Informatik 2
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Informatik 2 Einführung in Java und UML Prof. Dr.-Ing. Holger Vogelsang [email protected] Inhaltsverzeichnis Roter Faden (4) Übersicht (6) Übersicht: (12) Übersicht (13) Arbeitsschritte und Software (17) Klassen und Objekte (37) Fehlererkennung (90) Zusicherungen (97) Klassen und Objekte (109) Überladen von Methoden (119) Vererbung (124) Überschreiben von Methoden (156) Vererbung (183) Generische Klassen (193) Generische Methoden (206) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 2 Inhaltsverzeichnis Generische Klassen (206) Aufzähltypen (210) Regeln und Hinweise (216) Klassendiagramme (228) Fehlerbehandlung mit Ausnahmen (260) Funktionale Programmierung (276) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 3 Roter Faden Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 4 Roter Faden Grafische Oberflächen Übersicht Datenstrukturen ADTs Typinfo., I/O Annotationen JavaScript Prinzipien Holger Vogelsang Layouts Ereignisse Datenstrukturen in Java Laufzeittypinfo. Einstieg Zeichenoperationen Widgets Elementare Datenstrukturen Iteratoren Grafikwidgets Hashtabellen Effekte, Animationen Bäume Offene Punkte Graphen Ein-, Ausgabe Objekte Vererbung Module DOMZugriffe Informatik 2 - Einführung in Java und UML 5 Übersicht Literatur Java Christian Ullenboom: „Java ist auch eine Insel“, Rheinwerk Verlag GmbH (auch frei als „Open-Book“ unter http://openbook.rheinwerk-verlag.de/javainsel/) „Java 8 – Mehr als eine Insel“, Rheinwerk Verlag GmbH D. Ratz, J. Scheffler, D. Seese, J. Wiesenberger: „Grundkurs Programmieren in Java“, HanserVerlag R. C. Martin: „Clean Code“, mitp Cay S. Hortsmann, „Java 8 SE for the Really Impatient“, Addison-Wesley Objektorientierung allgemein B. Lahres, G. Raýman: „Objektorientierte Programmierung“, Rheinwerk Verlag GmbH (auch frei als „Open-Book“ unter http://openbook.rheinwerk-verlag.de/oop/) Konfigurationsmanagement und Build-Systeme G. Popp: „Konfigurationsmanagement mit Subversion, Maven und Redmine“, dpunkt Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 6 Übersicht Literatur UML (Objekt- und Klassendiagramme) M. Jeckle, C. Rupp, J. Hahn, B. Zengler, S. Queins: „UML 2 - glasklar“, Hanser-Verlag C. Kecher: „UML 2.5 – Das umfassende Handbuch“, Rheinwerk Verlag GmbH JavaFX C. Dea: „JavaFX 2.0: Introduction by Example“, Apress A. Epple, „Workshop JavaFX 8“, dpunkt.verlag GmbH D. Kupfer, C. Ebert: „JavaFX-Kompendium“, entwickler.press (Mai 2015) http://docs.oracle.com/javase/8/javase-clienttechnologies.htm Datenstrukturen G. Saake, K. Sattler: „Datenstrukturen und Algorithmen: Eine Einführung mit Java“, dpunkt JavaScript O. Zeigermann: „JavaScript für JavaEntwickler“, entwickler.press D. Flanagan: „JavaScript – kurz & gut“, O‘Reilly M. Haverbeke: „Eloquent JavaScript“, kostenlos unter http://eloquentjavascript.net/ JavaScript-Referenz: https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/JavaScript/Reference Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 7 Übersicht Entwicklungsumgebungen IDEs zur Java-Entwicklung Eclipse: http://www.eclipse.org mit zusätzlichen Plugins: Findbugs: In Eclipse Help Eclipse Marketplace, „Findbugs“ im Suchfeld eingeben und „Findbugs Eclipse Plugin” installieren Checkstyle zur Überprüfung der Code -Konventionen: In Eclipse Help Eclipse Marketplace, „Checkstyle“ im Suchfeld eingeben und „Checkstyle Plug-in” installieren SVN Team Provider: In Eclipse Help Eclipse Marketplace, SVN im Suchfeld eingeben und Subversive SVN Team Provider installieren SVN Connector: In Eclipse Help Install New Software Add… SVNConnector mit der Update Site http://community.polarion.com/projects/subversive/download/eclipse/3.0/kepler-site/ eingeben OK Im Baum links die neueste Version der SVNKit Implementation sowie des SVN Connectors auswählen und installieren. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 8 Übersicht Entwicklungsumgebungen Netbeans: http://www.netbeans.org IntelliJIDEA freie Community-Version: http://www.jetbrains.com/idea/ oder Ultimate Edition mit Lizenz der Hochschule: https://ilias.hskarlsruhe.de/goto.php?target=crs_99205&client_id=HSKA (Kursbeitritt erforderlich) IDEs zur JavaScript-Entwicklung Eclipse: http://www.eclipse.org mit WTP-Plug-ins WebStorm: http://www.jetbrains.com/webstorm/ (Lizenz-Information im Ilias) Ausprobieren kleinerer Code-Stücke: http://jsfiddle.net/ Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 9 Übersicht Modellierungswerkzeuge Leicht verfügbare Modellierungswerkzeuge Visual Paradigm for UML Frei verfügbare Community-Edition Lizenz für die Professional-Edition im Ilias: https://ilias.hskarlsruhe.de/goto.php?target=crs_32415&client_id=HSKA Download http://www.visual-paradigm.com/ keine Code-Erzeugung in der Community-Edition Magicdraw Frei verfügbare Community-Edition http://www.magicdraw.com/ Code-Erzeugung für C++, C# und Java (nicht Community-Edition) Borland Together http://www.borland.com/us/products/together/index.html Lizenz bei Frau Knodel in LI 136 Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 10 Übersicht Modellierungswerkzeuge UML Lab Kostenlose Studentenlizenz unter http://www.uml-lab.com/de/uml-lab/academic/ Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 11 Übersicht: Änderungen zum Wintersemester 2015/2016 und Arbeitsaufwand Änderungen keine Arbeitsaufwand Vorlesung: 4 ECTS-Punkte, 4 SWS ergeben 120 Stunden Aufwand (60 Stunden Präsenz, 60 Stunden eigenständige Arbeit) Arbeitsaufwand Übung: 3 ECTS-Punkte, 2 SWS ergeben 90 Stunden Aufwand (30 Stunden Präsenz, 60 Stunden eigenständige Arbeit) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 12 Übersicht Hinweise Markierungen Expertenkapitel (nicht klausurrelevant): Tafel-/ Rechnerübungen: Pacman-Beispiel: Holger Vogelsang Längeres Beispiel: Informatik 2 - Einführung in Java und UML 13 Übersicht Historie im Informatikstudium Bekannt sind aus „Informatik 1“: Datentypen Prozedurale Elemente einfache Klassen, Objekte Arrays Algorithmen zum Suchen und Sortieren Klassen in UML Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 14 Übersicht Durchgängiges Beispiel: Pacman-Klon Java und die Datenstrukturen werden anhand eines kleinen Spielfragmentes erläutert, einer Variation von Pacman: nur einen Level verändertes Spielfeld andere Punktezählung veränderter interner Aufbau, um alle wichtigen Techniken zeigen zu können fehlende Spielelemente des Originals teilweises anderes Verhalten der Figuren Vektor- statt Pixelgrafik plattformunabhängige Implementierung mit JavaFX Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 15 Übersicht Durchgängiges Beispiel: Pacman-Klon Spielfeld: Kirsche (Geister werden für eine gewisse Zeit ungefährlich und können gefressen werden) Tor zur anderen Seite Geist Essen Pacman Spielende: Pacman wurde von einem Geist gefressen, oder alle Essensrationen sind von Pacman gefressen worden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 16 Arbeitsschritte und Software Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 17 Arbeitsschritte und Software Motivation Bekannt aus Informatik 1: Schreiben einfacher Java-Programme Wie kann der Quelltext verwaltet werden? Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 18 Arbeitsschritte und Software Ausführbares Programm Erzeugen eines ausführbaren Programmes Quellcode Pacman.java Compiler Quellcode Cherry.java Compiler Quellcode Ghost.java Compiler Bytecode Pacman.class Bytecode Cherry.class Bytecode Ghost.class Archiv (Pacman.jar) jar Bilder/… Manifest.mf Manifest-Version: 1.0 Main-Class: de.Main Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 19 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung Warum sollen die Quelltexte nicht nur im Dateisystem des Entwicklers liegen? Gruppenarbeit: - Viele Entwickler arbeiten an einem Programm Zugriff auf deren Quelltexte. - Was haben die anderen Entwickler gemacht oder geändert? - Was habe ich an dem aktuellen Projekt geschrieben? Verbesserung der eigenen Arbeitsmöglichkeiten: - Automatisierte Sicherung: Was passiert bei Zerstörung der lokalen Daten? - Wiederherstellung eines alten Standes, wenn der neue „kaputtprogrammiert“ wurde „Undo“ zu einer bekannten Version Wieso sollen mehrere Versionen eines Programmes gepflegt werden? - Anpassungen für Kunden - Arbeit an alter Version (Korrekturen) und neuer Version (Erweiterungen) - Vergleich unterschiedlicher Versionen was hat sich geändert? Jede neue Version einer Datei erhält eine Versionsnummer. Ziel: Speicherung in einem zentralen „Repository“. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 20 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung Einflüsse während der Programmentwicklung: viele Klassen und Dokumente viele Entwickler Projekt viele Versionen Holger Vogelsang viele unterschiedliche Arbeitsplätze Informatik 2 - Einführung in Java und UML 21 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung Grafischer Versionsvergleich: Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 22 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung Lösung: Unterstützung der Entwicklung durch eine Versionsverwaltung. Auswahl: RCS/CVS: veraltet SVN: sehr häufig im Einsatz, ein zentraler Server Git: manchmal als Nachfolger von SVN gesehen, verteilte Datenhaltung auf mehreren Servern, oft in Open-Source-Projekten, in Firmen noch selten anzutreffen Team Foundation Version Control: reine Microsoft-Lösung In Informatik 2 und im Softwarelabor: Arbeit mit Subversion (SVN) Genauere Einführung z.B. unter http://svnbook.red-bean.com/ Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 23 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung Interne Speicherung im Repository: Es wird normalerweise nicht jede Version komplett abgelegt. Statt dessen speichert ein Repository die Unterschiede („Deltas“). Subversion kennt beide Varianten + komplette Speicherung nach Bedarf. Version 1 Version 2 Deltas Version 3 Version 4 Version 1 (alt) als vollständige Datei Version 2 Version 5 (aktuell) als vollständige Datei Rückwärtsdelta: schnelleres Auslesen Holger Vogelsang Version 3 Version 4 Version 5 Vorwärtsdelta: schnelleres Schreiben Informatik 2 - Einführung in Java und UML 24 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung Wichtigste Aktionen für die Arbeit mit Subversion: Share: einmalig Projekt im Repository anlegen, eventuell lokales Projekt übergeben Check out (einmalig für ein Projekt): Projekt aus dem Repository in ein lokales Verzeichnis kopieren Commit: lokal erzeugte Änderungen im Repository ablegen Update: zwischenzeitliche Änderungen im Repository in das lokale Verzeichnis übernehmen Für alle Schritte gibt es Kommandozeilenwerkzeuge sollen hier nicht betrachtet werden. Die wichtigsten lassen sich auch mit IDE-Plugins durchführen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 25 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Installation in Eclipse) Arbeit mit SVN Jetzt kann mit Window Open Perspective SVN Repository Exploring die Ansicht aller SVN-Server angezeigt werden (ist leer). Im rechten Fenster SVN Repositories lässt sich durch Rechtsklick mit New Repository Location ein neuer Server einrichten. Für den an der Hochschule müssen Sie folgendes eintragen: URL: http://www.iwi.hs-karlsruhe.de/I/svn/<user>/ <user>: Ihr IZ-Benutzername Als Nutzernamen und Password geben Sie Ihren IZ-Account ein. Save authentication ist auf eigenen Rechnern ganz praktisch, damit Sie sich nicht immer neu anmelden müssen. Holger Vogelsang Informatik 2 – Versionsverwaltung mit SVN 26 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Projekt anlegen) Projekt anlegen Wenn das Projekt bisher nur lokal existiert, muss es im Repository angelegt werden. Dann können alle anderen Entwickler mit der entsprechenden Berechtigung darauf zugreifen. share ProjektXYZ Projekt auf dem lokalen Arbeitsplatz-PC ProjektXYZ Repository auf dem Server mit dem neuen Projekt http://www.iwi.hs-karlsruhe.de/I/svn/<user>/ProjektXYZ/trunk Repository Root Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML Projekt-Pfad 27 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Projekt anlegen) Ablauf in Eclipse: Rechtsklick auf das Projekt Dann Team und Share Project auswählen. SVN und im nächsten Dialog Ort des Repositorys auswählen, Simple Mode ist für uns ausreichend Kommentar eingeben und auf Finish klicken Empfohlener Aufbau eines Projektarchivs (Repository) auf dem Server: /Projektname/trunk: Hauptentwicklungslinie des Projektes /Projektname/branches: Alternative Entwicklungen wie z.B. spezielle Anpassungen für einen Kunden, Wechsel auf neue Technologie, … /Projektname/tags: Kopie der Hauptentwicklungslinie oder einer Verzweigung zu einem bestimmten Zeitpunkt. - Wird z.B. angelegt, wenn eine neue Version an den Kunden ausgeliefert wird. Dann kann ein Tag mit dem Namen der Version erzeugt wird („Version 1.0“). - Ein Tag hat keine bestimmte Bedeutung. Er erlaubt aber, bestimmte Versionen mit einem leicht erkennbaren Namen zu versehen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 28 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Check out) Checkout: Daten aus dem Repository auf den lokalen PC kopieren (einmalig) Check out Entwickler Holger Vogelsang lokale Kopie des Quelltextes Informatik 2 - Einführung in Java und UML Repository auf dem Server mit allen Versionen des Quelltextes + zusätzlichen Binärdateien 29 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Check out) Ablauf in Eclipse: Wechsel in die Ansicht SVN Repository Exploring Rechtsklick auf die gewünschte Version des Projektes Check Out wählen Arbeit auf der lokalen Kopie des Projektes Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 30 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Commit) Commit: Lokale Änderungen in das Repository übertragen Änderungen eintragen, Konflikte lösen Entwickler Holger Vogelsang lokale Kopie des Quelltextes Informatik 2 - Einführung in Java und UML Repository auf dem Server mit allen Versionen des Quelltextes + zusätzlichen Binärdateien 31 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Commit) Ablauf in Eclipse: Nach den lokalen Änderungen übertragen die Entwickler die neuen Daten in das Repository. Rechtsklick auf das Projekt (z.B. in der Java -Ansicht) oder Rechtsklick auf einzelne Pakete/Klassen Dann Team und Commit auswählen. Die Änderungen sollten unbedingt mit einem Kommentar versehen werden. Der Kommentar beschreibt, was an der Datei geändert wurde („Fehler xyz behoben“, …). Nur geänderte Daten werden geschrieben. Sie erhalten dabei eine neue Versionsnummer (siehe SVN Repository Explorer). Was passiert, wenn ein anderer Entwickler die Datei bereits verändert hat? Es ist eine Konfliktbehandlung erforderlich. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 32 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Commit) Konfliktbehandlung: 1. Kopieren-Ändern-Zusammenführen-Modell - Auschecken einer Version aus dem Projektarchiv: Eine Kopie der Daten wird auf den Client kopiert. - Arbeit auf den Client-Dateien - Einchecken der Änderungen auf den Server: Die Änderungen werden dort gespeichert, Konflikte müssen behoben werden. Konflikte? • Was passiert, wenn ein anderer Entwickler dieselbe Datei verändert hat? • Möglichkeiten: – Änderungen zusammenführen – eigene Datei überschreibt die auf dem Server – eigene Änderungen werden verworfen – … • Der SVN-Client hilft beim Zusammenführen beider Versionen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 33 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Commit) 2. Sperren-Ändern-Entsperren-Modell - Zur Konfliktvermeidung lassen sich Dateien auf dem Server gegen Änderung sperren nicht sehr gerne gesehen (insbesondere wenn Sie in den Urlaub fahren und die Sperre vergessen). - Bei Binärdateien, die nicht sinnvoll zusammengeführt werden können, ist das Modell aber durchaus sinnvoll. - Häufig kann ein Administrator Sperren wieder entfernen. - Verwendung: • Rechtsklick auf eine Datei oder ein Verzeichnis, Team und Lock… auswählen. • Danach die Dateien bearbeiten. • Abschließend nach einem Commit mit Team und Unlock… wieder freigeben. In der Praxis hat sich gezeigt, dass das Kopieren-Ändern-Zusammenführen-Modell wenig Probleme bereitet: Nicht jeder Entwickler arbeitet gleichzeitig an allen Projektteilen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 34 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Update) Update: Zwischenzeitliche Änderungen aus dem Repository übernehmen Update Entwickler Holger Vogelsang lokale Kopie des Quelltextes Informatik 2 - Einführung in Java und UML Repository auf dem Server mit allen Versionen des Quelltextes + zusätzlichen Binärdateien 35 Arbeitsschritte und Software Versionsverwaltung (Update) Während der Arbeit oder nach einer Pause haben andere Entwickler eventuell neue Versionen im Repository abgelegt. Vor einer Änderungen in der eigenen lokalen Kopie sollte sie aktualisiert werden, damit nicht ein alter Stand verändert wird. Ablauf in Eclipse: Rechtsklick auf ein Paket, eine Klasse, eine Ressource oder das Projekt, dann Team und Synchronize with Repository auswählen. Eine weitere Ansicht zeigt die Änderungen, die übernommen werden können. Weitere Funktionen: siehe weiterführende Literatur (insbes. „ Merge“ verschiedene Entwicklungszweige und Kollisionsbehandlung beim „Commit“) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 36 Klassen und Objekte Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 37 Klassen und Objekte Objekte Einige Objekte im Pacman-Spiel Pacman die Geister 1 bis 4 einzelne Kirschen das Spielfeld Einige Eigenschaften von Objekten (Zustandsinformationen) Pacman: bewegt sich nach oben, öffnet den Mund Geist 1: ist gefährlich, befindet sich auf Zelle (2,3), bewegt sich nach unten und hat eine gewisse „Intelligenz“ Geist 2: ist gefährlich, befindet sich auf Zelle (12,5), bewegt sich nach links und hat ebenso eine gewisse „Intelligenz“ Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 38 Klassen und Objekte Objekte Objekte kommunizieren (Verhalten) Das Spielfeld sagt zu Pacman: „Bewege Dich nach oben“ Quellobjekt (Spielfeld) schickt dem Ziel (Pacman) eine Nachricht. Objekte unterscheiden sich (Identität) Geist 1 ist nicht Geist 2. Alle Objekte sind eindeutig unterscheidbar! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 39 Klassen und Objekte Objekte Definition: Objekt Ein Objekt ist eine konkret vorhandene Einheit mit folgenden Merkmalen: Identität: Alle Objekte lassen sich eindeutig unterscheiden (z.B. durch die Referenz). Zustand (Daten): - Alle Attributwerte des Objektes. Der Typ der Attribute wird durch die Klasse festgelegt. - Der Zustand ist nur durch das Objekt selbst veränder- und sichtbar, nicht aber von außen. - Beziehungen zu anderen Objekten. Eigenschaften (Properties): - Sie können von außen abgefragt werden. - Sie werden unter Umständen aus Daten berechnet, sind aber selbst keine Daten (z.B. Alter = Datum - Geburtsdatum). Verhalten: Festgelegt durch Methoden der Klasse des Objektes. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 40 Klassen und Objekte Klassen Definition: Klasse (im Implementierungsmodell) Eine Klasse ist die Definition der Attribut-, Eigenschaftstypen und Operationen einer Menge von Objekten. Definition: Attribut (auch Instanzvariable genannt) Ein Attribut ist eine Eigenschaft eines Objektes. Es kann ein Datenelement oder ein berechneter Wert (=abgeleitetes Attribut) sein. Ein Attribut kommt in allen Objekten der Klasse vor. Der Wert des Attributs kann in den Objekten unterschiedlich ausfallen. Ein Attribut kann nicht ohne das zugehörige Objekt leben. Ein Attribut hat keine Identität. In der Vorlesung wird der Begriff „Attribut“ immer für ein Datenelement verwendet. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 41 Klassen und Objekte Klassen Definition: Operation Eine Operation legt fest, welche Funktionalität ein Objekt bereitstellt. Unterstützt ein Objekt eine bestimmte Operation, so sichert es einem Aufrufer zu, dass es bei einem Aufruf die Operation ausführen wird. Durch die Signatur der Operation wird die Syntax des Aufrufs vorgegeben (Typen der Parameterwerte). Die Operation gibt Zusicherungen darüber, welche Resultate die Operation haben wird. Die Operation beinhaltet keine Implementierung. Sie beschreibt „lediglich“ Schnittstelle (Signatur) und Zusicherung nach außen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 42 Klassen und Objekte Klassen Definition: Methode Eine Methode ist die konkrete Implementierung einer Operation. Während Operationen die Funktionalität nur abstrakt definieren, sind Methoden für die Realisierung dieser Funktionalität zuständig. In der Vorlesung wird die strenge Kategorisierung von Methode und Operation nicht immer aufrechterhalten. Hier wird häufig „Methode“ als Synonym für beide Begriffe verwendet. „Operation“ wird dort verwendet, wo es speziell auf den reinen Signaturcharakter ankommt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 43 Klassen und Objekte Klassen und Objekte (Pacman-Beispiel) Beispiel zu Klasse und Objekt (unvollständiges Beispiel) Klassenname Attribute Operationen Holger Vogelsang Ghost -x: int -y: int -direction: Direction +setX(x: int) +setY(y: int) +paint(cvs: Canvas, cellWidth: int, cellHeight: int) geist1: Ghost x = 2 y = 3 direction = UP geist2: Ghost Attributwerte Informatik 2 - Einführung in Java und UML x = 12 y = 3 direction = DOWN 44 Klassen und Objekte Objektorientierte Sichtweise Idee der Kapselung (Information hiding) Die Implementierung der Datenstrukturen und Algorithmen innerhalb einer Klasse wird gegenüber den Aufrufern „versteckt“. Sie kann nach außen unsichtbar verändert werden. Methoden Attribute Objekt Aufruf Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 45 Klassen und Objekte Objektorientierte Sichtweise Vorteile der Kapselung: Interne Zustände und deren Abhängigkeiten bleiben nach außen verborgen Leichtere Konsistenzhaltung der Daten. Bei Zustandsänderung müssen häufig noch andere Operationen ausgeführt werden. Beispiel: - Im Pacman-Spiel wird die Farbe einer Figur geändert. Die Farbe ist ein Attribut der Figur. - Danach muss die Figur neu gezeichnet werden. - Bei sauberer Kapselung wird durch die Farbänderung automatisch das Neuzeichnen ausgelöst. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 46 Klassen und Objekte Objektorientierte Sichtweise Funktioniert die Kapselung immer? Beispiel: Im Pacman-Spiel werden einzelne Figuren auf dem Spielfeld platziert. Die Figuren haben Attribute wie „Farbe“, „Bewegungsrichtung“ und „Position“. Der aktuelle Spielstand soll auf Festplatte gespeichert werden Zugriff auf die Attribute zum Speichern notwendig. Konsequenz: Jede Figur müsste selbst speichern Verteilung der Speicherfunktionalität auf viele Klassen sehr unschön. Eine Klasse speichert, muss aber auf die privaten Attribute der Figuren zugreifen Aushebelung der Kapselung? Nein: Kapselung ist immer auf einen Aufgabenbereich beschränkt. Speicherung ist eine andere Aufgabe, darf also auf die privaten Daten zugreifen. Das gilt aber nicht für Klassen, die für das Zeichnen verwendet werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 47 Klassen und Objekte Zugriffsrechte Zugriffsrechte private: Auf private Attribute oder Methoden dürfen nur Methoden der eigenen Klasse zugreifen. public: Auf öffentliche Attribute und Methoden dürfen alle Methoden anderer Klassen zugreifen. protected: für Vererbung (kommt später ...) <keine Angabe>: Paketrecht (kommt später …) Die Rechte gelten auf Klassenebene: Ein Objekt einer Klasse darf auf private Attribute eines anderen Objektes derselben Klasse zugreifen! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 48 Klassen und Objekte Klassen in UML Vereinfachte Darstellung von Klassen in UML: Klassenname Ghost - x: int - y: int - count: int Attribute + paint(p: Canvas, x: int, y: int) + setX(x: int) + setY(y: int) Operationen statisches Attribut Attribut (Angaben in eckigen Klammern sind optional): [Sichtbarkeit][/]Name[:Typ][Multiplizität][=Vorgabewert] [{Eigenschaft}] Sichtbarkeit/Zugriffsrecht: #: geschützt (protected) -: privat (private) +: öffentlich (public) ~: Paket (package) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 49 Klassen und Objekte Klassen in UML /: Das Attribut ist eine Eigenschaft. Es wird berechnet und muss somit nicht gespeichert werden. Name: Name des Attributs. Aufgrund von Einschränkungen vieler Programmiersprachen sollte man auf Umlaute usw. verzichten. :Typ: Typ des Attributs Multiplizität: Anzahl Ausprägungen des Attributs kann als Array betrachtet werden Angaben sind minimale und maximale Anzahl oder die genaue Anzahl: - [2]: exakt zwei Werte - [1..2]: ein oder zwei Werte - [1..*]: mindestens ein Wert bis beliebig viele Werte - [0..*] bzw. [*]: beliebig viele Werte =Vorgabewert: Initialwert für das Attribut muss zum Typ des Attributs passen bei Multiplizität größer als 1: Aufzählung in der Form {1, 2, 3, 4} Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 50 Klassen und Objekte Klassen in UML {Eigenschaft}: besondere Merkmale des Attributs (Auswahl) {readOnly}: Der Wert darf nach der Initialisierung nicht mehr verändert werden (eine Konstante). {subsets <Attributname>}: Der Wert ist eine Untermenge der Werte, die in dem Attribut <Attributname> erlaubt sind. {union}: Vereinigung aller Attributwerte, die mit subsets spezifiziert wurden. {redefines <Attributname>}: Redefiniert ein Attribut seiner Basisklasse {ordered}: Die Attributwerte müssen geordnet vorliegen. Duplikate sind nicht erlaubt. {bag}: Die Attributwerte müssen nicht geordnet vorliegen. Duplikate sind erlaubt. {seq} bzw. {sequence}: Die Attributwerte müssen geordnet vorliegen. Duplikate sind erlaubt. {unique}: Die Attributwerte müssen nicht geordnet vorliegen. Duplikate sind nicht erlaubt. {composite}: Das Attribut wird durch Komposition an die Klasse gebunden. Es ist so selbst für die Zerstörung seines Inhalts verantwortlich. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 51 Klassen und Objekte Klassen in UML Operation (Angaben in eckigen Klammern sind optional): [Sichtbarkeit]Name([Parameterliste])[:Rückgabetyp] [{Eigenschaft}] Sichtbarkeit/Zugriffsrecht: wie bei Attributen Name: wie bei Attributen Parameterliste mit dem folgenden Aufbau: [Übergabemodus] Name :Typ [Multiplizität][=Vorgabewert][{Eigenschaft}] Übergabemodus (unvollständig): - in: Der Parameter wird von der Operation nur gelesen. Fehlt der Modus, so wird in angenommen. In Java nur für primitive Datentypen möglich. - out: Der Parameter wird von der Operation nur geschrieben. Umsetzungsmöglichkeit in Java nur für Objekte (Besonderheit String StringBuffer, …) - inout: Der Parameter wird von der Operation gelesen und geschrieben. Umsetzungsmöglichkeit in Java nur für Objekte. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 52 Klassen und Objekte Klassen in UML Name: Name des Parameters :Typ: Typ des Parameters Multiplizität: Anzahl Ausprägungen des Parameters, die übergeben werden. Die Angaben erfolgen wie bei Attributen. Umsetzungsmöglichkeit in Java: Arrays =Vorgabewert: Wert, den der Parameter erhält, wenn er nicht übergeben wird. Umsetzung in Java nicht direkt möglich. {Eigenschaft}: siehe Attribute :Rückgabetyp: Typ des Rückgabewertes, fehlt dieser, so wird void angenommen. Die Angabe void ist nicht erlaubt. {Eigenschaft}: Angabe spezieller Merkmale des Rückgabetyps, siehe Attribute. Und was ist mit Ausnahmen (Exceptions)? UML kennt sie nicht. Ausweg in Form eines Eigenschaftswertes (Tagged Value): {raisedException=NameDerAusnahme} Andere, eigene Eigenschaftswerte sind auch erlaubt sinnvoll bei MDA. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 53 Klassen und Objekte Klassen in UML (Pacman-Beispiel) Klasse für eine Zelle des Spielfeldes (unvollständig): Cell - border: int - food: boolean - exit: boolean + + + + paint(cvs: Canvas, x: int, y: int) isFood(): boolean isExit(): boolean getBorder(): int Weitere Klassen kommen erst später, weil sie Vererbung bzw. Beziehungen zwischen Klassen benötigen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 54 Klassen und Objekte Klassen allgemein Typen von Klassen Statisches Typsystem (C++, C#, Java, …): Der Typ von Variablen und Parametern wird im Quelltext festgelegt. Vorteile: - bessere Optimierung durch den Compiler möglich - saubere Programmstruktur, da Typen direkt im Quelltext ersichtlich sind - gute Unterstützung durch IDEs, da diese die Variablentypen erkennen - frühzeitige Fehlererkennung durch den Compiler Dynamisches Typsystem (z.B. JavaScript): Variablen können beliebige Daten aufnehmen. Der Variablentyp steht erst zur Laufzeit fest. Eigenschaften („Vorteile“): - Werte können von beliebigem Typ sein automatische Konvertierung - Ducktyping: Wenn es watschelt wie eine Ente, wenn es schwimmt wie eine Ente, wenn es quakt wie eine Ente, dann behandeln wir es wie eine Ente. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 55 Klassen und Objekte Klassen allgemein Stark und schwach typisierte Programmiersprachen Stark typisierte Sprache: Überwacht das Erstellen und den Zugriff auf alle Objekte so, dass sichergestellt ist, dass Referenzen/Zeiger immer auf Objekte verweisen, die auch die Spezifikation des Typs erfüllen, der für die Variable deklariert ist. Beispiel: Java Schwach typisierte Sprachen: Zeiger können auf Objekte verweisen, ohne dass das Objekt notwendigerweise die Spezifikation des Typs der Variablen erfüllt. Beispiel: C++ Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 56 Klassen und Objekte Klassensyntax in Java Syntax von Klassen in Java Eine Klasse kapselt Attribute, Operationen und eventuell Operatoren als eine Einheit. Beispiel zu Attributen und Methoden: public class Cell { private int border; private boolean food; private boolean exit; } public int getBorder() { return border; } Hinweis: Statt „Methode“ wird häufig auch der Begriff „Funktion“ verwendet. Statt „Attribut“ werden auch häufig „Instanzvariable“ oder „Variable“ verwendet. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 57 Klassen und Objekte Attributzugriffe Alle Attributzugriffe sollten immer über Methoden mit gleichem Namen mit vorangestelltem get bzw. set erfolgen Kapselung! Beispiel: public class Cell { private int border; private boolean food; //... public int getBorder() { return border; } public boolean isFood() { return food; } public void setBorder(int nBorder) { border = nBorder; } public void setFood(boolean nFood) { food = nFood; } } Holger Vogelsang falls der Lese- und Schreibzugriff erlaubt sein soll Namensvergabe nach Java-Konvention Informatik 2 - Einführung in Java und UML 58 Klassen und Objekte Beispiel (Vektor, Version 1) Aus der Mathematik bekannt: Vektoren und Matrizen. Klasse Vector, hier eingeschränkt auf Länge 3 mit double-Zahlen (noch unvollständig und gefährlich kommt später besser): Vector package de.hska.iwii.i2; - values: double[3] {bag} public class Vector { private double[] values = new double[ 3 ]; public void setValue(int index, double value) { values[ index ] = value; } } public double getValue(int index) { return values[ index ]; } Holger Vogelsang + setValue(index: int, double: value) + getValue(index: int): double package de.hska.iwii.i2; public class VectorTest { public static void main( String[] args) { Vector v1 = new Vector(); v1.setValue(0, 2.0); System.out.println(v1.getValue(0)); } } Informatik 2 - Einführung in Java und UML 59 Klassen und Objekte Konstruktoren Definition: Konstruktor Konstruktoren dienen der gezielten Initialisierung eines Objektes bei dessen Erzeugung. Es kann mehr als einen Konstruktor in einer Klasse geben. Beispiel (Vector, Version 2): public class Vector { private double[] values; public Vector(int size) { values = new double[ size ]; } } public void setValue(int index, double value) { values[ index ] = value; } public double getValue(int index) { return values[ index ]; } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 60 Klassen und Objekte Konstruktoren Ein Konstruktor darf auch einen anderen aufrufen: public class Vector { // ... public Vector(int size) { this(size, 0.0); } } public Vector(int size, double initValue) { values = new double[ size ]; for (int i = 0; i < size; ++i) { values[ i ] = initValue; } } // ... Ohne die Angabe eines Konstruktors wird immer automatisch der Defaultkonstruktor (ohne Parameter) erzeugt (sonst nicht). Ein Konstruktor wird immer automatisch aufgerufen, wenn ein Objekt der Klasse erzeugt wird. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 61 Klassen und Objekte Beispielmethode zur Skalarproduktberechnung Skalarprodukt (immer noch Version 2), fehlerhaft: public class Vector { // ... public double getScalarProduct(Vector second) { double result = 0.0; for (int i = 0; i < values.length; ++i) { result += values[ i ] * second.values[ i ]; } } } return result; // ... Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 62 Klassen und Objekte Variable Anzahl Übergabeparameter Probleme: Eine Methode oder ein Konstruktor wird mit einer beliebigen Anzahl Werte desselben Typs aufgerufen. Lösungen: - Alle Werte kommen in ein Array. Das Array wird übergeben. - Java unterstützt die Übergabe einer variablen Parameteranzahl. Beispiel Konstruktor des Vektors mit variabler Anzahl double-Werte: public class Vector { private double[] values; } public Vector(double... initValues) { values = new double[initValues.length]; for (int i = 0; i < initValues.length; ++i) { values[ i ] = initValues[ i ]; } } // ... Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 63 Klassen und Objekte Variable Anzahl Übergabeparameter Aufrufe: Vector v1 = new Vector(1.0, 2.0, 3.0, 4.0); // Länge 4 Vector v2 = new Vector(1.0, 2.0); // Länge 2 Vector v3 = new Vector(); // Länge 0 Intern werden die Parameter in einem Array abgelegt: Die Anzahl der Parameter kann mit array.length ermitteln werden. Die Parameter werden mit Array-Zugriffen ausgelesen. Das funktioniert auch für Methoden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 64 Klassen und Objekte Aufbau und Verwendung von Klassen Klassen kapseln Daten und arbeiten selbst auf ihren eigenen Daten: “Don't ask for the information that you need to do something; rather, ask the object that has that information to do the job for you.” Beispiel (so nicht): public class Article { private double price; } public double getPrice() { return price; } // usw. // Implementierung einer Preiserhöhung in einer anderen Klasse public void increasePrice(Article article, double percentage) { article.setPrice(article.getPrice() * (1 + percentage / 100.0)); } Problem: Lesen, Manipulation und Schreiben von Article-Daten. Die Article-Operation gehört in die Klasse! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 65 Klassen und Objekte Aufbau und Verwendung von Klassen Beispiel (so ist es ok): public class Article { private double price; } public double getPrice() { return price; } // usw. // Implementierung einer Preiserhöhung public void increasePrice(double percentage) { price *= (1 + percentage / 100.0)); } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 66 Klassen und Objekte Statische Attribute und Methoden Bisher: Jedes Attribut einer Klasse existiert in jedem Objekt der Klasse. Manchmal gewünscht: Auch „globale“ Attribute, die nur einmal für eine Klasse existieren Alle Objekte einer Klasse teilen sich dieses Attribut: static Typ Attribut-Name; Zugriff auf statische Attribute: Statische Methoden: static Typ Methode(Parameter); Aufruf einer statischen Methode einer Klasse auch ohne ein konkretes Objekt. Statische Attribute können als globale Attribute innerhalb einer Klasse betrachtet werden. Beispiel kommt nachher im Rahmen der Einführung von Referenzen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 67 Klassen und Objekte final-Parameter und final-Werte final-Parameter und final-Werte können nicht verändert werden Konstante! Beispiel: public void add(final int arg) { } // ... final Vector vector: Unveränderliche Referenz auf ein Vektor-Objekt, dessen Inhalt aber verändert werden kann. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 68 Klassen und Objekte Parameterübergabe bei primitiven Datentypen Parameterübergabe (primitive Datentypen) Werte primitiver Datentypen werden immer per Wert übergeben. Es wird eine lokale Kopie erzeugt. Änderungen am Wert innerhalb einer Methode wirken nicht nach außen. Beispiel: public void doSomething(int xx){ xx = 2; } public int doSomethingElse(){ int x = 21; doSomething(x); System.out.println(x); return 0; } Ausgabe: 21 Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 69 Klassen und Objekte Parameterübergabe bei Objekten Parameterübergabe (Objekte) Objekte werden nicht übergeben. Statt dessen werden Kopien von Referenzen auf Objekte übergeben werden. Damit sind Änderungen nach außen sichtbar. Beispiel: public void doSomething(Vector v){ v.setValue(0, 42); } public int doSomethingElse(){ Vector v = new Vector(3); doSomething(v); System.out.println(v.getValue(0)); return 0; } Ausgabe: 42 Zusatznutzen einer Referenzkopie: Das Anlegen einer Objekt-Kopie kann zeitaufwändig sein. Hinweis: Die übergebenen Objekte sollte möglichst nicht verändert werden. Die Rückgabe eines Wertes ist ein sauberer Weg andere Lösung: „Value Objects“ (kommt gleich) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 70 Klassen und Objekte Ergebnisrückgabe Es gilt dasselbe wie bei Übergaben: Werte primitiver Datentypen werden als Kopie und Objekte per Kopie der Referenz auf das Objekt zurückgegeben. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 71 Klassen und Objekte Parameterübergabe bei Objekten: „Value Objects“ Es werden nur Referenzen auf Objekte übergeben, keine Kopien der Objekte. Vorteile: Effizienter als Kopie der Objekte Einfacher Mechanismus Problem: Die aufgerufene Methode kann das Objekt verändern, ohne dass es der Aufrufer erfährt! Verhinderung des Problems: Übergabe unveränderlicher Objekte als „Wert-Objekte“ („Value Objects“) Alle Attribute sind Konstanten. Es gibt keine Methoden, die das Objekt verändern. Bei jedem Veränderungsversuch wird ein neues Objekte erstellt, das alte aber unverändert beibehalten. Konsequenz: Erst einmal ein gewisser Mehraufwand zur Laufzeit führt in bestimmten Situationen („Multithreading“, kommt im dritten Semester) aber zu deutlichen Vereinfachungen Später im Semester: unveränderliche Datenstrukturen Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 72 Klassen und Objekte Parameterübergabe bei Objekten: „Value Objects“ Beispiel unveränderlicher Vektor (Projekt Vector 2 (Value Objects)): public class Vector { // Achtung: Die Werte im Array sind immer noch veränderlich! private final double[] values; public Vector(int size, double initValue) { values = new double[ size ]; for (int i = 0; i < size; ++i) { values[ i ] = initValue; } } Attribut darf im Konstruktor einmal verändert werden, obwohl es final ist. public Vector(double... initValues) { values = new double[initValues.length]; for (int i = 0; i < initValues.length; ++i) { values[ i ] = initValues[ i ]; } } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 73 Klassen und Objekte Parameterübergabe bei Objekten: „Value Objects“ /** * Vektor unverändert lassen, neuen Vektor erzeugen! * @param index Index des zu verändernden Wertes. * @param value Neuer Wert am Index. * @return Neuer Vektor mit verändertem Wert. */ public Vector setValue(int index, double value) { // Die Kopie des Vektors würde man durch die // clone-Methode erstellen --> noch nicht bekannt. Vector copy = new Vector(values); copy.values[ index ] = value; return copy; } } public double getValue(int index) { return values[ index ]; } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 74 Klassen und Objekte Parameterübergabe bei Objekten: „Value Objects“ „Value Objects“ sind im JDK nicht sonderlich verbreitet. Es gibt aber andere Klassenbibliotheken, die dieses Entwurfsmuster einsetzen kommt später im Datenstruktur-Kapitel. Die Vorteile von „Value Objects“ werden aber häufig erst im Zusammenhang mit Multithreading deutlich. