Objektorientierung. Teil 1: Einführung in die Objektorientierung (aus der Java-Perspektive)

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1 BlueJ und Java: Grundkonzepte objektorientierten Programmierens Teil : Einführung in die Objektorientierung (aus der Java-Perspektive) Dr. M. Schillo, Christoph Uhrhan PL Speyer Thomas Karp, C. Uhrhan Schwerpunkte Musik und Informatik Programm.Tag: OO-Modellierung mit UML Begriffe - Bauplan, Instanz, Eigenschaft, Fähigkeit - Klasse, Objekt, Variable, Methode Diagrammformen für den Unterricht - Anwendungsfalldiagramm, Liste der natürlichen Objekte, Klassendiagramm, Sequenzdiagramm, Aktivitätsdiagramm - Beispiel: Druckerwarteschlange Ausprobieren am Beispiel (Rollenspiel/GA) - Bankautomat Komplexe Projekte ohne Kodierung Objektorientierung 3

2 Wie verhält sich Objektorientierung zur prozeduralen Programmierung? Einstiegsbeispiel Programmieren im Kleinen bleibt erhalten Prozedurorientierte Modellierung - Struktogramme etc. Objektorientierte Modellierung - UML Eine Ampel kommt selten allein 5 6 Codebeispiel: Ampelklasse Idee der Objektorientierung public class Ampel{ int zustand; public void schalteweiter(){ zustand = ( zustand + ) % 4; public void zeichneampel(){! Ampel ampel = new Ampel(); Ampel ampel2 = new Ampel(); ampel.schalteweiter(); ampel2.schalteweiter(); Vorstrukturierung komplexer Systeme anhand natürlicher Objekte Jedes Objekt hat Fähigkeiten und Eigenschaften Verteilung von Lösungskompetenzen, Zuständigkeiten und Geheimnissen Planung des Kontrollflusses ( Meta-Algorithmus ) 7 8

3 Kern der Objektorientierung Objektorientierung: Phasenmodell Konzept Effekt Hintergrund Kapselung Reduktion von Nebeneffekten Viele Entwickler OO-Analyse OO-Entwurf OO-Entwicklung Klassen Reduzierung von Codelänge Effizienz OO-Modellierung OO-Programmierung Modellierung natürlicher Objekte Komplexitätsreduktion Der Code ist die Dokumentation 9 0 Beispiel: Digitale Uhr public class Uhr{ int stunden, minuten, sekunden; Aufbau - Stunden, Minuten, Sekunden, Takt, Wie implementiert man zwei Uhren (Weltuhr)? - den Code kopieren und noch einmal einfügen - Variablen umbenennen - Bei Änderungen alles doppelt drei Uhren, vier Uhren? public Uhr( int h, int m, int s ){ stunden = h; minuten = m; sekunden = s; public void zaehleweiter(){ sekunden = sekunden + ; if ( sekunden == 60 ){ sekunden = 0; minuten++; if ( minuten == 60 ){ minuten = 0; stunden++; Uhr speyer = new Uhr( 4, 30, 45); speyer.zaehleweiter(); Uhr london = new Uhr( 3, 30, 45); london.zaehleweiter(); public void zeigeuhrzeitan(){ System.out.println( stunden + : + minuten + : +sekunden ); 2

4 Begriffe der Objektorientierung Merkmale von Objekten Begriff Beispiel Erläuterung Objekt speyer Exemplar oder Instanz Klasse Uhr Bauplan Methode Objektvariable Vererbung zaehleweiter() stunden AnalogUhr Fähigkeit, Prozedur, Methode Eigenschaft, Variable, Attribut Anreicherung von Eigenschaften Objekte haben einen Typ - der Name der Klasse, dessen Instanz sie sind. einen Namen einen Zustand - Die Gesamtheit aller Variablenwerte. eine Identität - dazu später mehr! 3 4 Bezeichnerkonventionen Vorteile der Implementierung mit Objektorientierung. Sinntragende Bezeichner 2. Konkatenation Klasse: Uhr - Substantiv, Großschreibung Variable: meineuhr = new Uhr() - Substantiv, Kleinschreibung Methode: zaehleweiter() - Verb, Kleinschreibung Beispiel: meineuhr.zaehleweiter() Bessere Kapselung von: Daten => Geheimhaltung Zuständigkeiten => Interaktion statt Manipuliation => Klare Schnittstellen Komplexität => Bessere Modularisierung Arbeitsersparnis: Objekte => Wiederverwendung von Code Klassenbibliotheken => Wiederverwendung von Funktionalität 5 6

