Objektorientierte Programmierung in Java Algorithmen und Datenstrukturen II 1
Traditionelle Konzepte der Softwaretechnik Folgende traditionelle Konzepte des Software-Engineering werden u.a. im objektorientierten Ansatz verwendet: Datenabstraktion (bzw. Datenkapselung) und Information Hiding Die zentrale Idee der Datenkapselung ist, dass auf eine Datenstruktur nicht direkt zugegriffen wird, indem etwa einzelne Komponenten gelesen oder geändert werden, sondern, dass dieser Zugriff ausschließlich über Zugriffsoperatoren erfolgt. Es werden also die Implementierungen der Operationen und die Datenstrukturen selbst versteckt. Vorteil: Implementierungdetails können beliebig geändert werden, ohne Auswirkung auf den Rest des Programmes zu haben. abstrakte Datentypen (ADT) Realisiert wird die Datenabstraktion duch den Einsatz abstrakter Datentypen, die Liskov & Zilles (1974) folgendermaßen definierten: Algorithmen und Datenstrukturen II 2
An abstract data type defines a class of abstract objects which is completely characterized by the operations available on those objects. This means that an abstract data type can be defined by defining the characterizing operations for that type. Algorithmen und Datenstrukturen II 3
Oder etwas prägnanter: Datentyp = Menge(n) von Werten + Operationen darauf abstrakter Datentyp = Operationen auf Werten, deren Repräsentation nicht bekannt ist. Der Zugriff erfolgt ausschließlich über Operatoren. Datenabstraktion fördert die Wiederverwendbarkeit von Programmteilen und die Wartbarkeit großer Programme. Algorithmen und Datenstrukturen II 4
Beispiel: Der ADT Stack Stack: Eine Datenstruktur über einem Datentyp T bezeichnet man als Stack a, wenn die Einträge der Datenstruktur als Folge organisiert sind und es die Operationen push, pop und peek gibt: push fügt ein Element von T stets an das Ende der Folge. pop entfernt stets das letzte Element der Folge. peek liefert das letzte Element der Folge, ohne sie zu verändern. Prinzip: last in first out (LIFO) a bedeutet soviel wie Keller oder Stapel Algorithmen und Datenstrukturen II 5
Operatoren Typen der Operationen: initstack: Stack push: T Stack Stack pop: Stack Stack peek: Stack T empty: Stack boolean Algorithmen und Datenstrukturen II 6
Spezifikation Spezifikation der Operationen durch Gleichungen. Sei x eine Variable vom Typ T, stack eine Variable vom Typ Stack: empty (initstack) empty (push (x, stack)) peek (push (x, stack)) pop (push (x, stack)) = true = false = x = stack initstack und push sind Konstruktoren (sie konstruieren Terme), daher gibt es keine Gleichungen für sie. Algorithmen und Datenstrukturen II 7
Konzepte der objektorientierten Programmierung Ziel jeglicher Programmierung ist: Modellierung von Ausschnitten der Realität sachgerechte Abstraktion realitätsnahes Verhalten Nachbildung von Ähnlichkeit im Verhalten Klassifikation von Problemen Algorithmen und Datenstrukturen II 8
Phylogenetische Klassifizierung Tiere Insekten Fische Säugetiere Algorithmen und Datenstrukturen II 9
Ökonomische Klassifizierung Tiere Zuchttiere Wild Störtiere Algorithmen und Datenstrukturen II 10
Drei Vorgehensweisen im Systementwurf 1. die funktionsorientierte 2. die datenorientierte 3. die objektorientierte Algorithmen und Datenstrukturen II 11
Der Kerngedanke des objektorientierten Ansatzes besteht darin, Daten und Funktionen zu verschmelzen. Im ersten Schritt werden die Daten abgeleitet, im zweiten Schritt werden den Daten die Funktionen zugeordnet, die sie manipulieren. Die entstehenden Einheiten aus Daten und Funktionen werden Objekte genannt. Wir schränken den Begriff Objektorientierung gemäß folgender Gleichung von Coad & Yourdon weiter ein: Objektorientierung = Klassen und Objekte + Kommunikation mit Nachrichten + Vererbung Algorithmen und Datenstrukturen II 12
Einfachvererbung Object System Math Point... Algorithmen und Datenstrukturen II 13
