Algorithmen und Datenstrukturen

Algorithmen und Datenstrukturen
Werner Struckmann
Wintersemester 2005/06
5. Objektorientierte Algorithmen
5.1 Objekte und Klassen
5.2 Vererbung
5.3 Abstrakte Klassen
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
Einführung
Das objektorientierte Paradigma der Algorithmenentwicklung hat
verschiedene Wurzeln:
◮
Realisierung abstrakter Datentypen
◮
rechnergeeignete Modellierung der realen Welt
(objektorientierte Analyse)
◮
problemnaher Entwurf von Sofwaresystemen
(objektorientiertes Design)
◮
problemnahe Implementierung
(objektorientierte Programmierung)
5.1 Objekte und Klassen
5-1
Grundlagen der Objektorientierung
Klassen
Begriffswelt des
Modellierenden
Person
Patient
Mitarbeiter
Arzt
Chefarzt
Krankenhaus
Mitarbeiter
Patienten
Schwestern Verwaltung
Ärzte
Prof. Dr. Sauerbruch
Dr. Quincy
Fr. Müller
Objekte/Instanzen
5.1 Objekte und Klassen
Realität
5-2
Objekte
Ein Objekt ist die Repräsentation eines Gegenstands oder
Sachverhalts der realen Welt oder eines rein gedanklichen
Konzepts.
Es ist gekennzeichnet durch
◮
eine eindeutige Identität, durch die es sich von anderen
Objekten unterscheidet,
◮
statische Eigenschaften zur Darstellung des Zustands des
Objekts in Form von Attributen,
◮
dynamische Eigenschaften in Form von Methoden, die das
Verhalten des Objekts beschreiben.
5.1 Objekte und Klassen
5-3
Beispiele für Objekte
◮
Eine Person mit Namen „Müller“ und Geburtsdatum
„12.12.1953“ (Attribute mit Belegungen) und Methode
„alter(): int“.
◮
Eine rationale Zahl mit Zähler und Nenner (Attribute) und
Methoden „normalisiere()“ und „addiere(r: RationaleZahl)“
Es findet in der Regel eine Abstraktion statt. Gewisse Aspekte
(zum Beispiel das „Gewicht“ einer Person) werden nicht
berücksichtigt.
Der Zustand eines Objekts zu einem Zeitpunkt entspricht der
Belegung der Attribute des Objekts zu diesem Zeitpunkt.
Der Zustand eines Objekts kann mithilfe von Methoden erfragt und
geändert werden.
5.1 Objekte und Klassen
5-4
Methoden
◮
Methoden sind in der programmiersprachlichen Umsetzung
Prozeduren oder Funktionen, denen Parameter übergeben
werden können.
◮
Der Zustand eines eine Methode ausführenden Objekts (und
nur der dieses Objekts) ist der Methode im Sinne einer Menge
globaler Variablen direkt zugänglich. Er kann daher sowohl
gelesen als auch verändert werden.
5.1 Objekte und Klassen
5-5
Objektmodelle
◮
Wertbasierte Objektmodelle: In diesem Modell besitzen
Objekte keine eigene Identität im eigentlichen Sinn. Zwei
Objekte werden schon als identisch angesehen, wenn ihr
Zustand gleich ist.
Für zwei Objekte zur Datumsangabe d1 = „6.12.1986“ und
d2 = „6.12.1986“ gilt in diesem Modell d1 = d2 .
◮
Identitätsbasierte Objektmodelle: Jedem Objekt innerhalb
des Systems wird eine vom Wert unabhängige Identität
zugeordnet.
Zwei Objekte für Personen p1 = „Müller, 12.12.1953“ und
p2 = „Müller, 12.12.1953“ sind in diesem Modell nicht
identisch: p1 , p2 .
5.1 Objekte und Klassen
5-6
Kapselung und Geheimnisprinzip
Objekte verwenden das Geheimnisprinzip und das Prinzip der
Kapselung.
Sie verbergen ihre Interna
◮
Zustand (Belegung der Attribute),
◮
Implementierung ihres Zustands,
◮
Implementierung ihres Verhaltens.
