Algorithmen und Datenstrukturen II

Algorithmen und Datenstrukturen II
Alexander Goesmann
Bioinformatics Resource Facility
Center for Biotechnology
Universität Bielefeld
Vorlesung Sommer 2010
Alexander Goesmann
A&D II, Vorlesung 2010
Universität Bielefeld
Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Teil I
Objektorientierte Programmierung in Java
Alexander Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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.
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Traditionelle Konzepte der Softwaretechnik (II)
abstrakte Datentypen (ADT)
Realisiert wird die Datenabstraktion duch den Einsatz abstrakter
Datentypen, die Liskov & Zilles (1974) folgendermaßen definierten:
“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.”
Alexander Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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.
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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.
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel: Der ADT Stack
Stack
Eine Datenstruktur über einem Datentyp T bezeichnet man als
Stack1 , wenn die Einträge der Datenstruktur als Folge organisiert
sind und es die Operationen push, pop und peek gibt:
1
bedeutet soviel wie Keller oder Stapel
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel: Der ADT Stack
Stack
Eine Datenstruktur über einem Datentyp T bezeichnet man als
Stack1 , 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.
1
bedeutet soviel wie Keller oder Stapel
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel: Der ADT Stack
Stack
Eine Datenstruktur über einem Datentyp T bezeichnet man als
Stack1 , 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)
1
bedeutet soviel wie Keller oder Stapel
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Operatoren
Typen der Operationen
initStack:
push:
T × Stack
pop:
Stack
peek:
Stack
empty:
Stack
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−→
−→
−→
−→
−→
Stack
Stack
Stack
T
boolean
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Spezifikation
Spezifikation der Operationen durch Gleichungen. Sei x eine
Variable vom Typ T, stack eine Variable vom Typ Stack:
Spezifikation Stackoperationen
empty (initStack)
empty (push (x, stack))
peek (push (x, stack))
pop (push (x, stack))
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=
=
=
=
true
false
x
stack
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Spezifikation
Spezifikation der Operationen durch Gleichungen. Sei x eine
Variable vom Typ T, stack eine Variable vom Typ Stack:
Spezifikation Stackoperationen
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.
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Objektorientierung
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.
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Objektorientierung
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
Objektorientierung =
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Klassen und Objekte
+ Kommunikation mit Nachrichten
+ Vererbung
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Klassen und Objekte
Eine Klasse besteht aus einer Schnittstelle und einem Rumpf
In der Schnittstelle sind die nach außen zur Verfügung
gestellten Methoden und Daten aufgelistet
Der Klassenrumpf enthält alle von außen unsichtbaren
Implementierungsdetails
Aus einer Klasse lassen sich beliebig viele Objekte erzeugen
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ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Kommunikation mit Nachrichten
Objekte besitzen die Möglichkeit, mit Hilfe ihrer Methoden
Aktionen auszuführen. Das Senden einer Nachricht stößt die
Ausführung einer Methode an. Eine Nachricht besteht aus:
einem Empfänger: das Objekt, das die Aktion ausführen soll
einem Selektor: die Methode, deren Aktionen auszuführen sind
ggf. aus Argumenten: Werte, auf die während der Ausführung
der Aktion zugegriffen wird.
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Vererbung
Gleichartige Objekte werden zu Klassen zusammengefasst
Häufig besitzen Objekte zwar bestimmte Gemeinsamkeiten,
sind aber nicht völlig gleichartig
Um solche Ähnlichkeiten auszudrücken, ist es möglich,
zwischen Klassen Vererbungsbeziehungen festzulegen
Dadurch wird das Verhalten einer existierenden Klasse
erweitert
Die Erweiterung erzeugt eine von ihr alle Attribute und
Methoden erbende neue Klasse, die um weitere Attribute und
Methoden ergänzt wird
Die neue Klasse wird Unterklasse, die ursprüngliche Klasse
Oberklasse genannt
Gemeinsamkeiten: In der Oberklasse
Unterschiede: In der Unterklasse
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Einfachvererbung
Object
@
System
?
Math
@
R
@
Point
@
@
R
@
...
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Mehrfachvererbung
...
@
@
R
@
Tiere
@
@
R
@
Pflanzen
Fleischfresser
@
@
R
@
...
