Kapitel 8 Vererbung. Korbinian Molitorisz. IPD Tichy Lehrstuhl für Programmiersysteme

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1 Kapitel 8 Vererbung Korbinian Molitorisz IPD Tichy Lehrstuhl für Programmiersysteme KIT die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)

2 Vererbung im Fall von Klassen Klassen unterstützen nur einfache Vererbung (engl. single inheritance). Die Klasse object ist die allen gemeinsame Oberklasse (Hierarchie mit einer einzigen Wurzel). Implizit erbt jede neu deklarierte Klasse von der Klasse object. Einfachster Fall: B erbt von A class B : A { Syntax (Auszug): class-declaration ::= class-modifier * class identifier class-base? class-body ;? class-modifier ::= new public protected internal private abstract sealed class-base ::= (: class-type ) (: interface-type +) (: class-type, interface-type +) class-body ::= { class-member-declaration * 2

3 Vererbte Elemente einer Klasse Vererbt werden Konstanten Variablen Methoden Eigenschaften Ereignisse Indizierer Operatoren Geschachtelte Typdefinitionen Nicht vererbt werden Funktionale Elemente Konstruktoren (weder Instanz- noch statische Konstruktoren) Finalisierer 3

4 Regeln der Vererbung Eine Klasse erbt die Elemente immer von ihrem direkten Vorfahren Vererbung ist transitiv Eine erbende Klasse kann Elemente hinzufügen, aber keine weglassen (Substitutionsprinzip) Das Verhalten funktionaler Elemente kann in Abhängigkeit vom Laufzeittyp einer Instanz definiert werden (polymorphes Verhalten) 4

5 Beispiel Dynamische Polymorphie Hund Hund h; Wolf w = new Wolf(); h = w; h.heulen(); :Wolf heulen() heulen() Wolf Canis lupus Polarwolf Canis 5 heulen() Canis lupus arctos

6 Beispiel Dynamische Polymorphie Hund Hund h; Wolf w = new Wolf(); h = w; h.heulen(); :Wolf heulen() heulen() Wolf Canis lupus Polarwolf Canis 6 heulen() Canis lupus arctos

7 Beispiel Dynamische Polymorphie Hund Hund h; Wolf w = new Wolf(); h = w; h.heulen(); gültig wegen is-a-semantik :Wolf heulen() heulen() Wolf Canis lupus Polarwolf Canis 7 heulen() Canis lupus arctos

8 Beispiel Dynamische Polymorphie Hund Hund h; Wolf w = new Wolf(); h = w; h.heulen(); :Wolf heulen() x heulen() Wolf Canis lupus Polarwolf Canis 8 heulen() Canis lupus arctos

9 Steuerung des polymorphen Verhaltens (1) Zur Steuerung des polymorphen Verhaltens stellt C# die Schlüsselwörter virtual, override, sealed und new zur Verfügung Für das Verständnis dieser Konzepte lohnt sich ein Blick in die VM: Die virtuelle Maschine kennt (nur) 2 Arten von Aufrufen (IL- Instruktionen) einer Methode M: call bestimmt M auf Grundlage des (zur Übersetzungszeit bekannten) Typs der Referenz. callvirt bestimmt M auf Grundlage des (nur zur Laufzeit bekannten) Typs der Instanz 9

10 Steuerung des polymorphen Verhaltens (2) call : Wird bei statischen Methoden und Methoden von Werttypen verwendet (zur Übersetzerzeit) Wenn der JITter sicherstellt, dass die Referenz nicht NULL wird, kann er ein callvirt durch ein call ersetzen. callvirt : Prüft Referenz auf NULL. Sucht die passende Implementierung im Vererbungsbaum. Beispiel: Object theobject = new Object(); theobject.gettype(); // callvirt, da theobject // NULL sein kann new Object().GetType(); // call 10

