Objektorientierte Programmierung in Java Inhalt Motivation

Inhalt
Objektorientierte
Programmierung in Java
Mark Giereth
Teil 1.
Grundlagen der Objektorientierung
Teil 2.
Einführung in Java
Teil 3.
Beispiel: Entwicklung eines kleinen
Web-Browsers und Eclipse-Demo
Objektorientierte Programmierung in Java, Mark Giereth
29.01.2004
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Motivation
• Datenorientierte Sichtweise:
• Gruppierung von Daten zu komplexen Typen
• Definition von Operationen, die Daten verarbeiten
• Daten vor inkonsistenten Veränderungen schützen, indem Zugriff
auf die Daten Beschränkt wird
Teil 1:
Grundlagen der Objektorientierung
• Wiederverwendung von Code
• Einfachere Anpassbarkeit von Code
• Bessere Wartbarkeit
• Die Wartung von Softwaresystemen nimmt den größten Teil des
Lebenszyklus ein und ist daher besonders kostenintensiv
• Objektorientierte Systeme ermöglichen einen strukturierteren
Systementwurf
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Objekte
Klassen und Instanzen
• (Software-)Objekte besitzen einen internen Zustand und
haben ein festgelegtes Verhalten
• Ein Objekt
• verwaltet seinen Zustand durch Variablen, Attribute genannt
• implementiert sein Verhalten durch Funktionen, Methoden
genannt
Attribute
(Zustand)
Methoden
(Verhalten)
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• Klassen sind Vorlagen für die Erzeugung von Objekten
• Jedes Objekt gehört einer Klasse an
• Die Attribute und Methoden der Objekte werden in der
zugehörigen Klasse definiert
• Die Klasse legt den Typ eines Objekts fest
• Alle Objekte einer Klasse besitzen dasselbe Verhalten, da sie
dieselbe Implementierung der Methoden besitzen
• Objekte einer Klasse werden auch als Instanzen (instance) oder
Exemplare bezeichnet
• Klassen können auch Methoden und Attribute besitzen, die für
die Klasse selbst und nicht für jede Instanz gelten. Diese werden
als Klassen-Methoden/-Attribute bezeichnet (im Gegensatz zu
Instanz-Methoden/-Attribute)
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Instantiierung
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Beispiel
Position y
• Die Erzeugung von Objekten wird Instantiierung
(instantiation) genannt
setze y
• Es wird Speicherplatz für das Objekt auf dem Heap allokiert
(abhängig von den Datentypen der Attribute)
• Bei der Instantiierung wird ein Konstruktor (spezielle Methode)
ausgeführt, der die Initialisierung des Objekts vornimmt
• Es werden den Attributen Werte zugeordnet, wodurch der
Zustand des Objekts definiert wird
Klasse
Position x
lese y
lese x
zeichne
Figur
setze x
berechne
Fläche
Geometrische Figur
Position y = -11
Position y = 10
Position x = 30
Position x = 20
• entweder definiert durch den Konstruktor
• oder Default-Werte (0 für Zahlen, null für Referenzen, etc.)
Instanz 1
• Die Instantiierung eines Objekts erfolgt mit dem new-Operator
Instanz 2
Figur 1
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Figur 2
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UML Notation
Vererbung
Position y
• Die Unified Modeling
Language (UML) ist eine
Notation zur Spezifikation
und Visualisierung von
Modellen für
Softwaresysteme
• In den folgenden Folien
werden Klassendiagramme
zur Beschreibung von
Klassen und deren
Beziehungen untereinander
verwendet
setze y
• Vererbung (inheritance) ist ein Konzept, wodurch
Attribute und Methoden der Oberklasse auch den
Unterklassen zugänglich gemacht werden
• Vererbungsbeziehungen zwischen Klassen stellen
Generalisierungs- bzw. Spezialisierungsbeziehungen dar
Position x
lese y
lese x
zeichne
Figur
setze x
berechne
Fläche
Geometrische Figur
GeomFigure
x:int
y:int
Klassenname
Attribute
GeomFigure()
setX(x:int):int
setY(y:int):int
getX():int
getY():int
getArea():float
drawFigure():void
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Oberklasse/
Superklasse
Methoden
und
Konstruktoren
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Vererbung
GeomFigure()
setX(x:int):int
setY(y:int):int
getX():int
getY():int
getArea():float
drawFigure():void
Rectangle()
setWidth(x:int):int
setHeight(y:int):int
getWidth():int
getHeight():int
Circle
radius:int
Circle()
setRadius(x:int):int
getRadius():int
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Circle
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• Hat eine Methode einer Subklasse die gleiche Signatur
einer Methode der Superklasse, so wird die
Superklassenmethode überschrieben (overriding)
• Gibt es mehrere Methoden mit demselben Namen aber
mit unterschiedlichen Signaturen, so spricht man von
Überladen (overloading) Aber: Methoden müssen
denselben Rückgabewert haben!
