Th. Letschert OOP 2 6. Klassenentwurf II

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1 Th. Letschert OOP 2 6. Klassenentwurf II Th Letschert FH Gießen-Friedberg

2 Th. Letschert OOP 2 Klassenentwurf II - Substitutionsprinzip Seite 2

3 Th. Letschert OOP 2 Liskovs Substitutionsprinzip A: syntaktische / statisch-semantische Substituierbarkeit Seite 3

4 Substitutionsprinzip Substitutionsprinzip (Liskov'sches Substitutionsprinzip) Werte des Subtyps dürfen überall dort verwendet werden, wo Werte des Typs erlaubt sind. Barbara Liskov T' < T => T'-Werte vertreten T-Werte Kompatiblität von Typ und Subtyp Zuweisung von Subtyp-Werten an Typ-Variablen Parameterübergabe von Subtyp-Argumenten an Typ-Parameter Ergebnisrückgabe von Subtyp-Werten aus Typ- Funktionen Subtyprelation in Java Widening bei Klassentypen: Subklasse ~> Klasse Widening bei primitiven Typen: primitiver Typ ~> weiterer primitiver Typ Seite 4

5 Subtypen / Wozu Subtypen machen Code flexibel Code der mit dem Basistyp arbeitet, kommt mit allen Subtypen klar, auch mit denen, die noch gar nicht existieren! Katze Stockente Tier for ( Tier t : tierstapel ) { t.streicheln(); fuettern(t); } Schleimiger Alien Sie landen erst auf der Erde. Unser Code wird auch sie bearbeiten! Seite 5

6 Subtypen und Vererbung Substitutionsprinzip und Vererbung Erweiterung einer Klasse zur Subklasse Die Fähigkeiten / Attribute entsprechend des Typs werden in den Subtyp übernommen Weitere Fähigkeiten / Attribute kommen hinzu Substitutionsprinzip ist erfüllt Polymorphe Redefinitionen in der Subklasse Fähigkeit des Typs wird im Subtyp modifiziert Regeln der Redefinition müssen die Gültigkeit des Substitutionsprinzip erzwingen Substitutionsprinzip: Subtyp-Werte dürfen immer Typ-Werte verteten. Ebenen der Gültigkeit des Substitutionsprinzips Syntaktisch / statisch semantisch: Keine Typfehler durch polymorphe Redefinition Semantisch Keine (inhaltlichen) Programmfehler durch Substitution Erweiterung: Substitutionsprinzip gilt trivialerweise Redefinition: Substitutionsprinzip gilt nicht automatisch Seite 6

7 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Unter welchen Bedingungen gilt das Substitutionsprinzip bei polymorphen Redefinitionen? Ist Java streng genug: Sind die Regeln von Java scharf genug, um seine Gültigkeit zu garantieren? Ist Java zu streng: Gibt es (im Prinzip) gültige Redefinitionen, die von Java ausgeschlossen werden? Seite 7

8 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Java Redefinitionsregel 1: Die Parameter der neuen Methode müssen in Typ und Zahl mit denen der ersetzten Methode übereinstimmen. Regel hinreichend? (oder nicht streng genug) Regel notwendig? (oder zu streng) Seite 8

9 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Java Redefinitionsregel 1: Die Parameter der neuen Methode müssen in Typ und Zahl mit denen der ersetzten Methode übereinstimmen. Regel hinreichend! aber zu streng: Redefinitionsregel 1: Kontravariante Modifikationen im Parametertyp sind kompatibel mit dem Substitutionsprinzip. Seite 9

10 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Redefinitionsregel 1 (Kontravarianz in den Parametern): Kontravariante Modifikationen im Parametertyp sind kompatibel mit dem Substitutionsprinzip. Fleisch Hund name: String frisst(chappi) Beim Fressen kann ein Wildhund einen Hund vertreten! Java: Entwurf OK, wird aber von Java so nicht umgesetzt. Chappi WildHund name: String frisst(fleisch) UML: UML ist nicht so exakt definiert, dass das Diagramm eindeutig interpretiert werden kann. (Nimm es als gemaltes Java!) Chappi Kontext bietet Chappi Hunde aller Art leben gut in diesem Kontext Seite 10 Substitutionsprinzip: Wildhund kommt mit Chappi als Parameter seiner frisst-methode klar