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Klasse Object
Die einzige Klasse in Java, die keine Oberklasse erweitert, ist
die vordefinierte Klasse Object
Klassen, die nicht explizit andere Klassen erweitern, erweitern
implizit die Klasse Object
Alle Objektreferenzen sind in polymorpher Weise von der
Klasse Object, so dass Object die generische Klasse für
Referenzen ist, die sich auf Objekte jeder beliebigen Klasse
beziehen können
Alexander Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Konstruktoren (I)
neu erzeugten Objekten wird ein Anfangszustand zugewiesen
Datenfelder können bei Deklaration initialisiert werden
oft ist aber mehr als nur einfache Dateninitialisierung nötig
Konstruktoren bewerkstelligen mehr als einfache
Initialisierungen
Alexander Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Konstruktoren (II)
Konstruktoren
methodenähnlich
haben denselben Namen wie die von ihnen initialisierte Klasse
keine oder mehrere Parameter
keinen Rückgabetyp
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Konstruktoren (II)
Konstruktoren
methodenähnlich
haben denselben Namen wie die von ihnen initialisierte Klasse
keine oder mehrere Parameter
keinen Rückgabetyp
Bei der Objekterzeugung werden
1 den Instanzvariablen ihre voreingestellten Anfangswerte
zugewiesen
2 Initialisierungsausdrücke der Instanzvariablen berechnet und
zugewiesen
3 der Konstruktor aufgerufen
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Konstruktoren und Initialisierungsblöcke)
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) {
Circle c = new Circle();
System.out.println(c.r);
System.out.println(c.circumference());
System.out.println(c.area());
System.out.println(numCircles);
}
Alexander Goesmann
}
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Konstruktor mit Parametern
Beispiel (Konstruktor mit drei Parametern)
public Circle(int xCoord, int yCoord, int radius) {
numCircles++;
x = xCoord;
y = yCoord;
r = radius;
}
Alexander Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
mit this-Referenz
Beispiel
public Circle(int x, int y, int r) {
numCircles++;
this.x = x;
this.y = y;
this.r = r;
}
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Überladen von Konstruktoren)
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);
}
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);
}
}
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Komplexe Initialisierung von Klassenvariablen
Klassenvariablen werden initialisiert, wenn die Klasse das erste Mal geladen
wird. Das Analogon zu Konstruktoren, um komplexe Initialisierungen von
Klassenvariablen durchzuführen, sind die sogenannten Initialisierungsblöcke.
Diese Blöcke werden mit static{...} umschlossen.
Beispiel
public class Circle {
public static double[] sines = new double[1000];
public static double[] cosines = new double[1000];
static {
for(int i=0; i<1000; i++) {
sines[i] = Math.sin(i);
cosines[i] = Math.cos(i);
}
}
Alexander
} Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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 zugreifbar2 .
Folgende Klasse implementiert einen ADT Stack mittels eines
Feldes:
2
Synonyme für Zugreifbarkeit sind: Gültigkeit bzw. Sichtbarkeit.
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Stack)
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;
}
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Stack)
/** 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--];
}
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Stack)
/** liefert das oberste Objekt des Kellers, ohne ihn zu veraendern.
Bei leerem Keller wird eine Fehlermeldung ausgegeben und
null zurueckgeliefert. */
public Object peek() {
if (empty()) {
System.out.println("Method peek: empty stack");
return null;
}
else
return stack[top];
}
Alexander Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Stack)
/** liefert true genau dann, wenn der Keller leer ist. */
public boolean empty() {
return (top == -1);
}
/** liefert die Anzahl der Elemente des Kellers. */
public int size() {
return top+1;
}
}
Alexander Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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).
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Methoden in Java
1
Methoden und Signaturen
2
Überladen von Methoden
3
Wertübergabe (call by value)
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Signaturen, Überladen von Methoden
Methoden können wie Konstruktoren überladen werden
jede Methode besitzt eine Signatur, die ihren Namen sowie die
Anzahl und Typen der Parameter definiert
Überladen von Methoden
Zwei Methoden können denselben Namen haben, wenn ihre
Signaturen unterschiedliche Anzahlen oder Typen von Parametern
aufweisen.
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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.
Beispiel
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);
}
> java CallByValue
9
3
}
Alexander Goesmann
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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).
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ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel
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;
}
public static void setToZero (Circle arg) {
arg.r = 0;
arg = null;
}
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Fortsetzung)
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);
}
}
> java Circle
vorher : r = 1
nachher: r = 0
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Fortsetzung)
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);
}
}
> 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.
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Unterklassen und Vererbung in Java
Wir wollen die Klasse Circle so erweitern, dass wir deren
Instanzen auch graphisch darstellen können.
Erweiterung der Klasse Circle zu der neuen Klasse
GraphicCircle
durch das Schlüsselwort extends wird GraphicCircle eine
Unterklasse von Circle
GraphicCircle erweitert die (Ober-)Klasse Circle
die Klasse GraphicCircle erbt alle Attribute und Methoden
von Circle, die nicht als private deklariert sind
Attribute und Methoden, die als protected deklariert sind,
bleiben (nur) für die Unterklasse zugreifbar
Alexander Goesmann
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ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel
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;
}
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ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel
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);
}
}
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Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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.
Alexander Goesmann
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Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Da GraphicCircle alle Methoden von Circle erbt, können wir
z.B. den Flächeninhalt eines Objektes gc vom Typ GraphicCircle
berechnen durch:
Beispiel
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.
Beispiel
Circle c = gc;
double area = c.area();
Alexander Goesmann
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Unterklassen und Vererbung
Man kann c durch casting3 in ein Objekt vom Typ
GraphicCircle zurückverwandeln.