• Ein Objekt einer Unterklasse (z.B. Rechteck, Kreis) kann
auch einer Variablen vom Typ der Oberklasse (z.B.
GeomFirgure) zugewiesen werden (upcasting)
width:int
height:int
GeomFigure
Rectangle
Vererbung
Rectangle
x:int
y:int
Unterklassen/
Subklassen
GeomFigure
Vererbungsbeziehung als
nichtausgefüllter Pfeil von der
Unter- zur Oberklasse
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Abstrakte Klassen und
Interfaces
Abstrakte Klassen
• Abstrakte Klassen sind Klassen, die mindestens eine
abstrakte Methode haben
• Abstrakte Methoden besitzen keine Implementierung.
• Von abstrakten Klassen können keine Instanzen
erzeugt werden
• Unterklassen müssen entweder die abstrakten Methoden
implementieren oder sind ebenfalls abstrakt
• Interfaces sind abstrakte Klassen, die nur aus
abstrakten Methoden bestehen. Sie repräsentieren eine
definierte Schnittstelle als eine Menge von welche die
jeweilige Klasse implementieren muss Methoden.
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Rectangle
GeomFigure
{abstract}
width:int
height:int
x:int
y:int
GeomFigure()
setX(x:int):int
setY(y:int):int
getX():int
getY():int
getArea():float {abstract}
drawFigure():void {abstract}
Da für getArea() und drawFigure() keine
sinnvolle Implementierung möglich ist,
werden diese Methoden als abstract
gekennzeichnet und müssen von allen
nicht abstrakten Unterklassen
implementiert werden.
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Rectangle()
setWidth(x:int):int
setHeight(y:int):int
getWidth():int
getHeight():int
getArea():float
drawFigure():void
Circle
radius:int
Circle()
setRadius(x:int):int
getRadius():int
getArea():float
drawFigure():void
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Zusammenfassung
• Objekte
• besitzen Attribute und Methoden
• gehören einer Klasse an
Teil 2:
Einführung in Java
• Klassen
• legen Methoden und Attribute der Objekte fest
• können Klassen-Methoden/-Attribute besitzen
• können abstrakt sein
• Instantiierung
• Objekte werden auf dem Heap erzeugt
• den Attributen werden Werte zugeordnet
• Konstruktoren werden ausgeführt
• Vererbung
• Attribute und Methoden der Oberklasse werden den Unterklassen
zugänglich gemacht
• Interfaces
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Objektorientierte Programmierung in Java, Mark Giereth
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Eigenschaften von Java (1)
Eigenschaften von Java (2)
• Java ist plattformunabhängig
• Java-Code wird mit einem Java-Compiler (javac) in
plattformunabhängigen Bytecode überführt
• Bytecode wird von einer Java Virtual Machine (JVM) teils
interpretiert teils zur Laufzeit in Maschinencode kompiliert (JustIn-Time-Compiler in JVM integriert)
• → Für jede unterstützte Plattform muss es eine JVM geben
Source
Compiler
JVM Solaris
JVM Linux
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...
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Java API
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• Java Applications
• Laufen in einer JVM, die von Betriebssystemebene
aus gestartet wird
• Zugriff auf alle lokalen Ressourcen
Datenbankunterstützung (java.sql)
Netzwerkunterstützung (java.net)
Unterstützung für verteilte Systeme (java.rmi)
2D Graphik (java.awt)
Collektionframework (java.util)
XML Unterstützung (javax.xml)
Graphische Benutzeroberflächen (javax.swing)
• Java Applets
• Laufen in der JVM des Browsers (bzw. in dem JVM
Plug-in des Browsers)
• Werden in HTML-Seiten eingebunden
• Hohe Sicherheitsbeschränkungen (kein Zugriff auf
lokale Ressourcen wie Filesystem, Drucker, etc.)
