Java Grundkurs Klassen und Objekte

Java Schulung
Objektorientierte Programmierung in Java
Teil III: Java Klassen und Objekte
Prof. Dr. Nikolaus Wulff
Referenzvariablen
•
•
Referenzvariablen verweisen auf
(unbenannte) Objekte im Speicher.
Uninitialisierte Variablen enthalten
eine Null-Referenz (null).
a
Point a,b;
•
Objekt
a
b
null
Objekte werden zur Laufzeit erzeugt.
:Point
new Point(0,0);
0
0
a = new Point(1,2);
a
•
Objekte sind anonym.
•
Sie haben eine unveränderliche Identität.
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a:Point
1
2
2
Binden von Referenzvariablen
•
Beim Zuweisen eines Objektes auf eine
Variable wird eine Referenz zugewiesen:
a = new Point(0,0);
b = new Point(3,4);
•
b
Beim Zuweisen von Referenzvariablen
aufeinander werden nur die Referenzen
kopiert, nicht die Objekte:
a = b;
•
a
Vorsicht! Das Objekt kann jetzt über zwei
Pfade geändert werden:
a.set(5,6);
b.set(20,30);
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a
b
0
0
3
4
0
0
3
4
20
30
3
Vergleichen von Objekten
• Beim Vergleichen zweier Referenzvariablen
werden die Referenzen verglichen, nicht die
referenzierten Objekte. Es wird also auf
Objektidentität, nicht auf Inhaltsgleichheit geprüft.
a
b
==
(shallow equality)
c
d
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3
4
3
4
a == b
a != c
d == null
4
Inhaltsvergleich
• Der Inhalt von zwei Objekten wird durch die Methode
equals verglichen.
equals
(deep equality)
new Integer(1) != new Integer(1)
new Integer(1).equals(new Integer(1))
• Bei selbstdefinierten Klassen vergleicht equals (geerbt
von Object) per Default auch nur die Objektidentiät, d.h.
verwendet shallow equality.
• Die Methode equals muss selbst neu überladen werden,
damit sie die gewünschte Funktionalität bietet.
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Eine Klasse
class Cell {
private int value = 0;
void setValue(int newValue){
this.value = newValue;
}
int getValue( ) {
return this.value;
}
...
Attribut
Methoden
Klassendefinition
}
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Bestandteile einer Klasse
• Einleitung einer Klasse durch Schlüsselwort class:
class EineKlasse { /* Klassenrumpf */ }
• Erzeugung eines Objektes mit new:
EineKlasse a = new EineKlasse();
• Attribute:
class Datengrab {
int i;
float f;
boolean b;
}
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Jede Instanz (jedes Objekt) der
Klasse Datengrab bekommt eine
eigene Kopie der Attribute.
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Methoden
• Methoden: Verhalten eines Objekts
– Inspizieren und ändern den Zustand eines Objekts.
– Berechnen von Rückgabewerten.
– Anstoßen von weiteren Methoden über das Senden von
Nachrichten an andere Objekte.
– In anderen Sprachen: Funktionen oder Prozeduren.
– Nur innerhalb von Klassen (keine Methode ohne Klasse!).
• Aufruf einer Methode = Senden einer Nachricht:
int x = a.f();
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rufe Methode f von Objekt a bzw.
sende Nachricht f an Objekt a
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Organisatorisches
• Hands on Tutorien jeweils Mittwochs 15 – 17 Uhr
im Lab4Inf D117 mit Rene Brüggemann.
• Praktikumverschiebung Informatiker Donnerstags
von 13 – 17 auf 14 – 18 Uhr Pool 3.
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Parameterliste
•
Die Parameterliste spezifiziert die Typen der Objekte, die als Argumente
an die Methode übergeben werden können.
• Jedes Objekt (Parameter) erhält einen lokalen Namen, über den
innerhalb der Methode auf das Objekt zugegriffen werden kann.
Typ
Name
void reset(Cell c) {
c.setValue(0);
}
•
Beachte: Es werden nicht die Objekte (Kopien), sondern Referenzen auf
die Objekte übergeben!
