presentation

Objektorientierte Programmierung
Proseminar Programmiersysteme 31.03.2004
Lehrstuhl für Programmiersysteme Prof. Gert Smolka
Vortragender: Philipp Brendel
Tutor: Andreas Rossberg
Gliederung
• Konzepte objektorientierter
Programmierung (OOP)
• Java
• Smalltalk
• Diskussion
Konzepte der OOP
- Objektbegriff -
•
Erste OOP: Simula 67
– entwickelt am Norwegian Computing Center um
1960
– dient zur Programmierung ereignisbasierter
Simulationen
– erfordet Datenstruktur zur Repräsentation
unterschiedlicher „Ereignisse“
Konzepte der OOP
- Objektbegriff • Ein Objekt vereint Daten und Prozeduren, die auf diesen
Daten operieren, in einem Wert
• Eigenschaften, die den meisten klassenbasierten
objektorientierten Programmiersprachen gemein sind:
– Enkapsulierung
– Vererbung
– dynamische Bindung
– Subtyping
Konzepte der OOP
- Ein Beispiel in ML -
• Implementierung eines Zählers mit Prozeduren zur
Abfrage (get) und Erhöhung (inc)
• Realisierung durch Prozedur
newCounter : unit -> counter
zur Erzeugung neuer Objekte des Typs counter
Konzepte der OOP
- Ein Beispiel in ML type counter = { get:unit -> int, inc:unit -> unit }
fun newCounter ()
val n
in
{
get
inc
}
end
= let
= ref 0
= fn () => !n,
= fn () => n := !n + 1
> newCounter = fn : unit -> counter
Konzepte der OOP
- Ein Beispiel in ML Enkapsulierung:
• Verbergung der Referenz n, die den Zählerstand enthält
• Zugriff auf Zählerstand nur durch offengelegte
Prozeduren:
>
>
>
>
val c = newCounter ()
val c = {...} : counter
val i = #get(c) ()
val i = 0 : int
#inc(c) ()
val it = () : unit
val j = #get(c) ()
val j = 1 : int
Konzepte der OOP
- Ein Beispiel in ML • Erweiterung des Zählers um eine Reset-Prozedur:
type reset_counter = {
get:unit -> int,
inc:unit -> unit,
reset:unit -> unit
}
fun newResetCounter () = let
val n = ref 0
in
{
get = fn () => !n,
inc = fn () => n := !n + 1,
reset = fn () => n := 0
}
end
Konzepte der OOP
- Ein Beispiel in ML • Subtyping: Werte vom Typ reset_counter sind gültige Argumente
für Prozeduren, die Werte vom Typ counter erwarten (in
idealisiertem ML-Dialekt).
• Dynamische Bindung: Der in einer solchen Prozedur ausgeführte
Code hängt von der Implementierung des Arguments ab.
>
>
>
>
fun f (c:counter) = #inc(c) () ; #get(c) ()
val f = fn : counter -> int
val (c, c‘) = (newCounter (), newResetCounter())
val c = {...} : counter
val c‘ = {...} : reset_counter
f c
val it = 1 : int
f c‘
val it = 1 : int
Konzepte der OOP
- Subtyping • Ein Typ σ ist ein Subtyp eines Typs τ (σ ≤ τ), wenn in
jedem Kontext, der einen Wert des Typs τ erwartet, ein
Wert des Typs σ verwendet werden kann
• Subtyping definiert eine Relation ≤ Typ  Typ, die
folgende Eigenschaften aufweist:
– Reflexivität
– Transitivität
– Antisymmetrie
Die Subtypingrelation ist also eine Teilordnung.