11 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Java Redefinitionsregel 2: Der Ergebnistyp der neuen Methode muss gleich dem Ergebnistyp der ersetzten Methode sein oder diesen kovariant verändern Regel hinreichend? (oder nicht streng genug) Regel notwendig? (oder zu streng) Seite 11

12 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Java Redefinitionsregel 2: Der Ergebnistyp der neuen Methode muss gleich dem Ergebnistyp der ersetzten Methode sein oder diesen kovariant verändern Regel notwendig und hinreichend Redefinitionsregel 2: Kovariante Modifikationen im Ergebnistyp sind kompatibel mit dem Substitutionsprinzip. Seite 12

13 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Redefinitionsregel 2 (Kovarianz im Ergebnis): Kontravariante Modifikationen im Parametertyp sind kompatibel mit dem Substitutionsprinzip. Bauer produziert(): Futter BergBauer Futter Gras Bei der Produktion kann ein Bergbauer einen Bauer vertreten! Java: Entwurf OK, und wird so umgesetzt. UML: OK produziert (): Gras Bauer Futter OK Gras OK Kontext erwartet Futter BergBauer Seite 13

14 Substitutionsprinzip / Syntaktisch Regel über die Signatur der substituierten (redefinierten) Methoden: 1. Kontravarianz in den Parametertypen 2. Kovarianz im Ergebnistyp Signatur einer Methode: Name + Zahl/Typen der Parameter + Typ des Ergebnisses Syntaktische / statisch-semantische Regel Seite 14

15 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Beispiel Katze frisst(maus) KleinTier WildKatze frisst(kleintier) Maus Genaue Bedeutung: was genau sagt das Diagramm aus Konzeptionell OK: handelt es sich um einen korrekten OO-Entwurf, wird also insbesondere das Substitutionsprinzip respektiert? In Java (Falls OK): Wie wird der Entwurf, falls OK, in Java umgesetzt, ist insbesondere eine direkte Umsetzung in das Java.Typsystem möglich, oder muss auf Laufzeit-Prüfungen ausgeichen werden? Seite 15

16 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Beispiel Katze fängt():maus KleinTier WildKatze fängt():kleintier Maus Genaue Bedeutung? Konzeptuell OK? In Java (Falls OK)? Seite 16

17 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Beispiel Arzt behandelt(patient) HNOArzt behandelt(halspatient) AugenArzt behandelt(augenpatient) Assoziationen? Genaue Bedeutung? Konzeptuell OK? In Java (Falls OK)? Patient HalsPatient AugenPatient Seite 17

18 Th. Letschert OOP 2 Liskovs Substitutionsprinzip B: Semantische Substituierbarkeit Seite 18

19 Substitutionsprinzip / Semantisch Regel über die Spezifikation der substituierten (redefinierten) Methoden: 1. Keine Verschärfung der Vorbedingung 2. Keine Abschwächung der Nachbedingung Semantische Regel Kovarianz und Kontravarianz auf semantischer Ebene Spezifikation einer Methode Vorbedingung Beschreibung der Voraussetzung der Methode: Bedingung unter denen eine Methode ihr korrektes Verhalten garantiert. Nachbedingung Beschreibung der Wirkung der Methode: Bedingung, die nach ihrer Ausführung gilt. Seite 19

20 Substitutionsprinzip / Semantisch: Beispiel Beispiel / Vorbedingung Ein Stack ist ein Speicher mit LIFO-Verhalten Stack Ein BoundedStack ist ein Stack mit begrenztem Fassungsvermögen push(int) pop():int BoundedStack push(int) pop():int Seite 20