Objekte sind nur über ihre Schnittstelle, also über die Menge der
vom Objekt der Außenwelt zur Verfügung gestellten Methoden,
zugänglich. Man spricht von den Diensten des Objekts.
5.1 Objekte und Klassen
5-7
Nachrichten
Objekte interagieren über Nachrichten:
◮
Ein Objekt x sendet eine Nachricht n an Objekt y .
◮
y empfängt die Nachricht n von x .
◮
Innerhalb einer Programmiersprache wird dieser Vorgang
meist durch einen Methodenaufruf implementiert.
◮
Nachrichten (Methodenaufrufe) können den Zustand eines
Objektes verändern.
◮
Ein Objekt kann sich selbst Nachrichten schicken.
5.1 Objekte und Klassen
5-8
Beziehungen zwischen Objekten
Objekte können in Beziehungen zueinander stehen.
◮
Die Beteiligten an einer Beziehung nehmen Rollen ein.
Rolle des Arztes: „behandelnder Arzt“,
Rolle des Patienten: „Patient“.
◮
Ein Objekt kann mit mehreren Objekten in der gleichen
Beziehung stehen.
Rolle von Arzt: „behandelnder Arzt“,
Rolle von Patient 1: „Patient“, Rolle von Patient 2: „Patient“.
◮
Nachrichten können nur ausgetauscht werden, wenn eine
Beziehung besteht.
◮
Beziehungen können sich während der Lebenszeit eines
Objekts verändern.
5.1 Objekte und Klassen
5-9
Klassen
◮
Objekte besitzen eine Identität, verfügen über Attribute und
Methoden, gehen Beziehungen zu anderen Objekten ein und
interagieren über Nachrichten.
◮
Es gibt in der Regel Objekte, die sich bezüglich Attribute,
Methoden und Beziehungen ähnlich sind. Daher bietet es sich
an, diese Objekte zu einer Klasse zusammenzufassen.
5.1 Objekte und Klassen
5-10
Klassen
Patient
name: String
geburtsdatum: Date
diagnose: String
p1: Patient
name: Müller“
”
geburtsdatum: 03.01.1987
diagnose: Grippe“
”
5.1 Objekte und Klassen
p2: Patient
name: Meier“
”
geburtsdatum: 06.12.1986
diagnose: Husten“
”
p3: Patient
name: Schulz“
”
geburtsdatum: 22.09.1993
diagnose: Kleinwuchs“
”
5-11
Klassen
Eine Klasse ist die Beschreibung von Objekten, die über eine
gleichartige Menge von Attributen und Methoden verfügen. Sie
beinhaltet auch Angaben darüber, wie Objekte dieser Klasse
verwaltet (zum Beispiel erzeugt oder gelöscht) werden können.
◮
Klassendefinitionen sind eng verwandt mit abstrakten
Datentypen. Sie legen Attribute und Methoden der
zugehörigen Objekte fest.
◮
Objekte einer Klasse nennt man auch Instanzen dieser
Klasse.
◮
Beziehungen (Assoziationen) zwischen den Objekten werden
auf Klassenebene beschrieben.
Ein Konstruktor ist eine Methode zum Erzeugen von Objekten.
5.1 Objekte und Klassen
5-12
Klassenvariable und -methoden
◮
Es gibt Attribute von Klassen, die nicht an konkrete Instanzen
gebunden sind. Diese heißen Klassenvariable oder statische
Variable. In dieser Sprechweise werden instanzgebundene
Attribute auch als Instanzvariable bezeichnet.
◮
Klassenvariable existieren für die gesamte Lebensdauer einer
Klasse genau einmal – unabhängig davon, wie viele Objekte
erzeugt wurden.
◮
Neben Klassenvariablen gibt es auch Klassenmethoden, d. h.
Methoden, deren Existenz nicht an konkrete Objekte
gebunden ist. Klassenmethoden werden auch statische
Methoden genannt.
5.1 Objekte und Klassen
5-13
Vererbung
◮
Häufig gibt es Klassen, die sich in Attributen, Methoden und
Beziehungen ähnlich sind.
