2.11 Objektorientierung

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1 2.11 Objektorientierung Bisher: Nichtgleichartige Elemente (=Daten) können in Klassen zu einem neuen Typ zusammengefasst werden. Daten existieren oft zusammen mit Methoden, die auf die Daten zugreifen und sie manipulieren. Daher: Daten und die auf sie zugreifenden Methoden können in Klassen zusammengefasst werden. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 222

2 Methoden in Klassen Beispiel: (Kontorechnung einer Bank) Daten: Kontoinhaber Adresse des Kontoinhabers Kontonummer Kontostand Liste von Kontenbewegungen Methoden: Kontostand abfragen Einzahlung vornehmen Überweisung tätigen Kontoauszug drucken Java erlaubt die Zusammenfassung der Daten und der Methoden in einer Klasse. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 223

3 Beispiel: (rationale Zahlen) Wir stellen rationale Zahlen durch einen ganzzahligen Zähler und einen ganzzahligen Nenner dar: class Fraction { int z; // Zähler int n; // Nenner } /* end of Fraction */ Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 224

4 Beispiel: (rationale Zahlen) Wir stellen rationale Zahlen durch einen ganzzahligen Zähler und einen ganzzahligen Nenner dar: class Fraction { int z; // Zähler int n; // Nenner void add(fraction f) { z = z*f.n + f.z*n; n = n*f.n; } /* end of add */... } /* end of Fraction */ Zusätzlich zu den Daten enthält die Klasse auch noch Methoden, die die Daten manipulieren. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 224

5 Beispiel: (rationale Zahlen) Wir stellen rationale Zahlen durch einen ganzzahligen Zähler und einen ganzzahligen Nenner dar: class Fraction { int z; // Zähler int n; // Nenner void add(fraction f) { z = z*f.n + f.z*n; n = n*f.n; } /* end of add */ void subtract(fraction f) { z = z*f.n - f.z*n; n = n*f.n; } /* end of subtract */ void multiply(fraction f) { z = z*f.z; n = n*f.n; } /* end of multiply */ void divide(fraction f) { int h = z*f.n; n = n*f.z; z = h; } /* end of divide */ } /* end of Fraction */ Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 224

6 Das Objekt this Die Methoden add, subtract,multiply und divide sind ohne das Schlüsselwort static deklariert worden. Daher beziehen sie sich auf ein Objekt der Klasse und nicht auf die Klasse selbst (wie wir es bisher nur kennengelernt haben). Das Objekt, auf das eine Methode angewendet wird, wird in Java mit this bezeichnet. Wir könnten also auch schreiben: class Fraction { int z; // Zähler int n; // Nenner... void add(fraction f) { this.z = this.z*f.n + f.z*this.n; this.n = this.n*f.n; } /* end of add */ Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 225

7 Aufruf der Methoden class Fraction { int z; // Zähler int n; // Nenner void add(fraction f) {... } void subtract(fraction f) {... } void multiply(fraction f) {... } void divide(fraction f) {... } } /* end of Fraction */ public static void main (String[] args) { Fraction a = new Fraction(); Fraction b = new Fraction(); a.z = 1; a.n = 2; b.z = 3; b.n = 5;... a.multiply(b); // a = 3/10 b.divide(b); // b = 15/15 = 1 } /* end of main */ Objekte der Klasse Fraction repräsentieren rationale Zahlen. Die Methoden add, subtract,multiply und divide sind lokal zur Klasse Fraction. add, subtract,multiply und divide können von außen für den Zugriff auf Objekte der Klasse Fraction benutzt werden. add, subtract,multiply und divide greifen auf die Daten desjenigen Objektes zu, auf das sie angewendet werden. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 226

8 Aufruf der Methoden add, subtract,multiply und divide greifen auf die Daten desjenigen Objektes zu, auf das sie angewendet werden:... a.z = 1; a.n = 2; b.z = 3; b.n = 5; a.multiply(b); // a = 3/10... Beachte: Man wählt zuerst ein Objekt aus (hier a) und dann eine Methode, die auf a angewendet wird (hier: multiply). Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 227

