Modellierung und Programmierung 1

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1 Modellierung und Programmierung 1 Prof. Dr. Sonja Prohaska Computational EvoDevo Group Institut für Informatik Universität Leipzig 16. Dezember 2015

2 Modellierung Konzept Ein Modell ist die formale Darstellung eins Ausschnitts der realen Welt, der auf das Wesentliche reduziert ist. Entwurf- und Zerlegungstechniken zielgerichteter Entwurf top-down Analyse: schrittweise Vereinfachung eines Problems durch Zerlegung in Teilprobleme, Erstellen von Teilprogrammen zur Lösung von Teilproblemen, zusammenfügen der Teilprogramme zu einem Ganzen kompositioneller Entwurf bottom-up Synthese: Zusammensetzen von Elementarkonstruktionen, sukzessive komplexere Konstruktionen, Annähern an die Lösung objektorientierter Entwurf Synthese der Entwurfstrategien: Daten in Form von Klassen und Objekten als elementaren Einheiten, Funktionalität durch Methoden, Komposition liefert die Lösung

3 Modellierung Objekte Grundbausteine der objekorientierten Programmierung Aufbau: Attributen: Daten Strukturkomponenten Methoden: Operationen Funktionskomponenten Objekte kommunizieren über Nachrichten (durch Aufrufen von Methoden) sie senden, empfangen und reagieren auf Nachrichten Attributen und Methoden sind im Objekt (allgem. Modul) gekapselt Attribute sollten nicht öffentlich zur Verfügung stehen stattdessen bieten öffentlich zugängliche Methoden Schnittstellen an

4 UML Unified Modeling Language ist eine umfangreiche, standardisierte, grafische Modellierungssprache zur Spezifikation, Konstruktion und Dokumentation von Software-Teilen und anderen Systemen. Dabei werden Begriffe und Beziehungen spezifiziert/modelliert und graphisch als Diagramme dargestellt. Wir beschränken uns auf Klassendiagramme, sie stellen Klassen und ihre Beziehungen dar.

5 Klassendiagramme Klassen werden durch Rechtecke dargestellt, die folgenden Rubriken, werden durch eine horizontale Linie abgetrennt: Klassenname (fett) Attribute [Sichtbarkeit] [Variablenname][: Datentyp] Klassenattribute unterstrichen Methoden [Sichtbarkeit] [Methodenname]([Parameterliste]) [: Rückgabetyp] Klassenmethoden unterstrichen Milchvieh 1 Klassenvariable 5 Instanzvariablen 1 Klassenmethode 3 Instanzmethoden anzahl: rasse: alter: geschlecht: masse: impfungen: int String int char double String[] + getanzahl(): void + impfen(string[]): void + fuettern(double): void + verkaufen(): void

6 Sichtbarkeit UML + # keyword public protected no modifier private o ffentlich geschu tzt Paket privat class yes yes yes yes package yes yes yes no subclass yes yes no no world yes no no no

7 abgeleitete Klassen Spezialisierung übergeordnete Klassen (Superklasse, Oberklasse, Elternklasse) untergeordnete Klassen (Subklasse, Unterklasse, Kindklasse) Deklaration einer abgeleiteten Klasse public class [Subklasse] extends [Superklasse] {... } Beispiel: public class Milchkuh exdends Milchvieh Superklasse Subklasse: Spezialisierung Subklasse Superklasse: Generalisierung

8 UML Darstellung Klassendiagramm Objekt Superklasse Basisklasse Milchvieh Peppi Milchkuh Vererbung Subklasse abgeleitete Klasse anzahl: rasse: alter: geschlecht: masse: impfungen: int String int char double String[] + getanzahl(): void + impfen(string[]): void + fuettern(double): void + verkaufen(): void Spezialisierung Milchkuh Generalisierung anzahl rasse alter geschlecht masse: impfungen milchleistung milchqualitaet + getanzahl() + impfen() + fuettern() + verkaufen() + melken() + trockenstellen() 31 Holstein 15 Monate w 644 kg MKS, BTV 37,9 l 1 ererbte Attribute neue Attribute ererbte Methoden neue Methoden milchleistung: milchqualitaet: double int Zenzi Milchkuh + melken() + trockenstellen() double void Friedl Resi Milchkuh Milchkuh

9 Vererbung (inheritance) abgeleitete Klassen erben von der Basisklasse alle für sie sichtbaren (public and protected) Instanzvariablen und -methoden also, nicht Klassenvariablen, -methoden, Konstruktoren in der UML wird die Vererbungsbeziehung durch einen Pfeil mit einer leeren, dreieckigen Spitze dargestellt sie zeigt von der abgeleiteten Klasse zur Basisklasse Beispiel: Ein Objekt der Subklasse Milchkuh besitzt alle public und protected Attribute der Superklasse Milchvieh die Subklasse kann für sie sichtbare Methoden (mit Ausnahme der Konstruktoren) der Superklasse ausführen. in Java ist nur einfachen, (aber wiederholte) Vererbung erlauft die Klassenhierarchie ist eine Baumstruktur (beliebiger Tiefe)

