggons, aus denen der Zug zusammengestellt wurde. Diese Liste muss die Klasse Zug nun liefern können. /** Liefert die Waggonliste. */ public ArrayList<Waggon> gibwaggonliste() return waggonliste; Abbildung 8.69: Die Methode gibwaggonliste() in der Klasse Zug Die Klasse Buehne, die verantwortlich für das Zeichnen des Zuges ist, holt sich anschließend diese Liste aller Waggons. /** Holt sich die Waggonliste. */ public void holewaggonliste(arraylist<waggon> waggonlisteh) waggonliste = waggonlisteh; Abbildung 8.70: Die Methode holewaggonliste() in der Klasse Buehne Übung 8.40: Implementiere in der Klasse Zug die Methode gibwaggonliste() und in der Klasse Buehne die Methode holewaggonliste(). Zum Schluss musst du noch die beiden Punkte 1 und 2 bearbeiten. /** Reagiert auf Druecken des Buttons Personenwagen. */ public void personenwagenaction() pwagen = new Personenwagen(); zug.anhaengen(pwagen);

46 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 46 sitzetf.settext("" + zug.gibsitze()); zeichnezug(); Abbildung 8.71: Die Methode personenwagenaction() in der Klasse Ansicht Hier wird also ein Objekt pwagen der Klasse Personenwagen erzeugt und anschließend mit Hilfe der Methode zug.anhaengen() an den Zug angehängt. Danach ermittelt der Zug noch die Anzahl der Sitze aller seiner Personenwagen und trägt diese in das entsprechende Textfeld sitzetf ein. Übung 8.41: Entferne nun in der Klasse Ansicht alle Auskommentierungen außer diejenigen, die zur Bewegung des Zugs benötigt werden. Implementiere die Methode personenwagenaction() aus Abbildung 8.71 in der Klasse Ansicht. Teste nun dein Projekt Bahn07. Du kannst zum jetzigen Zeitpunkt nur Personenwagen erzeugen. Die Abbildung 8.72 zeigt, wie sich für jeden neuen Personenwagen die Anzahl der Sitze um 50 erhöht. Abbildung 8.72: Drei Personenwagen ergeben 150 Sitzplätze Übung 8.42: Implementiere auch die Methoden gueterwagenaction() und lokomotiveaction() in der Klasse Ansicht. Nach dem Kompilieren solltest du ein Klassendiagramm wie in Abbildung 8.73 und eine Oberfläche wie in Abbildung 8.74 erhalten.

47 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite 47 Abbildung 8.73: Klassendiagramm des Projekts Bahn07 Abbildung 8.74: Vorläufige Oberfläche des Projekts Bahn03 Vielleicht gefällt dir der Zug in Abbildung 8.1 etwas besser. Aber für den Anfang sieht er doch gar nicht so übel aus.

48 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite Bewegen des Zugs Nun wirst du dem Zug das Fahren beibringen. In der Klasse Zug hast du bereits die Methoden vergroesseregeschw(), verringeregeschw() und fahren() implementiert. Diese Methoden müssen nun von der Klasse Ansicht verwendet werden. Im Konstruktor der Klasse Ansicht wird die Methode bewegen() aufgerufen. Diese startet den Timer, der im Konstruktor der Klasse Ansicht erzeugt wurde und alle 50 ms ein Signal sendet, d.h. er ruft alle 50 ms die Methode timeran() auf. In dieser Methode bewegt sich der gesamte Zug nach rechts. Anschließend wird der aktuelle Kilometerstand in das zugehörige Textfeld eingetragen und der Zug auf in der neuen Position auf der Bühne gezeichnet. Allerdings hat zu Beginn das Datenfeld geschwindigkeit noch den Wert 0, der Zug wird also immer auf derselben Position gezeichnet. Klickt der Benutzer auf den Button mit dem Rechtspfeil, so registriert dieser Button das Ereignis und ruft die Methode beschleunigenaction() auf. Diese verwendet nun die entsprechende Methode vergroesseregeschw() in der Klasse Zug und setzt gleichzeitig die Momentangeschwindigkeit in das zugehörige Textfeld. /** Reagiert auf Druecken von beschleunigenb. */ public void beschleunigenaction() zug.vergroesseregeschw(); geschwindigkeittf.settext("" + zug.gibmomentangeschw()); Abbildung 8.75: Die Methode beschleunigenaction() in der Klasse Ansicht Nun kann der Zug auf der Oberfläche nach rechts fahren. Übung 8.43: Entferne nun in der Klasse Ansicht alle Auskommentierungen, die auch zur Bewegung des Zugs benötigt werden. Implementiere auch die Methoden beschleunigenaction() in der Klasse Ansicht. Überprüfe, ob der Zug mit verschiedenen Geschwindigkeiten nach rechts fahren kann. Implementiere auch eine Methode bremsenaction(). 8.7 Individuelle Gestaltung der Waggons In diesem letzten Abschnitt wirst du nun die Waggons je nach Klasse etwas individueller zeichnen oder durch ImageIcons darstellen.

49 Kapitel 5 Das Projekt Bahn Seite Darstellung von Einzelheiten Abbildung 8.76 zeigt, dass alle Güterwagen Kohle geladen haben, alle Personenwagen Fenster besitzen und die Lokomotive zusätzlich noch einen Schornstein hat. Hierzu werden wieder die Konzepte der Vererbung aufgegriffen. Abbildung 8.76: Das Projekt Bahn08 Übung 8.44: Speichere dein Projekt Bahn07 unter dem Namen Bahn08. Um die oben genannten Details der jeweiligen Waggons darzustellen, bearbeite das Kapitel Darstellung durch ImageIcons Bisher hast du die einzelnen Waggons gezeichnet. Eine andere Möglichkeit zur Darstellung der Waggons ist die Verwendung von ImageIcons. Abbildung 8.77 zeigt eine Möglichkeit, auf der grafischen Benutzeroberfläche solche ImageIcons zu verwenden. Mehrere solche jpg-bilder befinden sich im Ordner Bilder, der im Projekt BahnGUI_2 mitgeliefert wird.