21 Substitutionsprinzip / Semantisch: Beispiel Beispiel / Vorbedingung Ein Stack ist ein Speicher mit LIFO-Verhalten Stack push(int x) pop():int Ein BoundedStack ist ein Stack mit begrenztem Fassungsvermögen pre: - post: x liegt auf dem Stapel BoundedStack push(int x) pop():int pre: darf nicht voll sein post: x liegt auf dem Stapel Seite 21

22 Substitutionsprinzip / Semantisch: Beispiel Beispiel / Vorbedingung Ein Stack ist ein Speicher mit LIFO-Verhalten Stack Ein BoundedStack ist ein Stack mit begrenztem Fassungsvermögen push(int x) pop():int BoundedStack push(int x) pop():int pre: - post: x liegt auf dem Stapel pre: darf nicht voll sein post: x liegt auf dem Stapel Entwurfsfehler: Verstoß gegen das Substitutionsprinzip ein BoundedStack kann nicht als Vertreter eines Stacks agieren! Seite 22

23 Substitutionsprinzip / Semantisch: Beispiel Beispiel / Nachbedingung Sparvertrag auszahlen():geld pre: monatlich eingezahlt post: returns kontostand % Zinsen DagobertSparen auszahlen():geld pre: wöchentlich eingezahlt post: returns kontostand % Zinsen Ein Sparvertrag wird bei monaticher Einzahlung mit 2,5% ausgezahlt DagobertSparen, ein Sparvertrag bei der Dagobert-Bank, ist ein spezieller Sparvertrag, der nur 0,5% Zinsen bietet. Seite 23

24 Substitutionsprinzip / Semantisch: Beispiel Beispiel / Nachbedingung Sparvertrag auszahlen():geld DagobertSparen auszahlen():geld pre: monatlich eingezahlt post: returns kontostand % Zinsen pre: wöchentlich eingezahlt post: returns kontostand % Zinsen Entwurfsfehler: Verstoß gegen das Substitutionsprinzip Niemand wird ein DagobertSparen als Vertreter eines Sparvertrags akzeptieren! Ein Sparvertrag wird bei monaticher Einzahlung mit 2,5% ausgezahlt DagobertSparen, ein Sparvertrag bei der Dagobert-Bank, ist ein spezieller Sparvertrag, der nur 0,5% Zinsen bietet. Seite 24

25 Substitutionsprinzip / Semantisch: Beispiel Beispiel Sparvertrag auszahlen():geld pre: monatlich eingezahlt post: returns kontostand % Zinsen SparvertragS pre: jährlich eingezahlt post: returns kontostand + 5 % Zinsen auszahlen():geld OK? Seite 25

26 Substitutionsprinzip / Semantisch Übertragung des Substitutionsprinzips auf Spezifikationen Vorbedingung Die Vorbedingung einer redefinierten Methode muss gleich oder oder schwächer sein. Nachbedingung Die Nachbedingung einer redefinierten Methode muss gleich oder stärker sein. Semantische Regel Der Ersatz darf von seinem Verwender nicht mehr verlangen! Der Ersatz darf für seinen Verwender nicht weniger leisten! Sparvertrag auszahlen():geld SparvertragS pre: monatlich eingezahlt post: returns kontostand % Zinsen pre: jährlich eingezahlt post: returns kontostand + 5 % Zinsen Substitutionsprinzip: Subtypen haben schwächere Vorbedingungen und schärfere Nachbedingungen auszahlen():geld OK: Ableitung schwächt Forderung ab und erhöht Leistung. Seite 26

27 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Ein Rechteck hat eine Breite und eine Höhe, man kann es zeichnen, man kann Breite und Höhe ändern Ein Quadrat ist eine besondere Art von Rechteck: Breite und Höhe sind immer gleich Rechteck breite: int hoehe: int setbreite(int):void sethoehe(int):void zeichne():void inv: breite = hoehe Menge aller Quadrate Menge aller Rechtecke mengentheortische Sicht der Vererbung / Subtyp- Eigenschaft OK? Quadrat Invariante: Bedingung an den Zustand der Objekte der Klasse. Seite 27