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 75 Klassen und Objekte Primitive Datentypen und Wrapper-Klassen Für die primitiven Datentypen existieren Wrapper-Klassen Typ Größe boolean Wertebereich Wrapper true, false Boolean char 16 Bit '\u0000'‚ bis '\uFFFF' Character byte 8 Bit -27 bis 27-1 Byte short 16 Bit -215 bis 215-1 Short int 32 Bit -231 bis 231-1 Integer long 64 Bit -264 bis 264 – 1 Long float 32 Bit 2-149 bis (2-2-23)·2127 Float double 64 Bit 2-1074 bis (2-2-52)·21023 Double void Holger Vogelsang Void Informatik 2 - Einführung in Java und UML 76 Klassen und Objekte Primitive Datentypen und Wrapper-Klassen Eigenschaften der Wrapper Sie kapseln einen Wert eines primitiven Datentyps (ein Integer-Objekt nimmt genau einen int-Wert auf). Der gekapselte Wert ist unveränderlich. Sie besitzen Methoden zur Konvertierung vom/in den Wrapper. Wozu dienen die Wrapper? Manche Methoden und Klassen erwarten Objekte und keine primitiven Datentypen die Wrapper kapseln die Daten dazu. Beispiel aus dem 1. Semester: Eine ArrayList mit int-Werten kann so verwendet werden: ArrayList<Integer> daten = new ArrayList<>(); // // daten.add(500); // // Holger Vogelsang primitive Datentypen sind nicht möglich wird automatisch zu daten.add(Integer.valueOf(500)); Informatik 2 - Einführung in Java und UML 77 Klassen und Objekte Primitve Datentypen und Wrapper-Klassen Automatisches Einpacken mit Wrappern (autoboxing) Automatisches „Einpacken“ (siehe vorheriges Beispiel) ArrayList<Integer> daten.add(66); // daten.add(42); // daten.add(1); // daten = new ArrayList<>(); autoboxing autoboxing autoboxing daten 1 add Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 78 Klassen und Objekte Primitive Datentypen und Wrapper-Klassen Was passiert genau? Für die ganze Zahlen -128 bis 127 existieren vordefinierte Wrapper-Objekte, die verwendet werden. Für andere Zahlenbereiche sowie float und double werden jeweils neue Objekte erzeugt Probleme beim Vergleichen: Integer boxedKlein1 = 127; Integer boxedKlein2 = 127; System.out.println(boxedKlein1 == boxedKlein2); // true Integer boxedKlein1 = 128; Integer boxedKlein2 = 128; System.out.println(boxedKlein1 == boxedKlein2); // false Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 79 Klassen und Objekte Primitive Datentypen und Wrapper-Klassen Automatisches Auspacken mit Wrappern (unboxing) Automatisches „Auspacken“ ArrayList<Integer> daten = new ArrayList<>(); daten.add(66); // autoboxing daten.add(42); // autoboxing daten.add(1); // autoboxing int wert = daten.get(0); // unboxing 66 Holger Vogelsang daten Informatik 2 - Einführung in Java und UML 80 Klassen und Objekte Primitive Datentypen und Wrapper-Klassen Was passiert genau? Eine null-Referenz kann nicht umgewandelt werden und führt zu einer Exception: int zahl = (Integer) null; // führt zu einer NullPointerException Es lauern Fallen bei der Umwandlung von Zahlen: Integer i1 = new Integer(42); Integer i2 = new Integer(42); System.out.println(i1 >= i2); System.out.println(i1 <= i2); System.out.println(i1 == i2); Holger Vogelsang // true, unboxing in int-Werte // true, unboxing in int-Werte // false, Vergleich der Referenzen! Informatik 2 - Einführung in Java und UML 81 Klassen und Objekte Innere Klassen Klassen lassen sich ineinander schachteln. Java unterstützt drei unterschiedliche Arten innerer Klassen: nicht-statische innere Klassen statische innere Klassen anonyme innere Klassen Einsatzgebiete: Die inneren Klassen werden hauptsächlich in der äußeren benötigt oder von dieser erzeugt. Beispiel (kommt später): Iteratoren Aussen Innen -attribut: int Holger Vogelsang public class Aussen { class Innen { int attribut; // ... } // ... } Informatik 2 - Einführung in Java und UML 82 Klassen und Objekte Innere Klassen: Nicht-statische innere Klassen Einsatz: Das Erzeugen eines Objektes der inneren Klasse erfolgt immer innerhalb der Grenzen der äußeren Klasse (z.B. in einer der Methoden oder im Konstruktor). Beispiel: public class Outer { class Inner { private int attr1; public void method1(){} public void method2(){ method1(); Outer.this.method1(); } } public void method1(){} } Innere Klassen dürfen weder statische Methoden noch statische Attribute besitzen. Outer darf auf alle Methoden und Attribute von Inner zugreifen. Inner darf auf alle Methoden und Attribute von Outer zugreifen. Innere und äußere Klasse sind somit fest miteinander verbunden. Erzeugte Dateien: Outer.class, Outer$Inner.class Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 83 Klassen und Objekte Innere Klassen: Statische innere Klassen Einsatz: Das Erzeugen eines Objektes der inneren Klasse kann außerhalb der Grenzen der äußeren Klasse erfolgen. Beispiel: public class Outer { static class Inner { private int attr1; public void method1(){} public void method2(){ method1(); } } private int attr2; public void method1(){} } Die innere Klasse ist nicht an die äußere gekoppelt und kann daher nicht auf Attribute und Methoden der äußeren Klasse zugreifen. Erzeugte Dateien: Outer.class, Outer$Inner.class Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 84 Klassen und Objekte Innere Klassen: Anonyme innere Klassen Einsatz: Mit dem Erzeugen einer Klasse wird auch gleichzeitig ein Objekt angelegt. Die Klasse wird nur einmalig benötigt. Häufig im Zusammenhang mit dem Implementieren von Schnittstellen verwendet: Beispiel: public class Outer { public void method() { Runnable runObject = new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("Huhu"); } }; runObject.run(); } } Runnable ist eine Schnittstelle kommt noch genauer Die anonyme Klasse darf nur auf finale lokale Variablen der Methode zugreifen. Die anonyme Klasse darf auf Attribute und Methoden der äußeren Klassen zugreifen. Erzeugte Dateien: Outer.class, Outer$1.class Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 85 Klassen und Objekte Pakete Probleme: Was passiert, wenn zwei Hersteller Klassen mit demselben Namen erstellt haben und beide Klassen in einem Projekt zusammen benutzt werden sollen? Wie können logisch zusammengehörige Klassen gruppiert werden? Ein Paket sollte eine Anzahl logisch zusammengehöriger Klassen, Schnittstellen, Ausnahmen, Fehler, Aufzähltypen und Annotationen beinhalten. Beispiel: alle Klassen, die mathematische Berechnungen durchführen alle Klassen, die Text formatieren Der Paketname entspricht einem Verzeichnis im Dateisystem. Beispiel: Klasse Complex im Paket de.hska.iwii.math: Sowohl die Quelltextdatei Complex.java als auch die Bytecode-Datei Complex.class sollten in in einem Unterverzeichnis de/hska/iwii/math liegen. Festlegung der Paket-Zugehörigkeit einer Klasse: Anweisung in der Klasse der Form package Paket-Name;. Diese Anweisung sollte die erste in der Datei sein. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 86 Klassen und Objekte Pakete: Verwendung Verwendung einer Klasse eines anderen Pakets: Variante 1: import Paketname.*; Beispiel: import de.hska.iwii.math.*; //... Complex value = new Complex(); Variante 2: import Paketname.Klassenname; Beispiel: import de.hska.iwii.math.Complex; //... Complex value = new Complex(); // Bindet alle Klassen des Pakets // de.hska.iwii.math ein // Bindet Complex des Pakets // de.hska.iwii.math ein. Variante 3: Verwendung des vollständigen Klassennamens. Beispiel: //... de.hska.iwii.math.Complex value = new de.hska.iwii.math.Complex(); Nach Aussage von Oracle sollte Variante 1 vermieden werden. Das Paket java.lang des JDK ist immer automatisch eingebunden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 87 Klassen und Objekte Pakete: Namensaufbau Allgemeiner Aufbau eines Namens (kann variieren): Organisation.Paketname.Klassenname.Methodenname Beispiele: Paket Klasse Methode de.hska.ss2012.project2.math.Complex.add() Land Hochschule KA Semester Projekt Paket Teil des Projektes Klasse Methode com.mycompany.math.Complex.add() Kommerziell Firma Teil des Projektes Paket Klasse Methode javax.swing.table.DefaultTableModel.getDataVector() Zusatzklasse des JDK Holger Vogelsang GUIPaket Tabelle Informatik 2 - Einführung in Java und UML 88 Klassen und Objekte Pakete Innerhalb eines Pakets müssen die Namen eindeutig sein: Es darf eine Klasse Complex mehrfach geben, solange sie in unterschiedlichen Paketen liegt. Beispiel: java.util.Timer und javax.swing.Timer So ganz stimmt die Aussage nicht: Der komplette Paketname (der Pfad inkl. Klassenname) darf mehrfach vorkommen, wenn die Pakete durch unterschiedliche Klassenlader (Classloader) geladen werden. Also: Klassenlader + Paketname muss eindeutig sein! Es ist mindestens ein Klassenlader in der virtuellen Maschine aktiv: Er kennt mehrere Dateipfade oder jar-Dateien, aus denen er die Klassen und Schnittstellen lädt. Weitere Klassenlader können erstellt und verwendet werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 89 Fehlererkennung Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 90 Fehlererkennung Fehlerhafte Methodenaufrufe Idee: Die eigenen Methoden und Klassen werden eventuell falsch oder mit falschen Daten aufgerufen. Auch wenn der eigene Algorithmus korrekt ist, darf er nicht durch falsche Werte durcheinander geraten. Denn: Programme werden im Laufe der Zeit permanent verändert. Fehler können daher immer wieder einmal auftreten. Konsequenz: Ein Profi sichert seine eigenen Klassen und Methoden gegen eine fehlerhafte Verwendung ab. In Kombination mit einem sauberen Software-Entwurf und anschließenden Tests, stellt die defensive Programmierung einen wichtigen Schritt in Richtung stabiler Programme dar. Der Anwender sollte Programmfehler nie zu Gesicht bekommen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 91 Fehlererkennung Fehlerhafte Methodenaufrufe 3 Strategien zur Parameterbehandlung: Müll rein – nichts raus Müll rein – Fehlernachricht raus Müll rein – Müll raus (nicht akzeptabel!) Daher: Prüfen aller Eingabeparameter Numerische Werte innerhalb vorgegebener Toleranzen Maximale Länge von Strings Randbedingungen wie 0, "", null usw. Festlegen und dokumentieren, wie fehlerhafte Parameter behandelt werden sollen: Rückgabe eines Fehlercodes (false, -1, ...). Besser: Ausnahmen Aufruf einer Fehlerbehandlungsroutine Eintrag in einer Protokolldatei erstellen Programm beenden Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 92 Fehlererkennung Fehlerhafte Methodenaufrufe Kontrakt zwischen einer Klasse und den Nutzern einer Klasse: Beschreibt, welche Voraussetzungen (Vorbedingungen) ein Aufrufer der Operation schaffen muss, damit die Operation durchgeführt werden kann. Legt fest, welche Leistung (Nachbedingungen) die Operation erbringt, sofern die Vorbedingungen eingehalten sind. Vorbedingungen (engl. Preconditions) Der Aufrufer der Operation ist verpflichtet, diese Bedingungen beim Aufruf der Operation herzustellen. Sind die Vorbedingungen nicht erfüllt, ist die Operation nicht verpflichtet, ihre spezifizierte Aufgabe zu erfüllen. Vorbedingungen sind damit der Kontraktbestandteil, den der Aufrufer einer Operation einzuhalten hat. Sind die Vorbedingungen eingehalten, ist der Aufgerufene wiederum verpflichtet, die Nachbedingungen herzustellen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 93 Fehlererkennung Fehlerhafte Methodenaufrufe Nachbedingungen (engl. Postconditions) Eine Klasse, die eine Operation implementiert, sichert zu, dass die Nachbedingungen unmittelbar nach Aufruf der Operation gelten. Die Zusicherung gilt nur, wenn der Aufrufer die für die Operation definierten Vorbedingungen eingehalten hat. Zusätzlich können auch nach außen zugesicherte Bedingungen vereinbart sein, die immer gelten sollen, unabhängig vom Aufruf einer Operation. Invarianten (engl. Invariants) Invarianten sind Eigenschaften und Beziehungen zwischen Attributen eines Objekts, die sich durch keine Operation ändern lassen. Invarianten, die für eine Klasse definiert werden, gelten für alle Objekte der Klasse. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 94 Fehlererkennung Fehlerhafte Methodenaufrufe Deklaration von Bedingungen in UML Ziel: möglichst automatische Überprüfbarkeit im späteren Quelltext Einführung der Object Constraint Language (OCL) Object Constraint Language (OCL) Die OCL wird verwendet, um zusätzliche Bedingungen darzustellen, die sich mit den sonstigen Beschreibungsmitteln der UML nicht oder nur umständlich ausdrücken lassen. OCL stellt dabei eine rein deklarative Beschreibungsmöglichkeit zur Verfügung, um sogenannte Constraints auszudrücken. Ein Constraint ist ein Ausdruck, der entweder wahr oder falsch ist. OCL eignet sich sehr gut, um Vorbedingungen, Nachbedingungen und Invarianten von Operationen auszudrücken. Hier: keine vollständige Einführung in OCL Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 95 Fehlererkennung Fehlerhafte Methodenaufrufe Beispiel zu OCL: Account - number: int - balance: int + payOff(amount: int) context Account::payOff pre: balance >= amount post: balance = balance - amount Wozu Constraints? Im Quelltext sind sie doch sowieso nicht sichtbar. Falsch: Mit Assertions (Zusicherungen) lassen sich Vorbedingungen manuell überprüfen. Einhaltung der Vorbedingungen können mit http://sourceforge.net/projects/ocl4java/ automatisch überwacht werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 96 Zusicherungen Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 97 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe Idee: Jede Funktion oder Methode schützt sich selbst gegen beispielsweise falsche Aufrufparameter oder falsche Zustände. Realisierung: Die Anweisung assert wird zur Prüfung der Vor- und Nachbedingungen einer Methode verwendet. Sie wertet eine übergebene Bedingung aus. Ist diese falsch, so wird das Programm mit einem AssertionError beendet. Beispiel Methode sqrt: public double sqrt(double value) { assert value >= 0.0; // Nicht negativ // Wurzelberechnung } Aufruf mit: x.sqrt(42.0); // OK x.sqrt(-66.66); // Abbruch Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 98 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe Verwendungen: assert Bedingung; - Der Ausdruck muss einen Boole‘schen Wert ergeben. - Ist der Wert false, so wird dieses als Fehler betrachtet. - Ist der Wert true, so wird das Programm normal fortgesetzt. assert value >= 0.0; assert Bedingung : Meldungstext; - Es gelten die Aussagen wie im ersten Fall. - Zusätzlich wird hier ein Text übergeben, der in die Ausnahme aufgenommen wird. assert value >= 0.0 : "Die Wurzel aus neg. Zahlen ist undefiniert." Assertions müssen aktiviert werden: - Alle aktivieren: java -ea Main.class - Nur im Paket de.hska und dessen Unterpaketen: java -ea:de.hska... Sind Assertions nicht aktiv, dann werden sie ignoriert. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 99 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat Programmierung eines sehr einfachen Ticketautomaten: Der Preis erscheint auf dem Display (Einheitspreis in Cent). Der Kunde zahlt solange mit Münzen oder Scheinen, bis der Betrag erreicht ist (es wird kein Wechselgeld ausgezahlt). Nach dem Geldeinwurf wird der Restbetrag angezeigt. Nach Erreichen des Betrags wird der Fahrschein ausgegeben. [https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Ticket_machines?uselang=de#/media/ File:Ascom_B8050_Quickfare_Machine_at_Wareham_Station_%282006%29.jpg] Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 100 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat Benötigte Attribute: int ticketPrice: Preis für ein Ticket int paidPrice: bereits bezahlter Preis Benötigte Methoden, 1. Versuch: Konstruktor: Einheitspreis als int-Parameter flexibel void requestTicket(): Ticket anfordern int requestPrice(): (Rest-)Preis für das Ticket abfragen void insertMoney(int amount): Geld einwerfen void printTicket(): Ticket ausdrucken Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 101 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat Klasse in UML: TicketMachine -ticketPrice: int -paidPrice: int +TicketMachine(price: int) +requestTicket() +requestPrice(): int +insertMoney(amount: int) +printTicket() context TicketMachine::printTicket pre: paidPrice >= ticketPrice post: paidPrice = 0 context TicketMachine::requestTicket post: paidPrice = 0 context TicketMachine::insertMoney pre: amount > 0 post: paidPrice = paidPrice + amount context TicketMachine::TicketMachine pre: price > 0 post: (ticketPrice = price and paidPrice = 0) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 102 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat Quelltext: public class TicketMachine { // Die Attribute der Klasse private int ticketPrice; private int paidPrice; // Konstruktor zum Initialisieren public TicketMachine(int price) { ticketPrice = price; paidPrice = 0; } // Ticket anfordern --> löscht den bisher bezahlten Betrag public void requestTicket() { paidPrice = 0; } // (Noch) zu zahlenden Betrag anfordern. public int requestPrice() { return ticketPrice – paidPrice; } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 103 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat // Geld einwerfen --> Restbetrag reduzieren. public void insertMoney(int amount) { paidPrice += amount; } } // Ticket "ausdrucken" public void printTicket() { System.out.println("Ticket xyz"); System.out.println("Preis: " + ticketPrice); paidPrice = 0; } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 104 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat Eine perfekte Lösung Nein!!! Probleme: Keine Prüfungen der Methodenparameter und internen Zustände: - negative Beträge eingeworfen - Ticket drucken, obwohl Endbetrag nicht erreicht wurde - Was passiert, wenn zu viel Geld eingeworfen wurde? - Der Ticketpreis im Konstruktor ist ungeprüft. Einhaltung der Vorbedingungen wurde nicht geprüft!!! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 105 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat Quelltext mit Prüfungen: public class TicketMachine { // Die Attribute der Klasse private int ticketPrice; private int paidPrice; // Konstruktor zum Initialisieren public TicketMachine(int price) { assert price > 0; ticketPrice = price; paidPrice = 0; } context TicketMachine::TicketPrice pre: price > 0 post: (ticketPrice = price and paidPrice = 0) // Ticket anfordern --> löscht den bisher bezahlten Betrag public void requestTicket() { context TicketMachine::requestTicket paidPrice = 0; post: paidPrice = 0 } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 106 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat // (Noch) zu zahlenden Betrag anfordern. public int requestPrice() { return ticketPrice – paidPrice; } context TicketMachine::insertMoney pre: amount > 0 post: paidPrice = min(paidPrice + amount, ticketPrice) // Geld einwerfen --> Restbetrag reduzieren. // Zuviel bezahlten Betrag wieder auswerfen. public int insertMoney(int amount) { assert amount > 0; int diff = ticketPrice – paidPrice - amount; paidPrice += amount; if (paidPrice > ticketPrice) paidPrice = ticketPrice; return diff >= 0 ? 