Beispiel
GraphicCircle gc1 = (GraphicCircle)c;
Color color = gc1.fill;
Die oben gezeigte Typumwandlung funktioniert nur, weil c
tatsächlich ein Objekt vom Typ GraphicCircle ist.
3
explizite Typumwandlung
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Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Überschreiben von Methoden und Verdecken von
Datenfeldern
Wir betrachten folgendes Java-Programm (Arnold & Gosling [1],
S. 66):
Beispiel
public class SuperShow {
public String str = "SuperStr";
public void show() {
System.out.println("Super.show: "+str);
}
}
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ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Beispiel (Fortsetzung)
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);
}
}
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Unterklassen und Vererbung
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.
Alexander Goesmann
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Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
Überschreiben von Methoden
die Methode show() der Klasse ExtendShow überschreibt die
gleichnamige Methode der Oberklasse
die Implementierung der Methode der Oberklasse wird durch
eine neue Implementierung der Unterklasse ersetzt
dabei müssen Signatur und Rückgabetyp dieselben sein
überschreibende Methoden besitzen ihre eigenen
Zugriffsangaben
Alexander Goesmann
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Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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:
Beispiel
> java ExtendShow
Extend.show: ExtendStr
Extend.show: ExtendStr
sup.str = SuperStr
ext.str = ExtendStr
Alexander Goesmann
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ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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.
Alexander Goesmann
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Konzepte Softwaretechnik
Konstruktoren
ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
super Beispiel
Beispiel
public class T1 {
protected int x = 1;
protected String s() {
return "T1";
}
}
Alexander Goesmann
A&D II, Vorlesung 2010
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ADT in Java
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Unterklassen und Vererbung
Beispiel
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) {
new T2().test();
}
}
Alexander Goesmann
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Unterklassen und Vererbung
> java T2
x= 2
super.x= 1
((T1)this).x= 1
s(): T2
super.s(): T1
((T1)this).s(): T2
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ADT in Java
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Unterklassen und Vererbung
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!
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ADT in Java
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Unterklassen und Vererbung
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.
Alexander Goesmann
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ADT in Java
Methoden in Java
Unterklassen und Vererbung
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.
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Unterklassen und Vererbung
Java liefert einen voreingestellten parameterlosen Konstruktor für
eine erweiternde Klasse, die keinen Konstruktor enthält. Dieser ist
äquivalent zu:
Beispiel
public class ExtendedClass extends SimpleClass {
public ExtendedClass () {
super();
}
}
Der voreingestellte Konstruktor hat dieselbe Sichtbarkeit wie seine
Klasse.
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ADT in Java
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Unterklassen und Vererbung
Ausnahme: Enthält die Oberklasse keinen parameterlosen
Konstruktor, so muss die Unterklasse mindestens
einen Konstruktor bereitstellen.
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Unterklassen und Vererbung
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.
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Beispiel
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);
}
}
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Beispiel
public class Y extends X {
protected String extra = "d";
public Y() {
suffix = suffix+extra;
alles = verbinde("Biele");
}
public static void main(String[] args) {
new Y();
}
}
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Die folgende Tabelle zeigt die Inhalte der Datenfelder beim Aufruf
der main-Methode (d.h. des Y-Konstruktors).
Schritt
0
1
2
3
4
5
6
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Aktion
Datenfelder auf Voreinstellungen
Y-Konstruktor aufgerufen
X-Konstruktor aufgerufen
X-Datenfeld initialisiert
X-Konstruktor ausgeführt
Y-Datenfeld initialisiert
Y-Konstruktor ausgeführt
infix
extra
suffix
alles
fel
fel
fel
fel
d
d
fel
fel
feld
Apfel
Apfel
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Unterklassen und Vererbung
Abstrakte Klassen und Methoden
Es gilt:
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Unterklassen und Vererbung
Abstrakte Klassen und Methoden
Es gilt:
eine abstrakte Methode hat keinen Rumpf;
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Unterklassen und Vererbung
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;
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Unterklassen und Vererbung
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;
man kann von einer abstrakten Klasse keine Objekte erzeugen;
Alexander Goesmann
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Unterklassen und Vererbung
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;
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;
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Unterklassen und Vererbung
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;
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.
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Beispiel Benchmark
Beispiel
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);
}
}
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Beispiel
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");
}
}
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Unterklassen und Vererbung
Weiterführende Literatur
K. Arnold, J. Gosling: JavaTM - Die Programmiersprache.
Addison-Wesley, 1996.
T.H. Cormen, C.E. Leierson, R.L. Rivest: Introduction to
Algorithms. MIT Press, 1990.
D. Flanagan: Java in a Nutshell. O’Reilly & Associates Inc.,
1996.
F. Jobst: Programmieren in Java. Hanser Verlag, 1996.
H. Klaeren: Vom Problem zum Programm. 2.Auflage,
B.G. Teubner Verlag, 1991.
K. Echtle, M. Goedicke: Lehrbuch der Programmierung mit
Java. dpunkt-Verlag, 2000.
Alexander Goesmann
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