28 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Ein Rechteck hat eine Breite und eine Höhe, man kann es zeichnen, man kann Breite und Höhe ändern Ein Quadrat ist eine besondere Art von Rechteck: Breite und Höhe sind immer gleich Menge aller Quadrate Menge aller Rechtecke stimmt nicht diese Quadrate sind keine Rechtecke Rechteck breite: int hoehe: int setbreite(int):void sethoehe(int):void zeichne():void Quadrat inv: breite = hoehe mengentheortische Sicht der Vererbung / Subtyp-Eigenschaft Verstoß gegen das Substitutuionsprinzip: Invariante kann verletzt werden. sethoehe / setbreite bei Quadrat? Die Quadrate können nicht überall an die Stelle von Rechtecken treten. Seite 28

29 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Ein Rechteck hat eine Breite und eine Höhe, man kann es zeichnen, Ein Quadrat ist eine besondere Art von Rechteck: Breite und Höhe sind immer gleich Rechteck breite: int hoehe: int zeichne():void Menge aller Quadrate Menge aller Rechtecke mengentheortische Sicht der Vererbung / Subtyp- Eigenschaft inv: breite = hoehe Quadrat OK? Seite 29

30 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Ein Rechteck hat eine Breite und eine Höhe, man kann es zeichnen, Ein Quadrat ist eine besondere Art von Rechteck: Breite und Höhe sind immer gleich OK: Objekte werden als Werte (unveränderlich) betrachtet ~ mathematische Sicht auf Quadrate und Rechtecke Menge aller Quadrate Menge aller Rechtecke Rechteck breite: int hoehe: int zeichne():void Quadrat inv: breite = hoehe OK! mengentheortische Sicht der Vererbung / Subtyp- Eigenschaft Substitutionsprinzip nicht verletzt: Invariante der Ableitung kann kann bei Gebrauch als Basis-Objekt nicht verletzt werden. Wertartige Objekte und Objekte mit Zustand sind im Entwurf zu unterscheiden! Seite 30

31 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Rechteck breite: int hoehe: int setsize(x:int,y: int):void zeichne():void pre: x>=0, y>=0 OK? Quadrat setsize(x:int,y: int):void pre: x>=0, y>=0, x=y Ein Quadrat ist eine Art von Rechteck: Eins bei dem man die Grösse in x- und in y- Richtung immer gleich setzt. Seite 31

32 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Verstoß gegen das Substitutionsprinzip: Verschärfung der Vorbedingung nicht erlaubt! Rechteck breite: int hoehe: int setsize(x:int,y: int):void zeichne():void pre: x>=0, y>=0 Quadrat setsize(x:int,y: int):void pre: x>=0, y>=0, x=y Ein Quadrat ist eine Art von Rechteck: Eins bei dem man die Grösse in x- und in y- Richtung immer gleich setzt. Seite 32

33 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Rechteck breite: int hoehe: int setsize(x:int,y: int):void zeichne():void pre: x>=0, y>=0 OK? Quadrat pre: x>=0, y>=0 throws BadSize if not x=y setsize(x:int,y: int):void Na gut, dann Exception statt Vorbedingung. Seite 33

34 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Rechteck breite: int hoehe: int setsize(x:int,y: int):void zeichne():void pre: x>=0, y>=0 Exceptions dürfen nicht hinzugefügt werden! Quadrat pre: x>=0, y>=0 throws BadSize if not x=y setsize(x:int,y: int):void Seite 34

35 Substitutionsprinzip / Beispiel Beispiel Rechteck breite: int hoehe: int setsize(x:int,y: int):void zeichne():void Rechteck breite: int hoehe: int setsize(x:int,y: int):void throw BadSize zeichne():void Quadrat setsize(x:int,y: int):void throw BadSize Quadrat setsize(x:int,y: int):void throw BadSize nicht OK OK Seite 35

