9. Kapitel GENERICS. Techniken der Programmentwicklung Prof. Dr. Wolfgang Schramm

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1 9. Kapitel GENERICS Techniken der Programmentwicklung Prof. Dr. Wolfgang Schramm

2 Übersicht 1 1. Programmstrukturierung mit Paketen (packages) 2. Vererbung 3. Abstrakte Klassen und Interfaces 4. Ausnahmebehandlung 5. Datenströme: die Java IO- Bibliothek 6. MulSthreading 7. CollecSons 8. Innere Klassen 9. Generics 10. ReflecSon

3 Lernziele des Kapitels 2 Verstehen warum man (in Java 5) Generics eingeführt hat. Kennenlernen des Generic- Konzepts. Verstehen, was generisch sein kann. Selbst generische Klassen und Methoden schreiben können.

4 Inhalt 3 1. Einführung / MoSvaSon 2. Generics (DefiniSon) 3. Generische Klassen Subtyping Wildcards 4. Generische Methoden 5. Anwendungsbeispiele

5 Beispiel: Einfacher Stack für bessmmte Objekte 5 Stack für String-Objekte Stack für Integer-Objekte Schlecht: 2 x quasi derselbe Code für dieselben Aufgaben. Frage: Kann man das mit unserem Wissen nicht besser machen? Wenn ja: Wie?

6 Beispiel: Einfacher Stack für alle Arten von Objekten 6 Laufzeitfehler

7 ADT Stack: Problem Typsicherheit 7 o Der ADT Stack ist prinzipiell offen für jeden Typ. o Man speichert Objekte vom allgemeinsten Typ Object. o Beim Lesen vom Stack (pop) werden diese allgemeinen Objekte auch wieder zurück geliefert. o Wenn man in einem Stack Integer- Objekte speichert, will man dort keine String- Objekte speichern doch mit einen allgemeinen Typ Object kann das nicht verhindert werden. o Abhilfe seit Java 5 : die Nutzung von Generics à bessere Typsicherheit, denn nur ganz spezielle Objekte kommen in die Datenstruktur. o Mit den Generics lässt sich bei der KonstrukSon des ADT Stack angeben, welche Objekte in den Stack aufgenommen werden dürfen. o Dann ist man auch sicher, welche Objekte man vom Stack zurück bekommt.

8 MoSvaSon 8 o Wie abstrahiere ich vom konkreten Typ eines Objekts? o Wie kann ich (typsichere) Containerklassen (z.b. einen ADT Stack) bauen, die jedes beliebige Objekt aufnehmen können? o Wie baue ich typsichere Frameworks? o Wie vermeide ich (unsichere) Casts und mache dadurch meinen Code typsicher?

9 9 Beispiel: Stack mit Generics

10 Beispiel: Stack mit Generics 10 Compilezeitfehler

11 Generische Typen Warum? 11 o Bei den ersten getypten Programmiersprachen (z.b. Pascal): o Programmierer musste dieselbe Datenstruktur für jeden Datentyp, der unterstützt wurde, definieren. Eine Liste von Zahlen, eine Liste von Zeichen und eine Liste von Datumsangaben wird (im Grunde) auf dieselbe Weise programmiert. Die Algorithmen zum Einfügen, Suchen und Löschen laufen stets gleich ab. Wünschenswert: die ImplemenSerung der Liste unabhängig von diesen Typen vorzunehmen. Erster Verbesserungsansatz in Java durch Vererbungsbeziehung Ziel nur teilweise erreicht à keine Unterstützung bezüglich der Typüberprüfungen zur Compilezeit.

12 Generische Typen in Java 12 o Ein generischer Typ à Erzeugung von Datentypen, die von den zu Grunde liegenden Typen abstrahieren. o CharakterisSsch für generischen Programmierung à die Algorithmen werden nicht für einen bessmmten Datentyp geschrieben. Sie stellen nur bessmmte Anforderungen an die Typen. o Generische Typen in der InformaSk: Datentypen mit der Möglichkeit zur Angabe von Typparametern.