Beispiel: Zahl, natürliche Zahl, ganze Zahl, rationale Zahl.
5.2 Vererbung
◮
Man versucht, zu ähnlichen Klassen eine gemeinsame
Oberklasse zu finden, die die Ähnlichkeiten subsumiert und
ergänzt die Unterklassen nur um die individuellen
Eigenschaften.
◮
Eine Unterklasse erbt die Attribute und Methoden der
Oberklasse.
5-14
Vererbung
Person
name: String
geburtsdatum: Date
Patient
name: String
geburtsdatum: Date
patientenNr: Integer
diagnose: String
5.2 Vererbung
Arzt
Gemeinsamkeiten
name: String
geburtsdatum: Date
mitarbeiterNr: Integer
fachrichtung: String
5-15
Vererbung
◮
◮
◮
5.2 Vererbung
B erbt alle Attribute und
Methoden von A und fügt in
der Regel weitere hinzu.
AO
A ist die Basisklasse
(Oberklasse) und B die
abgeleitete Klasse
(Unterklasse).
B
B ist eine Spezialisierung
von A und A eine
Generalisierung von B.
5-16
Vererbung und Polymorphismus
◮
„Jede Instanz b ∈ B ist
auch ein a ∈ A.“
◮
Einfachvererbung: Jede
abgeleitete Klasse besitzt
genau eine Vaterklasse.
◮
In Java:
class B extends A {
... }
AO
B
Eine Variable vom Typ einer Basisklasse kann während ihrer
Lebensdauer sowohl Objekte ihres eigenen Typs als auch solche
von abgeleiteten Klassen aufnehmen. Dies wird als
Polymorphismus bezeichnet.
5.2 Vererbung
5-17
Vererbung
5.2 Vererbung
◮
Eine Unterklasse erbt von ihrer Oberklasse alle Attribute und
Methoden und kann diese um weitere Attribute und Methoden
ergänzen.
◮
„Erben“ heißt: Die Attribute und Methoden der Oberklasse
können in der Unterklasse verwendet werden, als wären sie in
der Klasse selbst definiert.
5-18
Vererbung
◮
Vererbungen können
mehrstufig sein.
◮
Jede abgeleitete Klasse
erbt die Attribute und
Methoden der jeweiligen
Oberklasse.
◮
Es entstehen
Vererbungshierarchien.
AO
BO
C
5.2 Vererbung
5-19
Vererbung
◮
Vererbungshierarchien
können sehr komplex sein.
◮
Sie lassen sich durch
azyklische gerichtete
Graphen darstellen.
A
F O X22
B
22
22
22
22
22
2
C
D
F O X22
E
5.2 Vererbung
22
22
22
22
22
2
F
G
5-20
Verdecken von Variablen
5.2 Vererbung
◮
Eine Unterklasse kann eine Variable deklarieren, die
denselben Namen trägt, wie eine der Oberklasse.
◮
Hierdurch wird die weiter oben liegende Variable verdeckt.
◮
Dies wird häufig dazu benutzt, um den Typ einer Variablen der
Oberklasse zu überschreiben.
◮
In manchen Programmiersprachen gibt es Konstrukte, die den
Zugriff auf verdeckte Variable ermöglichen (in Java:
Verwendung des Präfixes „super“).
5-21
Überlagern von Methoden
5.2 Vererbung
◮
Methoden, die aus der Basisklasse geerbt werden, dürfen in
der abgeleiteten Klasse überlagert, d. h. neu definiert,
werden.
◮
Da eine Variable einer Basisklasse Werte von verschiedenen
Typen annehmen kann, entscheidet sich bei überlagerten
Methoden im Allgemeinen erst zur Laufzeit, welche Methode
zu verwenden ist: Dynamische Methodensuche.
◮
Wird eine Methode in einer abgeleiteten Klasse überlagert,
wird die ursprüngliche Methode verdeckt. Aufrufe der
Methode beziehen sich auf die überlagernde Variante.
◮
In manchen Programmiersprachen gibt es Konstrukte, die den
Zugriff auf überlagerte Methoden ermöglichen (in Java:
Verwendung des Präfixes „super“).