36 Substitutionsprinzip / Semantisch Regel über die Spezifikation der substituierten (redefinierten) Methoden: 1. Keine Verschärfung der Vorbedingung 2. Keine Abschwächung der Nachbedingung 3. Keine Verletzung der Invariante 4. Keine zusätzlichen Exceptions Spezifikation einer Methode Vorbedingung Beschreibung der Voraussetzung der Methode: Bedingung unter denen eine Methode ihr korrektes Verhalten garantiert. Nachbedingung Beschreibung der Wirkung der Methode: Bedingung, die nach ihrer Ausführung gilt. Invariante Beschreibung der Bedingung die an den Zustand der Objekte gestellt wird: Bedingung, die nach vor/nach jeder Ausführung einer Methode gilt. Seite 36

37 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Beispiel Arzt fach: Fach behandelt(patient) pre:... post: Patient gesund HNOArzt behandelt(halspatient) AugenArzt behandelt(augenpatient) Vorbedingung? Invarianten? Klassen-Assoziationen Genaue Bedeutung? Konzeptuell OK? In Java (Falls OK)? Patient krankheit: Krankheit inv:... inv:... HalsPatient AugenPatient Seite 37

38 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Beispiel Arzt fach: Fach behandelt(patient) * Krankenhaus aufnehmen(patient) HNOArzt behandelt(halspatient) AugenArzt behandelt(augenpatient) Ein Krankenhaus nimmt einen Patienten auf und lässt ihn durch einen seiner Ärzte mit der richtigen Fachrichtung behandeln. In Java?! Patient krankheit: Krankheit HalsPatient AugenPatient Seite 38

39 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Beispiel Arzt behandelt(patient) * Krankenhaus aufnehmen(patient) HNOArzt behandelt(halspatient) AugenArzt behandelt(augenpatient) Patient heilen() Ein Krankenhaus nimmt einen Patienten auf und lässt ihn durch einen seiner Ärzte mit der richtigen Fachrichtung behandeln. Unterschied zum Beispiel vorher? Vorbedingungen / Invarianten? In Java?! HalsPatient heilen() AugenPatient heilen() Seite 39

40 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Beispiel Arzt behandelt(patient) throws InkompetentEx * Krankenhaus aufnehmen(patient) HNOArzt behandelt(halspatient) throws InkompetentEx Patient heilen() AugenArzt behandelt(augenpatient) throws InkompetentEx Ein Krankenhaus nimmt einen Patienten auf und lässt ihn durch einen seiner Ärzte mit der richtigen Fachrichtung behandeln. Unterschied zum Beispiel vorher? Vorbedingungen / Invarianten? In Java?! HalsPatient heilen() AugenPatient heilen() Seite 40

41 Substitutionsprinzip und polymorphe Redefinition Beispiel Arzt behandelt(patient) throws InkompetentEx * Krankenhaus aufnehmen(patient) HNOArzt behandelt(halspatient) throws InkompetentEx HalsPatient heilen() Patient heilen() AugenArzt behandelt(augenpatient) throws InkompetentEx AugenPatient heilen() Bitte erweitern um: Ein Krankenhaus nimmt Patienten auf - und lässt sie durch durch seinen Aufnahmearzt untersuchen, - der heilt sie selbst wenn es sich um SchnupfenPatient handelt, sonst verweist er sie an einen der Fachärzte, der dann die Behandlung übernimmt. - Der Aufnahmearzt ist ein Arzt der Fachrichtung AllgemeinMedizin. UML-Modell? Klassen / abstr. Klassen / Schnittstellen Assoziationen? Vor-/Nachbedingungen? Invarianten? In Java? Seite 41

42 Liskov'sches Substitutionsprinzip / Zusammenfassung Substitutionsprinzip: Syntaktisch / statisch semantisch 1. Kontravarianz in den Parametertypen 2. Kovarianz im Ergebnistyp Semantisch 1. Keine Verschärfung der Vorbedingung 2. Keine Abschwächung der Nachbedingung 3. Keine Verletzung der Invariante 4. Keine zusätzlichen Exceptions Einsatz: Richtlinie zum Klassenentwurf Seite 42