Cell aCel1 = new Cell();
aCel1.setValue(4);
reset(aCel1);
aCel1.getValue(); ==> 0
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Rückgabewerte
• Methoden können Werte bzw. Objektreferenzen
zurückliefern:
Rückgabetyp
Integer berechne(int a, int b) {
int sum = a + b;
return new Integer(sum);
}
Rückgabe
• Mit return wird die Methode sofort verlassen - auch
wenn noch Befehle dahinter folgen!
• Methoden ohne Rückgabe haben den Rückgabetyp void:
void print(int a, int b) {
System.out.println("a + b = " + (a + b));
}
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Methodenrumpf
• Variablendeklarationen und -zuweisungen.
void berechne(int a, int b) {
int i;
Deklaration
i = a * b;
Zuweisung
}
• Beachte: Lokale Variablen müssen initialisiert
werden!
void berechne() {
int i;
i++;
Compile-Fehler!
}
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Statische Attribute und Methoden
• Attribute und Methoden, die nicht für einzelne Objekte, sondern für
die ganze Klasse definiert sind.
• D.h., jedes Attribut kommt nur einmal pro Klasse vor!
class Person {
static int erzeugtePersonen = 0;
static void printStatistik() {
System.out.println("Erzeugt: " + erzeugtePersonen);
}
}
• Statische Attribute und Methoden können genutzt werden, ohne
Objekte zu erzeugen. Der Zugriff erfolgt über den Klassennamen:
Person.printStatistik();
Person.erzeugtePersonen++;
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Vergleiche:
• System.out.println(...);
• main
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Statische Attribute
class Person {
static int erzeugtePersonen = 0;
String name;
}
Person
erzeugtePersonen = 0
Klasse mit statischen Attribut
das Objekt kennt seine Klasse
peter
mary
class
class
name = „Peter“
name = „Mary“
Objekte mit Attributen
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Konstanten
• Konstanten = finale Werte von Basisdatentypen
– Konstanten zur Übersetzungszeit werden vom Compiler ausgewertet:
final int ANZAHL_MONATE = 12;
– Konstanten zur Laufzeit sind nach der Initialisierung unveränderlich:
final int ZUFALL = (int)(Math.random() * 20);
• final static: nur ein Wert pro Klasse, der seinen Wert nach dem
ersten Laden der Klasse nicht mehr ändert.
• finale Referenzen: können nicht mehr an andere Objekte gebunden
werden
final Integer NULL = new Integer(0);
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this und super
• Auf das aktuelle Objekt, auf dem die Methode
ausgeführt wird (an das die Nachricht gesendet
wurde), kann über das Schlüsselwort this
zugegriffen werden.
• Auf das direkte Elternobjekt kann innerhalb einer
Methode mit super zugegriffen werden.
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Überladen von Methoden
• Eine Nachricht mit mehreren Signaturen und
Methodenimplementationen.
class SuperWasher {
void wash(Shirt s) { ... }
void wash(Car c) { ... }
void wash(Dog d) { ... }
...
}
SuperWasher sw = new SuperWasher();
Dog aDog = new Dog();
sw.wash(aDog);
• Die Methode wird (statisch) beim Senden der Nachricht
anhand der Parameter ausgewählt.
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Kein Überladen bei Rückgabewerten
• Folgende überladene Methoden unterscheiden sich
nur im Rückgabewert:
void washAll() {...}
int washAll() {...}

• Das geht nicht, denn der Compiler kann für diesen
Aufruf nicht bestimmen, welche Methode zu
verwenden ist:
washAll();
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Default-Konstruktor
• Konstruktoren dienen zur Erzeugung und
Initialisierung von Objekten einer Klasse.
• Wenn kein Konstruktor angegeben wird, ist
implizit ein Default-Konstruktor (ohne Parameter)
definiert.
class Bird {
String name;
}
class Bird {
String name;
Bird() {
super(); Aufruf der Konstruktors
der Superklasse
}
}
Bird nc = new Bird();
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Konstruktordefinition
• Konstruktoren können überladen werden und Parameter erhalten, z.B.
zur Initialisierung von Attributen:
class Worker extends Person {
String name;
Aufruf des Super-Konstruktors ist optional
Worker() {
(erfolgt sonst automatisch vom Compiler)
super();
name = "Noname";
System.out.println("Erzeuge Noname");
};
Worker(String name) {
super();
this.name = name;
System.out.println("Erzeuge " + name);
}
Worker noname = new Worker();
}
Worker peter = new Worker("Peter");
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Konstruktorverkettung
• Konstruktoren können sich gegenseitig aufrufen:
class Person {
...