10 super Zugriff auf die Superklasse Zugriff auf Konstruktor der Superklasse ein Konstruktor einer Subklasse muss als erstes einen Konstruktor der Superklasse aufrufen Syntax: Superklasse: [Constructor]( [Parameter1],... [Parametern] ) Subklasse: super( [Argument1],... [Argumentn] ); die Argumentenliste muss der Paramenterliste entsprechen Hinweis: analog kann ein Konstruktor einen Konstruktor der selben Klasse aufrufen this( [Argument1],... [Argumentn] ); oder this(, [Argument2],... [Argumentn] ); Zugriff auf Attribute und Methoden der Superklasse Syntax: super.[attribut] bzw. super.[methode] auch möglich: super.super.[attribut Methode]

11 Überschreiben von Methoden man spricht vom Überschreiben einer Methode, wenn innerhalb einer Subklasse eine neue Methode mit identischem Namen und identischen Schnittstellen (d.h. Rückgabetype und Parameterliste) zu einer bereits existierenden Methode aus der Superklasse angelegt wird. Objekte der Superklasse rufen Methode der Superklasse auf Objekte der Subklasse, und davon abeleitete Klassen rufen die Methode der Subklasse auf Ueberschreiben der Methode fuettern() Superklasse Milchvieh... + fuettern(double): void mit 20 kg Heu Subklasse Milchkuh... Kalb... Bulle... + fuettern(double): void mit 120 kg Gras + fuettern(double): void mit 8 l Milchersatz mit 20 kg Heu

12 Polymorphimus und dynamische Bindung Polymorphismus, vom griechischen, dt. Vielgestaltigkeit ; die Möglichkeit verschiedene Form oder Gestalt anzunehmen in der OOP: die Fähigkeit einer Variable auf verschiedene Objekte unterschiedlicher Klassen der selben Hirarchie zuzugreifen Deklaration und Definition: Superklasse als Datentyp Polymorphismus: in Superklasse und alle abgeleiteten Klassen

13 Abstrakte Klasse (wem s noch nicht kompliziert genug ist) auch Wurzelklasse (engl. root class) genannt kann an oberster Stelle in der Hirarchie stehen ist nicht instanzierbar, d.h. es können keine Objekte dieser Klasse angelegt werden stellen eine Zusammenfassung der Attribute und Methoden dar, die allen Subklassen gmein sind abstrakte Methoden müssen deklariert aber noch nicht definiert sein Wozu? um zu erzwingen, dass Subklassen entsprechende Methoden definieren abstrakte Klassen werden in UML gekennzeichnet durch kursiver Schriftschnitt für Klassenname, Variablen und Methoden oder das Wort abstract in geschweiften Klammern unterhalb des Klassennamens

14 Drei Beispiel TestDerived aus Ivor Horton s Beginning Java 7, Kapitel 6, pages gutes Einstiegsbeispiel AnimalFriends von Prof. Sonja Prohaska Erweiterung des obigen Beispiels ohne Dokumentation mit nützlichen Kommentaren Boote von Dr. Monika Meiler, passen zum Skript gutes Beispiel für abstrakte Klassen sehr gutes Beispiel für automatische Dokumentation

15 Methode tostring() bisher: zum Umwandeln von primitiven Datentypen zu String Syntax: tostring(x), wobei x von primitivem Datentyp bisher: impliziter Aufruf tostring() durch print() Syntax: print(x) eigentlich print(tostring(x)) jetzt neu: zum Umwandeln von Objekten in String x.tostring(), wobei x ein Objekt ist tostring() ist eine Methode der universellen Superklasse sie wird an alle Klassen vererbt und gibt eine String zurück: [Name der Klasse]@[HashCode] der besondere Nutzen besteht darin, die Methode zu überschreiben, und eine eigene Stringrepresentation von Objekten der Klasse zu erzeugen Schlagen sie selbst folgende Methoden der Klasse Object nach getclass() getname()

16 Klassenbeziehungen darstellen mit UML Vererbung (Generalisierung) Objekte gehen aus anderen Objekte durch Generalisierung oder Spezialisierung hervor. Attribute und Methoden werden vererbt. UML: ein Pfeil mit offener Pfeilspitze zeigt in Richtung generellerer Klasse Assoziation Objekte stehen miteinander in Beziehung und können miteinander kommunizieren. UML: eine verbindende Linie (evtl. mit Pfeilspitze) Aggregation und Komposition sind Spezialfälle der Assoziation

17 Klassenbeziehungen darstellen mit UML Komposition (Teil)objekte sind existenzabhängig vom aggregierten Objekt (dem Ganzen) UML: verbindende Linie, ausgefüllte Raute auf seiten des aggregierten Objekts hier ist die Multiplizität immer 1 Aggregation (Teil)objekte stehen lose mit dem aggregierten Objekt in Verbindung UML: verbindende Linie, offene Raute auf seiten des aggregierten Objekts

18 Multiplizität Die Enden der Assoziationsbeziehungen können mit Multiplizitäten dekoriert werden. Multiplizität Intervall von nicht-negativen, ganzen Zahlen, welches die untere und obere Schranke der Anzahl an Werten (bzw. Objekten) angibt Beispiele: 0..2 in der Mathematik [0, 2] 1..* in der Mathematik [1, ]

19 Beispieldiagramm

20 Nützliches Package erstellen Unterverzeichnis [Paketname] anlegen alle Klassen eines Paketes in dieses Verzeichnis kopieren In alle Datein an oberster Stelle pakage [Paketname]; einfügen übersetzung der Klassen wie üblich: javac [Hauptprogramm].java Dokumentation erstellen javadoc Konsolenoutput umlenken java [Programm] > [OutputFile]