5 Warum Java für OOI? Pro - Plattformübergreifend - Einbindung ins Web -> Applets - Unterstützung: Bibliotheken, IDEs, Literatur, Foren - universellere Konzepte, kompakter JavaScript!?! Kontra - Overhead bei Ein-/Ausgabe - Kein Einstieg ohne OO?bsh? Fragen? 7 UML - die Unified Modelling Language Die wichtigsten Diagrammformen der UML für den Unterrichtseinsatz am Beispiel einer Druckerwarteschlange Einstieg Worum geht es?. Beispiele für UML im Unterricht. Denkwerkzeuge für die Modellierung. Allgemeinbildende Aspekte Worum geht es nicht?. Vermittlung des UML-Standards auf Niveau von Softwareentwicklern Schwerpunkte Musik und Informatik 20

6 Der Fahrplan Anwendungsfall-Diagramm: Druckerwarteschlange. Druckerwarteschlange (vormittag) 2. Bankautomat (nachmittag) Systemgrenze Druckauftrag erzeugen 2x4 - Anwendungsfalldiagramm Anwendungsfälle - Klassendiagramm - Aktivitätsdiagramme - Sequenzdiagramme Anwender Rolle Warteschlangeninhalt ansehen Druckauftrag drucken 2 22 Textuelle Beschreibung der Anwendungsfälle Anwendungsfall-Diagramm: Druckerwarteschlange Man will einen Druckauftrag erzeugen und (nach Priorität oder Reihenfolge des Einreichens) einreihen können Die Warteschlange muss den nächsten Druckauftrag ausgeben können Die Nutzer wollen die Warteschlange einsehen können Evtl. muss ein Druckauftrag vorgezogen werden können 23 Systemgrenze Rolle Anwender Druckauftrag erzeugen <<erweitert>> Druckauftrag mit Priorität erzeugen Warteschlange anhalten Anwendungsfälle Warteschlangeninhalt ansehen Druckauftrag einsortieren Priorität ändern Druckauftrag entfernen Druckauftrag drucken Informationen zu Druckauftrag ansehen 24

7 Anwendungsfall-Diagramm: Druckerwarteschlange Rollenspiel zu: Einsortieren eines Auftrages Systemgrenze Rolle Anwender Druckauftrag erzeugen <<erweitert>> Druckauftrag mit Priorität erzeugen Warteschlange anhalten Anwendungsfälle Warteschlangeninhalt ansehen Druckauftrag einsortieren Priorität ändern Druckauftrag entfernen Druckauftrag drucken Informationen zu Druckauftrag ansehen 26 Liste der natürlichen Objekte Nutzer Warteschlange Druckauftrag Papier Drucker Priorität Papierstau Dokumentname Druckertreiber Extern Elementar + Warteschlangenelement Vorbereitung des Klassendiagramms! 27 Klassendiagramm für Warteschlange und Druckauftrag druckername: String kopf: DruckAuftrag DruckerWarteschlange (c) DruckerWarteschlange(dn: String) druckenaechstenauftrag(): DruckAuftrag erzeugedruckauftrag(da: DruckAuftrag): void giblaengeaus(): int gibwarteschlangeaus(): void Warteschlange 0 Kopf 2 verwaltet DruckAuftrag dokumentname: String nachfolger: DruckAuftrag prio: int (c) DruckAuftrag(dn: String, p: int) druckedokumentaus(): void fuegedruckauftragein(da: DruckAuftrag) gibdokumentnameaus(): void gibnachfolger(): DruckAuftrag setzenachfolger(da: Druckauftrag): void gibprio(): int setzeprio(p: int): void gibrestwsaus(): void druckedokumentaus(): void gibrestlaengeaus(lb: int): int Nachfolger