Person(String name, int alter) {
this(name);
Konstruktor dieser Klasse
...
mit Parameter String aufrufen
}
}
• Konstruktoren können Konstruktoren der Superklasse aufrufen:
class Mitglied extends Person {
...
Mitglied(String name, int tarifgruppe) {
super(name); Konstruktor der Superklasse
...
mit Parameter String aufrufen
}
}
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Konstruktoraufrufe
•
Beim Erzeugen eines Objektes einer Subklasse wird automatisch der DefaultKonstruktor der Superklasse aufgerufen.
class Person {
Person() {
System.out.println(" Person");
}
}
class Angestellter extends Person {
Angestellter() {
System.out.println(" Angestellter");
}
}
Angestellter peter = new Angestellter();
Ausgabe:
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Person
Angestellter
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Konstruktor mit Argumenten
• Ein Konstruktor der Superklasse mit Argumenten muss
– als erstes im Konstruktor
– explizit (über super)
aufgerufen werden.
class Person {
Person(String name) {
System.out.println(" Person " + name);
}
}
class Angestellter extends Person {
Angestellter(String name) {
super(name);
System.out.println(" Angestellter " + name);
}
}
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Initialisierungsreihenfolge
class Test {
Person p1 = new Person();
Person p2; // null
static int zaehler; // 0
Test() {
p2 = new Person();
}
static {
zaehler = 9;
}
3: per Objekt: Attribute initialisieren
1: per Klasse: Attribute initialisieren
4: per Objekt: Konstruktor ausführen
2: per Klasse: Init-Code ausführen
}
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Arrays
• Arrays sind Objekte. Bei der Deklaration wird keine Größe
angegeben, da nur die Referenz abgelegt wird:
int a[];
int[] a;
• Einfache Arrays können direkt erzeugt und initialisiert werden:
int [] a = { 1, 2, 3, 4, 5 };
• Beim Zugriff auf ein Array wird der Index auf Überschreitung der
Array-Größe geprüft:
int x = a[3];
int x = a[567]; ArrayIndexOutOfBounds
• Die Länge des Arrays kann abgefragt werden:
a.length
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Arrays von Objekten
• Arrays von Objekten werden so erzeugt und initialisiert:
Person[] a = new Person[20];
for(int i = 0; i < a.length; i++) {
a[i] = new Person("Person Nummer " + i);
}
• Wie bei einfachen Arrays kann direkt initialisiert werden:
Integer[] a = {
new Integer(1),
new Integer(2),
new Integer(3),
};
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Mehrdimensionale Arrays
• Mehrdimensionale Arrays werden so deklariert:
int[] a[];
int[][] a;
• Die Initialisierung kann auch hier direkt erfolgen:
int[][] a = { { 1, 2, 3 }, { 5, 6} };
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27
Zeichenketten
•
•
•
•
Zeichenketten sind unveränderliche Objekte der Klasse String.
String-Literale werden durch “” eingefasst.
String-Literale werden automatisch in String-Objekte umgewandelt.
Zeichenketten können auch durch Aufruf eines Konstruktors der
Klasse String erzeugt werden.
String c = "abc";
• Außerdem erzeugen viele Methoden Zeichenketten:
String c = new String("abc");
Integer i = new Integer(789);
String c = i.toString();
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Verkettung von Zeichenketten
• Zeichenketten können durch den Operator + verkettet werden:
String c = "Hello " + "World";
• Die Verkettung erzeugt ein neues String-Objekt.
• Werte von Basisdatentypen oder Objekte von Klassen können auch
mit Strings verkettet werden.
String n = "Die Antwort lautet " + 42;
• Sie werden dann implizit in Strings umgewandelt, bei Objekten durch
den Aufruf der Methode toString (definiert in der Klasse
Object).