13 Generische Programmierung Was ist das? 13 o In C++: Templates, in Java: Generics. o Der Begriff steht synonym für parametrisierte Typen. o Idee: Es werden zusätzliche Variablen für Typen, sogenannte Typ- Variablen eingeführt. o Diese Typ- Variablen repräsenseren zum Zeitpunkt der ImplemenSerung unbekannte Typen. o Erst bei der Verwendung der Klassen, Schninstellen und Methoden werden diese Typ- Variablen durch konkrete Typen ersetzt. o Damit kann typsichere Programmierung gewährleistet werden.

14 Generics wie funksonieren sie? 14 Formaler Typparameter Kein Cast mehr nötig! Fehlermeldung zur Compilezeit! The method push(string) in the type GenericSimpleStack<String> is not applicable for the arguments (int)

15 Generics: Eigenschaoen 15 o Generische Typen erlauben vom konkreten Typ zu abstrahieren. mit der Möglichkeit zur Angabe von Typparametern, d.h. Typ einer Variable, eines Parameters, eines Rückgabewertes etc. ist selber ein Variable (type variable). Klassen und Methoden haben, quasi als Schablone, einen zusätzlichen Typ- Parameter (type parameter), diese setzen dann die Typvariablen. Der Programmierer setzt die Typ- Parameter, so wie er es braucht und parametriert damit die Klassen bzw. Methoden. Klassen mit Typ- Parametern à generische Typen (generic types) bzw. generische Klassen (generic classes) Methoden mit Typ- Parametern à generische Methoden (generic methods) Typprüfung bereits zur Compilezeit à Typsicherheit. Verbessert Lesbarkeit und Robustheit der Programme. (Enqernte) Ähnlichkeiten zu Templates in C++ 15

16 Generics DefiniSon 16 DefiniSon von Typparametern: in spitzen Klammern hinter dem Klassen- oder Interfacenamen. Typparameter innerhalb der Klasse bzw. des Interfaces verwendbar wie ein Typ. Typparameter: keine elementaren Datentypen, nur Unterklassen von Object zulässig. Empfehlung für NamenskonvenSon Großbuchstabe E in Containerklassen Formaler Typparameter Verwendung des Typparameters in Methoden Verwendung des Typparameters bei Attributen

17 Generics Begriffe und Beispiele 17 Name Generischer Typ (generic type) Formaler Typ-Parameter (formal type parameter) Parametrisierter Typ (parametrized type) Aktueller Typ-Parameter (actual type parameter) Ungebundener Wildcard-Typ (unbounded wildcard type) Raw Type Gebundener Typ-Parameter (bounded type parameter) Rekursiv gebundener Typ-Parameter (recursive bounded type) Gebundener Wildcard-Typ (bounded wildcard type) Beispiel List<E> E List<String> String List<?> List <E extends Number> <E extends Comparable<E>> List<? extends Number> Generische Methode (generic method) static <E> List<E> aslist(e[] a) Type Token String.class

18 Generics Realisierung in Java 18 o Generics sind ein Compile- Zeit- Konstrukt, d.h. die Generics exisseren nur zur Compile- Zeit. o Die Typ- InformaSonen des generischen Typs werden vom Compiler enqernt (Typlöschung / type erasure). Typ- Parameter ist zur Laufzeit vom Typ Object. Typ- Parameter kann nicht in stasschen Variablen oder Methoden verwendet werden. Typ- Parameter kann nicht verwendet werden, um Objekte zu erzeugen. o Es gibt zur Laufzeit nur eine einzige Klasse pro generischem Typ (Raw type) sog. homogene Übersetzung. o In C++ wird für jede Ausprägung eines Templates der Code für eine Klasse bzw. FunkSon generiert und compiliert; es gibt also pro generischem Typ in C++ eine Klasse sog. heterogene Übersetzung.