11 Das Schlüsselwort virtual Ohne virtual ist eine Methode nicht-virtuell Der Aufrufer verwendet call Die Adresse der zu verwendenden Implementierung wird zur Übersetzungszeit fest in den aufrufenden Code geschrieben Das Schlüsselwort virtual macht eine Methode virtuell Der Aufrufer verwendet callvirt Die Adresse der zu verwendenden Implementierung wird zur Laufzeit bestimmt In Java sind alle Methoden virtuell 11

12 Virtuelle-Methoden-Tabelle (VMT) Wenn die Adresse der Implementierung nicht zur Übersetzungszeit bestimmt werden kann, muss dieses zur Laufzeit nachgeschlagen werden (späte Bindung) Jede Klasse hat eine eigene Liste von Adressen für die verwendbaren funktionalen Elemente Alle Einträge der direkten Oberklasse werden vorne in die Liste jeder Unterklasse kopiert Vererbung Zur Laufzeit wird Der Typ der Instanz bestimmt In der VMT dieses Typs die Adresse des funktionalen Elements bestimmt: Suche von hinten nach vorne Der Code an der gefundenen Adresse wird ausgeführt (mit this als der erstem Parameter) 12

13 Das Schlüsselwort override Das Schlüsselwort override erlaubt, einen neuen Adresseintrag für ein Element mit gleicher Signatur hinten an die VMT anzuhängen Regeln Die zu überschreibende Methode Muss virtuell sein Kann nicht static oder sealed sein (siehe nächste Folie) Die überschreibende und die überschriebene Methode müssen in C# Den selben Rückgabetyp haben Die selbe Zugreifbarkeit haben Das Substitutionsprinzip würde mehr zulassen! Kovarianz resp. Kontravarianz 13

14 Das Schlüsselwort sealed Das Schlüsselwort sealed legt fest, dass der Adresseintrag ab jetzt nicht mehr ersetzt werden darf. vergl. final in Java Regeln Es darf nur zusammen mit override verwendet werden. 14

15 Veranschaulichung ab hier kein A virtual void foo() { niemals override void bar() { void bar() { A B Codesegment bar foo1 foo2 foo3 void foo() { B C override void foo() { void foo() { D E sealed override void foo() { beliebig häufig override Der Aufrufer verwendet call void foo() { F Der Aufrufer verwendet callvirt override mehr 15

16 Beispiel: Vererbung allgemeiner funktionaler Elemente class A { public void F() { Console.WriteLine("A.F"); class B: A { public void G() { Console.WriteLine("B.G"); class Test { static void Main() { B b = new B(); b.f(); // Inherited from A b.g(); // Introduced in B A a = b; // Treat a B as an A a.f(); Ausgabe: A.F B.G A.F 16

17 Beispiel: Vererbung virtueller Elemente class A { public virtual void F() { Console.WriteLine("A.F"); class B: A { public override void F() { Console.WriteLine("B.F"); class Test { static void Main() { B b = new B(); b.f(); A a = b; a.f(); Ausgabe: B.F B.F 17

18 Vererbung: Deklarationsraum und Sichtbarkeitsbereich Vererbung bedeutet praktisch die Ausweitung des Sichtbarkeitsbereichs der Elemente einer Basisklasse auf ihre Kindklassen. Die Kindklassen bilden aber jeweils einen eigenen Deklarationsraum. Folgerung: Verdecken der Elemente möglich 18

19 Beispiel: Ausweitung des Sichtbarkeitsbereichs class A { public int i = 3; public void F() { Console.WriteLine(i); class B : A { public int i = 5; class Program { static void Main() { B b = new B(); b.f(); Der Sichtbarkeitsbereich von i und F wird auf B ausgeweitet Da es sich um getrennte Deklarationsräume handelt verdeckt das i in B das i aus A, es überschreibt es nicht. Das Programm gibt 3 aus. 19

20 Frage: Wie kann man trotzdem auf das verdeckende i zugreifen? Mit einem virtuellen funktionalen Element: Es wird callvirt in F verwendet Jetzt wird zur Laufzeit in Abhängigkeit des Typs der Instanz die Implementierung von I aufgerufen class A { public int i = 3; public virtual int I { get {return i; public void F() { Console.WriteLine(I); class B : A { public int i = 5; public override int I { get { return i; in Abhängigkeit vom Laufzeittyp 20