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Sichtbarkeitsbereiche
• Blockstrukturierte Sichtbarkeitsbereiche: Lokale Variablen
sind nach dem Schließen des Blocks nicht mehr sichtbar.
{ // <-- Anfang Scope 1
int x;
x = 12; // Nur x ist sichtbar, q gibt es noch nicht
{
// <-- Anfang Scope 2
int q = 96;
x = q + x; // x kann nicht neu definiert werden!
// x und q sind verfügbar.
}
// <-- Ende Scope 2
// Nur x ist noch sichtbar
// Auf q kann nicht mehr zugegriffen werden.
} // <-- Ende Scope 1
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30
Sichtbarkeitsbereiche
• Gleichnahminge lokale Variablen und Member Variablen
der Klasse müssen per this referenziert werden.
class Foo {
private int x = 2;
// Scope 0 der Membervariablen
public void bar() { // <-- Anfang Scope 1
int x;
x = 12; // Nur x ist sichtbar, q gibt es noch nicht
{
// <-- Anfang Scope 2
int q = 96;
x = q + x; // x kann nicht neu definiert werden!
// x und q sind verfügbar.
}
// <-- Ende Scope 2
// Nur x ist noch sichtbar
// Auf q kann nicht mehr zugegriffen werden.
this.x = x;
// jetzt wird Membervariable x gesetzt
} // <-- Ende Scope 1 der Methode bar...
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31
Bedingter Ausdruck
• Verzweigung, die zu einem Wert evaluiert.
int a, b;
...
b = (a >= 0) ? a : -a;
Bedingung
then
else
• Wird häufig in Projekten verboten, da "schwer zu
lesen". Aquivalent ist eine if - else Verzweigung:
if (a >= 0) {
b = a;
} else {
b = -a;
}
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Freispeicherverwaltung
• Java-Objekte werden dynamisch mit new angelegt.
• Sie werden nie explizit gelöscht oder freigegeben.
• Die Java-Maschine schaut regelmäßig (oder nach
Aufforderung) nach, welche Objekte nicht mehr erreichbar
sind (garbage collection) und gibt diese frei.
• Vor der Freigabe wird bei jedem Objekt die Methode
finalize aufgerufen.
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Freispeicherverwaltung (2)
• Die virtuelle Maschine prüft, ob ein Objekt noch
von Außen, d.h. ausgehend von der main
Methode noch erreichbar ist.
Ausgangspunkt
main
Speicher der Java Maschine
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X X
X
X
Müll
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Wiederverwendung
• Vier Alternativen der Wiederverwendung:
– Schreibe die Klasse komplett selber (keine echte
Wiederverwendung).
– Kaufe die fertige Klasse und nutze sie so (volle
Wiederverwendung).
– Benutze eine vorhandene Klasse und binde sie in einer
Komposition in Deine Klasse ein.
– Benutze eine vorhandene Klasse, indem Deine Klasse von ihr erbt
und bestimmte Attribute/Methoden ergänzt oder überschreibt.
• Dies gilt sowohl für einzelne Klassen als auch für
Rahmenwerke (Frameworks) und Bibliotheken.
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Komposition vs. Vererbung
Auto
Reifen[]
Fenster[]
Tuer[]
Motor
Shape
draw()
erase()
Circle
draw()
erase()
Square
draw()
erase()
Line
draw()
erase()
Komposition:
Vererbung:
• “hat ein”
• “ist ein”
• “besteht aus”
• verschiedene Objekte/Klasse haben
gemeinsame Eigenschaften
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Komposition
MeineKlasse
Vorhandene
Klasse
Vorhandene
Klasse
Vorhandene
Klasse
Vorhandene
Klasse
...
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class Auto {
Motor motor = new Motor(100);
Reifen[] reifen = new Reifen[4];
...
}
•
•
•
•
Ein komponiertes (aggregiertes) Objekt hat Objekte
vorhandenener Klassen als Attribute.
“hat ein” oder “besteht aus”
Flexibilität: Die Objekte können zur Laufzeit
ausgewechselt werden.