19 Raw- Type einer generischen Klasse 19 Generische Klasse mit Typvariablen. Vom Compiler aus der generischen Klasse generierter sog. Raw- Type. Compilezeitkonstrukt Laufzeitkonstrukt

20 20 Typ- Variablen und parametrisierte Typen - KompaSbilität Gegeben: class C<E> { } class A { } class B extends A { } Dann geltenden folgende KompaSbilitätsbedingungen: C<A> # C<B> Vererbungsbeziehung kann nicht auf generische Typen übertragen werden. C<B> # C<A> C<Object> # C<A> C<Object> # C<B> C C<A> C C<B> Object E E # Object Erklärung: s.u. Der raw- Type ist mit jedem generischen Typ kompasbel Legende: kompatibel # nicht kompatibel

21 21 Parametrisierte Typen : parametrisierter Typ als aktueller Typ- Parameter Gegeben: class C<E> { } class D<T> { } Verwendung der Klasse C: C<D<A>> c = new C<D<A>>(); oder C<D<D<D<D<D<A>>>>>> c = new C<D<D<D<D<D<A>>>>>>();

22 22 Parametrisierte Typen : parametrisierter Typ als aktueller Typ Gegeben: class A { } class B<E> { } DefiniSon der Klasse C: class C<E> { B<E> b; void set(b<e> b) { this.b = b; } B<E> get() { return this.b; } } Verwendung der Klasse C: C<A> c = new C<A> (); c.set(new B<A> ()); B<A> b = c.get(); Formaler Typparameter Attribut-Typ ist eine Typ-Variable Parametrisierter Typ

23 23 Typ- Variablen mit Einschränkungen: gebundender Parametertyp Die Typ- Variable E der Klasse ist eingeschränkt auf CA- kompasble Typen. Vom Compiler generierter Raw-Type.

24 Sinn von Einschränkungen 24 o Einschränkung von Typen ist ein spezifischer Kontrakt: Es wird garansert, dass der aktuelle Typ- Parameter einer solchen Klasse kompasbel zu der definierten Einschränkung ist. Über eine Referenz vom Typ der Typ- Variablen können typsicher alle für den einschränkenden Typ definierten Methoden aufgerufen werden. Ohne Einschränkung auf CA könnte man auf eine E- Referenz nur die Methoden der Klasse Object aufrufen. Methode m der Klasse CA kann aufgerufen werden.

25 Generische Klassen und Vererbung 25 o Generische Klassen können Subklassen haben. o Die Subklasse ist Entweder selbst wieder generisch, oder Die Subklasse legt den Typ- Parameter fest und ist damit nicht generisch.

26 26 Generische Klassen und Vererbung Beispiel Generische Subklasse Klasse B ist selbst generisch.

27 27 Generische Klassen und Vererbung Beispiel Nicht- Generische Subklasse Klasse C ist nicht generisch legt den Typ von A fest (bindet den formalen Parameter E an Double)

28 Generics und Subtyping? 28 Subtyping nicht erlaubt!!! Fehler?! Ist eine Liste von Strings auch eine Liste von Objekten?... sonst ginge das: Versuch einem String ein Objekt zuzuweisen!

29 Invarianz 29 o Generics sind invariant Die Ableitungsbeziehung zwischen Typargumenten überträgt sich nicht auf generische Klassen à Generische Typen von Subtypen sind selber keine Subtypen (invariante Typen, keine Kovarianz). Es gibt daher auch keine Polymorphie zwischen verschiedenen Ausprägungen desselben generischen Typs.

30 30 Beispiel ohne Generics Typsichere Behandlung von verschiedenen (generischen) CollecSons Naheliegender Ansatz mit Generics Nur Collections, die mit Object parametrisiert sind, können an die Methode übergeben werden! for-each- Schleife Hoffnung: durch die Definition des Methodenparameters als Collection<Object> wird auch Collection<String> akzeptiert. Realität: Das ist aber nicht so. Beide Typen stehen in keinerlei Beziehung zueinander. Generics sind invariant Sie sind zwar durch Parameterisierung aus demselben generischen Typ entstanden, aber sie sind in keiner Weise kompatibel zueinander.