9 Aufruf der Methoden... a.z = 1; a.n = 2; b.z = 3; b.n = 5; a.multiply(b); // a = 3/10... Wir sagen: Das Objekt a bekommt die Nachricht multiply, wodurch die multiply-methode aufgerufen wird. Das Objekt a ist der Empfänger der Nachricht multiply. Der Empfänger einer Nachricht kann in der aufgerufenen Methode mit this referenziert werden. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 228

10 Aufruf der Methoden Was geschieht bem Senden einer Nachricht a.multiply(b)? 1. Der Empfänger der Nachricht ist Objekt der Klasse Fraction. Daher wird die Methode multiply der Klasse Fraction ausgewählt. 2. Die Methode multiply hat neben ihrem formalen Parameter f noch einen versteckten Parameter this, den formalen Empfänger. 3. Der aktuelle Empfänger a wird dem formalen Empfänger this zugewiesen. 4. Dann wird die Methode multiply aufgerufen und ausgeführt. void multiply(/* Fraction this, */ Fraction f) { this.z = this.z*f.z; this.n = this.n*f.n; } /* end of multiply */ Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 229

11 Klassendiagramme Klassen können graphisch mit Klassendiagrammen dargestellt werden. Fraction z : int n : int add(f: Fraction) subtract(f: Fraction) multiply(f: Fraction) divide(f: Fraction) Das Klassendiagramm enthält drei Teile. Der oberste Teil enthält den Klassennamen fettgedruckt. Der mittlere Teil enthält die Felder der Klasse, d.h. die Daten. Der untere Teil enthält die Methodenköpfe. Ergebnistypen einer Methode void werden, durch einen : getrennt, hinter den Methoden angegeben (Bsp. folgt später). Klassendiagramme dienen der Dokumentation von Programmen. Daher können die einzelnen Teile mehr oder weniger ausführlich gehalten werden. Klassendiagramme sind Teil der Unified Modeling Language (UML), einer Menge graphischer Notationen zur Beschreibung objektorientierter Systeme. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 230

12 Konstruktoren Konstruktoren sind spezielle Methoden, die es erlauben, ein Objekt einer Klasse zu initialisieren. Ein Konstruktor ist eine Methode, die den gleichen Namen hat wie die Klasse, zu der sie gehört. class Fraction { int z; // Zähler int n; // Nenner } Fraction(int z, int n) { this.z = z; this.n = n; } /* end of constructor 1 */ Fraction(int k) { this.z = k; this.n = 1; } /* end of constructor 2 */ Fraction() { this.z = 0; this.n = 1; } /* end of constructor 3 */ Ein Konstruktor wird ohne Funktionstyp und ohne Schlüsselwort void deklariert. Ein Konstruktor kann Parameter haben. Eine Klasse kann mehrere Konstruktoren besitzen. Diese haben alle den gleichen Namen (den Klassennamen) und unterscheiden sich in ihren Parameterlisten. Ist der parameterlose Konstruktor nicht explizit deklariert, so werden bei Erzeugung eines neuen Objektes alle Felder des Objektes auf 0 (bzw. null, false) gesetzt. Dies ist bei Brüchen nicht sinnvoll (Nenner=0). Daher wird hier der parameterlose Konstruktor explizit angegeben. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 231

13 Konstruktoren Konstruktoren sind spezielle Methoden, die es erlauben, ein Objekt einer Klasse zu initialisieren. Ein Konstruktor ist eine Methode, die den gleichen Namen hat wie die Klasse, zu der sie gehört. Die Anweisung class Fraction { Fraction(int z, int n) {... } Fraction(int k) {... } }... main(...) { Fraction a = new Fraction(1,2); /* 1/2 */ Fraction b = new Fraction(5); /* 5/1 */ } /* end of main */ Fraction a = new Fraction(1,2); erzeugt ein neues Objekt der Klasse Fraction und initialisiert es als 1/2. Die Anweisung Fraction b = new Fraction(5); erzeugt ein neues Objekt der Klasse Fraction und initialisiert es als 5/1. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 232