Konzepte der OOP
- Subtyping • Erweiterung des Typsystems mit Typrelation R um eine
Subsumtionsregel, die Subtyping ermöglicht:
(, t ,  )  R   
( t , )  R
Konzepte der OOP
- Subtyping Regeln für Subtyping von Records:
i {1,...,n} :  i   i
{ 1..., n }  { 1... n }
{ 1 ...  n 1}  { 1   n }
Regel für Subtyping von Prozeduren:
 '     '
    ' '
Java
• Entwickelt von SUN Microsystems um 1990
Designziele:
– Offenheit: Klassen werden nach Bedarf zur Laufzeit
geladen (dynamisches Linking), Objekttypen können
zur Laufzeit im- und exportiert werden
– Portabilität: Programme werden zu Bytecode
kompiliert und laufen auf einer virtuellen Maschine
– Sicherheit: Mechanismen zur Verhinderung von
Sicherheitsverletzungen sind Bestandteil von Java
Java
• Java ist klassenbasiert: Schemata, die die
Implementierung von Objekten definieren, heißen
Klassen
• Klassen definieren Prozeduren (Methoden) und Daten
(Felder oder Instanzvariablen)
Java
• jedes Objekt ist eine Instanz einer Klasse
• instanzerzeugende Prozeduren heißen Konstruktoren
• Enkapsulierung erfolgt durch Zugriffsmodifizierer (public,
private, protected und package), die für jede Methode
und jedes Feld wählbar sind
Java
• Vererbung: Jede Klasse erbt von genau von einer
Oberklasse, deren Code sie weiterverwenden oder
spezialisieren kann
• Die Subtypingrelation ist durch die Vererbungshierarchie
gegeben: ein Objekt wird als Instanz aller seiner
Oberklassen betrachtet
(Nominelles Subtyping im Gegensatz zum strukturellen
Subtyping des ML-Beispiels)
Java
- Codebeispiel Definition einer Zählerklasse in Java:
class Counter extends Object {
private int n;
public Counter() { n = 0; }
public int get() { return n; }
public void inc() { n = n + 1; }
}
Verwendung der Klasse:
Counter c = new Counter();
int i = c.get();
c.inc();
int j = c.get();
Am Ende des Beispiels hat i den Wert 0 und j den Wert 1.
Smalltalk
• entwickelt von Xerox PARC in den 1970er Jahren
• Designziele:
– simples Konzept
– Flexibilität
– Betriebssystem des DYNABOOK
– von „Nichtprogrammierern“ verwendbar
Smalltalk
• äußerst einfaches und elegantes Konzept:
„Alles ist ein Objekt“
• Programme werden ausgeführt, indem sogenannte
Nachrichten an Objekte geschickt werden, die diese
behandeln
• äußerst einfache Syntax
Smalltalk
• Komplexität durch umfangreiche Klassenbibliothek
• Beispiel für konsequente Einhaltung der
Objektmetapher:
– Klassen sind Objekte, Instantiierung durch Senden
einer Nachricht an Klassenobjekt
– Klassen werden durch Senden einer Nachricht an ein
Metaclass-Objekt erzeugt
Smalltalk
• Enkapsulierung ist fest vorgegeben: Methoden sind
öffentlich, Instanzvariablen sind geschützt
• Dynamische Typisierung
• Objekte haben die Möglichkeit, individuell auf
unbekannte Nachrichten zu reagieren, indem sie die
Nachricht doesNotUnderstand implementieren
Smalltalk
- Codebeispiel Definition einer Zählerklasse in Smalltalk:
Object subclass: #Counter
instanceVariableNames: 'n'
initialise
(n = nil) ifTrue: [n 0]
inc
self initialise.
n  (n + 1)
get
self initialise.
n
Smalltalk
- Codebeispiel Verwendung der Klasse:
c  Counter new.
i  c get.
c inc.
j  c get.
Am Ende des Beispiels hat i den Wert 0 und j den Wert 1.
Diskussion
- Interessante Aspekte objektorientierter Programmierung -
• Objektmetapher erleichtert Enkapsulierung
• Zerlegung von Problemen ist in OOP „natürlich“
• Wiederverwendbarkeit von Code in verschiedenen
Szenarien
Diskussion
- Probleme der OOP • Mehrfachvererbung:
– Was geschieht, wenn dieselbe Methode von mehreren
Oberklassen geerbt werden soll?
– Wie geht man vor, wenn zweimal von derselben Klasse geerbt
wird?
• „Inheritance is not subtyping“: Subklassen sind oft keine Subtypen,
Beispiel:
– Klasse Point2D besitzt Methode
boolean equal (Point2D q)
– Klasse Point3D erbt von Point2D und implementiert
boolean equal (Point3D q)
 Point3D ist kein Subtyp von Point2D
Diskussion
• Binary-Methods-Problem: Im Gegensatz zu prozeduraler
Programmierung fällt der Objektzugriff bei OOP einseitig
aus:
Point.add(Point q)
{
return new Point (this.x + q.x, this.y + q.y);
}
Literatur
• John C. Mitchell: Concepts in Programming Languages.
Cambridge University Press 2003
• Kim Bruce, Luca Cardelli, Giuseppe Castagna, Hopkins
Objects Group, Gary T. Leavens, Benjamin Pierce: On
Binary Methods, Theory And Practice of Object Systems.
• Richard P. Gabriel, Objects Have Failed, OOPSLA
Debate 2002
• William Cook, Walter Hill, Peter Canning, Inheritance Is
Not Subtyping. Principles of Programming Languages
(POPL) 1990