31 Wildcards 31 o o o o o o Wildcards <?> à bewusstes Vergessen der TypinformaSonen bzw. zeigen an, dass jede beliebige Ausprägung eines generischen Typs ( = alle Referenztypen ) möglich ist. <?> steht für unbekannter Typ nicht für Objekt (sonst gälten ja die Einschränkungen von oben). Damit ist es möglich verschiedene Unterklassen zusammenzuführen. <?> ist die Kurzform von <? extends Object> Bound Wildcards <? extends E> bzw. <? super E> stellen sicher, dass nicht jede beliebige Ausprägung des generischen Typs sondern nur bessmmte möglich sind. Verwendung von Wildcards: Nur bei der DeklaraSon von Parametern und Variablen. Bei der Objekterzeugung und der DeklaraSon von generischen Typen können sie nicht verwendet werden. Es gibt also keine Objekte eines Wildcard- Typs.

32 Wildcards: Beispiel 1 32 Box <?> bo3 = new Box <?>(); Bei der Erzeugung muss der aktuelle Typparameter angegeben werden, er darf nicht unbekannt bleiben. Der parametrisiertetyp von bo1 ist Number. Der parametrisiertetyp Typ von bo2 ist unbekannt.

33 Wildcards: Beispiel 2 33 Neuer Ansatz mit Generics Collection of unknown Wildcard Akzeptiert alle Arten von Collections!

34 Gebundene / Upper Bound Wildcards 34 Auf einem Typ, der mit einem nach oben beschränkten Wildcard parametrisiert ist, dürfen keine Methoden aufgerufen werden, die den Typparameter als Methodenparameter haben. Nur Subtypen von Number sind als unbekannter generischer Typ zulässig! Die Nutzung der Box<Number> ist eingeschränkt: setvalue() funktioniert nur über die konkrete Box<Integer> (also bi), aber nicht über die allgemeine Box<Number>. Der Zugriff ist unproblematisch. Lösung à später

35 Gebundene Wildcards bei Parametern 35 Wildcard für alle Klassen die Unterklasse von Shape sind

36 Gebundene / Lower Bound Wildcards 36 Nur Supertypen von A1 sind als unbekannter generischer Typ zulässig!

37 Mischen von upper und lower bound Wildcards 37 Mit der upper bound Wildcard (dem maximalen Typ) funktioniert das Lesen der Daten, aber nicht das Hinzufügen. Lesen von Daten aus generischem Typ è upper bound Wildcards Nur Supertypen von Number sind als unbekannter generischer Typ zulässig! Mit der lower bound Wildcard (dem minimalen Typ) funktioniert nun das Hinzufügen aber nicht mehr das Lesen der Daten. Hinzufügen von Objekten zu generischem Typ è lower bound Wildcards

38 38 Zusammenfassendes Beispiel Machen wir am Rechner.

39 Generische Methoden 39 Eine Klasse kann ganz normal ohne Generics deklariert werden, aber mit Methoden, die die Typen generisch vorschreiben. o Sowohl Klassenmethoden als auch Objektmethoden können als generische Methoden deklariert werden, z.b. static <E> Stack<E> combine (Stack<E> p). Angabe von <E> beim Klassennamen entfällt und verschiebt sich auf die Deklaration der Methode. Rückgabetyp: Objekt der generischen Klasse Stack<E> Parametertyp: Objekt der generischen Klasse Stack<E> o o o Im Gegensatz zu Klassen muss der Verwender den Typ- Parameter nicht explizit setzen, der Compiler leitet ihn aus den Typen des Aufrufs ab (type inference). In seltenen Fällen muss man den Typ für die Methode explizit angeben. Interessant ist dies für USlity- Klassen, die nur stassche FunkSonen anbieten, aber selbst nicht als Objekt vorliegen.

40 Generische Methoden: Beispiel 1 40 class MyStack<E> implements Stack<E> 2 Integer Stacks werden zu einem Stack zusammengefasst.