14 Statische und objektbezogene Methoden und Felder Die Methoden add, subtract,multiply und divide wurden ohne das Schlüsselwort static deklariert. Betrachtet man eine Klasse als Objekt (das Klassenobjekt, ein Schablonenobjekt, das das Aussehen aller Objekte in der Klasse festlegt) so erhält man: statische Komponenten: Felder und Methoden des Klassenobjekts. Die statischen Komponenten werden mit dem Zusatz static deklariert. objektbezogene Komponenten: Felder und Methoden der Objekte, die von der Klasse erzeugt werden. Die objektbezogenen Komponenten werden ohne den Zusatz static deklariert. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 233

15 Beispiel: (Statische und objektbezogene Methoden und Felder) Wir wollen mitzählen, wie viele Objekte der Klasse Fraction wir erzeugt haben. Dazu erweitern wir die Klasse Fraction um eine statische Komponente fraccnt. class Fraction { int z; int n; /* objektbezogene Felder */ static int fraccnt; /* statisches Feld */ Fraction(int z, int n) { /* Objektkonstruktor */ this.z = z; this.n = n; fraccnt++; } /* end of Objektkonstruktor */ static { /* Klassenkonstruktor */ fraccnt = 0; } /* end of Klassenkonstruktor */ static void resetfraccnt() { fraccnt = 0; }... Die Methode resetfraccnt ist eine Klassenmethode. Sie muss statisch deklariert werden. Der Konstruktor Fraction(...){...} ist Objektkonstruktor und wird aufgerufen, wenn ein neues Objekt erzeugt wird. Der Konstruktor static {...} ist Klassenkonstruktor und wird aufgerufen, wenn die Klasse geladen wird (zu Programmstart). Eine Klasse kann höchstens einen Klassenkonstruktor haben. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 234

16 Zugriff auf Klassenfelder und Klassenmethoden Klassenfelder und Klassenmethoden gehören zu einer Klasse. daher werden sie mit dem Klassennamen qualifiziert. Fraction.fracCnt = 0; Fraction.resetFracCnt(); Innerhalb ihrer Klasse kann die Qualifizierung mit dem Klassennamen weggelassen werden. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 235

17 Hauptprogramme und Klassen public class MyProgram { static void print(string s) { Out.println(s); } } public static void main(string[] args) { for (int i = 0; i < args.length; i++) print(args[i]); } Die Klasse MyProgram enthält zwei Klassenmethoden, eine davon mit Namen main. Jede Klasse, die eine public Methode main(string[] args) enthält, kann als Programm gestartet werden. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 236

18 Hauptprogramme und Parameterübergabe Strings können als Parameter an die Main Methode übergeben werden. In Eclipse: Run Menue aufrufen und dann wie links dargestellt die Argumente eintragen. Über eine Kommandozeile: java MyProgram Bla Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 237

19 Zusammenfassung: Objektbezogene und statische Komponenten objektbezogen statisch Deklaration ohne static mit static existieren in jedem Objekt nur einmal pro Klasse Felder werden angelegt wenn das Objekt erzeugt wird wenn die Klasse geladen wird (bei Programmstart) Felder werden freigegeben vom garbage Collector, wenn kein wenn die Klasse entladen wird Zeiger mehr auf das Objekt zeigt (bei Programmende) Konstruktor wird aufgerufen wenn das Objekt erzeugt wird wenn die Klasse geladen wird Felder werden angesprochen obj.field Class.field this.field Methoden werden aufgerufen obj.method() Class.method() this.method() Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 238

20 Beispiel: Keller Ein Keller (stack) ist ein Stapel von Objekten, auf den man Objekte legen kann und von dem man Objekte entfernen kann. Das zuletzt auf den Keller gelegte Objekt wird als erstes wieder entfernt (Last-In-First-Out: LIFO-Strategie). Für die Implementierung eines Kellers benötigen wir 5 Methoden: Keller(n) erzeugt einen neuen, leeren Keller für höchstens n Elemente. empty() prüft, ob ein Keller leer ist. push(x) legt ein Element auf den Keller. pop() entfernt das zuletzt eingefügte Element vom Keller. top() liefert das zuletzt eingefügte Element im Keller. x y x x z x x new Keller push(x) push(y) pop() push(z) pop() Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 239