5-22
Modifikatoren
Mithilfe von Modifikatoren können Sichtbarkeit und Eigenschaften
von Klassen, Variablen und Methoden beeinflusst werden.
◮
Die Sichtbarkeit bestimmt, ob eine Klasse, Variable oder
Methode in anderen Klassen genutzt werden kann.
◮
Eigenschaften, die über Modifikatoren gesteuert werden
können, sind z. B. die Lebensdauer und die Veränderbarkeit.
Beispiele für Modifikatoren in Java sind:
public, protected, private, static, final, . . .
5.2 Vererbung
5-23
Mehrfachvererbung
AX11
B
11
11
11
11
11
1
F
C
5.2 Vererbung
◮
Eine Klasse kann im Allgemeinen mehrere Oberklassen
besitzen. In diesem Fall spricht man von Mehrfachvererbung
(multiple inheritance) im Gegensatz zur Einfachvererbung
(single inheritance).
◮
Problematisch ist die Behandlung von Konflikten, wenn
gleichnamige Attribute oder Methoden in verschiedenen
Oberklassen definiert werden.
◮
Mehrfachvererbung ist in Java nur für Schnittstellen erlaubt.
5-24
Abstrakte Methoden
◮
Eine Methode heißt abstrakt, wenn ihre Deklaration nur die
Schnittstelle, nicht aber die Implementierung enthält. Im
Gegensatz dazu stehen konkrete Methoden, deren
Deklarationen auch Implementierungen besitzen.
◮
Java: Die Deklaration einer abstrakten Methode erfolgt durch
den Modifikator abstract. Anstelle des Rumpfes steht
lediglich ein Semikolon.
◮
Abstrakte Methoden können nicht aufgerufen werden, sie
definieren nur eine Schnittstelle. Erst durch Überlagerung in
einer abgeleiteten Klasse und durch Angabe der fehlenden
Implementierung wird eine abstrakte Methode konkret.
5.3 Abstrakte Klassen
5-25
Abstrakte Klassen
◮
Eine Klasse, die nicht instanziiert werden kann, heißt
abstrakte Klasse. Klassen, von denen Objekte erzeugt
werden können, sind konkrete Klassen.
◮
Jede Klasse, die mindestens eine abstrakte Methode besitzt,
ist abstrakt.
◮
Java: Eine Klasse ist abstrakt, wenn sie mindestens eine
abstrakte Methode enthält. Die Deklaration einer abstrakten
Klasse erfolgt ebenfalls durch den Modifikator abstract.
◮
Java: Es ist erforderlich, abstrakte Klassen abzuleiten und in
der abgeleiteten Klasse eine oder mehrere abstrakte
Methoden zu implementieren. Die Konkretisierung kann über
mehrere Stufen erfolgen.
5.3 Abstrakte Klassen
5-26
Schnittstellen
◮
Java: Eine Schnittstelle (Interface) ist eine Klasse, die
ausschließlich Konstanten und abstrakte Methoden enthält.
◮
Java: Zur Definition einer Schnittstelle wird das Schlüsselwort
class durch das Schlüsselwort interface ersetzt.
◮
Java: Alle Methoden einer Schnittstelle sind implizit abstrakt
und öffentlich, alle Konstanten final, statisch und öffentlich.
Redundante Modifikatoren dürfen angegeben werden.
◮
Java: Ein Interface darf keine Konstruktoren enthalten.
5.3 Abstrakte Klassen
5-27
Generizität
◮
Unter Generizität versteht man die Parametrisierung von
Klassen, Datentypen, Modulen, Prozeduren, Funktionen, . . .
◮
Als Parameter werden in der Regel Datentypen (manchmal
auch Algorithmen in Form von Prozeduren) verwendet.
◮
Deklariert man beispielsweise eine Liste, so sollte die Liste
generisch angelegt werden. Dann kann man später Listen von
Zahlen, Zeichen, o. ä. erzeugen.
◮
Auch ein Sortieralgorithmus kann generisch definiert werden.
Man setzt nur voraus, dass der Datentyp eine
Ordnungsrelation ≤ zur Verfügung stellt.