41 Generische Methoden: Beispiel 2 41 Fehler zur Compilezeit! Typparameter Verwendung des Typparameters

42 Generische Methoden mit gebundenen Parametern 42 o Typ- Parameter können - analog zu Wildcards auf bessmmte Klassen beschränkt werden. o <T extends C> - schränkt T auf C und Subklassen von C ein. o <T super C> - schränkt T auf C und Superklassen von C ein.

43 Generische Methoden: Beispiel 3 43 T muss von Klasse A abgeleitet sein T muss von den Interfaces I1 und I2 abgeleitet sein T muss von Klasse A und den Interfaces I1 und I2 abgeleitet sein

44 44 Generics mit mehreren Typparametern

45 Generics und Arrays 45 o Generics und Arrays unterscheiden sich grundsätzlich und harmonieren im allgemeinen schlecht. o Arrays sind kovariant (covariant) o Generics sind invariant (invariant) o Arrays prüfen ihren Typ zur Laufzeit (reified) o Generics sind ein Compilezeitkonstrukt, prüfen ihren Typ deshalb zur Compilezeit (type erasure). o Die Typlöschung ist der Grund dafür, das Arrays nicht so umgesetzt werden können, wie man es sich naiv vorstellt. o Es ist nicht möglich ein Array zu erstellen aus einem generischen Typ (List<E>[]) einem parametrierten Typ (List<String>[]) einem Typ- Parameter (E[])

46 Kovarianz, Kontravarianz, Invarianz 46 Vererbung vom Typ des Methodenparameters bzw. Rückgabewerts Typhierarchie des Methodenparameters ist entgegen der Vererbungshierarchie von ClassA und ClassB Typhierarchie des Rückgabewertes der Methode ist mit der Vererbungshierarchie von ClassA und ClassB Typhierachie des Methodenparameters bleibt unverändert Quelle: Wikipedia

47 RunSme- Klassen 47 o Was gibt das folgende Programm aus? Gibt true aus, weil alle Instanzen einer generischen Klasse dieselbe Runtime-Klasse haben

48 48 Anwendungsbeispiel: Queue

49 49 Anwendungsbeispiel: List

50 50 Anwendungsbeispiel: Node

51 Einsatz von Generics 51 o Allgemein Generics sind eine Form von Polymorphie. Diese ist immer dann sinnvoll, wenn der Code wiederverwendbar sein soll. o Generics kontra Polymorphie durch Subtyping: Generics für die Typsicherheit. Vorteil gegenüber Casts durch frühere Fehlererkennung. o Der Entwickler wird nicht gezwungen Generics zu verwenden. o Eine unchecked Warnung weist darauf hin, dass die Typsicherheit nicht gewährleistet ist.

52 Zusammenfassung 52 o Generics erlauben typsicher zu programmieren Typprüfungen erfolgen bereits zur Compilezeit nicht erst zur Laufzeit. D.h. Fehler treten an den Stellen auf, wo sie verursacht werden. Generics helfen dabei Programme robuster und weniger fehleranfällig zu machen. n Das Wegfallen von Casts macht den Code übersichtlicher. n Bedingungen lassen sich besser und einfacher ausdrücken. o Generische Klassen können leicht wiederverwendet werden. o In Bezug auf Arrays ist das Konzept noch nicht ausgereio.

53 Generics Erweiterungen in Java 7 53 Mit Java 7 ist die Typ- Inferenz für Generics deutlich verbessert worden: o In den meisten SituaSonen muss man den Typ- Parameter nur noch bei der DeklaraSon setzen. o Bei der Objekterzeugung kann die Angabe des Typ- Parameters durch den diamond <> ersetzt werden. Beispiele: List<String> list = new ArrayList<>();! Map<Integer, String> map = new HashMap<>();! Set<?> set = new HashSet<>();!

54 Weitere Infos zu Generics 54 o hnp://java.sun.com/j2se/1.5/pdf/generics- tutorial.pdf o hnp://angelikalanger.com/genericsfaq/javagenericsfaq.pdf