21 Beispiel: Keller Ein Keller (stack) ist ein Stapel von Objekten, auf den man Objekte legen kann und von dem man Objekte entfernen kann. Das zuletzt auf den Keller gelegte Objekt wird als erstes wieder entfernt (Last-In-First-Out: LIFO-Strategie). Wir implementieren einen Keller für int- Werte als ein int-array mit einem int- Wert für die aktuelle Länge. Klassendiagramm: Keller s : int[ ] length : int empty() : boolean push(int x) pop() top() : int Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 240

22 public class Keller { int[] s; /* Array für Kellerelemente (hier int) */ int length; /* Anzahl der Elemente im Keller */ Keller(int size) { /* Konstruktor, Keller für size Elemente */ s = new int[size]; length = 0; } /* end of Konstruktor */ Keller() { /* Konstruktor, Keller für 1024 Elemente */ s = new int[1024]; length = 0; } /* end of Konstruktor */ boolean empty() { /* Abfrage auf leeren Keller */ return(length == 0); } /* end of empty */ }... Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 241

23 public class Keller { int[] s; /* Array für Kellerelemente (hier int) */ int length; /* Anzahl der Elemente im Keller */... void push(int x) { /* legt Element x auf Keller */ if (length < s.length) s[length++] = x; else System.exit(99); /* Programmabbruch */ } /* end of push */ void pop() { /* lösche oberstes Element */ if (!empty()) length--; } /* end of pop */ } int top() { /* liefert oberstes Element */ return(s[length-1]); } /* end of top */... Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 242

24 public class Keller {... public static void main(string[ ] args) { /* Beispiel für Kellernutzung */ int n, x; Out.print("Geben Sie die Kellergröße an: "); /* erzeuge leeren Keller */ n = In.readInt(); Keller stack = new Keller(n); Out.print("Geben Sie Zahlen >= 0 ein (Ende mit -1): "); /* schreibe in Keller */ do { x = In.readInt(); if (x!= -1) stack.push(x); } while (x!= -1); Out.println("Ausgabe in umgekehrter Reihenfolge: "); /* lese aus Keller */ while (!stack.empty()) { Out.print(" "+stack.top()); stack.pop(); } Out.println(); } /* end of main */ } /* end of class Keller */ Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 243

25 Beispiel: Schlange Eine Schlange (queue) ist eine Liste von Objekten, in die man Objekte einfügen kann und aus der man Objekte entfernen kann. Das zuerst in die Schlange eingefügte Objekt wird als erstes wieder entfernt (First-In-First-Out: FIFO- Strategie). Für die Implementierung einer Schlange benötigen wir 5 Methoden: Schlange(n) erzeugt eine neue, leere Schlange für höchstens n Elemente. empty() prüft, ob eine Schlange leer ist. enq(x) fügt ein Element in die Schlange ein. deq() entfernt das zuerst eingefügt Element aus der Schlange. head() liefert das zuerst eingefügte Element aus der Schlange. x x y y y z z new Schlange enq(x) enq(y) deq() enq(z) deq() Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 244

26 Beispiel: Schlange Schlangen werden oft waagerecht gezeichnet: auslesen einfügen Wir implementieren eine Schlange mit einem Array. Im Index first speichern wir das erste Element der Schlange (zuerst eingefügt). Der Index last zeigt auf das erste freie Arrayelement. Ist first == last, so ist die Schlange leer. auslesen einfügen first last Damit sind die Methoden empty, enq, deq, head sehr einfach zu implementieren. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 245

27 Beispiel: Schlange Ein Problem haben wir, wenn die Schlange nach einigen deq- und enq- Operationen so aussieht, dass der last-index am Ende des Arrays angekommen ist. aus ein first last Eine weitere enq-operation würde bewirken, dass der last-zeiger die gültigen Indizes verläßt: aus ein first last Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 246