Mehrfachvererbung... Tiere Pflanzen Fleischfresser... Algorithmen und Datenstrukturen II 14
Klasse Object Object oref = new Point(); oref = "eine Zeichenkette"; Algorithmen und Datenstrukturen II 15
Konstruktoren und Initialisierungsblöcke Algorithmen und Datenstrukturen II 16
public class Circle { int x=0, y=0, r=1; static int numcircles=0; public Circle() { numcircles++; public double circumference() { return 2*Math.PI*r; public double area() { return Math.PI*r*r; public static void main(string[] args) { Algorithmen und Datenstrukturen II 17
Circle c = new Circle(); System.out.println(c.r); System.out.println(c.circumference()); System.out.println(c.area()); System.out.println(numCircles); Algorithmen und Datenstrukturen II 18
Konstruktor mit Parametern public Circle(int xcoord, int ycoord, int radius) { numcircles++; x = xcoord; y = ycoord; r = radius; Algorithmen und Datenstrukturen II 19
mit this-referenz public Circle(int x, int y, int r) { numcircles++; this.x = x; this.y = y; this.r = r; Algorithmen und Datenstrukturen II 20
Überladen von Konstruktoren Algorithmen und Datenstrukturen II 21
public class Circle { int x = 0, y = 0, r = 1; static int numcircles; public Circle() { numcircles++; public Circle(int x, int y, int r) { this(); this.x = x; this.y = y; this.r = r; public Circle(int r) { this(0,0,r); Algorithmen und Datenstrukturen II 22
public static void main(string[] args) { Circle c1 = new Circle(); Circle c2 = new Circle(1,1,2); Circle c3 = new Circle(3); System.out.println(numCircles); Algorithmen und Datenstrukturen II 23
Komplexe Initialisierung von Klassenvariablen public class Circle { public static double[] sines = new double[1000]; public static double[] cosines = new double[1000]; static { double x, delta_x; int i; delta_x = (Math.PI/2)/(1000-1); for(i=0,x=0; i<1000; i++,x+=delta_x) { sines[i] = Math.sin(x); cosines[i] = Math.cos(x); Algorithmen und Datenstrukturen II 24
Java-Klassen als Realisierung und Implementierung von abstrakten Datentypen Durch den Modifizierer private können wir Implementierungsdetails verstecken, denn als private deklarierte Attribute und Methoden sind nur in der Klasse selbst zugreifbar a. Folgende Klasse implementiert einen ADT Stack mittels eines Feldes: a Synonyme für Zugreifbarkeit sind: Gültigkeit bzw. Sichtbarkeit. Algorithmen und Datenstrukturen II 25
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public class Stack { private Object[] stack; private int top = -1; private static final int CAPACITY = 10000; /** liefert einen leeren Keller. */ public Stack() { stack = new Object[CAPACITY]; /** legt ein Objekt im Keller ab und liefert dieses Objekt zusaetzlich zurueck. */ public Object push(object item) { stack[++top] = item; return item; Algorithmen und Datenstrukturen II 27
/** entfernt das oberste Objekt vom Keller und liefert es zurueck. Bei leerem Keller wird eine Fehlermeldung ausgegeben und null zurueckgeliefert. */ public Object pop() { if (empty()) { System.out.println("Method pop: empty stack"); return null; else return stack[top--]; /** liefert das oberste Objekt des Kellers, ohne ihn zu veraendern. Bei leerem Keller wird eine Fehlermeldung ausgegeben und null zurueckgeliefert. */ Algorithmen und Datenstrukturen II 28
public Object peek() { if (empty()) { System.out.println("Method peek: empty stack"); return null; else return stack[top]; /** liefert true genau dann, wenn der Keller leer ist. */ public boolean empty() { return (top == -1); /** liefert die Anzahl der Elemente des Kellers. */ Algorithmen und Datenstrukturen II 29
public int size() { return top+1; Algorithmen und Datenstrukturen II 30
