Einstieg in die Informatik mit Java

Transkript

1 1 / 25 Einstieg in die Informatik mit Java Objektorientierte Programmierung und Klassen Gerd Bohlender Institut für Angewandte und Numerische Mathematik

2 Gliederung 2 / 25 1 Die Philosophie 2 Definition von Klassen 3 Datenkapselung 4 Instanzen 5 Zugriff auf Elemente 6 Konstruktoren 7 Speicherverwaltung Garbage Collection finalize Lebenszyklen von Klassen und Instanzen

3 Gliederung 3 / 25 1 Die Philosophie 2 Definition von Klassen 3 Datenkapselung 4 Instanzen 5 Zugriff auf Elemente 6 Konstruktoren 7 Speicherverwaltung Garbage Collection finalize Lebenszyklen von Klassen und Instanzen

4 Die Philosophie Paradigmen (1) Generalisierung: Gemeinsame Strukturen von Objekten werden in Superklassen zusammengefasst. (2) Vererbung: Eigenschaften einer Superklasse werden automatisch an eine Subklasse vererbt. (3) Daten-Kapselung: Variablen und Methoden werden in einem Objekt zusammengefasst. Die interne Struktur wird vor dem Benutzer versteckt, der Zugriff erfolgt nur über genau definierte Schnittstellen. (4) Polymorphie: Eine Methode kann in verschiedenen Subklassen individuell angepasst werden. Vorteile Es entsteht weniger Quelltext. Es bestehen weniger Fehlermöglichkeiten. Das Programm erhält eine bessere Strukturierung. Der Quelltext ist besser wartbar. 4 / 25

5 Die Philosophie 5 / 25 Beispiel Superklasse Lebewesen Subklasse Subklasse Tiere Pflanzen......

6 Gliederung 6 / 25 1 Die Philosophie 2 Definition von Klassen 3 Datenkapselung 4 Instanzen 5 Zugriff auf Elemente 6 Konstruktoren 7 Speicherverwaltung Garbage Collection finalize Lebenszyklen von Klassen und Instanzen

7 7 / 25 Definition von Klassen Syntax Modifizierer class Bezeichner {Elementliste} Die Elementliste besteht aus Datenelementen (d. h. Variablen) und Methoden (d.h. Funktionen), die diese Daten berarbeiten (vgl. in Pascal: record und in C/C++: struct, class). Zur Datenkapselung kann die Sichtbarkeit der Elemente mit Hilfe von vorangestellten Modifizierern geregelt werden (siehe nächster Abschnitt).

8 Gliederung 8 / 25 1 Die Philosophie 2 Definition von Klassen 3 Datenkapselung 4 Instanzen 5 Zugriff auf Elemente 6 Konstruktoren 7 Speicherverwaltung Garbage Collection finalize Lebenszyklen von Klassen und Instanzen

9 Datenkapselung 9 / 25 Mögliche Modifizierer nichts Standard-Rechte, auch friendly genannt. Element kann u. a. in der Klasse selber sowie in allen Klassen des gleichen Pakets verwendet werden. public Element kann von jeder Klasse verwendet werden. private Element kann nur von der eigenen Klasse verwendet werden. protected später... Datenelemente werden aus Gründen der Datenkapselung meistens mit dem Modifizierer private versehen. Die Klasse selber darf nur Standardrechte oder public Rechte besitzen. In einer Datei dürfen mehrere Klassen definiert werden, jedoch darf nur eine davon public Rechte besitzen. Diese Klasse muss den gleichen Namen wie die Datei tragen.

10 10 / 25 Beispiel zur Klassendefinition und Datenkapselung Nachfolgend wird der neue Datentyp Point definiert: class Point { private double x, y ; / / geschützt vor unberecht. Z u g r i f f public double getx ( ) { return x ; } public double gety ( ) { return y ; } void move ( double dx, double dy ) { x += dx ; y += dy ; } public s t a t i c void main ( S t r i n g [ ] args ) { Point p = new Point ( ) ; / / b i l d e t Instanz der Klasse } / / Point durch A u f r u f des } / / Standardkonstruktors / / > siehe K a p i t e l 11.4 Achtung Unterscheidung zwischen Klasse und Instanz!