8 Klassendiagramm für Warteschlange und Druckauftrag druckername: String kopf: DruckAuftrag DruckerWarteschlange (c) DruckerWarteschlange(dn: String) druckenaechstenauftrag(): DruckAuftrag erzeugedruckauftrag(da: DruckAuftrag): void giblaengeaus(): int gibwarteschlangeaus(): void verwaltet 0.. DruckAuftrag dokumentname: String nachfolger: DruckAuftrag prio: int (c) DruckAuftrag(dn: String, p: int) druckedokumentaus(): void fuegedruckauftragein(da: DruckAuftrag) gibdokumentnameaus(): void gibnachfolger(): DruckAuftrag setzenachfolger(da: Druckauftrag): void gibprio(): int setzeprio(p: int): void gibrestwsaus(): void druckedokumentaus(): void gibrestlaengeaus(lb: int): int Nachfolger 0.. neuerauftrag Aktivitätsdiagramm: fügeauftragein() fügeauftragein(neuerauftrag) existiert nachfolger? nein ja pneu=neuerauftrag. gibprioritaetzurueck() nachfolger = neuerauftrag nachfolger.fügeauftragein(neuerauftrag) nein pneu < nachfolger.gibprioritaetzurueck() neuerauftrag.nachfolger = nachfolger ja Warteschlange nachfolger = neuerauftrag Kopf Sequenzdiagramm: fügeauftragein() w:warteschlange kopf:druckauftrag d:druckauftrag d2:druckauftrag fuegeauftragein() gibprioritaetzurueck() id fuegeauftragein() gibprioritaetzurueck() id fuegeauftragein() Code: fügeauftragein() public class Druckauftrag{ public void fuegeauftragein( Druckauftrag d ){ if ( nachfolger == null ){ setzenachfolger( d ); else { if ( d.gibprioritaetzurueck() < nachfolger.gibprioritaetzurueck()){ d.setzenachfolger( nachfolger ); setzenachfolger( d ); else { nachfolger.fuegeauftragein( d ); 3 32

9 Aktivitätsdiagramm: gibwarteschlangeaus() gibwarteschlangeaus() Übung gibwarteschlangeaus() existiert nachfolger? ja nein nachfolger.gibdokukmentnameaus() nachfolger.gibrestderwsaus() 34 Sequenzdiagramm: gibwarteschlangeaus() Code: gibwarteschlangeaus() w:warteschlange kopf:druckauftrag d:druckauftrag d2:druckauftrag gibdokumentinfoaus() gibrestderwsaus() gibdokumentinfoaus() gibrestderwsaus() public class Warteschlange{ public void gibwarteschlangeaus(){ kopf.gibnachfolgerzurueck().gibauftraegeaus(); public class Druckauftrag{ public void gibauftraegeaus(){ gibdokumentaus(); gibrestderwsaus() 35 if ( nachfolger!= null ) nachfolger.gibauftraegeaus(); public void gibdokumentaus(){ System.out.println( id + " p: "+ prioritaet + " " + dokumentname ); 36

10 Variationen +setze Priorität( int id ) +aendereanzahl( int anzahl ) Drucken zu einem bestimmten Zeitpunkt Auswahl s/w oder Farbe Verschieben von einer Warteschlange in eine andere Fragen? 37 UML: Überblick UML (2) Die wichtigsten Diagrammformen im Überblick Phase Analyse Entwurf: Struktur Entwurf: Verhalten Diagramm Anwendungsfall Klassendiagramm Sequenzdiagramm Aktivitätsdiagramm Schwerpunkte Musik und Informatik 40

11 Anwendungsfalldiagramm Systemgrenze Liste der natürlichen Objekte, nicht in UML! Extern Rolle Anwendungsfall Anwendungsfall Anwendungsfall Rolle 2 + Elementar Vorbereitung des Klassendiagramms! 4 42 Klassendiagramm Aktivitätsdiagramm Klassenname Klassenname2 Name der Aktivität {-,+,#feld: Typ {-,+,#methode() Beziehung 0....* {-,+,#feld: Typ {-,+,#methode() Kontrollfluss: Start Arbeitsschritt Arbeitsschritt Sichtbarkeit: - private +public #protected Kardinalität: :! entfällt"" n ""! (unbekannt, aber beschränkt) 0..! (3..0"""..n)..*! ( oder mehr) *! (0 oder mehr) Parameter Entscheidung ja Arbeitsschritt ja nein Ergebniswert 43 44