Der Dokumentationskommentar /**... */ wird zur automatischen Dokumentierung der Attribute und Methoden einer Klasse benutzt. Das Programm javadoc generiert ein HTML-File, in dem alle sichtbaren Attribute und Methoden mit deren Parameterlisten aufgezeigt und dokumentiert sind. > javadoc Stack.java Dieses HTML-File ist der Vertrag (die Schnittstelle) der Klasse und entspricht dem ADT Stack, wobei die Operationen bzw. Methoden allerdings nur natürlichsprachlich spezifiziert wurden. Die obige verbale Spezifikation entspricht weitgehend der der vordefinierten Java-Klasse Stack (genauer java.util.stack). Man beachte, dass (aus diesem Grund) die obige Spezifikation von der Gleichungsspezifikation aus dem Unterabschnitt?? abweicht. Algorithmen und Datenstrukturen II 31
Methoden in Java 1. Methoden und Signaturen 2. Überladen von Methoden 3. Wertübergabe (call by value) Algorithmen und Datenstrukturen II 32
call by value Die Parameterübergabe zu Methoden erfolgt in Java durch Wertübergabe (call by value). D.h., dass Werte von Parametervariablen in einer Methode Kopien der vom Aufrufer angegebenen Werte sind. Das nächste Beispiel verdeutlicht dies. public class CallByValue { public static int sqr(int i) { i = i*i; return(i); public static void main(string[] args) { int i = 3; System.out.println(sqr(i)); System.out.println(i); Algorithmen und Datenstrukturen II 33
> java CallByValue 9 3 Algorithmen und Datenstrukturen II 34
Allerdings ist zu beachten, dass nicht Objekte, sondern Objektreferenzen übergeben werden. Wir betrachten unser Standardbeispiel Circle in folgender abgespeckter Form (gemäß der Devise, Implementierungsdetails zu verbergen, werden die Datenfelder als private deklariert). Algorithmen und Datenstrukturen II 35
public class Circle { private int x,y,r; public Circle(int x, int y, int r) { this.x = x; this.y = y; this.r = r; public double circumference() { return 2 * Math.PI * r; public double area() { return Math.PI * r * r; Algorithmen und Datenstrukturen II 36
public static void settozero (Circle arg) { arg.r = 0; arg = null; public static void main(string[] args) { Circle kreis = new Circle(10,10,1); System.out.println("vorher : r = "+kreis.r); settozero(kreis); System.out.println("nachher: r = "+kreis.r); Algorithmen und Datenstrukturen II 37
> java Circle vorher : r = 1 nachher: r = 0 Dieses Verhalten entspricht jedoch nicht der Parameterübergabe call by reference, denn bei der Wertübergabe wird eine Kopie der Referenz erzeugt und die ursprüngliche Referenz bleibt erhalten. Bei call by reference würde die übergebene Referenz eben nicht kopiert und daher in der Methode settozero auf null gesetzt. Algorithmen und Datenstrukturen II 38
Unterklassen und Vererbung in Java Algorithmen und Datenstrukturen II 39
import java.awt.color; import java.awt.graphics; public class GraphicCircle extends Circle { protected Color outline; // Farbe der Umrandung protected Color fill; // Farbe des Inneren public GraphicCircle(int x,int y,int r,color outline) { super(x,y,r); this.outline = outline; this.fill = Color.lightGray; public GraphicCircle(int x,int y,int r,color outline,color fill) { this(x,y,r,outline); this.fill = fill; Algorithmen und Datenstrukturen II 40
public void draw(graphics g) { g.setcolor(outline); g.drawoval(x-r, y-r, 2*r, 2*r); g.setcolor(fill); g.filloval(x-r, y-r, 2*r, 2*r); public static void main(string[] args) { GraphicCircle gc = new GraphicCircle(0,0,100,Color.red,Color.blue); double area = gc.area(); System.out.println(area); Circle c = gc; double circumference = c.circumference(); System.out.println(circumference); GraphicCircle gc1 = (GraphicCircle) c; Color color = gc1.fill; System.out.println(color); Algorithmen und Datenstrukturen II 41
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Color und Graphics Color und Graphics sind vordefinierte Klassen, die durch import zugreifbar gemacht werden (vgl. Abschnitt??). Diese Klassen werden z.b. in [3] beschrieben. Zum Verständnis reicht es hier zu wissen, dass der erste Konstruktor den Konstruktor seiner Oberklasse aufruft (vgl. Abschnitt??) und das Kreisinnere die Farbe hellgrau erhält, sowie, dass die Methode draw einen farbigen Kreis zeichnet. Algorithmen und Datenstrukturen II 43