5.3 Abstrakte Klassen
5-28
Realisierung von abstrakten Datentypen
Die folgende Elemente müssen im Programm abgebildet werden:
◮
Name des ADT: wird üblicherweise der Klassenname
◮
Importierte ADTen: werden sowohl zu Definitionen mit dem
entsprechenden importierten Typ, als auch zu
Import-Anweisungen innerhalb des Programms
◮
Objekterzeugende Operatoren: sogenannte Konstruktoren
werden in (meist spezielle) Klassenmethoden abgebildet, die
ein neues Objekt des gewünschten Typs zurückliefern
◮
Lesende Operatoren: sogenannte Selektoren werden zu
Methoden, die auf die Attribute nur lesend zugreifen
◮
Schreibende Operatoren: sogenannte Manipulatoren
werden zu Methoden, die den Zustand des Objekts verändern
◮
Axiome: müssen sichergestellt werden
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-29
Realisierung eines Kellers in Java (Idee)
type Stack (T )
import Bool
operators
empty :→ Stack
push : Stack × T → Stack
pop : Stack → Stack
top : Stack → T
empty ? : Stack → Bool
axioms ∀s ∈ Stack , ∀x ∈ T
pop (push (s , x )) = s
top (push (s , x )) = x
empty ?(empty ) = true
empty ?(push (s , x )) = false
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
Die Implementation kann
beispielsweise durch Rückgriff
auf die in Java existierenden
Listen geschehen.
5-30
Realisierung eines Kellers in Java (Idee)
import java.util.*;
class Stack<T> {
protected List<T> data;
public Stack() { ... }
public void push(T elem) { ... }
public void pop() throws EmptyStackException
{ ... }
public T top() throws EmptyStackException
{ ... }
public boolean isEmpty() { ... }
}
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-31
Problembereich
Problemlösung
Analyse
Softwareentwicklung
Analysemodelle
Design
Programmsystem
Entwurfsmodelle
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
Implementierung
5-32
Was ist Software-Technik?
W. Hesse, H. Keutgen, A. L. Luft, H. D. Rombach: Ein
Begriffsystem für die Software-Technik, Informatik-Spektrum, 7,
1984, S. 200–213:
Software-Technik (Software-Engineering) ist das
Teilgebiet der Informatik, das sich mit der Bereitstellung
und systematischen Verwendung von Methoden und
Werkzeugen für die Herstellung und Anwendung von
Software beschäftigt.
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-33
Software-Technik
◮
setzt solide Kenntnisse in (mindestens) einer
Programmiersprache voraus,
◮
ist nicht auf eine spezielle Programmiersprache (sondern evtl.
eher auf ein Paradigma) zugeschnitten,
◮
ist ein weites und wichtiges Gebiet der Informatik.
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-34
Teilgebiete der Software-Technik
◮
Software-Entwicklung
◮
Software-Management
◮
Software-Qualitätssicherung
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-35
Software-Entwicklung
◮
Planungsphase
◮
Definitionsphase
◮
Entwurfsphase
◮
Implementierungsphase
◮
Abnahme- und Einführungsphase
◮
Wartungs- und Pflegephase
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-36
Software-Management
◮
Planung
◮
Organisation
◮
Personaleinsatz
◮
Leitung
◮
Kontrolle
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-37
Software-Qualitätssicherung
◮
Qualitätssicherung
◮
Prüfmethoden
◮
Prozessqualität
◮
Produktqualität
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-38
Weitere Aspekte
◮
Werkzeuge, Computer Aided Software Engineering (CASE)
◮
Wiederverwendbarkeit von Software
◮
Modellierung, z. B. Unternehmensmodellierung
◮
Modellierungssprachen, z. B. UML
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-39
Unified Modelling Language
◮
UML (Unified Modelling Language) wurde in den 1990er
Jahren mit dem Ziel, eine einheitliche – auch grafische –
Notation für die objektorientierte Software-Entwicklung zur
Verfügung zustellen, definiert.
◮
Sie enthält ca. ein Dutzend verschiedener Modelltypen zur
Beschreibung der verschiedenen Systemaspekte.