12 Bearbeitungszeit Sequenzdiagramm instanz:klasse instanz2:klasse2 instanz3:klasse3 instanz4:klasse4 internemethode() externemethode() externemethode() Vorschlag: Vorgehensweise für den Unterricht F-Entw. Klassendiagramm Partner- Arbeit Natürliche Objekte Binnendiff.? Aktivitätsdiagramm Rückgabewert Rückgabewert Lebenslinie x Ende der Lebenslinie 45 HA: Text? Gruppenarbeit Anwendungsfalldiagramm Sequenzdiagramm 46 Strukturelle Probleme des Unterrichtseinsatzes der OO-Modellierung Modellierung setzt Kodierungserfahrung voraus - manche Software-Objekte sind nicht natürlich sondern technisch bedingt; - viele natürliche Objekte sind nicht relevant Vorteil der Objektorientierung: bei großen Projekten, nicht bei kleinen Objektorientierung - setzt imperative Programmierung voraus, oder - objects first: besitzt nicht genug Fleisch. Fragen? 47 Schwerpunkte Musik und Informatik

13 Sequenzdiagramm: löscheauftrag(id) () w:warteschlange kopf:druckauftrag d:druckauftrag d2:druckauftrag Übung löscheauftrag(id) gibidzurueck() id löscheauftrag(id) gibidzurueck() Auftrag löschen und Priorität ändern id x 50 Sequenzdiagramm: entferneauftrag(id) Aktivitätsdiagramm: entferneauftrag(id) w:warteschlange kopf:druckauftrag d:druckauftrag d2:druckauftrag entferneauftrag(id) entferneauftrag(id) gibidzurueck() id nimm nachfolger entferneauftrag(id) gibidzurueck() id id nachfolger.gibidzurueck() = id? nein entfernterauftrag ja entfernterauftrag ja = nachfolger entfernterauftrag entfernterauftrag nachfolger = entfernterauftrag.nachfolger x 5 52

14 Code: entferneauftrag(id) Allgemeinbildende Aspekte public class Warteschlange{ public void loescheauftrag( int id ){ kopf.entferneauftrag( id ); public class Druckauftrag{ public Druckauftrag entferneauftrag( int id ){ if ( nachfolger.gibidzurueck() == id ){ Druckauftrag auftrag = nachfolger; nachfolger = nachfolger.gibnachfolgerzurueck(); return auftrag; return nachfolger.entferneauftrag( id ); Beschreibung komplexer Systeme - Beschreibungswerkzeuge (Interaktion, Ablauf) - nicht reduzieren, sondern annehmen der Komplexität - Textverarbeitung, SchO OOM + Textverarbeitung OOM + Politische Strukturen 55 56

15 Allgemeinbildende Aspekte Zusammenfassung Beschreibung komplexer Systeme - Beschreibungswerkzeuge (Interaktion, Ablauf) - nicht reduzieren, sondern annehmen der Komplexität - Textverarbeitung, SchO Perspektivenwechsel - Nicht Kausalbeziehung - vgl. Hermeneutischer Zirkel UML - Grafische Beschreibungssprache Anwendungsfalldiagramm Klassendiagramm, Aktivitätsdiagramm Sequenzdiagramm - Perspektivenwechsel, Überblick Methodische Vorschläge - Auswahl an Diagrammen, Natürliche Objekte, Projektablauf Pause Unterrichtsmaterial Bankautomat und UML Dr. Michael Schillo Schwerpunkte Musik und Informatik

16 Aufgabe Fertigen Sie ein Klassendiagramm an Fertigen Sie Aktivitäts- und Sequenzdiagramme für folgende Abläufe an: - Ablaufdatum überprüfen - PIN prüfen - Saldo ausgeben - 50# abheben - beliebigen Betrag abheben Dabei sollen die Aktivitätsdiagramme zentrale Methoden abbilden, das Sequenzdiagramm beginnt beim Bankautomaten 6 Material zum Bankautomaten Schwerpunkte Musik und Informatik Die Konto- und Kartendaten MuLö Name ktonummer ktostand BLZ konto ,00! konto ,00! konto ,00! Name ktonummer pin BLZ krtnummer karte karte karte