• Java Servlets
• Java Klassen sind in Packages organisiert
• Laufen in einer JVM eines Webservers
• Dynamisches erzeugen von Web-Seiten
• Ein Package gibt den Namensraum einer Klasse an z.B.
java.lang.String
Objektorientierte Programmierung in Java, Mark Giereth
keine Pointer
keine Destruktoren sondern automatische Garbage Collection
keine Mehrfachvererbung
kein Operator-Overloading
Arten von Java Programmen
• Es existiert eine rießige Anzahl von vordefinierten
Klassen, die mit der Java Umgebung ausgeliefert
werden, z.B.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
• Bytecode Verification
• Security Manager und Security Policies erlauben
feinkörnige Rechtevergabe für Java-Programme
• Exception Handling
• Thread-Sicherheit in die Sprache integriert
Bytecode
JVM Windows
Java wurde auf Sicherheit und Robustheit hin entwickelt:
• Fehleranfällige Sprachkonstrukte fehlen:
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Beispiel für eine komplexe
Java Application
Hello World Application
public class Hello {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World");
}
}
• Speichern als Textdatei Hello.java
• Aufruf des Java-Compilers: javac Hello.java
→ erzeugt die Bytecode-Datei Hello.class
• Ausführen des Bytecodes: java Hello
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Objektorientierte Programmierung in Java, Mark Giereth
Hello World Applet
import java.applet.Applet;
import java.awt.Graphics;
public class HelloApplet extends Applet {
public void paint(Graphics g) {
g.drawString("Hello World", 5, 20);
}
}
<html>
<head><title>HelloApplet Test</title></head>
<body>
Hier kommt das Applet:
<applet code="HelloApplet.class" codebase="."
width="500" height="100"></applet>
</body>
</html>
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Java Basics
.java
Datei
•
•
•
•
Klassen- und Interface-Definition
Datentypen
Variablen- und Methodendeklaration
Kontrollfluss
• Bedingungen (if-then, if-then-else, switch)
• Schleifen (while, do, for)
.html
Datei
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• Exception Handling
• throws, throw, try-catch
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Klassen und Interfaces
Datentypen
[public] [abstract] class Klassenname
[extends Klassenname] [implements Interfacenamen] {
...Klassen/Instanz Attribute...
...Konstruktoren...
...Klassen/Instanz Methoden...
}
[public] interface Interfacename
[extends Interfacename] {
...Klassen Attribute...
...Instanz Methoden...
}
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Variablendeklaration
int x;
int[] vector = new int[3];
boolean b = true;
char c = 'A';
String text = "Hallo Welt";
≡ String text = new String("Hallo Welt");
• GeomFigure f = new GeomFigure();
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Die String-Klasse bildet
eine Ausnahme: obwohl
String ein Referenttyp ist,
können String Instanzen
mit Variable="Text"
instanziiert werden.
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•
•
•
•
Ganze Zahlen: long(64 bit), int(32), short(16), byte(8)
Gleitkommazahlen: double (64 bit), float (32 bit)
boolean
char (16 bit Unicode character)
• Referenztypen
•
•
•
•
Classes (z.B. String), Arrays, Interfaces
Die Konstante null bezeichnet die leere Referenz
Referenztypen werden mit dem new-Operator erzeugt
Zuweisung eines Referenztyps kopiert den Verweis
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Methoden
Typename Variablenname [Wertzuweisung] ;
•
•
•
•
•
• Elementare Typen
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[private|public|protected] Typename Methodenname
(Argumentenliste) [throws Exception] {
...Methodenrumpf...
}
• void sayHello() throws NoVoiceEx {System.out.println("Hallo Welt"); }
• public String toString() {System.out.println("Hallo Welt"); }
• protected int setPosition(int x, int y) {m_x=x; m_y=y; }
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Methodenaufruf
Zugriffsbeschränkungen
Objekt.Methode(Argumente);
Kennzeichnung
private
protected
public
keine Angabe
Objekt
...
String text = "Hallo Welt";
String hallo = text.substring(1,5);
System.out.println(hallo);
...
text.substring(1,5).indexOf("llo");
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Methode
Argumente
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Klassen
nur die Klasse selbst
auch alle Unterklassen
alle Klassen
alle Klassen des Packages
(package private)
• keine "friend" Deklarationen wie in C++
• Anwendung: Methoden, Attribute, Klassen
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Bedingungen
if (Ausdruck) {
... then-Block...
} else {
... else-Block...
}
Beispiel:
if (x<0) {
y = -x;
} else {
y = x;
}
Beispiel:
switch(x){
case 1: System.out.println("eins");
break;
case 2: System.out.println("zwei");
break;
default: System.out.println("?");
}
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Schleifen
switch (Int-Ausdruck) {
case wert1: block1; break;
case wert2: block2; break;
default: default-block
}
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UML
#
+
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while (Ausdruck) {
... Schleifenrumpf...
}
for (Init, Ausdruck, Schritt) {
... Schleifenrumpf...