Da GraphicCircle alle Methoden von Circle erbt, können wir z.b. den Flächeninhalt eines Objektes gc vom Typ GraphicCircle berechen durch: double area = gc.area(); Jedes Objekt gc vom Typ GraphicCircle ist ebenfalls ein Objekt vom Typ Circle bzw. vom Typ Object. Deshalb sind folgende Zuweisungen korrekt. Circle c = gc; double area = c.area(); Man kann c durch casting a in ein Objekt vom Typ GraphicCircle zurückverwandeln. GraphicCircle gc1 = (GraphicCircle)c; Color color = gc1.fill; Die oben gezeigte Typumwandlung funktioniert nur, weil c tatsächlich ein Objekt vom Typ GraphicCircle ist. a explizite Typumwandlung Algorithmen und Datenstrukturen II 44
Überschreiben von Methoden und Verdecken von Datenfeldern Wir betrachten folgendes Java-Programm (Arnold & Gosling [1], S. 66): public class SuperShow { public String str = "SuperStr"; public void show() { System.out.println("Super.show: "+str); Algorithmen und Datenstrukturen II 45
public class ExtendShow extends SuperShow { public String str = "ExtendStr"; public void show() { System.out.println("Extend.show: "+str); public static void main(string[] args) { ExtendShow ext = new ExtendShow(); SuperShow sup = ext; sup.show(); ext.show(); System.out.println("sup.str = "+sup.str); System.out.println("ext.str = "+ext.str); Algorithmen und Datenstrukturen II 46
Verdecken von Datenfeldern Jedes ExtendShow-Objekt hat zwei String-Variablen, die beide str heißen und von denen eine ererbt wurde. Die neue Variable str verdeckt die ererbte; wir sagen auch die ererbte ist verborgen. Sie existiert zwar, man kann aber nicht mehr durch Angabe ihres Namens auf sie zugreifen. Algorithmen und Datenstrukturen II 47
Überschreiben von Methoden Wenn eine Methode von einem Objekt aufgerufen wird, dann bestimmt immer der tatsächliche Typ des Objektes, welche Implementierung benutzt wird. Bei einem Zugriff auf ein Datenfeld wird jedoch der deklarierte Typ der Referenz verwendet. Daher erhalten wir folgende Ausgabe beim Aufruf der main-methode: > java ExtendShow Extend.show: ExtendStr Extend.show: ExtendStr sup.str = SuperStr ext.str = ExtendStr Algorithmen und Datenstrukturen II 48
Die Objektreferenz super Das Schlüsselwort super kann in allen objektbezogenen Methoden und Konstruktoren verwendet werden. In Datenfeldzugriffen und Methodenaufrufen stellt es eine Referenz zum aktuellen Objekt als eine Instanz seiner Oberklasse dar. Wenn super verwendet wird, so bestimmt der Typ der Referenz über die Auswahl der zu verwendenden Methodenimplementierung. Wir illustrieren dies wieder an einem Beispielprogramm. Algorithmen und Datenstrukturen II 49
super Beispiel public class T1 { protected int x = 1; protected String s() { return "T1"; Algorithmen und Datenstrukturen II 50
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public class T2 extends T1 { protected int x = 2; protected String s() { return "T2"; protected void test() { System.out.println("x= "+x); System.out.println("super.x= "+super.x); System.out.println("((T1)this).x= "+((T1)this).x); System.out.println("s(): "+s()); System.out.println("super.s(): "+super.s()); System.out.println("((T1)this).s(): "+((T1)this).s()); public static void main(string[] args) { Algorithmen und Datenstrukturen II 52
new T2().test(); Algorithmen und Datenstrukturen II 53
> java T2 x= 2 super.x= 1 ((T1)this).x= 1 s(): T2 super.s(): T1 ((T1)this).s(): T2 Algorithmen und Datenstrukturen II 54
Konstruktoren in Unterklassen In Konstruktoren der Unterklasse kann direkt einer der Oberklassenkonstruktoren mittels des super() Konstruktes aufgerufen werden. Achtung: Der super-aufruf muss die erste Anweisung des Konstruktors sein! Algorithmen und Datenstrukturen II 55