17 Anwendungsfall-Diagramm: Bankautomat Liste der natürlichen Objekte System Benutzer Geldausgabe Kontostand abfragen PIN Prüfen Konto (Betrag) Karte Geld Kontonr BLZ PIN Automat Tageslimit Geld abheben Sprache Bargeldbestand Ein-/Ausgabe Kontostand + Kontoverwaltung Benutzer Die Klasse Karte Queltext der Klasse Karte pin: int kartennr: int kontonr: int blz: int Karte (c) Karte(p: int, krtnr: int, ktonr: int, b: int) gibpin(): int gibkartennr(): int gibktonr(): int gibblz(): int public class Karte { 2 3 int pin ; 4 int kartennr ; 5 int kontonr ; 6 int blz ; 7 8 Karte(int krtnr, int ktonr, int b, int p) { 9 pin = p; 0 kartennr = k r t n r ; kontonr = ktonr ; 2 b l z = b ; int gibpin () { 6 return pin ; int gibkartennr () { 20 return kartennr ; int gibkontonr () { 24 return kontonr ; int gibblz () { 28 return blz ;

18 Die Klasse Konto Quellcode der Klasse Konto kontonr: int blz: int kontostand: float Konto (c) Konto(ktonr: int, blz: int, ktostd: float) gibktonr(): int gibblz(): int gibkontostand(): float hebeab(betrag: float): boolean public class Konto { 2 int kontonr ; 3 int blz ; 4 double kontostand ; 5 6 Konto(int ktonr, int b, double d) { 7 kontonr = ktonr ; 8 blz = b; 9 kontostand = d; 0 2 int gibkontonr () { 3 return kontonr ; int gibblz () { 7 return blz ; double gibkontostand () { 2 return kontostand ; boolean hebeab(double betrag) { 25 if (kontostand > betrag) { 26 kontostand = kontostand betrag ; 27 return true ; 28 else { 29 return false ; Die Klasse KontoVerwaltung Quelltext der Klassse KontoVerwaltung Kontoverwaltung konto: Konto konto2: Konto konto3: Konto (c) Kontoverwaltung() findekonto(ktonr: int): Konto public class KontoVerwaltung { 2 3 Konto konto ; 4 Konto konto2 ; 5 Konto konto3 ; 6 7 KontoVerwaltung() { 8 konto = new Konto (747, , 200.0) ; 9 konto2 = new Konto (256, , ) ; 0 konto3= new Konto (85, , 275.0) ; 2 3 Konto findekonto ( int ktonr) { 4 if (konto.gibkontonr() == ktonr) { 5 return konto ; 6 else if (konto2.gibkontonr() == ktonr) { 7 return konto2 ; 8 else if (konto3.gibkontonr() == ktonr) { 9 return konto3 ; 20 else { 2 return null ;

19 Die Klasse BankAutomat Quellcode der Klasse BankAutomat () Bankautomat ktoverwaltung: Kontoverwaltung aktuellekarte: Karte aktuelleskonto: Konto bargeldbestand: float (c) Bankautomat() pruefepin(krt: Karte, pin: int): boolean gibktostand(): float hebeab(betrag: float): boolean beendetranskation(): void Quellcode der Klasse BankAutomat (II) Quellcode der Klasse BankAutomat (II) 75 76

20 Klassendiagramm Sequenzdiagramm pin: int kartennr: int kontonr: int blz: int Karte (c) Karte(p: int, krtnr: int, ktonr: int, b: int) gibpin(): int gibkartennr(): int gibktonr(): int gibblz(): int kontonr: int blz: int kontostand: float Konto (c) Konto(ktonr: int, blz: int, ktostd: float) gibktonr(): int gibblz(): int gibkontostand(): float hebeab(betrag: float): boolean 3 Sequenzdiagramm: BankAutomat.pruefePin(karte2, 2222) ba: BankAutomat karte2: Karte pruefepin(karte2, 2222) gibpin() true aktuellekarte: Karte gibkontonr() 256 ktoverwaltung: KontoVerwaltung konto: Konto konto2: Konto findekonto(256) gibkontonr() Bankautomat ktoverwaltung: Kontoverwaltung aktuellekarte: Karte aktuelleskonto: Konto bargeldbestand: float (c) Bankautomat() pruefepin(krt: Karte, pin: int): boolean gibktostand(): float hebeab(betrag: float): boolean beendetranskation(): void Kontoverwaltung konto: Konto konto2: Konto konto3: Konto (c) Kontoverwaltung() findekonto(ktonr: int): Konto true konto2 747 gibkontonr() Aktivitätsdiagramm BankAutomat.pruefePin() krt: Karte pin: int krt.pin == pin ergebnis = false aktuellekarte = krt finde Konto zur aktuellen Karte beendetransaktion() beendetransaktion() ergebnis aktuelleskonto!= null ergebnis = false ergebnis = true 79