Die Komponenten werden meist im Konstruktor
übergeben oder erzeugt.
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Vererbung: Motivation
class Person{
String name;
String vorname;
int alter;
String getName(){...}
String getId(){...}
}
class Angestellter {
String name;
String vorname;
int alter;
int uid;
String getName(){...}
String getId(){...}
}
Person
name
...
getName()
getId()
class Mitglied {
String name;
String vorname;
int alter;
int tarifgruppe;
...
String getName(){...}
String getId(){...}
int getTarif(){...}
Mitglied
tarifgruppe
Angestellter
uid
}
getTarif()
getId()
Subklasse
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Superklasse
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Vererbung: Semantik
• “Ist ein”
Die Attribute und Methoden aus der
Superklasse sind automatisch auch
in der Subklasse vorhanden.
Person
name
vorname
alter
getName()
getId()
tarifgruppe
Angestellter
uid
getTarif()
getId()
Mitglied
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Ererbte Methoden können in der
Subklasse redefiniert werden,
z.B. um eine andere Id zu
implementieren (Uxxxxxx).
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Vererbung: Syntax
class Person {
String name;
String vorname;
int alter;
String getName(){...}
String getId(){...}
}
class Mitglied extends Person {
int tarifgruppe;
neue Attribute hinzufügen
String getTarif(){...}
neue Methoden hinzufügen
}
class Angestellter extends Person {
int uid;
String getId(){...} redefiniert Person.getId()
}
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derselbe Methodenname
dieselbe Parameterliste
derselbe Rückgabetyp
40
Komposition vs. Vererbung
Ist ein Auto ein Motor?
Motor
Auto
Auto
Falsch!
Reifen[]
Fenster[]
Tuer[]
Richtig
Ein Motor wird gestartet,
ein Auto wird gestartet:
Ist deshalb ein Auto so
etwas wie ein Motor?
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Reifen[]
Fenster[]
Tuer[]
Motor
Generell:
 Komposition ist flexibler als
Vererbung (Laufzeit vs.
Übersetzungszeit).
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Verwendung von final
• Finale Methoden können in Subklassen nicht überschrieben
(redefiniert) werden.
final void print() { ... }
• private Methoden sind implizit final.
• finale Parameter: Dem Parameter darf innerhalb des
Methodenrumpfes kein neuer Wert zugewiesen werden.
void print(final int anzahl) { ... }
• Von einer finalen Klassen kann keine Subklasse gebildet werden.
final class Angestellter { ... }
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Polymorphismus
Substitutierbarkeit:
Wann immer ein Objekt der Superklasse erwartet wird (als Parameter,
Empfänger einer Nachricht, ...), kann ein Objekt einer Subklasse benutzt
werden.
Beispiel: Wenn eine Person angezeigt werden soll, kann auch ein Mitglied
(Angestellter, ...) angezeigt werden.
a Circle
draw()
: Shape
a Square
erase()
a Line
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Upcast
void moveShape(Shape s) {...; s.draw();}
Cast “nach oben“
in der Vererbungshierarchie
Circle
draw()
erase()
Shape
draw()
erase()
Square
draw()
erase()
Line
draw()
erase()
Referenz auf das
Circle-Objekt
Shape s = (Shape)new Circle(); // explizit
moveShape(new Circle()); // implizit
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44
Statisches vs. Dynamisches Binden
f()
...
Funktion f
f()
...
f()
shape.draw()
Aufrufe statisch an die Funktion gebunden
zur Übersetzungszeit
Dynamischer
BindeMechanismus
...
shape.draw()
...
shape.draw()
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zur Laufzeit
Circle
draw()
Square
draw()
Line
draw()
45
Abstrakte Klassen
• Abstrakte Klassen können abstrakte Methoden enthalten,
d.h. Methoden ohne Methodenrumpf.
• Andere Methoden und Daten können definiert sein.
abstract class ColouredShape {
private Colour c;
public abstract void draw();
public Colour getColour() {
return c;
}
public abstract void erase();
}
Abstrakte
Methoden
• Abstrakten Klassen können nicht instanziert werden.