}
Beispiel:
int x=10;
while(x>0) {
System.out.println(x);
x=x-1;
}
Beispiel:
for(int x=10; x>10; x=x-1) {
System.out.println(x);
}
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Exception Handling
Die Klasse GeomFigure
...
public static String readFile(String filename) throws IOException {... }
...
public static void main(String[] args) {
String content = "";
if (args != null && args.length > 0) {
try {
content = readFile(args[0]);
System.out.println(content);
} catch (IOException e) {System.err.println("Fehler: "+e);}
}
}
public class GeomFigure {
GeomFigure
// Attribute: x-/y-Koordinate
#myX:int
protected int myX, myY;
#myY:int
public GeomFigure() {} // Konstruktor
+GeomFigure()
// Methoden:
+setX(x:int)
+setY(y:int)
public int getX() {return myX; }
+getX():int
public int getY() {return myY; }
+getY():int
public void setX(int x) {myX=x; }
+toString():String
public void setY(int y) {myY=y; }
public String toString() {
return new String("["+myX+","+myY+"]");
}
}
Objektorientierte Programmierung in Java, Mark Giereth
Objektorientierte Programmierung in Java, Mark Giereth
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Die Klasse GeomApp
• Spezielle Methoden zur Initialisierung, die
bei der Instanziierung aufgerufen werden
• Konstruktoren haben denselben Namen
wie die Klasse und keinen Rückgabewert
• Konstruktoren können Parameter haben
• Jede Klasse hat einen impliziten DefaultKonstrutor, der keine Parameter hat
• Jeder Konstruktor ruft implizit den
Konstruktor der Superklasse auf: super()
Ausnahme: hat die Superklasse keinen
öffentlichen Konstruktor
• Durch explizite Angabe kann ein
entsprechender Konstruktor der
Superklasse ausgewählt werden
Ausgabe:
[10,20]
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Konstruktoren
public class GeomApp {
public static void main(String[] args) {
GeomFigure f = new GeomFigure();
f.setX(10);
f.setY(20);
System.out.println(f.toString());
}
}
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Objektorientierte Programmierung in Java, Mark Giereth
GeomFigure
#myX:int
#myY:int
+GeomFigure()
+GeomFigure(x:int,y:int)
+GeomFigure(p:GeomFigure)
+setX(x:int):int
+setY(y:int):int
+getX():int
+getY():int
+toString():String
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Die Klasse GeomFigure
Die Klasse GeomFigure
public class GeomFigure {
// Attribute: x-/y-Koordinate
protected int myX, myY;
...
GeomFigure f1 = new GeomFigure(10,20);
GeomFigure f2 = new GeomFigure(f1);
System.out.println("f1:"+f1.toString()+", f2:"+f2.toString());
...
// Konstruktoren:
public GeomFigure() {}
public GeomFigure(int x, int y) {myX=x; myY=y; }
public GeomFigure(GeomFigure f) {myX=f.myX; myY=f.myY; }
Ausgabe:
f1:[10,20], f2:[10,20]
// Methoden ...
}
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Die Klasse Square
+GeomFigure()
+GeomFigure(x:int,y:int)
+GeomFigure(p:GeomFigure)
+setX(x:int):int
+setY(y:int):int
+getX():int
+getY():int
+toString():String
Square
+Square(a:int)
+Square(p:GeomFigure,a:int)
+setLength(a:int):void
+getLenght():int
+getArea():float
+toString():String
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public class Square extends GeomFigure {
Ist a Attribut
// Attribute
oder Argument?
private int a;
this.a
// Konstruktoren
public Square (GeomFigure f, int a) {super(f); this.a=a; }
public Square (int a) {super(); this.a=a; }
// neue Methoden
public int getLength() {return a; }
this gibt die
Referenz auf
public void setLength(int a) {this.a=a; }
dieses Objekt an,
public float getArea() {return a*a; }
super auf die
// überschriebene Methoden
Implemtierung der
Superklasse
public String toString() {
return "[x/y:"+super.toString()+"a:"+a+"]"; }
}
-a:int
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Die Klasse Square
GeomFigure
#x:int
#y:int
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Die Klasse GeomApp
Überschreiben von Methoden
public class GeomApp {
public static void main(String[] args) {
GeomFigure f = new GeomFigure (10,20);
GeomFigure f2 = new Square(f,5); // Square ist ein
GeomFigure
// getArea() nicht definiert für GeomFigure ->
Downcasting
// sicheres Downcasting mit: if(f2 instanceof Square)...