◮
Entwickler der UML waren (und sind) Grady Booch, Ivar
Jacobson und James Rumbaugh.
◮
UML ist der De-facto-Standard für objektorientierte Analyse
und Design.
◮
Object Constraint Language (OCL) zur Formulierung von
Bedingungen.
◮
Für UML ist eine Vielzahl an Werkzeugen verfügbar.
◮
UML werden Sie in der Vorlesung „Software Engineering“ und
in Praktika gründlich kennen lernen.
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-40
Unified Modelling Language
◮
◮
Anwendungsfalldiagramme (Benutzersicht)
Implementierungsdiagramme (statische Systemstruktur)
◮
◮
◮
◮
Objekt- und Klassendiagramme, Paketdiagramme
Komponentendiagramme
Verteilungsdiagramme
Verhaltensdiagramme (dynamisches Systemverhalten)
◮
◮
◮
◮
Aktivitätsdiagramme
Kollaborationsdiagramme
Sequenzdiagramme
Zustandsdiagramme
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-41
Anwendungsfalldiagramme
◮
modellieren die Einbettung eines Systems in seine
Umgebung,
◮
beschreiben die Sicht auf Systemfunktionalität von außen und
◮
werden zur Spezifikation der globalen Systemanforderungen
eingesetzt.
Kreditkarten-Validierungssystem
Fuehre
Kartentransaktion
durch
Kunde
Haendler
Bearbeite
Rechnung
Einzelkunde
Firmenkunde
Verwalte
Kundenkonto
Finanzinstitut
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-42
Klassendiagramme
◮
stellen die statische Systemstruktur dar und
◮
beschreiben die Systemelemente und ihre Beziehungen
zueinander.
Bitmap
Bildschirm
zeichnen()
+Elemente
Pixel
x:Integer
y:Integer
Farbe:Colour
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
Quadrat
Dreieck
Icon
5-43
Sequenzdiagramme
◮
stellen die Abfolge der Nachrichten dar.
◮
Sie basieren auf „Message Sequence Charts“.
Reader
Librarian
System
hand_book
enter_book_data
update
[reserved] notify
acknowledge_librarian
acknowledge_reader
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-44
Object Constraint Language
◮
Object Constraint Language (OCL) ist eine Sprache, in der
z. B. Vor- und Nachbedingungen sowie Schleifeninvarianten
ausgedrückt werden können.
◮
OCL ist kein Bestandteil von UML, sondern ein Vorschlag für
eine Sprache zur Formulierung von Erläuterungen
(annotations). Prinzipiell kann hierfür jede Sprache, auch
Deutsch oder Englisch, verwendet werden.
◮
OCL basiert auf der Prädikatenlogik.
◮
Einige Typen von OCL: Void, Boolean, Integer, Real, String,
Tupel, Set, Ordered Set, Bag, Sequence.
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-45
Objektorientierte Programmiersprachen
Algol 60
andere PLs
Ada 83
Modula-2
Simula
Einfache Vererbung
Koroutinen
Abstrakte Datentypen
Keine Vererbung
Eiffel
OOPLs
Klassenkonzept
Vererbung
Smalltalk
C++
Java
sowie verschiedene OO-Derivate anderer
Programmiersprachen (Visual-Basic, Delphi)
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-46
Objektorientiertes Programmieren
◮
Identifizieren Sie die Klassen und die Beziehungen der
Klassen untereinander. Achten Sie auf Datenkapselung und
Wiederverwendbarkeit.
◮
Definieren Sie die Methoden. Denken Sie an die Möglichkeit
von abstrakten Methoden und Klassen.
◮
Attribute und Methoden, die unabhängig von Instanzen
existieren, sind als Klassenvariable bzw. -methoden zu
vereinbaren. In der Regel sollten Sie sich auf wenige
Klassenvariable und -methoden beschränken.
◮
Achten Sie auf Programmiersicherheit. Vergeben Sie nicht
mehr Zugriffsrechte als erforderlich (Geheimnisprinzip).
◮
Variable, die nicht verändert werden, sollten auch als
Konstante im Programm deklariert werden.
5.4 Objektorientierte Softwareentwicklung
5-47