11 Gliederung 11 / 25 1 Die Philosophie 2 Definition von Klassen 3 Datenkapselung 4 Instanzen 5 Zugriff auf Elemente 6 Konstruktoren 7 Speicherverwaltung Garbage Collection finalize Lebenszyklen von Klassen und Instanzen

12 Instanzen 12 / 25 Klasse Datentyp, es wird noch kein Speicher für Komponenten reserviert. Instanz Variable des Datentyps, auch Objekt genannt es wird für Komponenten Speicher reserviert ( Instanzvariablen, Instanz Methoden). Von einer Klasse können viele Instanzen (bzw. Objekte) gebildet werden. Die Instanzen sind dann zwar vom selben Datentyp, belegen aber nicht die selben Speicherbereiche. Dadurch sind sie voneinander unabhängig handhabbar. Eine Ausnahme bilden Komponenten mit dem Modifizierer static. Diese werden für die gesamte Klasse nur einmal angelegt, unabhängig davon, ob keine, eine oder mehrere Instanz(en) der Klasse gebildet wurden ( Klassenvariablen, Klassenmethoden). Achtung Im Gegensatz zu C++ ist keine separate Deklaration und Definition der Methoden möglich!

13 Gliederung 13 / 25 1 Die Philosophie 2 Definition von Klassen 3 Datenkapselung 4 Instanzen 5 Zugriff auf Elemente 6 Konstruktoren 7 Speicherverwaltung Garbage Collection finalize Lebenszyklen von Klassen und Instanzen

14 14 / 25 Zugriff auf Elemente Erinnerung: Syntax Modifizierer class Bezeichner {Elementliste} Elementvariablen und Elementmethoden werden auch unter dem Begriff Komponenten zusammengefasst. Innerhalb der Klasse ist der Zugriff auf alle Komponenten erlaubt, und zwar einfach durch Angabe des entsprechenden Bezeichners. Wird der Bezeichner durch eine gleichnamige lokale Variable verdeckt, kann mit this.bezeichner auf die Komponenten der gerade aktiven Instanz zugegriffen werden. this ist dabei eine Referenz auf die momentan betrachtete Instanz. Achtung this ist nur für Instanz-, nicht für statische Variablen und Methoden zulässig, da es von ihnen nicht mehrere zu unterscheidende Werte geben kann.

15 Zugriff auf Elemente Beispiel zu this public class Point2 { private double x, y ; / / I n s t a n z v a r i a b l e n public double getx ( ) { return x ; } public double gety ( ) { return y ; } void move( double x, double y ){ this. x = x ; / / Ueberschreiben der I n s t. var. this. y = y ; / / mit den gleichnamigen Var. x, y } } public s t a t i c void main ( S t r i n g s ){ Point2 p2 = new Point2 ( ) ; / / Instanz erzeugen } 15 / 25

16 Zugriff auf Elemente 16 / 25 Außerhalb der Klasse, d.h. in einer anderen Klasse, ist der Zugriff nur auf sichtbare Komponenten erlaubt. Diese sind folglich mit öffentlichen Zugriffsrechten bzw. für den Fall, dass sich die Klasse im gleichen Verzeichnis befindet, mit Standardrechten ausgestattet. Syntax Klassenname.Komponenten Instanzname.Komponenten Beispiel (erweiterte Klasse Point2) bei Klassenkomponenten bei Instanzkomponenten... / / im Hauptprogramm : System. out. p r i n t l n ( x Koodinate von p + p. getx ( ) ) ; System. out. p r i n t l n ( p. x ) ; / / s y n t a k t i s c h r i c h t i g,... / / aber Z u g r i f f verboten!