Wird kein Oberklassenkonstruktor explizit aufgerufen, so wird der parameterlose Konstruktor der Oberklasse automatisch aufgerufen, bevor die Anweisungen des neuen Konstruktors ausgeführt werden. Verfügt die Oberklasse nicht über einen parameterlosen Konstruktor, so muss ein Konstruktor der Oberklasse explizit mit Parametern aufgerufen werden, da es sonst einen Fehler bei der Übersetzung gibt. Ausnahme: Wird in der ersten Anweisung eines Konstruktors ein anderer Konstruktor derselben Klasse mittels this aufgerufen, so wird nicht automatisch der parameterlose Oberklassenkonstruktor aufgerufen. Algorithmen und Datenstrukturen II 56
Java liefert einen voreingestellten parameterlosen Konstruktor für eine erweiternde Klasse, die keinen Konstruktor enthält. Dieser ist äquivalent zu: public class ExtendedClass extends SimpleClass { public ExtendedClass () { super(); Der voreingestellte Konstruktor hat dieselbe Sichtbarkeit wie seine Klasse. Algorithmen und Datenstrukturen II 57
Ausnahme: Enthält die Oberklasse keinen parameterlosen Konstruktor, so muss die Unterklasse mindestens einen Konstruktor bereitstellen. Algorithmen und Datenstrukturen II 58
Reihenfolgeabhängigkeit von Konstruktoren Wird ein Objekt erzeugt, so werden zuerst alle seine Datenfelder auf voreingestellte Werte initialisiert. Jeder Konstruktor durchläuft dann drei Phasen: Aufruf des Konstruktors der Oberklasse. Initialisierung der Datenfelder mittels der Initialisierungsausdrücke. Ausführung des Rumpfes des Konstruktors. Algorithmen und Datenstrukturen II 59
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public class X { protected String infix = "fel"; protected String suffix; protected String alles; public X() { suffix = infix; alles = verbinde("ap"); public String verbinde(string original) { return (original+suffix); public class Y extends X { protected String extra = "d"; Algorithmen und Datenstrukturen II 61
public Y() { suffix = suffix+extra; alles = verbinde("biele"); public static void main(string[] args) { new Y(); Algorithmen und Datenstrukturen II 62
Schritt Aktion infix extra suffix alles 0 Datenfelder auf Voreinstellungen 1 Y-Konstruktor aufgerufen 2 X-Konstruktor aufgerufen 3 X-Datenfeld initialisiert fel 4 X-Konstruktor ausgeführt fel fel Apfel 5 Y-Datenfeld initialisiert fel d fel Apfel 6 Y-Konstruktor ausgeführt fel d feld Bielefeld Algorithmen und Datenstrukturen II 63
Abstrakte Klassen und Methoden Es gilt: eine abstrakte Methode hat keinen Rumpf; jede Klasse, die eine abstrakte Methode enthält, ist selbst abstrakt und muss als solche gekennzeichnet werden; jede abstrakte Klasse muss mindestens eine abstrakte Methode besitzen; man kann von einer abstrakten Klasse keine Objekte erzeugen; von einer Unterklasse einer abstrakten Klasse kann man Objekte erzeugen vorausgesetzt sie überschreibt alle abstrakten Methoden der Oberklasse und implementiert diese; eine Unterklasse, die nicht alle abstrakten Methoden der Oberklasse implementiert ist selbst wieder abstrakt. Algorithmen und Datenstrukturen II 64
Beispiel Benchmark public abstract class Benchmark { public abstract void benchmark(); public long repeat(int count) { long start = System.currentTimeMillis(); for(int i=0; i<count; i++) benchmark(); return (System.currentTimeMillis()-start); Algorithmen und Datenstrukturen II 65
public class MethodBenchmark extends Benchmark { public void benchmark() { public static void main(string[] args) { int count = Integer.parseInt(args[0]); long time = new MethodBenchmark().repeat(count); System.out.println(count+" Methodenaufrufe in "+time+ " Millisekunden"); Algorithmen und Datenstrukturen II 66
Literatur [1] K. Arnold, J. Gosling: Java T M - Die Programmiersprache. Addison-Wesley, 1996. [2] T.H. Cormen, C.E. Leierson, R.L. Rivest: Introduction to Algorithms. MIT Press, 1990. [3] D. Flanagan: Java in a Nutshell. O Reilly & Associates Inc., 1996. [4] F. Jobst: Programmieren in Java. Hanser Verlag, 1996. [5] H. Klaeren: Vom Problem zum Programm. 2.Auflage, B.G. Teubner Verlag, 1991. [6] K. Echtle, M. Goedicke: Lehrbuch der Programmierung mit Java. dpunkt-verlag, 2000.