21 Frage: Und wie kann man jetzt auf das verdeckte i zugreifen? Mit Qualifikation! Auf die verdeckten* geerbten Elemente kann mit der base- Referenz zugegriffen werden class A { public int i = 3; public virtual int I { get {return i; public void F() { Console.WriteLine(I); class B : A { public int i = 5; public override int I { get { return base.i; * auch auf die anderen, aber für die braucht man es ja nicht 21

22 Noch ein Beispiel zur base-referenz class A { public virtual void F() { Console.WriteLine("A.F"); class B: A { public override void F() { base.f(); Console.WriteLine("B.F"); class Test { static void Main() { B b = new B(); b.f(); A a = b; a.f(); Ausgabe: A.F B.F A.F B.F 22

23 Verdecken von Elementen Neben der gewünschten Überdeckung virtueller funktionaler Elemente kann bei der Evolution eines Objektmodells auch noch zu unbeabsichtigter Überdeckung kommen: Die Basisklasse B eines Autors X bietet (nur) die Methode Foo() an Die die Klasse B erweiternde Klasse C eines Autors Y bietet zusätzlich die Methode Goo() an Der Autor X führt später eine Methode Goo() in die Klasse B ein 23

24 Beispiel: Verdecken class Base { public void F() { class Derived: Base { public void F() { // Warning, hiding an inherited name Das Verbergen ererbter Elemente führt zu einer Warnung und nicht zu einem Fehler, da dieses die getrennte Evolution der Klassen verhindern würde: Wenn beispielsweise eine erst eine spätere Version von Base die Methode F einführt und sie in Derived schon deklariert wäre, würde Derived plötzlich ungültig. class Base { public void F() { class Derived: Base { new public void F() { Die Verwendung des new-modifikators weist darauf hin, dass der Programmierer bewusst ein Element verdecken will. Daher wird der Compiler nicht warnen. 24

25 Das Schlüsselwort new Die Funktion des Schlüsselwortes new ist orthogonal zu virtual/override/sealed Es zeigt an, dass der Programmierer bewusst ein Element der Oberklasse verdeckt Verdeckt werden kann alles, was geerbt werden kann (also nicht nur Methoden, sondern insbes. auch Variablen) 25

26 Beispiel: Verdecken von static-methoden class Basis { public static void F() { class Abgeleitet: Basis { new private static void F() { class WeiterAbgeleitet: Abgeleitet { static void G() { F(); ruft Basis.F auf verdeckt Basis.F nur in Abgeleitet 26

27 Beispiel: Verdecken & Vererben 1 class A { public virtual void F() { class B: A { new private void F() { // Hides A.F within B class C: B { public override void F() { // Ok, overrides A.F 27

28 Beispiel: Verdecken & Vererben 2 class A { protected virtual void F() { class B : A { public override void F() { class C : A { protected void F() { class D : A { protected override void F() { class E : A { new protected override void F() { Fehler! Warnung! Überschreibt A.F Fehler! 28

29 Das Schlüsselwort abstract Wie in Java oder SWT. Hinweis: Methoden die als abstract gekennzeichnet sind, sind automatisch virtuell, das Schlüsselwort virtual darf aber nicht verwendet werden. 30

30 Vererbung und Strukturen Strukturen erben implizit von der Klasse System.ValueType (welche wiederum von object erbt), andere Vorfahren sind nicht möglich Strukturen und ihre Elemente können nicht abstract sein Funktionale Elemente können nicht virtual sein, override ist nur für die von System.ValueType geerbten Elemente zulässig Strukturen und ihre Elemente sind implizit sealed call wird immer verwendet und Einwickeln ist für den Aufruf funktionaler Elemente nicht notwendig! Hausaufgabe: Warum? 31

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