17 Gliederung 17 / 25 1 Die Philosophie 2 Definition von Klassen 3 Datenkapselung 4 Instanzen 5 Zugriff auf Elemente 6 Konstruktoren 7 Speicherverwaltung Garbage Collection finalize Lebenszyklen von Klassen und Instanzen

18 18 / 25 Konstruktoren Beim letzten Beispiel gab es die Möglichkeit, Werte für die Variablen x und y über die Methode move vorzugeben. Beispiel... / / im Hauptprogramm : Point2 p2 = new Point2 ( ) ; / / erzeuge Instanz p2. move(1000, 1000); / / b elegt x, y mit Achtung Nachteil: Die Methode move muss für jedes neue Objekt aufgerufen werden! Besser ist die Verwendung eines Konstruktors.

19 19 / 25 Konstruktoren Konstruktoren erlauben es sehr komfortabel Instanzvariablen schon bei der Erzeugung einer Instanz/eines Objektes zu initialisieren. Ein Konstruktor ist eine spezielle Methode ohne Ergebnistyp (auch nicht void), die den gleichen Namen wie die Klasse trägt. Konstruktoren können überladen werden, d.h. es dürfen mehrere Konstuktoren existieren. Konstruktoren ohne Argumente werden Standardkonstruktoren genannt. Werden keine Konstruktoren definiert, so erzeugt der Kompiler automatisch den Standardkonstruktor, andernfalls nicht. Konstruktoren können gegenseitig mittels this aufgerufen werden. Dieser Aufruf ist allerdings in jedem Konstruktor nur als erste Anweisung erlaubt.

20 Konstruktoren Beispiel public Point ( double x, double y ) { / / 1. Konstruktor this. x = x ; this. y = y ; } public Point ( ) { / / 2. Konstruktor = Standardkonstruktor x = 0; / / a l t e r n a t i v ueber A u f r u f y = 0; / / des 1. Konstruktors : t h i s ( 0, 0 ) ; } / / im Hauptprogramm : public s t a t i c void main ( S t r i n g [ ] args ) { Point q = new Point ( 1, 2 ) ; / / A u f r u f des 1. Konstr. Point r = new Point ( ) ; / / A u f r u f des 2. Konstr. } Mittels new wird der benötigte Speicher beschafft, und die angegebenen Anweisungen im Konstruktor ausgeführt (evtl. noch weitere Operationen). 20 / 25

21 Gliederung 21 / 25 1 Die Philosophie 2 Definition von Klassen 3 Datenkapselung 4 Instanzen 5 Zugriff auf Elemente 6 Konstruktoren 7 Speicherverwaltung Garbage Collection finalize Lebenszyklen von Klassen und Instanzen

22 22 / 25 Garbage Collection Im Gegensatz zu Pascal (new, delete) und C++ (new, delete, Konstruktor, Destruktor) gibt es in Java im Wesentlichen kein Gegenstück zum Konstruktor. Der Speicher von nicht mehr referenzierten Objekten wird früher oder später automatisch freigegeben, im schlimmsten Fall erst am Programmende Garbage collection. Syntax System.gc(); Beispiel S t r i n g s = blub ;... s = null ; / / Ref. auf blub geht verloren, / / sofern keine weitere Referenz ex.

23 23 / 25 Garbage Collection Beispiel class Demo { }... Demo d = new Demo ( ) ; / / Instanz der Klasse Demo... d = new Demo ( ) ; / / neue Instanz, a l t e geht v e r l o r e n Achtung Selbst beim expliziten Aufruf des Garbage collectors muss der Speicher nicht komplett freigegeben werden!

24 finalize 24 / 25 Sind weitere Aufräumarbeiten wie das Zählen lebender Objekte, Abbau der Internetverbindung usw. nötig, dann kann man eine Methode finalize() definieren. Diese wird aufgerufen, bevor ein Objekt vom Garbage collector freigegeben wurde. Syntax protected void f i n a l i z e ( ) throws Throwable {... }

25 25 / 25 Lebenszyklen von Klassen und Instanzen (1) Ein Klasse wird geladen (z. B. von der Festplatte in den Hauptspeicher), sobald sie benötigt wird und wieder entfernt, sobald sie nicht mehr benötigt wird. (2) Instanzen werden i. allg. mit new erzeugt. Sobald keine Referenz mehr auf die Instanz existiert, kann sie vom Java System über die automatische Garbage collection wieder entfernt werden. Dies kann allerdings später oder auch gar nicht geschehen (siehe oben).