0 : -diff; } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 107 Zusicherungen Fehlerhafte Methodenaufrufe: Ticketautomat } // Ticket "ausdrucken" public void printTicket() { assert paidPrice >= ticketPrice; System.out.println("Ticket xyz"); System.out.println("Preis: " + ticketPrice); paidPrice = 0; } Holger Vogelsang context TicketMachine::printTicket pre: paidPrice >= ticketPrice post: paidPrice = 0 Informatik 2 - Einführung in Java und UML 108 Klassen und Objekte Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 109 Klassen und Objekte Beispiel: Ringpuffer Eine erste einfache Implementierung eines Ringpuffers: Ein Ringpuffer kann als ein Array mit speziellen Lese- und Schreiboperationen interpretiert werden: Das Array dieses Ringpuffers kann nur int-Daten aufnehmen. Ein Leseindex RI zeigt die Position an, an der der nächste Wert gelesen wird. Nach dem Lesen wird der Index automatisch erhöht. Am Ende des Arrays wird der Index auf 0 gesetzt. Somit handelt es sich um ein zerstörendes Lesen, bei dem der Wert nach dem Lesen nicht mehr im Ringpuffer zugreifbar ist. Ein Schreibindex WI zeigt die Position an, an die der nächste Wert geschrieben wird. Nach dem Schreiben wird der Index automatisch erhöht. Am Ende des Arrays wird der Index auf 0 gesetzt. Der Ringpuffer ist leer, wenn WI genauso groß wie RI ist. Der Ringpuffer ist voll, wenn gilt: WI hätte nach dem Erhöhen den Wert von RI. Bessere Variante: siehe Übungsaufgabe Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 110 Klassen und Objekte Referenzen und dynamische Speicherverwaltung Warum kann man Objekte und Variable nicht einfach alle auf dem Stack verwalten? Wie werden Objekte auf dem Heap erzeugt und wieder freigegeben? Referenzen sind spezielle Variable, die auf Objekte verweisen. Zum Bau komplexer Datenstrukturen sind der Heap und Referenzen zwingend notwendig. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 111 Klassen und Objekte Referenzen und dynamische Speicherverwaltung Definition: Referenz Eine Referenz hat einen unveränderlichen Typ T. Sie enthält einen Verweis auf genau ein oder gar kein Objekt der Klasse T. Das Objekt liegt auf dem Heap. Beispiel für eine Referenz, die auf kein Objekt verweist: Bruch brReferenz = null; Beispiel für eine Referenz auf ein Bruch-Objekt: Bruch brReferenz = new Bruch(2,3); Intern enthält die Referenz die Speicheradresse des Objektes. Es existieren zwei Referenzen mit einer besonderen Semantik: null: Die Referenz verweist auf gar kein Objekt. this: Die Referenz verweist auf die eigene Objektinstanz (kann nur in Konstruktoren oder nicht-statischen Methoden verwendet werden). Es gibt auch sogenannte schwache Referenzen, die hier aber nicht betrachtet werden sollen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 112 Klassen und Objekte Referenzen und dynamische Speicherverwaltung Definition: Heap Speicherbereich, in dem der Entwickler selbst die Lebensdauer seiner Daten kontrolliert. Mit new wird ein Bereich reserviert. Die Freigabe erfolgt automatisch durch den GarbageCollector. Der Operator new führt die folgenden Schritte durch: Reservierung des benötigten Speichers auf dem Heap Aufruf eines Konstruktors Rückgabe einer Referenz auf das erzeugte Objekt Anforderung eines Speicherbereichs mit Aufruf des Defaultkonstruktors: Syntax: Beispiel: Klasse ref = new Klasse(); Pacman pacmanRef = new Pacman(); Anforderung eines Speicherbereichs mit Aufruf eines beliebigen Konstruktors: Syntax: Beispiel: Klasse ref = new Klasse(init); Holger Vogelsang Pacman pacmanRef = new Pacman(x, y); Informatik 2 - Einführung in Java und UML 113 Klassen und Objekte Referenzen und dynamische Speicherverwaltung – new-Operator Der Operator new führt die folgenden Schritte bei Arrays durch: Reservierung des benötigten Speichers auf dem Heap Initialisierung des Arrays: - bei Arrays mit primitiven Datentypen: 0, 0.0 oder false - bei Arrays mit Referenzen: null Rückgabe einer Referenz auf das Array Anforderung eines Speicherbereichs der Größe des Arrays mit primitiven Daten: Syntax: Beispiel: Typ[] ref = new Typ[ size ]; int[] iRef = new int[ 10 ]; Das Array enthält 10 int-Daten mit dem Wert 0. Anforderung eines Speicherbereichs der Größe des Arrays mit Referenzen: Syntax: Beispiel: Typ[] ref = new Typ[ size ]; Bruch[] brRef = new Bruch[ 10 ]; Das Array enthält 10 null-Referenzen. Es werden keine Bruch-Objekte angelegt! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 114 Klassen und Objekte Referenzen und dynamische Speicherverwaltung – new-Operator für Arrays Ausführlicheres Beispiel: 4 Referenzen auf Ghost-Objekte in einem Array: Ghost[] allGhosts = new Ghost[ 4 ]; // Platz für vier Geister for (int i = 0; i < allGhosts.length; i++) allGhosts[ i ] = new Ghost(3, 1); for (int i = 0; i < allGhosts.length; i++) allGhosts[ i ].setX(12); 0x1240 0x1240 0x2000 0x2010 0x2020 0x2030 allGhosts Fiktive Adressen! Geist 1 Geist 2 Geist 3 Geist 4 0x2000 0x2010 0x2020 0x2030 Mehrdimensionale Arrays lassen sich genauso erzeugen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 115 Klassen und Objekte Referenzen und dynamische Speicherverwaltung – Speicherfreigabe Was passiert mit Objekten, auf die keine Referenzen mehr existieren? Sie sind durch das eigene Programm nicht mehr erreichbar. Der interne Garbage-Collector kann sie beseitigen und wieder dem Freispeicher zuordnen. Vor der Speicherfreigabe wird die Methode protected void finalize() des zu löschenden Objektes aufgerufen. Es kann passieren, dass die Objekte auf dem Heap bleiben, wenn genügend Speicher vorhanden ist Zeitpunkt der Freigabe ist nicht vorhersehbar. Manueller Aufruf des Garbage-Collectors: Runtime.getRuntime().gc(); Es werden trotzdem nicht alle unerreichbaren Objekte freigegeben. Mehrfacher Aufruf, bis sich der freie Speicher nicht mehr ändert: long freeMem = Runtime.getRuntime().freeMemory(); Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 116 Klassen und Objekte Referenzen und dynamische Speicherverwaltung – Singleton Definition: Singleton Eine Klasse, von der nur ein Objekt erzeugt werden kann. Beispielimplementierung (nicht perfekt). public class Logger { private static Logger instance; // Privater Konstruktor private Logger(){ } log2.log("Wichtige Nachricht"); public static Logger getInstance(){ if (instance == null) instance = new Logger(); return instance; } } public void test() { Logger log1 = new Logger(); // Fehler Logger log2 = Logger.getInstance(); Logger log3 = Logger.getInstance(); } // Oder kürzer Logger.getInstance().log("Nachricht"); public void log(String message) { // Ausgabe } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 117 Klassen und Objekte Referenzen und dynamische Speicherverwaltung – Beispiel Implementierung einer einfach verketteten Liste doppelte Verkettung ist eine Übungsaufgabe! Welche Klassen werden benötigt? Implementierung einiger Methoden der Klassen Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 118 Überladen von Methoden Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 119 Überladen von Methoden Definition: Überladen von Methoden Eine Klasse besitzt zwei oder mehr Methoden mit demselben Namen und unterschiedlichen Parametertypen. Die passende Methode wird durch den Compiler ermittelt, indem er auch Typkonvertierungen durchführt. Der Rückgabetyp darf unterschiedlich sein. Beispiel: Klassenname -attribut: int +methode() +methode(wert: int) +methode(wert: String) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 120 Überladen von Methoden Einsatz: Verwendung der gleichen Methode mit unterschiedlichen Parametertypen. Vorteil: Keine explizite Konvertierung der Argumente im Aufruf. Beispiel: Vereinfachter Auszug aus der bereits eingeführten Klasse GameController, die in Pacman die Figuren steuert. GameController +collisionOfPacmanWith(ghost: Ghost) +collisionOfPacmanWith(cherry: Cherry) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 121 Überladen von Methoden Auswahl der passenden Methode Auswahlkriterien durch den Compiler: Die Anzahl der Parameter muss zum Aufruf passen. Alle Übergabeparameter müssen in die Parametertypen der Methode konvertierbar sein. Beispiel: public class PrintStream { public void println(long x){} public void println(char x){} } Aufruf: PrintStream out = ... out.println(123); PrintStream +println(x: long) +println(x: char) int wird zu long Für alle Übergabeparameter wird der kleinste passende Typ gesucht. Beispiel: char int, vor char long. Ein größerer Typ wird nie in einen kleineren Typ umgewandelt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 122 Überladen von Methoden Es wird die Methode mit der kleinsten Summe der „Konvertierungsabstände“ aller Parameter ermittelt. Existieren mehrere Methoden mit gleichem minimalen Abstand, so wird ein Übersetzungsfehler gemeldet. Beispiel (OK, ziemlich sinnlos): public class MyClass { public void method(long x, int y); public void method(int x, long y); } Aufruf: MyClass +method(x: long, y: int) +method(x: int, y: long) MyClass cl = new MyClass(); cl.method(123, 456 ); Fehler ! cl.method(123L,456 ); cl.method(123, 456L); Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 123 Vererbung Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 124 Vererbung Motivation Wie können existierende Klassen wiederverwendet werden? Welche Methoden sollte eine Klasse immer unterstützen? Welche Arten von Beziehungen können zwischen Objekten bestehen? Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 125 Vererbung Motivation Eigenschaften, die für eine Figur gelten, gelten eventuell auch für spezielle Figuren: Figure Ghost Pacman Vererbungsbeziehungen können mit der Vererbungshierarchie in der Biologie verglichen werden: Animal Mammal Kangaroo Reptile Koala Crocodile Ein Koalabär ist ein Säugetier (Mammal) ist ein Tier. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 126 Vererbung Begriffe Es gibt zwei Arten der Vererbung in Programmiersprachen: Vererbung der Spezifikation: wichtiges Konzept der objektorientierten Programmierung Vererbung der Implementierung: Mittel zur Vermeidung von Redundanzen mit einigen konzeptuellen und praktischen Problemen Beide Techniken werden häufig unter dem Begriff der Vererbung zusammengefasst. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 127 Vererbung Begriffe Definition: Vererbung Vererbung ist eine Programmiersprachenkonzept zur Umsetzung einer Relation zwischen einer Ober- und einer Unterklasse: Eine Klasse AbgelKlasse ist dann eine Unterklasse der Klasse BasisKlasse, wenn AbgelKlasse die Spezifikation von BasisKlasse erfüllt, umgekehrt aber BasisKlasse nicht die Spezifikation von AbgelKlasse. Die Klasse BasisKlasse ist dann eine Oberklasse von AbgelKlasse. BasisKlasse +operation1() AbgelKlasse +operation1() +operation2() Holger Vogelsang AbgelKlasse hält Vorund Nachbedingung von operation1 der BasisKlasse ein. AbgelKlasse erweitert die eigene Spezifikation um operation2. Informatik 2 - Einführung in Java und UML 128 Vererbung Begriffe Die Oberklasse vererbt ihre Spezifikation (Vor- und Nachbedingungen) an die Unterklasse. Durch Unterklassen wird das Verhalten der Oberklasse nicht verändert. Durch Vererbung (Ableitung) entsteht eine Klassenhierarchie. Figure Oberklasse Superklasse Basisklasse Generalisierung -x: int -y: int +setX(x: int) +setY(y: int) ist Spezialfall von ist Erweiterung von ist Verallgemeinerung von Ghost Holger Vogelsang Pacman -IQ: int -mouthOpening: boolean +getIQ(): int +isMouthOpening(): boolean Informatik 2 - Einführung in Java und UML Unterklasse Subklasse abgeleitete Klasse Spezialisierung 129 Vererbung Begriffe Generalisierung und Spezialisierung – Begriffe Prozess der Klassenbildung ist ein Abstraktionsvorgang: Spezialisierung: Aus bestehenden Klassen können spezialisierte Unterklassen (abgeleitete Klassen) gebildet werden. Generalisierung: Gemeinsamkeiten bestehender Klassen können in gemeinsame Oberklassen (Basisklasse) verlagert werden. Ergebnis: Klassenhierarchien aus Ober- und Unterklassen. Oberklassen: Allgemeiner und abstrakter als Unterklassen. Unterklassen: Spezieller und konkreter als Oberklassen. Der Sprachmechanismus, der dieses Konzept unterstützt, wird Vererbung genannt. Wichtig: Eine Unterklasse ist ein Untertyp von Oberklasse. Damit kann die Unterklasse überall dort verwendet werden, wo die Oberklasse erwartet wird. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 130 Vererbung Begriffe Eine Unterklasse ist ein Stellvertreter für die Oberklasse. Sie kann Methoden der Oberklasse überschreiben (umdefinieren). Klassen Figure -x: int -y: int Objekte Speicher +setX(x: int) +setY(y: int) ghost1 x = 1 y = 4 IQ = 70 pacman x = 2 y = 13 mouthOpening = false Ghost Pacman -IQ: int -mouthOpening: boolean +getIQ(): int +isMouthOpening(): boolean Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 131 Vererbung Vererbung der Spezifikation Allgemeiner Fall: Vererbung der Spezifikation Eine Unterklasse erbt grundsätzlich die Spezifikation ihrer Oberklasse. Die Unterklasse übernimmt damit alle Verpflichtungen und Zusicherungen der Oberklasse. Häufiger wird auch der Begriff Vererbung von Schnittstellen benutzt. Vererbung der Spezifikation: Eine Unterklasse übernimmt die Verpflichtungen (Vor - und Nachbedingungen), die sich aus der Spezifikation der Oberklasse ergeben. Vererbung ist mehr als die einfache Syntax zur Implementierung einer Schnittstelle. Prinzip der Ersetzbarkeit: Wenn die Klasse B eine abgeleitete Klasse der Klasse A ist, dann können in einem Programm alle Objekte der Klasse A durch Objekte der Klasse B ersetzt worden sein, und es gelten trotzdem weiterhin alle zugesicherten Eigenschaften der Klasse A. Java unterstützt dieses Konzept durch eigene Sprachmittel, C++ nicht kommt gleich genauer. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 132 Vererbung Vererbung der Implementierung Spezieller Fall: Vererbung der Implementierung Anwendungsbeispiel: Es gibt eine Basisklasse, die nicht vollständig durch spezialisierte abgeleitete Klassen abgedeckt wird. Es gibt also Objekte der Basisklasse. Beispiel (in der Basisklasse sind z.B. Beamte und Rentner): Steuerzahler Angestellter Selbstaendiger Syntaxbeispiel: public class Angestellter extends Steuerzahler { } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 133 Vererbung Vererbung der Implementierung Beispiel: Erben gesetzlicher Regelungen (aus „Praxisbuch Objektorientierung“) Gesetzliche Regelungen werden auf verschiedenen Ebenen vorgenommen. Für eine in Karlsruhe lebende Person gilt: Die europäische Union legt rechtliche Rahmenbedingungen fest. Die Bundesrepublik Deutschland hat gesetzliche Regelungen für das Steuerrecht. Das Land Baden-Württemberg hat wiederum eigene spezielle Regelungen. Schließlich legt die Stadt Karlsruhe noch eigene Regelungen fest, zum Beispiel den so genannten Hebesatz für die Gewerbesteuer. „Vererbung der Regelungen“ Die Karlsruher-Regelung erbt von der des Landes Baden-Württemberg. Diese wiederum erben die Regeln des Bundes. Der Bund muss die Regeln der EU akzeptieren. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 134 Vererbung Vererbung der Implementierung Effekte der Vererbung der Umsetzung: Beispiel: Der allgemeine Einkommenssteuersatz wird für Karlsruhe direkt aus der Regelung des Bundes übernommen. Eine Änderung des Einkommensteuersatzes bundesweit führt auch zu einer Änderung in Karlsruhe. In einem bestimmten Rahmen können eigene Umsetzungen in den speziellen Fällen erfolgen. Beispiel: Jede Kommune hat eigene Gewerbesteuerumsetzung. Die Regelungen sind hierarchisch organisiert, wobei die weiter oben liegenden Regeln jeweils weiter unten liegende überschreiben. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 135 Vererbung Vererbung der Implementierung Suche einer passenden Regelung anhand des Beispiels: Suchrichtung Steuerrecht Karlsruhe Steuerrecht BW Steuerrecht Bund Steuerrecht EU Suche eines Gesetzes durch Suchen in den Büchern „von oben nach unten“ im Stapel. Vorteil: - Karlsruhe muss nicht den kompletten Gesetzestext der EU beinhalten. - Eine Änderung innerhalb der EU wird automatisch übernommen. - Nur kleinere Anpassungen werden lokal festgelegt Karlsruher Recht muss mit EURecht übereinstimmen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 136 Vererbung Vererbung der Implementierung Klassenhierarchie der Regelungen: SteuerrechtEU SteuerrechtBund SteuerrechtBW SteuerrechtKarlsruhe Wie wird eine Klassenhierarchie implementiert? Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 137 Vererbung Vererbung der Implementierung – Syntax Beispiel: Figure als allgemeine Basisklasse für eine Figur Ghost als spezielle Figur public class Figure { private int xPos; private int yPos; } public Figure(int xPos, int yPos) { /* ... */ } public void move(int xPos, int yPos) { /* ... */ } //... public class Ghost extends Figure { private boolean dangerous; } public Ghost(int xPos, int yPos, boolean dangerous) { /* ... */ } public boolean isDangerous() { /* ... */ } public void move(int xPos, int yPos) { /* ... */ } //... Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 138 Vererbung Vererbung der Implementierung – Konstruktorenreihenfolge Frage: Wie funktioniert der Konstruktoraufruf in Figure jetzt, wenn ein Ghost-Objekt erzeugt wird? Antwort: Der Konstruktor von Ghost kann Argumente an den Konstruktor der Basisklasse Figure weiterleiten. Ein Konstruktor kann auch seine eigenen Attribute initialisieren. Vorgehensweise: Aufruf des Basisklassenkonstruktors. Initialisierung der eigenen Attribute. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 139 Vererbung Vererbung der Implementierung – Konstruktorenreihenfolge Klassenelemente werden von „oben“ nach „unten“ initialisiert: Erst wird der Konstruktor der Basisklasse aufgerufen. Dann werden die Attribute einer Klasse in der Reihenfolge ihrer Deklaration initialisiert. Abschließend wird der Konstruktor der Klasse selbst aufgerufen. Initialisierungsreihenfolge im Ghost-Beispiel: Figure -xPos: int -yPos: int +Figure() Ghost -dangerous: boolean +Ghost() Holger Vogelsang Initialisierungsreihenfolge 1. Attribute der Basisklasse in der Reihenfolge ihrer Deklaration 2. Konstruktor der Basisklasse 3. Attribute der abgeleiteten Klasse in der Reihenfolge ihrer Deklaration 4. Konstruktor der abgeleiteten Klasse Informatik 2 - Einführung in Java und UML 140 Vererbung Vererbung der Implementierung – Konstruktorenreihenfolge Beispiel: Ghost public Ghost(int xPos, int yPos, boolean dangerous) { super(xPos, yPos); this.dangerous = dangerous; } Konstruktor Basisklasse Holger Vogelsang Attribute Informatik 2 - Einführung in Java und UML 141 Vererbung Vererbung der Implementierung – Freigabereihenfolge Zur Erinnerung: Vor der Freigabe wird die Methode finalize aufgerufen. Zuerst wird finalize der abgeleiteten Klasse aufgerufen. Diese Methode ruft finalize der Basisklasse auf und führt dann eigene Aufräumarbeiten durch. Aufrufreihenfolge der finalize-Methoden im Ghost-Beispiel (sofern dort finalize implementiert wurde): Freigabereihenfolge Figure -xPos: int -yPos: int #finalize() Ghost 2. finalize der Basisklasse ruft auf -dangerous: boolean #finalize() Holger Vogelsang 1. finalize der abgeleiteten Klasse Informatik 2 - Einführung in Java und UML 142 Vererbung Vererbung der Implementierung - Verhindern der Vererbung Soll verhindert werden, dass von einer bestimmten Klasse geerbt wird, dann kann sie als final deklariert werden. Beispiel: public final class Game { private Cell[][] cells; public Game() { /* ... */ } } public void run() { /* ... */ } /* ... */ Die Klasse String ist beispielsweise als final deklariert. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 143 Vererbung Vererbung der Implementierung – Klassenhierarchien Bildung komplexer Klassenhierarchien Jede abgeleitete Klasse kann die Basisklasse einer anderen Klasse sein. Figure -xPos: int -yPos: int public class Figure { private int xPos; private int yPos; +Figure() Ghost -dangerous: boolean +Ghost() } public Figure() { /* ... */ } public void move(int xPos, int yPos) { /* ... */ } public void print() { /* ... */ } /* ... */ FlyingGhost +FlyingGhost() Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 144 Vererbung Vererbung der Implementierung – Klassenhierarchien Figure -xPos: int -yPos: int +Figure() Ghost -dangerous: boolean public class Ghost extends Figure { private boolean dangerous; +Ghost() FlyingGhost } public void move(int xPos, int yPos) { /* ... */ } public void print() { /* ... */ } /* ... */ +FlyingGhost() Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 145 Vererbung Vererbung der Implementierung – Klassenhierarchien Figure -xPos: int -yPos: int +Figure() Ghost -dangerous: boolean +Ghost() FlyingGhost +FlyingGhost() Holger Vogelsang public class FlyingGhost extends Ghost { } public void print() { /* ... */ } /* ... */ Informatik 2 - Einführung in Java und UML 146 Vererbung Vererbung der Implementierung – Klassenhierarchien Durch den Diskriminator können Gruppen zusammengehöriger Klassen erkannt werden weitere Eigenschaften einer Vererbung gegeben werden. Figure passive Figur Ghost Holger Vogelsang passive Figur Cherry steuerbare Figur Diskriminator (optional) Pacman Informatik 2 - Einführung in Java und UML 147 Vererbung Vererbung der Implementierung – Klassenhierarchien Der Diskriminator kann bei Gleichheit auch so notiert werden: Figure gilt für beide Klassen passive Figur Ghost Holger Vogelsang steuerbare Figur Cherry Pacman Informatik 2 - Einführung in Java und UML 148 Vererbung Vererbung der Implementierung – Klassenhierarchien Mehrfachvererbung einer Implementierung: Eine Klasse hat mehr als eine direkte Basisklasse (in Java nicht möglich). HSAngehoeriger Student Dozent Tutor Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 149 Vererbung Vererbung der Implementierung – Rechte bei Attribut- oder Methodenzugriffen Neues Zugriffsrecht: protected für Vererbung räumt einer abgeleiteten Klasse mehr Rechte als einer anderen Klasse ein. Eine abgeleitete Klasse kann alle public- oder protected-Methoden aller seiner Basisklassen aufrufen. alle public- oder protected-Attribute aller seiner Basisklassen lesen und beschreiben. nicht auf die privaten Methoden oder privaten Attribute der Basisklassen zugreifen. Wird eine abgeleitete Klasse in einem Programm verwendet, so kann nur auf die publicMethoden oder Attribute dieser Klasse sowie deren Oberklassen zugegriffen werden. Beispiel: Ghost ghost = new Ghost(3, 2, true); ghost.move(3, 1); boolean dangerous = ghost.dangerous; Holger Vogelsang // OK // Fehler, privat Informatik 2 - Einführung in Java und UML 150 Vererbung Vererbung der Implementierung – Rechte bei Attribut- oder Methodenzugriffen Szenario: hska.iwii.my public class A public int protected int private int int i4; hska.iwii.p1 hska.iwii.p2 { i1; i2; i3; //code } class B extends A { class D extends A { //code //code } } class C { class E { //code } Holger Vogelsang class F { //code } //code } Informatik 2 - Einführung in Java und UML 151 Vererbung Vererbung der Implementierung – Rechte bei Attribut- oder Methodenzugriffen hska.iwii.my public class A public int protected int private int int i4; hska.iwii.p1 hska.iwii.p2 { i1; i2; i3; //code } class B extends A { class D extends A { //code //code } } class C { class E { //code //code } } class F { //code } public int i1 ist in allen Klassen und Paketen sichtbar. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 152 Vererbung Vererbung der Implementierung – Rechte bei Attribut- oder Methodenzugriffen hska.iwii.my public class A public int protected int private int int i4; hska.iwii.p1 hska.iwii.p2 { i1; i2; i3; //code } class B extends A { class D extends A { //code //code } } class C { class E { //code //code } } class F { //code } protected int i2 ist in Unterklassen und im eigenen Paket sichtbar. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 153 Vererbung Vererbung der Implementierung – Rechte bei Attribut- oder Methodenzugriffen hska.iwii.my public class A public int protected int private int int i4; hska.iwii.p1 hska.iwii.p2 { i1; i2; i3; //code } class B extends A { class D extends A { //code //code } } class C { class E { //code //code } } class F { //code } private int i3 ist nur in der eigenen Klasse sichtbar. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 154 Vererbung Vererbung der Implementierung – Rechte bei Attribut- oder Methodenzugriffen hska.iwii.my public class A public int protected int private int int i4; hska.iwii.p1 hska.iwii.p2 { i1; i2; i3; //code } class B extends A { class D extends A { //code //code } } class C { class E { //code } class F { //code } //code } int i4 ist im eigenen Package sichtbar. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 155 Überschreiben von Methoden Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 156 Überschreiben von Methoden Grundlagen Idee: Eine abgeleitete Klasse besitzt eine Methode mit demselben Namen und derselben Signatur wie die Basisklasse. Basisklasse +print() AbgeleiteteKlasse +print() Ein häufiges Problem beim Prinzip der Ersetzbarkeit: Eine Basisklassenreferenz verweist auf ein Objekt einer abgeleiteten Klasse. Wie kann festgestellt werden, welcher Klasse das Objekt angehört wichtig für den Aufruf der korrekten Methode? Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 157 Überschreiben von Methoden Grundlagen Definition: Überschreiben (von Methoden) Wenn eine abgeleitete Klasse eine Methode implementiert, für die es bereits in einer Basisklasse eine Methode gibt, so überschreibt die abgeleitete Klasse die Methode der Basisklasse. Wird die Operation auf einem Exemplar der abgeleiteten Klasse aufgerufen, so wird die überschriebene Implementierung der Methode aufgerufen. Das ist unabhängig davon, welchen Typ die Referenz hat, über die das Objekt angesprochen wird. Entscheidend ist der Typ des Objekts selbst, nicht der Typ der Variablen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 158 Überschreiben von Methoden Grundlagen Aufruf der neuen Methode print. public class Figure { public void print() { System.out.println("Figure"); } } public class Ghost extends Figure { private boolean dangerous; @Override public void print() { System.out.println("Ghost"); } } // … private int test() { Ghost ghost = new Ghost(3, 2, true); Figure figure = ghost; ghost.print(); figure.print(); // ... Holger Vogelsang Figure -xPos: int -yPos: int +print() Ghost -dangerous: boolean +print() Ausgabe: Ghost Ghost Informatik 2 - Einführung in Java und UML 159 Überschreiben von Methoden Verhalten Verhalten Aufruf der Methode der abgeleiteten Klasse (auch, wenn die Methode über eine Basisklassenreferenz aufgerufen wird). Vorteil: Code, der die Methoden aufruft, bleibt unverändert, selbst wenn Klassen hinzukommen oder sich Klassen ändern. Verhalten Alle Methoden, die nicht als final deklariert werden, können überschrieben werden. Signatur und Name der Methode müssen in Basisklasse und abgeleiteter Klasse identisch sein. Überschreibende Methoden sollten mit der Annotation @Override versehen werden. Dann kann der Compiler prüfen, ob diese Methode wirklich eine andere überschreibt: public class Ghost extends Figure { @Override public void print() { System.out.println("Ghost"); } } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 160 Überschreiben von Methoden Verhalten Beispiel für eine Methode, die nicht überschrieben werden darf: public class Figure { public final void print() { System.out.println("Figure"); } } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 161 Überschreiben von Methoden Manueller Einfluss Manueller Einfluss auf das Überschreiben Umgehung der automatischen Methodenauswahl, expliziter Aufruf einer Methode der Basisklasse: super.methode(Parameter); Beispiel: public class Figure { // ... public void move(int xPos, int yPos) { // ... } } public class Ghost extends Figure { // ... @Override public void move(int xPos, int yPos) { super.move(xPos, yPos); // z.B. Neuzeichnen } } Holger Vogelsang Figure -xPos: int -yPos: int +move(xPos: int, yPos: int) Ghost -dangerous: boolean +move(xPos: int, yPos: int) Informatik 2 - Einführung in Java und UML 162 Überschreiben von Methoden Konstruktoren Konstruktoren und Überschreiben Der Konstruktor der Basisklasse wird vor dem Konstruktor der abgeleiteten Klasse ausgeführt. Aufruf einer polymorphen Methode im Konstruktor der Basisklasse: Im Gegensatz zu C++: Aufruf der überschriebenen Methode Achtung: Die abgeleitete Klasse ist noch gar nicht initialisiert!! Konsequenz: Konstruktoren sollten nur private oder finale Methoden aufrufen. public class Base { private Bruch br; public Base() { br = new Bruch(); nein init(); } public void init() { br.setZaehler(42); } } Holger Vogelsang ja public class Derived extends Base { private MathVector mv; public Derived() { mv = new MathVector(3,true); init(); } @Override public void init() { mv.setValue(0, 66); } } Informatik 2 - Einführung in Java und UML Base +Base() +init() Derived +Derived() +init() 163 Überschreiben von Methoden Hinweise Hinweise zum Umgang mit dem Überschreiben Ermittlung der „richtigen“ Methode: Zur Übersetzungszeit (early binding, statische Bindung): Der Aufruf kann vom Compiler direkt in Bytecode umgesetzt werden, da die Methode jederzeit bekannt ist. nur für Methoden möglich, die als final oder private deklariert sind Zur Laufzeit (late binding, dynamische Bindung): Alle Methoden, die nicht final, nicht privat und nicht statisch sind Polymorphismus. Das Objekt findet selbst heraus, welche Methode aufgerufen werden soll geringer Mehraufwand beim Methodenaufruf Die überschreibende Methode der abgeleiteten Klasse darf die Zugriffsrechte der Methode der Basisklasse nicht einschränken. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 164 Überschreiben von Methoden Hinweise Hinweise zum Design „Normale“ Methoden: Alle Methoden einer Klasse, die überschrieben werden dürfen, sollten nicht final sein. final sollte nur aus Design- nicht aus Geschwindigkeitsgründen hinzugefügt werden. Finale Methoden: Methoden, die nicht überschrieben werden dürfen, sollten als final deklariert werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 165 Überschreiben von Methoden Regeln Wiederholung: Prinzip der Ersetzbarkeit Wenn die Klasse Abgel eine abgeleitete Klasse der Klasse Basis ist, dann können in einem Programm alle Objekte der Klasse Basis durch Objekte der Klasse Abgel ersetzt worden sein, und es gelten trotzdem weiterhin alle zugesicherten Eigenschaften der Klasse Basis. Der für die Basisklasse geschlossene Kontrakt mit Bezug auf Vorbedingungen, Nachbedingungen und Invarianten gilt also auch dann weiter, wenn Objekte der Basisklasse durch Objekte der abgeleiteten Klasse ersetzt werden. Beim Überschreiben von Methoden gilt also: Abgeleitete Klassen dürfen zwar mehr anbieten, aber nicht mehr verlangen als Exemplare ihrer Basisklassen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 166 Überschreiben von Methoden Regeln Liskovsches Substitutionsprinzip Formulierung 1993 von Barbara Liskov und Jeannette Wing: Basisklasse Basis b ist ein Objekt von Basis. Basis Abgeleitete Klasse Abgeleitet, die von Basis erbt Abgeleitet a ist ein Objekt von Abgeleitet. Es gilt: Sei q(b) eine beweisbare Eigenschaft von Objekten b des Typs Basis. Dann soll q(a) für Objekte a des Typs Abgeleitet wahr sein. Beispiele kommen gleich! Besser verständlich als „ist-ein“-Beziehung. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 167 Überschreiben von Methoden Regeln Konsequenzen für die Vorbedingungen, Nachbedingungen und Invarianten einer abgeleiteten Klasse: Schwächere Vorbedingungen: - Eine abgeleitete Klasse kann die Vorbedingungen für eine Operation, die durch die Basisklasse definiert wird, einhalten oder abschwächen. Sie darf die Vorbedingungen aber nicht verschärfen. - Falls eine abgeleitete Klasse die Vorbedingungen verschärfen würde, würde damit ohne Absprache mit den Partnern von diesen mehr verlangt als vorher. - Erlaubte und verbotene Maßnahmen (unvollständig): Der Wertebereich der Übergabeparameter wird erweitert. Eine nicht öffentliche Methode wird öffentlich überschrieben. Der Wertebereich der Übergabeparameter wird verkleinert. Der Übergabeparameter wird von einem Objekt der Basisklasse auf ein Objekt der abgeleiteten Klasse eingeschränkt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 168 Überschreiben von Methoden Regeln Stärkere Nachbedingungen: - Eine abgeleitete Klasse kann die Nachbedingungen für eine Operation, die durch eine Oberklasse definiert werden, einhalten oder einschränken. Sie darf die Nachbedingungen aber nicht lockern. - Falls eine abgeleitete Klasse die Nachbedingungen lockern würde, würde diesen damit wieder ohne Absprache mit den Partnern des Kontrakts mehr geboten als vorher. - Erlaubte und verbotene Maßnahmen (unvollständig): Der Wertebereich der Rückgabeergebnisse wird eingeschränkt. Der Rückgabetyp ist ein Objekt der abgeleiteten Klasse A (A erbt von B), während die Methode der Basisklasse ein Objekt einer Basisklasse B zurückgibt. Der Wertebereich der Rückgabeergebnisse wird erweitert. Der Rückgabetyp ist ein Objekt der Basisklasse B, während die Methode der Basisklasse ein Objekt einer abgeleiteten Klasse A (A erbt von B) zurückgibt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 169 Überschreiben von Methoden Regeln Invarianten: - Eine abgeleitete Klasse muss dafür sorgen, dass die für die Basisklasse definierten Invarianten immer gelten. Sie darf die Invarianten verschärfen. - Die Partner des Kontrakts müssen sich auf die zugesicherten Invarianten verlassen können. - Eine Verhaltensänderung darf eintreten. Ergebnis: Design by Contract Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 170 Überschreiben von Methoden Regeln Beispiel für die Verletzung der Ersetzbarkeit: Figure context Rectangle::scaleX(factor: float) +display() pre: factor > 0 post: (lengthX = lengthX@pre * factor and lengthY = lengthY@pre) Rectangle -lengthX: int -lengthY: int +display() +scaleX(factor: double) +scaleY(factor: double) context Square inv: lengthX = lengthY Holger Vogelsang Square Informatik 2 - Einführung in Java und UML Ersetzbarkeit verletzt: Neue Einschränkung der Längen in der Invariante des Quadrates! 171 Überschreiben von Methoden Regeln Beispiel für die Einhaltung der Ersetzbarkeit: Account context Account::withdraw -balance: int pre: amount > 0 and amount <= balance post: balance = balance@pre - amount context CreditAccount::withdraw +withdraw(amount: int) +payin(amount: int) +getBalance(): int CreditAccount pre: amount > 0 and amount <= (balance + creditLimit) post: balance = balance@pre - amount -creditLimit: int +withdraw(amount: int) +changeLimit(limit: int) Nachbedingung wurde nicht gelockert, Vorbedingung gelockert ok. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 172 Überschreiben von Methoden Regeln Implementierung des Kontobeispiels: public class CreditAccount extends Account { private int creditLimit; public class Account { private int balance = 0; public int getBalance() { return balance; } public CreditAccount(int limit) { creditLimit = limit; } @Override public void withdraw(int amount) { assert amount > 0 && amount <= (balance + creditLimit); balance -= amount; } public void withdraw(int amount) { assert amount > 0 && amount <= balance; } } balance -= amount; public void payin(int amount) { balance += amount; } Holger Vogelsang } public void changeLimit(int limit) { creditLimit = limit; } Informatik 2 - Einführung in Java und UML 173 Überschreiben von Methoden Regeln Verwendung des Kontobeispiels: CreditAccount account1 = new CreditAccount(10000); Account account2 = new Account(); // Abheben bank.withdraw(account1); bank.withdraw(account2); // Methode zum Abheben eines Festbetrags // account verweist auf Account oder CreditAccount public void withdraw(Account accountPtr) { if (accountPtr.getBalance() >= 200) accountPtr.withdraw(200); } Wichtig: In der Methode withdraw sind Vor- und Nachbedingung sowie Invariante nur anhand der Klasse Account erkennbar! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 174 Überschreiben von Methoden Regeln Beispiel für die Verletzung der Ersetzbarkeit (Einschränkung der Vorbedingung): Account context Account::transfer pre: amount > 0 and amount <= balance + creditLimit post: (balance = balance@pre – amount and dest.balance = dest.balance@pre + amount) -balance: int -creditLimit: int +withdraw(amount: int) +payin(amount: int) +getBalance(): int +transfer(amount: int, dest: Account) +setCreditLimit(limit: int) DepositAccount context DepositAccount::transfer pre: false +transfer(amount: int, dest: Account) +setCreditLimit(limit: int) Die Überweisung von einem Sparkonto wird verboten Einschränkung der Vorbedingung! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 175 Überschreiben von Methoden Regeln Implementierung des Kontobeispiels (unvollständig): public class Account { private int balance = 0; private int creditLimit = 0; public class DepositAccount extends Account { public int getBalance() { return balance; } public void transfer(int amount, Account dest) { assert amount > 0 && amount <= (balance + creditLimit)); balance -= amount; dest.payin(amount); } } public void payin(int amount) { assert amount > 0; balance += amount; } Holger Vogelsang @Override public void transfer(int amount, Account dest) { assert false; } } Informatik 2 - Einführung in Java und UML 176 Überschreiben von Methoden Regeln Verwendung des Kontobeispiels: DepositAccount account1 = new DepositAccount(); Account account2 = new Account(); // Überweisen bank.transfer(account1, account2); bank.transfer(account2, account1); // Methode zum Überweisen eines Festbetrags public void transfer(Account dest, Account source) { if (source.getBalance() + source.getCreditLimit() >= 200) source.transfer(200, dest); } Wichtig: In der Methode transfer berücksichtigt die Vorbedingung der Klasse Account. DepositAccount schränkt diese aber ein Methode transfer kann nicht richtig funktionieren. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 177 Überschreiben von Methoden Regeln Problem: Die Kontraktverletzungen werden erst zur Laufzeit entdeckt vollständige Test erforderlich. Lösung: Spracherweiterungen, die eine Spezifikation der Kontrakte erlauben Problem: Prüfungen auf Kontrakteinhaltung müssen manuell in den Code verteilt werden sehr viel Arbeit. Lösung: AOP (Aspect Oriented Programming) kommt später Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 178 Überschreiben von Methoden Regeln Wie können Kontrakte angegeben werden? in UML mit OCL im Quelltext mit Assertions (auch mit Hilfe von AOP) Es gibt Erweiterungen objektorientierter Sprachen um Constraints, Auswahl: jContractor (http://jcontractor.sourceforge.net/), C4J (http://c4j.sourceforge.net/), COFOJA (http://code.google.com/p/cofoja) Wie sieht es bei Schnittstellen oder abstrakten Klassen aus? Dort gibt es keine Implementierung! in UML mit OCL spezifizieren im Quelltext dokumentieren Constraint-Erweiterung verwenden Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 179 Überschreiben von Methoden Kovarianz und Kontravarianz Genauerer Blick auf die Vererbung bei Methodenparametern und Rückgabetypen Kovariante Rückgabetypen in der clone-Methode: Der Rückgabetyp in der abgeleiteten Klasse erbt vom Rückgabetyp der Basisklasse Figure -x: int -y: int +clone(): Figure Ghost Die Klasse T2 ist der Klasse T1 kovariant, wenn alle Objekte von T2 gleichzeitig Objekte von T1 sind. Einfacher gesagt: T2 muss entweder T1 oder eine abgeleitete Klasse sein. +clone(): Ghost Einschränkung der Nachbedingung in dieser Form ist erlaubt. Java unterstützt seit Version 5 kovariante Rückgabetypen. C++ hat kovariante Rückgabetypen im Standard definiert. Allerdings unterstützen nicht alle Compiler dieses Sprachmittel. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 180 Überschreiben von Methoden Kovarianz und Kontravarianz Kovariante Übergabetypen in der set-Methode: Der Übergabegabetyp in der abgeleiteten Klasse erbt vom Übergabegabetyp der Basisklasse Figure -x: int -y: int +set(f: Figure) Ghost +set(g: Ghost) Die Einschränkung der Vorbedingung ist nicht erlaubt. Ausweg: In Java und C++ wird die Methode set in Figure gar nicht überschrieben, sie wird überladen! Schlussfolgerung: Die Übergabetypen sind nicht kovariant. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 181 Überschreiben von Methoden Kovarianz und Kontravarianz Kontravariante Übergabetypen in der set-Methode: Der Übergabegabetyp in der abgeleiteten Klasse ist Basisklasse des Übergabetyps der Basisklasse Figure -x: int -y: int +set(g: Ghost) Ghost Die Klasse T2 ist der Klasse T1 kontravariant, wenn alle Objekte von T1 gleichzeitig Objekte von T2 sind. Einfacher gesagt: T1 muss entweder T2 oder seine abgeleitete Klasse sein. +set(f: Figure) Aufweichung der Vorbedingung ist erlaubt. Kontravariante Übergabetypen sind erlaubt. Kontravariante Rückgabetypen sind nicht erlaubt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 182 Vererbung Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 183 Vererbung Vererbung der Implementierung (abstrakte Basisklasse) Spezialfall der Vererbung: Abstrakte Basisklasse Idee: Es gibt keine Objekte der Oberklasse. Alle Objekte der Basisklasse müssen durch Unterklassenobjekte repräsentiert werden. Beispiel: Ein Konto ist entweder ein Girokonto oder ein Sparkonto. Es muss eines von beiden sein, kann aber nicht in beiden Klassen gleichzeitig sein. Pacman-Beispiel: Es gibt keine Objekte der Basisklasse Figure. Figure Ghost Holger Vogelsang kursiv Pacman Informatik 2 - Einführung in Java und UML 184 Vererbung Vererbung der Implementierung (abstrakte Basisklasse) Klassen werden mit dem Schlüsselwort abstract als abstrakt markiert, um zu verhindern, dass ein Objekt solcher Klasse erzeugt wird. Beispiel: Figure, von dem keine Objekte erzeugt werden dürfen. public abstract class Figure { private int xPos; private int yPos; } public void handleCollisionWith(Figure other) { // ... } public class Pacman extends Figure { private boolean mouthOpening; } @Override public void handleCollisionWith(Figure other) { // ... } Überschreiben bzw. // ... implementieren der Methode Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 185 Vererbung Vererbung der Implementierung (abstrakte Basisklasse) Auch Methoden können abstrakt sein: Die Basisklasse kann z.B. keine sinnvolle gemeinsame Implementierung anbieten. Die abgeleiteten Klassen müssen die Methoden dann implementieren. Ein Klasse mit mindestens einer abstrakten Methode ist abstrakt. Beispiel: Figure ohne Implementierung des Zeichnens public abstract class Figure { private boolean dead; } public abstract void paint(Canvas panel); // ... keine Implementierung Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 186 Vererbung Vererbung der Spezifikation (Schnittstellen) Für die Vererbung einer Spezifikation gibt es in Java Schnittstellen (interface). Es werden Methodensignaturen vorgegeben, die eine erbende Klasse implementiert. Beispiel: Schnittstelle Runnable aus dem JDK Stereotyp public interface Runnable { <<interface>> <<interface>> Runnable void run(); } Alle Methoden sind public (nicht angegeben). Alle Attribute sind public, static und final (nicht angegeben). Implementierung einer Schnittstelle: public class Figure implements Runnable { @Override public void run() { /* ... */ } } +run() Figure -xPos: int -yPos: int +run() Eine Klasse darf beliebig viele Schnittstellen direkt implementieren (die Schnittstellen werden mit Kommata getrennt aufgeführt). Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 187 Vererbung Vererbung der Spezifikation (Schnittstellen) Was passiert, wenn eine Schnittstelle um zusätzliche Methoden erweitert werden soll? Alle erbenden Klassen müssten angepasst werden schwer umsetzbar, wenn weltweit tausende Projekte die Schnittstellen verwenden! Problem wurde bei der Erweiterung der Collections-Klassen in Java 8 behoben. Lösung: Schnittstellen dürfen Methoden Standard-Implementierungen geben: public interface MyInterface { void make(); default int makeFourtyTwo() { return 42; } } Wenn die erbende Klasse die Methode nicht implementiert, dann wird die Implementierung der Schnittstelle verwendet. Tipp: Wirklich nur für eine spätere Erweiterung von Schnittstellen verwenden! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 188 Vererbung Vererbung der Spezifikation (Schnittstellen) Schnittstellen dürfen auch statische Methoden besitzen. Diese müssen eine Standard Implementierung enthalten. public interface MyInterface { void make(); static MyInterface getInstance() { return new MyClass(); } } Sinnvoll für sogenannte Fabrik-Methoden (Methoden erzeugen Objekte einer Klasse) Einsatz kommt später im Datenstruktur-Kapitel. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 189 Vererbung Vererbung der Spezifikation (Schnittstellen) Alternative Darstellung mit Ball-Symbol (die Klasse Figure implementiert die Schnittstelle Runnable): implementierte Schnittstelle Figure +run() Schnittstellenname Runnable Algorithmen und Datenstrukturen operieren häufig nur auf Schnittstellen: Klassendiagramme einer Beziehung genau wie bei einer Abhängigkeit zwischen Klassen notwendig Hier: Klasse benötigt eine Schnittstelle Controller <<use>> <<interface>> Runnable benötigte Schnittstelle +run() Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 190 Vererbung Vererbung der Spezifikation (Schnittstellen) Alternative Darstellung mit dem Ball-Symbol: benötigte Schnittstelle Controller Runnable Schnittstellenname Gemeinsame Darstellung: Schnittstelle, implementierende Klasse und Klasse, die die Schnittstelle benötigt, in der Ball-Darstellung: Figure Controller Runnable +run() Implementierung: public class Controller { private Runnable[] elements; // ... } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 191 Vererbung Beispiel: „Pacman“ Ziel: Klassenhierarchie für das Zeichenprogramm oder Pacman-Figuren Die Algorithmen des Programms sollen auch mit noch „unbekannten“ Figuren funktionieren Erweiterbarkeit! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 192 Generische Klassen Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 193 Generische Klassen Definition: Generische Klasse Eine generische Klasse ist eine mit formalen generischen Parametern versehene Schablone. Erst durch die Verwendung der Klasse werden die Parameter durch konkrete Klassen ersetzt. So kann zur Übersetzungszeit eine höhere Typsicherheit sichergestellt werden. Darstellung mit UML: TemplateKlasse T: class Parametertyp Parametername Parameteraufbau: Parameter-Name[:Parameter-Typ][=Vorgabewert] Parameter-Name: Name des Platzhalters Parameter-Typ: Optionale Klasse des Parameters. Ist kein Typ angegeben, kann jede beliebige Klasse class verwendet werden. Vorgabewert: Standardwert, falls die Typangabe fehlt Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 194 Generische Klassen Vektor (Version 3) Vektor als generische Klasse: public class Vector<E> { private E[] values; @SuppressWarnings("unchecked") public Vector(int size, E initValue) { values = (E[]) new Object[ size ]; for (int i = 0; i < size; ++i) { values[ i ] = initValue; } } public void setValue(int index, E value) { values[ index ] = value; } } Vector E: class - values: E[*] {bag} + Vector(size: int, initValue: E) + setValue(index: int, value: E) + getValue(index: int): E public E getValue(int index) { return values[ index ]; } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 195 Generische Klassen Anmerkungen: public class Vector<E>: <E> ist der Platzhalter für eine Klasse. Der Platzhalter steht immer für den Namen einer Klasse oder Schnittstelle: - Primitive Datentypen werden nicht unterstützt. - Intern speichert die Klasse Referenzen vom Typ Object ab. - Der Platzhalter dient zum typsicheren Zugriff, der zur Übersetzungszeit geprüft werden kann. - Der Platzhaltertyp kann fast wie ein normaler Datentyp innerhalb der Klasse verwendet werden. Ausnahmen: Objekterzeugung, Arrays Der cast-Operator im Konstruktor ist nicht geprüft. Deshalb wird die Warnung des Compilers mit @SuppressWarnings("unchecked") unterdrückt. In Java können keine Arrays mit generischen Typen angelegt werden. Deshalb erzeugt der Vektor Object-Arrays kommt noch genauer. Es dürfen mehrere Platzhalter verwendet werden. Beispiel: public class HashMap<K,V> { /* … */ } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 196 Generische Klassen Eine konkrete Instanz einer generischen Klasse wird durch die folgende Schreibweise erzeugt: Klasse<Typ> Beispiel: Vector<Double> vector1 = new Vector<>(3, 0.0); Kann anhand des Typs der Referenz erkannt werden. Beispiel (der Compiler stellt sicher, dass die rot markierten Elemente vom Typ Double bzw. double sind): Vector<Double> v1 = new Vector<>(3, 0.0); v1.setValue(0, 2.0); double value = v1.getValue(); System.out.println(value); Beispiel ohne generische Klasse (der Compiler kann keine Typprüfung vornehmen): Vector v1 = new Vector(3, 0.0); v1.setValue(0, 2.0); Double value = (Double) v1.getValue(); System.out.println(value); Falsche Werte (z.B. String) werden zur Laufzeit bemerkt (ClassCastException). Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 197 Generische Klassen Umsetzung in der virtuellen Maschine Generische Klassen wurden erst mit Java 5 eingeführt. Ziel war es, den Bytecode zu Java 1.4 kompatibel zu halten. Wie lassen sich generische Klassen implementieren? heterogen: Für jeden Typparameter wird eine neue Klasse erzeugt (C++-Ansatz). homogen: Es wird nur eine Klasse erzeugt. Der Typparameter wird durch die oberste Basisklasse Object ersetzt. Die Typparameter dienen nur zur Prüfung während der Übersetzungszeit (Java-Ansatz). Der Compiler löscht also die Typ-Informationen („type erasure“): Der Bytecode bleibt kompatibel zu Java 1.4. Die generischen Typen existieren nicht mehr zur Laufzeit führt zu Problemen: Vector<Double> v1 = new Vector<>(); if (v1 instanceof Vector<Double>) // Compilerfehler, da Vector<Double> zur // Laufzeit nicht existiert! Korrekt wäre: Vector<Double> v1 = new Vector<>(); if (v1 instanceof Vector) // Vector existiert Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 198 Generische Klassen Umsetzung in der virtuellen Maschine Damit sind die Klassen trotz unterschiedlicher Typparameter identisch: Vector<Double> v1 = new Vector<>(); Vector<String> v2 = new Vector<>(); if (v1.getClass() == v2.getClass()) // true Generische Klassen lassen sich auch ohne Typparameter verwenden („raw type“): Vector v1 = new Vector<Double>(); Vector v2 = new Vector(); Die Verwendung führt aber z.B. bei setValue zu einer Compiler-Warnung. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 199 Generische Klassen Umsetzung in der virtuellen Maschine Beispiel für die Umsetzung anhand des Vektors (Ausschnitt): Definition im Quelltext Definition zur Laufzeit („fiktiv“) public class Vector<E> { private E[] values; } public class Vector { private Object[] values; // ... // ... public void setValue(int ind, E v) { values[ ind ] = v; } public void setValue(int ind, Object v) { values[ ind ] = v; } public E getValue(int ind) { return values[ ind ]; } public Object getValue(int ind) { return values[ ind ]; } Verwendung zur Laufzeit („fiktiv“) Verwendung im Quelltext Vector<String> names = new Vector<>(); names.setValue(0, "Vogelsang"); String name = names.getValue(0); Holger Vogelsang } Vector names = new Vector(); names.setValue(0, "Vogelsang"); String name = (String) names.getValue(0); Informatik 2 - Einführung in Java und UML 200 Generische Klassen Arrays Arrays mit generischen Typen haben einige Besonderheiten: Die Deklaration ist problemlos möglich: private ArrayList<String>[] al; Aber eine Initialisierung klappt nicht intuitiv: private ArrayList<String>[] al = new ArrayList<>[ 10 ]; // Compilerfehler Lösungen: Verwendung des Platzhalters ?: private ArrayList<String>[] al = (ArrayList<String>[]) new ArrayList<?>[ 10 ]; Erstellen einer Klasse für den Inhalt der Arrayzellen: public class MyList extends ArrayList<String> { // notwendige Konstruktoren } private MyList[] al = new MyList[ 10 ]; Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 201 Generische Klassen Schnittstellen Auch Schnittstellen können generisch sein: <<interface>> Comparable T: class Schnittstellenimplementierung +compareTo(o: T): int String Integer +compareTo(o: String): int +compareTo(o: Integer): int Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 202 Generische Klassen Schnittstellen Schnittstelle Comparable aus dem JDK: public interface Comparable<E> { int compareTo(E other); } Implementierung der Schnittstelle: public class String implements Comparable<String> { @Override public int compareTo(String other) { // ... } } Einsatzbeispiel für die Schnittstelle: Ein Sortieralgorithmus soll beliebige Arrays sortieren können. Wie soll dieser Algorithmus wissen, welche Daten größer und welche kleiner sind? Lösung: Er fragt z.B. die Daten selbst! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 203 Generische Klassen Schnittstellen Variante 1: Daten müssen die Schnittstelle Comparable implementieren. public class Customer implements Comparable<Customer> { // ... private int number; @Override public int compareTo(Customer other) { return number – other.number; } } Jetzt kann der existierende Sortieralgorithmus verwendet werden: ArrayList<Customer> customers = new ArrayList<>(); // ... Collections.sort(customers); Problem: Was passiert, wenn nach unterschiedlichen Kriterien sortiert werden soll? Lösung: Der Vergleich hat nichts in der Klasse Customer zu suchen. Er wird als Argument an den Algorithmus übergeben. Hinweis: Wenn compareTo implementiert wird, sollte auch equals überschrieben werden (kommt noch…). Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 204 Generische Klassen Schnittstellen Variante 2: Separater „Vergleicher“, der die generische Schnittstelle Comparator<T> implementiert. public class Customer { // ... private int number; // Getter und Setter } Vergleicher für zwei Kundenobjekte: public class CustomerNumberComparator implements Comparator<Customer> { @Override public int compare(Customer c1, Customer c2) { return c1.getNumber() – c2.getNumber(); } } Jetzt kann der existierende Sortieralgorithmus verwendet werden: ArrayList<Customer> customers = new ArrayList<>(); // ... Collections.sort(customers, new CustomerNumberComparator()); Es wird eine „Funktion“ in einem Objekt gekapselt geht noch eleganter kommt später… Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 205 Generische Methoden „Normale“ (nicht-generische) und generische Klassen dürfen generische Methoden besitzen. Das wird häufig bei Hilfsklassen mit statischen Methoden eingesetzt: Beispiel: Methode asArrayList erzeugt aus einer variablen Anzahl Übergabewerte eine ArrayList (angelehnt an Klasse Arrays aus dem SDK) public class Arrays { @SafeVarargs public static <T> ArrayList<T> asArrayList(T... a) { ArrayList<T> result = new ArrayList<>(a.length); for (int i = 0; i < a.length; ++i) { result.add(a[ i ]); } return result; } } Syntax: Zugriffsrecht <T> Rückgabetyp Methodenname(Parameter) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 206 Generische Klassen Einschränkungen der Parametertypen Die Typparameter lassen sich einschränken: Basisklasse: Der Parametertyp muss von einer bestimmten oder mehreren Basisklassen erben. Schnittstellen: Der Parametertyp muss eine bestimmte oder mehrere Schnittstellen implementieren. Beispiel, in dem der Vektor nur mit Klassen, die von Number erben, verwendet werden darf (weil der Vektor z.B. Zahlenoperationen durchführt), Vektor Version 4: public class Vector<E extends Number> { private Number[] values; } public double getSum() { // Summe alle Werte ermitteln double sum = 0.0; for (int i = 0; i < values.length; ++i) { sum += values[ i ].doubleValue(); } return sum; } // ... Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 207 Generische Klassen Einschränkungen der Parametertypen Es können auch mehrere Einschränkungen vorhanden sein. Bespiel: Der Typparameter des Vektors muss von Number erben und Cloneable implementieren: public class Vector<E extends Number & Cloneable> Syntax bei mehr als zwei Einschränkungen: public class Klasse<E extends C1 & C2 & C3> Achtung bei Vererbung: Vector<Object> ist keine Basisklasse von Vector<Double>! Vector<Object> v1 = new Vector<Double>(); // Compilerfehler! Ansonsten ließe sich z.B. ein String in dem Vektor speichern. Die Methode public void dump(Vector<Object> v1) darf nicht mit einem Vector<Double> aufgerufen werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 208 Generische Klassen Parametertypen und Vererbung Ausweg: Wildcards erlauben es, einen Typ unbestimmt zu lassen. Beispiel: public void dump(Vector<?> v1) ? ist ein unbekannter Typ, nicht Object. Die Methode dump darf jetzt mit jedem beliebigen Typparameter verwendet werden. Wildcards unterstützen auch Typeinschränkungen („ upper bound wildcards“): public void dump(Vector<? extends Number> v1) Es können nur Vektoren übergeben werden, deren Inhalt von Number erbt. Einschränkung des Typparameters „nach unten“: public void dump(Vector<? super MyClass> v1) Es können nur Vektoren übergeben werden, deren Inhalt MyClass oder seine Basisklassen bzw. Schnittstellen sind. Klassen, die von MyClass erben, sind nicht erlaubt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 209 Aufzähltypen Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 210 Aufzähltypen Einführung Ein Aufzähltyp ist eine spezielle Klasse, von der benannte Objekte erzeugt werden. Beispiel für die Bewegungsrichtungen von Figuren in Pacman: public enum Direction { NONE, UP, DOWN, LEFT, RIGHT; } Stereotyp Daraus erzeugt der Compiler eine Klasse, die ungefähr so aussieht: public class Direction extends Enum<Direction> { public static final Direction NONE = new Direction("NONE", 0); public static final Direction UP = new Direction("UP", 1); public static final Direction DOWN = new Direction("DOWN", 2); public static final Direction LEFT = new Direction("LEFT", 3); public static final Direction RIGHT = new Direction("RIGHT", 4); <<enumeration>> Direction NONE UP DOWN LEFT RIGHT private Direction(String name, int index) { super(name, index); } // Alle Werte ermitteln public static Direction[] values() { /* ... */ } } // weitere Methoden ... Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 211 Aufzähltypen Einführung Vorteil von Aufzähltypen gegenüber finalen int-Werten: In einem switch-Block kann der Compiler testen, ob alle Werte eines Typs einen caseBlock haben. Der Benutzer kann anhand des Typs dessen Bedeutung erkennen. Der Typ kann nur die erlaubten Werte annehmen. Was bietet die Basisklasse Enum noch (Auswahl)? public String name(): Name des Aufzählwertes (z.B. "LEFT") Beispiel: String name = Direction.LEFT.name(); public int ordinal(): Index eines Wertes in der Aufzählung (z.B. 3 für der Wert Direction.LEFT, weil LEFT als vierter Wert angegeben ist, Zählung zählt beginnt bei 0) Beispiel: int index = Direction.LEFT.ordinal(); public static <T extends Enum<T>> valueOf(Class<T> enumType, String name): Ermittelt aus dem Namen den Aufzählwert Beispiel: Direction dir = Enum.valueOf(Direction.class, "UP"); Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 212 Aufzähltypen Einführung Ein Aufzähltyp kann in Pacman für zwei Aufgaben eingesetzt werden: Richtung, in die sich eine Figur bewegt public enum Direction { NONE, UP, DOWN, LEFT, RIGHT; } Position einer Zelle, an der sich ein Rahmen befindet. - Problem: Eine Zelle kann an mehr als einer Position einen Rahmen haben. - Lösung: Bitkombination als zusätzlichen Wert dem Aufzähltyp übergeben ersetzt nicht den Index (Aufruf ordinal()). public enum Direction { // noch unvollständig NONE(0), UP(1), DOWN(2), LEFT(4), RIGHT(8), ALL(15); } Die zweite Variante wird auch für die Richtung verwendet, wobei ALL unsinnig ist. Beispiele: LEFT | UP | DOWN RIGHT Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 213 Aufzähltypen Methoden und Attribute Wie funktioniert die Übergabe zusätzlicher Parameter an einen Aufzählwert genau? Dieses Beispiel ergibt Übersetzungsfehler, weil der entsprechende Konstruktor fehlt: public enum Direction { NONE(0), UP(1), DOWN(2), LEFT(4), RIGHT(8), ALL(15); } Aufzähltypen dürfen zusätzliche Konstruktoren, Attribute und Methoden erhalten: public enum Direction { NONE(0), UP(1), DOWN(2), LEFT(4), RIGHT(8), ALL(15); private int value; private Direction(int value) { this.value = value } Konstruktoraufruf public int getValue() { return value; } } // weitere Methoden Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 214 Aufzähltypen Methoden und Attribute Aufzähltypen dürfen auch Schnittstellen implementieren. Sie können aber nicht von Klassen erben, weil sie intern bereits Enum<E> als Basisklasse besitzen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 215 Regeln und Hinweise Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 216 Regeln und Hinweise Wichtige Methoden und Operatoren einer Java-Klasse Welche Methoden und Operatoren haben eine besondere Bedeutung (kleine Auswahl, hier anhand der Klasse Ghost)? Methode/Operator Bedeutung Ghost() Standardkonstruktor. Wird immer dann automatisch erzeugt, wenn kein eigener Konstruktor geschrieben wurde. protected void finalize() Wird aufgerufen, bevor das Objekt gelöscht wird. public boolean equals(Object s) Kommt noch… public String toString() Wird aufgerufen, wenn eine String-Darstellung des Objektes benötigt wird. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 217 Regeln und Hinweise Wichtige Methoden und Operatoren einer Java-Klasse Identität und Gleichheit zweier Objekte (hier anhand der Klasse Ghost): Methode/Operator Bedeutung Ghost gh1 = new Ghost(); Ghost gh2 = new Ghost(); if (gh1.equals(gh2)) Inhaltlicher Vergleich der Objekte. Dazu sollte die Methode equals der Klasse Ghost überschrieben werden. Ghost gh1 = new Ghost(); Ghost gh2 = new Ghost(); if (gh1 == gh2) Identität der Objekte. Dazu werden die Referenzen auf die Objekte verglichen. Sind diese identisch, so handelt es sich um dasselbe Objekt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 218 Regeln und Hinweise Wichtige Methoden und Operatoren – Vergleich von Objekten Bedingungen für die Gleichheit zweier Objekte: Die Gleichheitsprüfung ist reflexiv: A ist gleich A. Die Gleichheitsprüfung ist symmetrisch: A ist gleich B ==> B ist gleich A. Die Gleichheitsprüfung ist transitiv: A ist gleich B und B ist gleich C ==> A ist gleich C. Jede Implementierung muss diese Bedingungen einhalten! Problem: Wie sieht der Vergleich bei Vererbung aus? Figure -xPos: int -yPos: int Die equals-Methode vergleicht die Positionen der Figuren +equals(o: Object): boolean Ghost -dangerous: boolean Die equals-Methode vergleicht die Positionen und die Gefährlichkeit der Geister +equals(o: Object): boolean Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 219 Regeln und Hinweise Wichtige Methoden und Operatoren – Vergleich von Objekten Ohne Beweis: Der Vergleich von Objekten unterschiedlicher Klassen führt zur Verletzung mindestens einer Regeln. Konsequenz: Nur Objekte identischer Klassen werden überhaupt auf Gleichheit überprüft . Beispiel: public class Figure { private int xPos; private int yPos; // ... @Override public boolean equals(Object o) { if (o != null && o.getClass() == getClass()) { Figure f = (Figure) o; return xPos == f.xPos && yPos == f.yPos; } return false; } } Holger Vogelsang public class Ghost extends Figure { private boolean dangerous; // ... @Override public boolean equals(Object o) { return super.equals(o) && ((Ghost) o).dangerous == dangerous; } } Informatik 2 - Einführung in Java und UML 220 Regeln und Hinweise Wichtige Methoden und Operatoren – Vergleich von Objekten Erklärung des Beispiels: Die Basisklasse Figure testet mit getClass() zunächst auf identische Klassen. Nur dann werden die Attribute vergleichen. Die abgeleitete Klasse Ghost lässt die Basisklasse die Gleichheit feststellen und prüft dann das zusätzliche Attribut. Anmerkung: In der Praxis ist es manchmal auch sinnvoll, nur die Basisklasse ohne Test auf Klassengleichheit die Prüfung vornehmen zu lassen hängt von der Aufgabe ab. Dann können eine Figur und ein Geist gleich sein! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 221 Regeln und Hinweise Probleme bei Vererbung – Instabile Basisklasse Und noch etwas gibt es bei Vererbung zu beachten, Beispiel: Die Klasse LoggingVector erbt von der Basisklasse Vector (Vererbung der Implementierung). LoggingVector protokolliert zusätzlich alle Aktionen von Vector. Die Methode clear wird nicht überschrieben, weil sie intern setValue aufruft. E: class Vector -values: E[*] public void clear() { for (int i = 0; i < values.length; i++) setValue(null, i); } +Vector(size: int) +setValue(index: int, value: E) +getValue(index: int): E +clear() LoggingVector +LoggingVector(size: int) +setValue(index: int: value: E) +getValue(index: int): E Holger Vogelsang E: class setValue und getValue protokollieren die Aktion und rufen die Methoden der Basisklasse auf. Informatik 2 - Einführung in Java und UML 222 Regeln und Hinweise Probleme bei Vererbung – Instabile Basisklasse Wo ist jetzt das Problem? Eine Änderung an der Basisklasse führt dazu, dass die abgeleitete Klasse nicht mehr korrekt funktioniert. Vector E: class -values: E[*] +Vector(size: int) +setValue(index: int, value: E) +getValue(index: int): E kein Aufruf +clear() LoggingVector E: class +LoggingVector(size: int) +setValue(index: int, value: E) +getValue(index: int): E Kein Aufruf von setValue mehr public void clear() { for (int i = 0; i < values.length; i++) values[ i ] = null; } setValue und getValue protokollieren die Aktion und rufen die Methoden der Basisklasse auf. Beim Aufruf von clear erfolgt kein Logging mehr! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 223 Regeln und Hinweise Probleme bei Vererbung – Instabile Basisklasse Problem der instabilen Basisklassen (Fragile Base Class Problem): Anpassungen an einer Basisklasse führen zu unerwartetem Verhalten von abgeleiteten Klassen. Konsequenz: Anpassungen an Basisklassen können häufig nicht vorgenommen werden, ohne den Kontext der abgeleiteten Klassen mit einzubeziehen. Problem: Die Wartung objektorientierter Systeme, die häufig die Vererbung der Implementierung nutzen, wird stark erschwert. Konsequenz: Vererbung der Implementierung darf nicht eingesetzt wird, wenn spätere Änderungen an den Basisklassen wahrscheinlich sind. Ziel: Reine Vererbung der Spezifikation. Die Vermeidung von Redundanzen, kann auch über Delegationsbeziehungen erreicht werden. Anmerkung: Wenn die abgeleitete Klasse sich exakt an die Spezifikation der Basisklasse hält und die Spezifikation später auch nicht verändert wird, ist das Erben einer Implementierung problemlos möglich. In der Praxis: Niemand spezifiziert das Verhalten exakt… Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 224 Regeln und Hinweise Probleme bei Vererbung – Instabile Basisklasse Lösung mit Delegation: <<Interface>> VectorInterface E: class +setValue(index: int, value: T) +getValue(): E +clear() E: class Vector -values: E[*] -size: int +Vector(size: int) +setValue(index: int, value: E) +getValue(index: int): E +clear() LoggingVector E: class +LoggingVector(size: int) +setValue(index: int, value: E) +getValue(index: int): E +clear() LoggingVector delegiert die Aufrufe an Vector weiter, nachdem die Log-Ausgaben erfolgt sind. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 225 Regeln und Hinweise Probleme bei Vererbung – Instabile Basisklasse Unvollständige Implementierung des Beispiels: public class LoggingVector<E> implements VectorInterface<E> { private Vector<E> vector; public LoggingVector(int size) { vector = new Vector<E>(size); } } @Override public void setValue(int index, E value) { // Log-Ausgaben, z.B. hier vereinfacht auf dem Bildschirm System.out.println("Neuer Wert " + value + " an Position " + index + " im Vektor"); vector.setValue(value, index); } // usw. Änderungen an der Implementierung von Vector beeinflussen nicht die Funktionsfähigkeit von LoggingVector. Neue Methoden im Vector müssen auch in der Schnittstelle deklariert werden können so nicht in LoggingVector vergessen werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 226 Regeln und Hinweise Probleme bei Vererbung – Instabile Basisklasse Fazit: Vererbung der Spezifikation ist sicherer in Bezug auf Änderungen. Vererbung der Implementierung erfordert häufig weniger Code teilweise aber automatisch generierbar (z.B. in Eclipse). Wenn sich Vererbung der Spezifikation leicht umsetzen lässt, ist diese Form der Vererbung vorzuziehen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 227 Klassendiagramme Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 228 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen Zwischen Klassen können unterschiedliche Beziehungen bestehen. Die Beziehungen lassen sich ja nach Aufgabe in unterschiedliche Kategorien einteilen. Kategorien in der UML: Assoziation Aggregation und Komposition („Teil und Ganzes“) Vererbung (von einer Spezifikation, von einer Implementierung) schon bekannt Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 229 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Definition: Binäre Assoziation Eine binäre Assoziation beschreibt die semantische Beziehung zwischen zwei Klassen. Beispiel: GameController Pacman Assoziation Pacman und GameController „kennen“ sich. Beide Klassen können auf der jeweils anderen Operationen aufrufen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 230 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Leserichtung (GameController steuert Pacman): Name der Assoziation GameController Pacman steuert Leserichtung Multiplizität (wie viele Objekte können gleichzeitig an der Beziehung beteiligt sein): max. Anzahl Controller im Spiel GameController 1 steuert 1..* Figure Der Controller steuert mindestens einen, max. beliebig viele Figuren. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 231 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Rolle (sie beschreibt, welche Funktion/Rolle eine an einer Assoziation beteiligten Klasse einnimmt): Grosshaendler Haendler -verkaeufer Sichtbarkeit der Rolle -kaeufer -verkaeufer -kaeufer Name der Rolle Endkunde Zweck einer Rolle: - Besseres Verständnis der Assoziation - Name des Attributs in der Implementierung Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 232 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Implementierungsbeispiel, in dem der Name der Rolle den Namen des Attributes ergibt: public class Haendler { private ArrayList<Grosshaendler> verkaeufer; private ArrayList<Endkunde> kaeufer; } // Methoden usw. Im Falle einer automatischen Code -Erzeugung ergeben sich so lesbare Attributnamen im Quelltext. Achtung: Eine Rolle mit privater Sichtbarkeit kann durch Getter - und Setter-Methoden von „außen“ zugänglich gemacht werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 233 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Eigenschaft (ähnlich wie Eigenschaften von Attributen geben sie Eigenschaften von Assoziationen nähere Hinweise auf die Umsetzung der Assoziation): Figure GameController {ordered} bearbeitet Eigenschaft Der Controller benötigt die Figuren in einer bestimmten Reihenfolge (ist in der Beispielimplementierung aber nicht der Fall). Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 234 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Eigenschaftstypen (unvollständig): - {subsets <Assoziations-Ende>}: Die Menge der Objekte an diesem Assoziationsende ist eine Teilmenge der Objekte am Assoziationsende <Assoziations-Ende>. - {union}: Die Menge der Objekte an diesem Assoziationsende ist die Vereinigung aller seiner subsets-Assoziationsenden. Beispiel (die Buchbestellung setzt sich aus den bereits gelieferten und den nicht verfügbaren Büchern zusammen): Bestellung geliefert {subsets bestellt} Buch nicht_vorhanden {subsets bestellt} /bestellt {union} Die Menge bestellt ist aus allen Teilmengen abgeleitet. Es kommen keine weiteren Bücher hinzu. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 235 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation - {ordered}: Die so markierten Objekte am Ende der Assoziation liegen sortiert vor. Duplikate sind nicht erlaubt. - {bag}: Dasselbe Objekt darf am Ende der Assoziation mehrfach erscheinen. - {seq} bzw. {sequence}: Das Ende der Assoziation verweist auf eine geordnete Menge von Objekten. Duplikate sind erlaubt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 236 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Einschränkung (Teilnahme eines Objektes an einer Assoziation angeben). Einschränkungstypen: - {or}: Das Objekt muss eine der beiden Assoziationen verwenden. - {xor}: Das Objekt darf nur eine der beiden Assoziationen verwenden. - {and}: Das Objekt muss an beiden Assoziationen teilnehmen lässt sich besser durch Kardinalität 1 ausdrücken. Beispiel für ein Meilenkonto bei einer Fluggesellschaft: Meilenkonto inhaber Firma xor EMail Ein Meilenkonto gehört entweder einer Firma oder einer Person. Holger Vogelsang Person inhaber or Anschrift Informatik 2 - Einführung in Java und UML Eine Person muss eine EMail-Adresse oder eine Anschrift angeben. 237 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Implementierung einer xor-Einschränkung: - Programmgesteuert überprüfen - Durch Vererbung und Einführung einer weiteren Klasse: Meilenkonto inhaber Firma xor Person inhaber Person JuristischePerson Meilenkonto inhaber 1 Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML Firma 238 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Navigierbarkeit (erlaubt die Angabe, in welche Richtung eine Assoziation gelesen wird). Es werden folgende Arten unterstützt: Navigierbar: Die Klasse Field kennt die Klasse Pacman am Ende der Assoziation. Field Nicht navigierbar: Die Klasse Pacman kennt die Klasse Ghost am Ende der Assoziation nicht. Pacman Ghost Unspezifiziert: Es wird keine Aussage über die Navigierbarkeit getroffen. In der Praxis wird das häufig als navigierbar interpretiert. GameController Pacman Pacman Bidirektionale Navigierbarkeit: Beide Klassen kennen sich gegenseitig und können so auch jeweils die Methoden des Anderen aufrufen. GameController Holger Vogelsang Pacman Informatik 2 - Einführung in Java und UML 239 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Verbot der Navigierbarkeit: Beide Klasse dürfen sich nicht kennen. Es besteht zwar eine logische Beziehung, die aber nicht durch eine Assoziation ausgedrückt werden soll nicht sehr gebräuchlich. Ghost Unidirektionale Navigierbarkeit: Die Navigation ist in nur einer Richtung erlaubt. Field Pacman Pacman Teilweise Spezifikation der Navigation: Es ist offen gelassen, obPacman auch das Field kennt. Field Holger Vogelsang Pacman Informatik 2 - Einführung in Java und UML 240 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Implementierung einer Assoziation: Figure GameController -controller -figures 1 controls 1..* public class GameController { private ArrayList<Figure> figures; // ... } Holger Vogelsang public abstract class Figure { private GameController controller; // ... } Informatik 2 - Einführung in Java und UML 241 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Reflexive Assoziation: Eine Assoziation einer Klasse zu sich selbst, ansonsten handelt es sich um eine normale Assoziation. Mitarbeiter -vorgesetzter 0..1 -untergebene * leitet Der Vorgesetzte hat mindestens einen Untergebenen. Jeder Untergebene hat maximal einen Vorgesetzten. Jeder Vorgesetzte kann also auch wieder Mitarbeiter sein. Implementierungsmöglichkeit: public class Mitarbeiter { private Mitarbeiter vorgesetzter; private ArrayList<Mitarbeiter> untergebene; } // ... Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 242 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation N-äre Assoziation Eine n-äre Assoziation ist die allgemeine Form einer Assoziation zwischen n Klassen. Vorspeise 0..* Hauptgericht 0..* Menue 0..* Dessert Assoziationsname Erklärung des Beispiels: Die drei Klassen stehen in einer Beziehung namens Menue. Nicht jedes Hauptgericht muss in einem Menü vorkommen (Multiplizität 0). Jedes Hauptgericht kann in beliebig vielen Menüs vorkommen (Multiplizität *). Wenn ein Hauptgericht in mindestens einem Menü vorhanden sein muss, würde man am Hauptgericht die Multiplizität 1..* eintragen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 243 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Wie kann eine n-äre Assoziation implementiert werden? Ganz einfach durch Umsetzung in mehrere binäre Assoziationen: Vorspeise 0..* Hauptgericht 0..* 0..* Menue Dessert Vorspeise 1 0..* Hauptgericht Holger Vogelsang 1 0..* Menue 0..* 1 Dessert Informatik 2 - Einführung in Java und UML 244 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Assoziationsklasse: Eine Assoziationsklasse ist eine Assoziation, die neben Attributen auch Operationen wie bei einer Klasse aufnehmen kann: Die Namen der Assoziation und ihrer Klasse müssen identisch sein. Einsatz: Zusätzliche Attribute können logisch keinem der Enden der Assoziation zugeordnet werden Ablage in der Assoziationsklasse. Beispiel: Die Auftragsnummer kann weder der Firma noch dem Kunden zugeordnet werden. Kunde Firma Auftrag 1..* 1..* Auftrag -nummer: int Holger Vogelsang Assoziationsklasse Informatik 2 - Einführung in Java und UML 245 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Implementierung: Weder C++ noch Java kennen Assoziationsklassen Einführung einer „Zwischenklasse“: Kunde Firma Auftrag 1..* 1..* Auftrag -nummer: int Firma 1 Auftrag fuehrtAus 1..* -nummer: int Kunde erteilt 1..* 1 Der Kunde erteilt beliebig viele Aufträge. Eine Firma kann beliebig viele Aufträge ausführen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 246 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Assoziation Implementierung einer Assoziationsklasse: public class Auftrag { private int nummer; private Kunde kunde; private Firma firma; } // ... public class Firma { private ArrayList<Auftrag> auftraege; } // ... public class Kunde { private ArrayList<Auftrag> auftraege; } Holger Vogelsang // ... Informatik 2 - Einführung in Java und UML 247 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Aggregation Definition: Aggregation Eine Aggregation ist eine spezielle Form einer binären Assoziation. Sie beschreibt eine TeilGanzes-Beziehung zwischen genau zwei Klassen. Beispiel: Field 0..1 Ganzes Aggregation Das Teil kennt das Ganze nicht (Pfeilspitze). 0..* Figure Teil Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 248 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Aggregation Eigenschaften einer Aggregation: Die Lebensdauer des Ganzen ist von der Lebensdauer der Teile unabhängig. Die Lebensdauer der Teile ist von der Lebensdauer des Ganzen unabhängig. Teile können in mehreren Ganzen gleichzeitig verwendet werden. Die Teile kennen das Ganze häufig nicht. Einsatzgebiete für Aggregation: Das Ganze handelt als Stellvertreter für seine Teile. Es nimmt Aufträge entgegen und delegiert diese an die Teile. Beispiel: Pacman - Ganzes: Spielfeld - Teile: Einzelne Figuren in der Zeichenfläche - Auftrag: Anforderung, sich neu zu zeichnen - Delegation: Jedes Teil erhält den Auftrag, sich selbst neu zu zeichnen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 249 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Aggregation Implementierung einer Aggregation: public class Field { private ArrayList<Figure> figures; } // ... public abstract class Figure { } // ... Hinweise: Das Ganze erzeugt und löscht die Teile i.d.R. nicht selbst. Das Ganze besitzt häufig Methoden zum Hinzufügen und Entfernen von Teilen sowie zum Besuchen aller Teile. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 250 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Komposition Definition: Komposition Eine Komposition ist eine starke Form der Aggregation. Hier sind das Ganze und seine Teile untrennbar miteinander verbunden. Beispiel: GameController Ganzes Komposition, Multiplizität ist 1 0..