float a= ((Square)f2).getArea();
System.out.println(f2.toString() + " area: "+a);
}
}
Objektorientierte
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Ausgabe:
• Hat eine Methode einer Subklasse die gleiche Signatur einer
Methode der Superklasse, so wird die Superklassenmethode
überschrieben (overriding)
• GeomFigure definiert eine Methode toString():
• String toString() {return new String("["+x+","+y+"]");
• Square überschreibt die Methode:
• String toString() {return "[x/y:"+super.toString()+"a:"+a+"]"); }
• Auswirkung:
• GeomFigure f2 = new Square(new GeomFigure(10,20),5);
System.out.println(f2.toString()); // Ergebnis [x/y:[10,20], a:5]
• Obwohl die Variable f2 vom Typ GeomFigure ist, referenziert sie
ein Objekt vom Typ Square, dessen toString() Methode
ausgeführt wird
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Überladen von Methoden
static String read(String filename) {...}
static String read(String filename, String path) {...}
static String read(File file) {...}
• Gibt es mehrere Methoden mit demselben Namen aber
mit unterschiedlichen Signaturen, so spricht man von
Überladen (overloading)
String f = "Hallo.java";
String content = read(f);
Teil 3:
Entwicklung eines kleinen Web-Browsers
Eclipse Demo
ruft erste Variante auf, da
f vom Typ String ist.
Eclipse im Web:
http://www.eclipse.org
• Beispiel: System.out.println(...)
• (siehe APIDokumentation)
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44
Ausschnitt aus Swing/AWTKlassenhierarchie
Swing GUI Komponenten
• Toplevel Container:
• JDialog, JFrame, ...
• General Purpose Container:
• JSplittPane, JTabbedPane, JScrollPane, ...
• Basic Controls:
• JButton, JMenu,
JTextField, JSlider,...
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Container
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Beispiel: Web Browser
• Können andere Komponenten enthalten
• Beispiel: Toplevel-Container JFrame
JFrame
JTextField
JEditorPane
JButton
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Schritt 1
Schritt 2
public static void main(String[] args) {
// erzeuge Anwendungsfenster:
JFrame frame = new JFrame("MiniBrowser");
// erzeuge GUI Komponenten:
JTextField field = new JTextField();
JEditorPane editor = new JEditorPane();
JButton button = new JButton("refresh");
// definiere Layout und füge Komponenten hinzu:
frame.getContentPane().setLayout(new BorderLayout());
frame.getContentPane().add(field, BorderLayout.NORTH);
frame.getContentPane().add(editor, BorderLayout.CENTER);
frame.getContentPane().add(button, BorderLayout.SOUTH);
// setze Größe und zeige Frame an:
frame.setSize(400,200);
frame.setVisible(true);
}
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Schritt 3
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Links und Literatur
public class WebBrowser extends JFrame implements ActionListener {
...
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
System.out.println("URL: "+field.getText());
try {
editor.setPage(field.getText());
} catch (IOException e1) {
e1.printStackTrace();
}
}
}
• Java Hauptseite:
• http://java.sun.com
• Java Tutorials:
• http://java.sun.com/developer/onlineTraining/
• David Flanagan: "Java in a Nutshell",
O'Reilly, 11/2002, 1104 Seiten,
• Alexander Niemann:"Objektorientierte
Programmierung in Java. Das
Einsteigerseminar", vmi Buch, 12/2002,
400 Seiten,
Bücher
Objektorientierte Programmierung in Java, Mark Giereth
public class WebBrowser extends JFrame {
private JTextField field = new JTextField();
private JEditorPane editor = new JEditorPane();
private JButton button = new JButton("refresh");
public static void main(String[] args) {
public WebBrowser() {
JFrame frame = new WebBrowser();
super();
frame.setSize(400, 200);
setTitle("Mini Browser");
frame.setVisible(true);
button.addActionListener(this);
}
editor.setEditable(false);
getContentPane().setLayout(new BorderLayout());
getContentPane().add(field, BorderLayout.NORTH);
getContentPane().add(editor, BorderLayout.CENTER);
getContentPane().add(button, BorderLayout.SOUTH);
}
}
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Kompaktkurs Java
• In der vorlesungsfreien Zeit nach dem Sommersemester
• 7 Tage Java in kompakter Form, kombiniert mit Übungen
• Inhalt:
• Tag 1+2: Die Programmiersprache Java
• Tag 3: Objektorientierte Analyse und Design, UML,
Entwurfsmuster
• Tag 4: GUI Entwicklung: Swing, AWT, Java2D
• Tag 5: Datenbankanbindung mit JDBC, Einführung in SQL
• Tag 6: Java Servlets und Java Server Pages
• Tag 7: Java APIs für XML
• Im Anschluss: 7 Tage XML Kompaktkurs
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