28 Eine weitere enq-operation würde bewirken, dass der last-zeiger die gültigen Indizes verläßt: aus ein first last Daher interpretieren wir das Array als zirkuläre Liste und springen mit dem last-zeiger zum Index 0. ein aus last first Nach einer weiteren enq-operation bewegt sich der last-zeiger weiter auf den first-zeiger zu. ein aus last first Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 247

29 Ist nur noch ein Arrayelement frei, so sieht die Schlange wie folgt aus: last first Würde das letzte Arrayelement der Schlange belegt, so würde der last-zeiger auf das gleiche Arrayelement wir der first-zeiger zeigen: first last Das soll aber unsere Bedingung für eine leere Schlange sein. Daher sorgen wir dafür, dass immer mindestens ein Arrayelement frei ist, d.h. wir erzeugen immer ein Arrayelement mehr als vom Benutzer gewünscht und lassen die oben dargestellte Situation nicht zu. Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 248

30 Eine Schlange (queue) ist eine Liste von Objekten, in die man Objekte einfügen kann und aus der man Objekte entfernen kann. Das zuerst in die Schlange eingefügte Objekt wird als erstes wieder entfernt (First-In-First-Out: FIFO- Strategie). Wir implementieren eine Schlange für int- Werte als ein int-array mit je einem int- Wert für den Index des ersten bzw. letzten Eintrags in dem Array. Wir implementieren eine Funktion nextindex(int ix), die uns den zyklisch gesehen nächsten Index nach ix berechnet. Auf diese Methode soll nur in der Klasse Schlange selbst zugegriffen werden können. (Ausgedrückt durch - - Zeichen im Klassendiagramm bzw. dem Schlüsselwort private in Java. Klassendiagramm: Schlange q : int[ ] first : int last : int -nextindex(int ix) : int empty() : boolean enq(int x) deq() head() : int Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 249

31 public class Schlange { int[] q; /* Array für Schlangenelemente (hier int) */ int first; /* Erstes Element in der Schlange */ int last; /* Erstes freies Arrayelement in der Schlange */ Schlange(int size) { /* Konstruktor, Schlange für size Elemente */ // ein freies Element wird immer benötigt, daher...[size+1] q = new int[size+1]; first = 0; last = 0; } /* end of Konstruktor */ } private int nextindex(int ix) { /* zyklisch nächster Index nach ix */ if (ix < q.length-1) return(ix+1); else return(0); } /* end of nextindex */ boolean empty() { return(first == last); } /* end of empty */... Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 250

32 public class Schlange { int[] q; /* Array für Schlangenelemente (hier int) */ int first; /* Erstes Element in der Schlange */ int last; /* Erstes freies Arrayelement in der Schlange */ void enq(int x) { /* fügt Element x in Schlange ein */ int next = nextindex(last); if (next!= first) { q[last] = x; last = next; } else System.exit(99); /* Programmabbruch */ } /* end of enq */ void deq() { /* lösche erstes Element */ if (!empty()) first = nextindex(first); } /* end of deq */ int head() { /* liefert erstes Element */ return(q[first]); } /* end of head */ }... Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 251

33 public class Schlange {... public static void main(string[] args) { /* Beispiel für Schlangennutzung */ int n, x; Out.print("Geben Sie die Schlangengröße an: "); /* erzeuge leere Schlange */ n = In.readInt(); Schlange queue = new Schlange(n); Out.print("Geben Sie Zahlen >= 0 ein (Ende mit -1): "); /* schreibe in Schlange */ do { x = In.readInt(); if (x!= -1) queue.enq(x); } while (x!= -1); Out.println("Ausgabe in gleicher Reihenfolge: "); /* lese aus Schlange */ while (!queue.empty()) { Out.print(" "+queue.head()); queue.deq(); } Out.println(); } /* end of main */ } /* end of class Schlange */ Universität Paderborn Technische Informatik für Ingenieure (TIFI) WS 09/10 252