• Subklassen müssen die abstrakten Methoden
implementieren - oder sie sind selber abstrakt.
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Template Pattern
• In einer abstrakten Klasse können die abstrakten
Methoden von anderen Methoden benutzt
werden.
abstract class PrintTemplate {
protected abstract void printHeader();
protected abstract void printFooter();
protected abstract void printContent();
public void print(){
printHeader();
printContent();
printFooter();
}
}
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47
Innere Klassen
• Verschachtelte Klasse einer anderen Klasse.
class Person {
class Adresse { ... }
...
}
class Person {
public String doIt(final int i) {
class Adresse { ... i ... }
}
...
}
• Der Klassenname ist versteckt.
• Objekte der inneren Klasse können auf Attribute,
Methoden der umgebenden Klasse zugreifen.
• Wenn eine innere Klasse innerhalb einer Methode definiert
wird, kann sie auf die Parameter und lokalen Variablen der
Methode zugreifen, wenn diese final sind.
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Anonyme innere Klassen
• Innere Klassen könne auch anonym sein.
• Dies wird häufig angewandt bei Schnittstellen.
new WindowAdapter(){
public void windowClosing(WindowEvent e) {...}
}
class MyWindowListener extends WindowAdapter {
public void windowClosing(WindowEvent e) {...}
}
new MyWindowListener();
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49
Schnittstellen
•
•
Die
gilt se Aus
sag
bi s
J
D
sieh
K 1. e
eH
7
PK ,
...
Schnittstellen enthalten keine Implementationen, sondern nur
Methodensignaturen und Konstanten (statische, finale Attribute).
Methodensignatur : = Rückgabetyp + Methodenname + Parameterliste
interface Shape {
Point zero = new Point(0,0);
void erase();
void draw();
}
•
automatisch
static & final
automatisch
public
Eine Schnittstelle kann von einer oder mehreren Schnittstellen erben.
interface ColouredShape extends Shape, Colour {
...
}
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50
Schnittstellen und Implementierung
• Eine Schnittstelle legt ein Protokoll (verstandene Nachrichten) fest.
• Eine Klasse kann eine oder mehrere Schnittstellen implementieren.
Schnittstellen
class Circle implements Shape, Persistent {
pivate int radius;
public void erase() {
...
}
public String draw() {
aus Shape
...
}
public int getRadius(){
...
}
}
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51
Übung
• Erstellen und testen (wie?) Sie den Code für das
folgende Klassenmodell:
Painter
painter
+ Painter
+ Paintable
<<Interface>>
Paintable
(from painter)
paintables : Paintable[]
(from painter)
0..*
drawAll()
addPaintable()
draw()
Achtung:
zwei verschieden
Pakete für Painter
und alle Shapes!
Shape
(from sha pes)
type : String
Shape(type : String)
<<abstract>> draw() : void
shapes
+
+
+
+
Shape
Circle
Square
Line
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Circle
Square
Line
(from sha pes)
(from shapes)
(from shapes)
52
Tip
• Schreiben Sie eine Main Klasse, die den Painter mit
Shapes initialisiert und dann die drawAll Methode
aufruft.
• Die draw Methode der Shapes gibt einfach per
System.out.println den Typ aus.
• Die Zeichenobjekte werden in einem Array verwaltet,
dieses muss dynamisch wachsen!
– Verwenden Sie ein temporäres Hilfsarray.
– (Später lernen Sie Collection Klassen kennen, die uns genau diese
Arbeit abnehmen...)
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53
Übung
• Erstellen Sie eine Dokumentation der Klassen:
– %SRC%>javadoc -d ../doc *
• Navigieren Sie in der Klassendokumentation und passen Sie die
Kommentare in Ihren Methoden und Klassen an.
• Erkunden Sie die verschiedenen Möglichkeiten, die javadoc bietet
(javadoc -? bietet Hilfe)
• Javadoc läßt sich auch als Tool in Eclipse integrieren:
– Run|External Tools|External Tools...|Programm|New
– Location: %JAVA_HOME%\bin\javadoc.exe
– Working Dir: ${project_loc}\src
– Arguments: -d ${project_loc}\doc *
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54
Package Übersicht
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55