* Figure Das Teil kennt das Ganze nicht (Pfeilspitze). Teil Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 251 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Komposition Eigenschaften einer Komposition: Die Lebensdauer des Ganzen ist von der Lebensdauer der Teile unabhängig. Beim Löschen eines Teils bleibt das Ganze bestehen. Die Lebensdauer der Teile ist von der Lebensdauer des Ganzen abhängig: Beim Löschen des Ganzen werden die Teile auch gelöscht. Teile können nicht in mehreren Ganzen gleichzeitig verwendet werden. Die Teile kennen das Ganze häufig nicht. Einsatzgebiete für Komposition siehe Aggregation Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 252 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Komposition Spezialfall der Komposition: Multiplizität 0..1 GameController 0..1 0..* Figure Figuren dürfen außerhalb und ohne Bezug zum Controller erzeugt werden. Sie werden dann als Teile am Controller registriert und gehören ab diesem Zeitpunkt zum Controller. Figuren dürften auch an einen anderen Controller übertragen werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 253 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Komposition Implementierung einer Komposition (in Java wie bei einer Aggregation): public class GameController { private ArrayList<Figure> figures; } // ... public abstract class Figure { } // ... Hinweise: Häufig ist es sinnvoll, dass das Ganze die Teile selbst erzeugt und löscht: Die Teile können nicht so versehentlich auch ohne das Ganze verwendet werden. Das Ganze besitzt i.d.R. Methoden zum Erzeugen und Entfernen von Teilen sowie zum Besuchen aller Teile. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 254 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Hinweise zur Auswahl Wann wird ein bestimmter Beziehungstyp verwendet? Existenzabhängige Teil-Ganzes-Beziehung: Komposition Logische Einheit, die nicht existenzabhängig ist: Aggregation Kaskadierende Methodenaufrufe: Aggregation (z.B. Pacman-Spiel, in dem die Spielfläche die Aufrufe zum Neuzeichnen an die Figuren weiter leitet) Rumbaugh: „Think of Aggregation as a modeling placebo“. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 255 Klassendiagramme Beziehungen zwischen Klassen: Vererbung einer Assoziation Die Vererbung von Assoziationen wird meist in folgenden Szenarien verwendet: Es besteht bereits eine Assoziation zwischen zwei Basisklassen. Es soll ausgedrückt werden, dass die Assoziation einer abgeleiteten Klasse immer nur mit der Assoziation einer anderen abgeleiteten Klasse hergestellt werden soll. Beispiel: Artikel * -artikel Fachartikel Holger Vogelsang schreibt 1 Person -autor Redakteur Informatik 2 - Einführung in Java und UML Nur der Redakteur kann Fachartikel schreiben Eine Assoziation kann z.B. nicht von einer „normalen“ Person zum Fachartikel führen. 256 Klassendiagramme Übersicht zu Klassendiagramm (vereinfacht) Darstellung der wichtigsten Elemente durch MagicDraw: Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 257 Klassendiagramme Klassen im Pacman-Spiel (unvollständig) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 258 Klassendiagramme Beispiel aus der Klausur WS 2012/2013 Fiktives Flugbuchungssystem: Kunde: Name, Anschrift, E-Mail-Adresse, Angabe (privat/geschäftlich), Login-Name, Passwort Flug: Flugnummer, Datum, Uhrzeit, Start- und Endflughafen, Gebühr, abhängig vom Startflughafen, Preis, abhängig von der Klasse (1. Klasse, Business-Klasse, 2. Klasse). Es werden alle Sitze einer Klasse zum selben Preis angeboten. Buchung: Jeder Kunde kann beliebig viele Flugbuchungen gleichzeitig vornehmen. Eine Buchung kann mehrere Sitzplätze in derselben Klasse umfassen. Die Zahlungsart müssen Sie nicht berücksichtigen. Reservierung: Ist sich ein Kunde noch nicht ganz sicher, ob er einen Flug buchen möchte, dann kann er sich diesen für einen Zeitraum von 24 Stunden kostenlos reservieren. Zusatzoptionen bei der Buchung: Zu einem Flug können optionale Leistungen hinzugebucht werden, für die aber zusätzliche Kosten anfallen (Reiserücktrittsversicherung, Sitzplatz am Notausstieg, Übergepäck, eventuell weitere (je nach Fluggesellschaft und Flugzeugtyp)). Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 259 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 260 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Motivation Welche Arten von Fehlern gibt es? Wie können Laufzeitfehler sicher gefunden werden? Wie sollten Laufzeitfehler einer Methode dem Aufrufer mitgeteilt werden? Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 261 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Fehlerklassifikation Erwartete Fehler durch Aufruf einer prinzipiell unsicheren Methode Auftreten: Es muss bei jedem Aufruf mit dem Fehler gerechnet werden. Beispiel: Versuch, eine Datei zum Lesen zu öffnen, die nicht existiert Vermeidung: nicht möglich Behandlung: ja Unerwartete Fehler durch Programmierfehler oder mangelnde Systemressourcen Auftreten: Eigentlich sollte der Fehler nie auftreten. Beispiel: zu wenig Hauptspeicher vorhanden, Stacküberlauf Vermeidung: nur begrenzt möglich (intensive Programmtests) Behandlung: nur begrenzt möglich (z.B. Datensicherung vor der Programmbeendigung) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 262 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Fehlerklassifikation Sonderfall: Erwarteter oder unerwarteter Fehler während der Fehlerbehandlung Auftreten: siehe erwarteter und unerwarteter Fehler Beispiel: Die Fehlermeldung kann wegen fehlender Schreibrechte oder zu geringen freien Hauptspeichers nicht in eine Datei geschrieben werden. Vermeidung: nur bei sehr einfacher Fehlerbehandlung möglich Behandlung: hängt vom Fehler ab Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 263 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Reaktionen auf Fehler Sofort behandelbarer Fehler Auswirkung: Das Programm kann auf den Fehler reagieren und seine Arbeit (eventuell eingeschränkt) fortsetzen. Reaktion: ignorieren (wenn sinnvoll möglich), alternativen Programmablauf starten Beispiel: Bei fehlender Eingabedatei werden immer Standardwerte angenommen. Nicht sofort behandelbarer Fehler Auswirkung: Der Fehler kann an der Stelle, an der er auftritt, nicht behandelt werden. Reaktion: Fehlermeldung an den Aufrufer der Methode Beispiel: Datei existiert nicht sollen Standardwerte verwendet werden/soll der Benutzer gefragt werden? Kann eventuell an der Stelle des Fehlers nicht entschieden werden. Nicht sinnvoll behandelbarer Fehler Auswirkung: sinnvolle Programmfortsetzung nicht möglich Reaktion: i.d.R. Programmbeendigung mit vorheriger Datensicherung (sofern möglich) Beispiel: Stacküberlauf, schwere Programmierfehler Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 264 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Exceptions – Idee Fehlerbehandlung bisher: Ein Methode m1 stellt einen Fehler fest und liefert ein Ergebnis, das diesen Fehler beschreibt. Die aufrufende Methode m2 der Methode m1 stellt fest, dass m1 einen Fehler zurückliefert und beendet die eigene Arbeit mit der Rückgabe eines Fehlers. usw... Schlechte Lösung, da sich eventuell große Teile einer Methode mit der Fehlerbehandlung befassen. Eine Trennung von Fehler- und Normalfall ist nicht vorhanden. Fehler werden häufig über viele Aufrufebenen hinweg nach „oben“ weitergereicht, ohne dass die Fehler direkt bearbeitet werden. Java bietet das Konzept der Ausnahme (Exception) zur besseren Fehlerbehandlung. Damit muss nicht der Rückgabewert einer Methode zur Fehlerübermittlung missbraucht werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 265 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Exceptions – Idee Einsatzgebiete Meldung von Fehlern, die nicht lokal am Ort der Entstehung behoben werden konnten: Beispielsweise kann der Autor einer Bibliothek Laufzeitfehler („Datei existiert nicht“ etc.) zwar erkennen, er ist aber selten in der Lage, diese im Kontext des aufrufenden Programms richtig zu behandeln. Der Anwender der Bibliothek dagegen weiß, wie er mit den Fehlern umgehen soll. Die Behandlung von anderswo gefundenen Fehlern. Syntax: try { // versuche, eine Aufgabe zu lösen } catch (Fehlerklasse fehler) { // behandle Fehler des Typs "Fehlerklasse" } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 266 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Exceptions – Idee Beispiel (Zugriff auf den Vektor, angelehnt an ArrayList): public class Vector<E> { private E[] values; private int size; // ... public E getValue(int index) { if (index >= size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size); return values[ index ]; } } public static void main(String[] args) { Vector<Double> vector = new Vector<>(3, 0.0); try { System.out.println(vector.getValue(0)); System.out.println(vector.getValue(4)); } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { System.err.println("Oops" + ex.getMessage()); } } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 267 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Mehrere Exceptions Behandlung mehrerer Ausnahmen Syntax: try { // versuche, eine Aufgabe zu lösen } catch (FehlerTyp1 ex1) { // behandle Fehler-Typ1 } catch (FehlerTyp2 ex2) { // behandle Fehler-Typ2 } Unbehandelte Ausnahmen: Beendigung der Methode Auslösung der Ausnahme in der aufrufenden Methode Dieses Spiel funktioniert solange, bis eine Methode die Ausnahme abfängt oder das Programm beendet wurde. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 268 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Mehrere Exceptions Es dürfen auch mehrere, unabhängige Fehler durch ein sogenanntes „multi-catch“ abgefangen werden: Syntax: try { // versuche, eine Aufgabe zu lösen } catch (FehlerTyp1 | FehlerTyp2 ex) { // behandle Fehler-Typ1 und Fehler-Typ 2 } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 269 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Mehrere Exceptions Ausnahmen werden in den catch-Blöcken in der Reihenfolge ihres Auftretens ausgewertet. Abfangen aller möglichen Ausnahmen: try { // versuche, eine Aufgabe zu lösen } catch (FehlerTyp1 ex) { // behandle Fehler-Typ1 } catch (Throwable thr) { // Alle unbehandelten Fehler // behandle alle anderen Fehler } Ausnahmen können auch im catch-Block ausgelöst werden: try { // versuche, eine Aufgabe zu lösen } catch (FehlerTyp1 ex) { // behandle Fehler-Typ1 throw ex; // Fehler weitermelden } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 270 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Exceptions mit Klassenhierarchien Exception-Klassen können ganze Klassenhierarchien bilden. Im catch-Block kann auch die Basisklasse einer Ausnahme angegeben werden, um eine Ausnahme einer abgeleiteten Klasse abzufangen. Beispiel: public class FileNotFoundException extends IOException { // ... } Eine FileNotFoundException kann jetzt auch durch die Angabe ihrer Basisklasse abgefangen werden: public void m() { try { // … throw new FileNotFoundException(); } catch (IOException ex) { // … } } Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 271 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Exceptions mit Klassenhierarchien Es können auch mehrere catch-Blöcke vorhanden sein, die sowohl die abgeleitete Klasse als auch die Basisklasse der Ausnahme abfangen. Achtung Reihenfolge: public void m() { try { // ... throw new FileNotFoundException(); } catch (IOException ex1) { // ... } catch (Throwable thr) { // ... } } Wird erst Throwable abgefangen, dann wird der catch-Block von IOException nie betreten. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 272 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Exceptions: Hinweise Generelle Ausräumarbeiten nach einem erfolgreichem try oder einer Ausnahme mit finally. Beispiel: public void m() { try { // ... throw new FileNotFoundException(); } catch (IOException ex1) { // ... } finally { // Wird immer betreten } } Ein „echtes“ Beispiel folgt im nächsten Kapitel. Seit Java 7 gibt es ein erweitertes try-Konstrukt siehe Kapitel zur Ein/Ausgabebehandlung. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 273 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Exceptions mit Klassenhierarchien Arten der Ausnahmen: gelb: unerwartete und in der Regel nicht sinnvoll behandelbare Fehler grün: unerwartete und in der Regel nicht sinnvoll behandelbare Fehler („Programmierfehler“) rot: erwartete und sofort oder später behandelbare Fehler (erben direkt von Exception, nicht von RuntimeException) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 274 Fehlerbehandlung mit Ausnahmen Eigenschaften und Deklaration erwarteter Fehler Erwartete und sofort oder später behandelbare Fehler (rot markiert): Einem Anwender einer Methode muss die Art der Ausnahme, die diese auslösen kann, angegeben werden. Syntax: ret-type method-name(params) throws Exceptions Beispiel: public int readFromFile(String name) throws FileNotFoundException, EOFException { Beispiel durch Angabe der Basisklasse IOException (FileNotFoundException und EOFException erben davon): public int readFromFile(String name) throws IOException { Ohne Spezifikation kann die Methode nur unerwartete oder gar keine Ausnahmen auslösen. Beispiel: public int getValue(int index) { Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 275 Funktionale Programmierung Übersicht Java und UML Schritte, Software Objektorientierung Klassen, Objekte Überladen Klassendiagramme Ausnahmen Funktionale Programmierung Fehler Zusicherungen Vererbung Gener. Klassen Überschreiben Aufzähltypen Regeln Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 276 Funktionale Programmierung Einführung Funktionale Programmierung Das Programm besteht u.A. aus einer Anzahl Funktionen, die sich gegenseitig aufrufen können. Syntax in LISP für einen Funktionsaufruf: (Funktionsname Param1 ... ParamN) (+ 2 4) ; ruft Funktion + auf, die die Summe von 2 und 4 zurückgibt Rein funktionale Programmiersprachen: - Funktionen besitzen keine Nebeneffekte (keine Manipulation von Zuständen), geben nur Ergebnisse zurück Funktionen im mathematischen Sinn. Funktionen höherer Ordnung: Funktionen können als Parameter übergeben werden. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 277 Funktionale Programmierung Einführung Das Lambda-Kalkül war einer der ersten Ansätze, solche funktionalen Programme zu beschreiben: Funktionsabstraktion: λ x.A (anonyme Funktion mit x als Eingabeparameter und Funktionsdefinition A), x hat keinen Typ Funktionsanwendung: F A (Funktion F wird auf den Ausdruck A angewendet) Beispiele: Identität: λ x.x x2: λ x.x*x, angewandt auf 3: (λ x.x*x)3 ergibt 9 Was soll das in einer Java-Einführung???? Seit Java 8 bietet Java einen recht eleganten Ansatz zur funktionalen Programmierung. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 278 Funktionale Programmierung Einführung Rückblick auf den „Vergleicher“ mit der generischen Schnittstelle Comparator<T>: public class Customer { // ... private int number; // Getter und Setter } Vergleicher für zwei Kundenobjekte: public class CustomerNumberComparator implements Comparator<Customer> { @Override public int compare(Customer c1, Customer c2) { return c1.getNumber() – c2.getNumber(); } } Hinweis damals: Es wird eine „Funktion“ in einem Objekt gekapselt. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 279 Funktionale Programmierung Einführung Warum kann die Funktion nicht direkt übergeben werden? Die Funktion erwartet zwei Objekte der Klasse Customer. Die Funktion gibt ein Ergebnis vom Typ int zurück. Java unterstützt seit Version 8 die Übergabe solcher unbenannter Funktionen, auch Lambdas genannt. Die Funktionen werden zu Methoden in Klassen, die Schnittstellen implementieren. Beispiel Comparator: Customer[] customers; // customer füllen Statt Arrays.sort(customers, new CustomerNumberComparator()); Einfacher Arrays.sort(customers, (c1, c2) -> c1.getNumber() - c2.getNumber()); Die Klasse CustomerNumberComparator wird überflüssig! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 280 Funktionale Programmierung Einführung Was passiert hier? Vorhandene Methode sort(T[] arg0, Comparator<? super T> arg1) benötigt Vorhandene Schnittstelle public interface Comparator<T> { int compare(T arg0, T arg1); // ... } benötigter Rückgabetyp Erzeugter Aufruf mit anonymer innerer Klasse sort(customers, new Comparator<Customer>() { @Override public int compare(Customer c1, Customer c2) { return c1.getNumber() c2.getNumber(); } }); Methodenrumpf übergebene Parameter benötigte Parameter Aufruf sort(customers, (c1, c2) -> c1.getNumber() - c2.getNumber()) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 281 Funktionale Programmierung Einführung Warum benötigen im Aufruf die Parameter c1 und c2 keine Typangabe? sort(customers, (c1, c2) -> c1.getNumber() - c2.getNumber()) Der Compiler kann die Typen selbst ermitteln: customers ist vom Typ Customer[]. Damit wird der generische Parameter T in der aufgerufenen Methode eine CustomerKlasse: sort(T[] arg0, Comparator<? super T> arg1) Der generische Typ im Comparator muss also auch Customer oder eine Basisklasse davon sein. Die compare-Methode der Schnittstelle Comparator besitzt zwei Übergabeparameter vom Typ T, also auch vom Typ Customer. Damit sind die beiden Parameter c1 und c2 vom Typ Customer. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 282 Funktionale Programmierung Lambda-Ausdrücke Lambda-Ausdrücke werden dadurch umgesetzt, dass anonyme innere Klassen Schnittstellen implementieren. Die Schnittstellen dürfen nur eine abstrakte Methode besitzen. Weitere default- oder statische Methoden sind erlaubt. Solche Schnittstellen werden auch funktionale Schnittstellen (functional interfaces) genannt: Sie erlauben die Übergabe einer „Funktion“. Sie können mit der Annotation @FunctionalInterface markiert werden. Im Paket java.util.function gibt es bereits sehr viele solcher Schnittstellen. Die übergebenen Objekte anonymer innerer Klassen werden als Funktions-Objekte (functional objects) oder Funktoren (functors) bezeichnet Code als Objekt! Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 283 Funktionale Programmierung Lambda-Ausdrücke Welche Schnittstelle wird nun zum Sortieren verwendet? Sie muss zwei Parameter desselben Typs akzeptieren und einen int-Wert als Ergebniszurückgeben generische Schnittstelle. Beispiel: Namen anhand ihrer Länge sortieren (Wiederholung Comparator): String[] names = {"Z", "D", "Y", "B"}; Arrays.sort(names, (n1, n2) -> n1.length() - n2.length()); Oder etwas länger: Comparator<String> comp = (o1, o2) -> o1.length() - o2.length(); Arrays.sort(names, comp); Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 284 Funktionale Programmierung Lambda-Ausdrücke Weiteres Beispiel: Durchlaufen einer Datenstruktur (kommt später noch genauer). „Klassisch“: ArrayList<String> names = new ArrayList<>(); // füllen for (int i = 0; i < names.size(); i++) { System.out.println(names.get(i)); } Immer derselbe Aufbau: Schleife, mit dem eigentlichen Inhalt Warum nicht den eigentlichen Inhalt als Funktion übergeben? names.forEach(n -> System.out.println(n)); forEach erwartet ein Objekt, dessen Klasse die Schnittstelle Consumer<T> implementiert, vereinfacht: @FunctionalInterface public interface Consumer<T> { void accept(T); } Comsumer: erwartet einen Wert, gibt nichts zurück („konsumiert“) Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 285 Funktionale Programmierung Lambda-Ausdrücke Es geht noch einfacher mit einer Methodenreferenz: names.forEach(System.out::println); :: leitet einen Verweis auf eine Methode (hier println) ein. Der Compiler untersucht, ob die Methode einen Wert des Typs String (names ist eine ArrayList<String>) erwartet und erzeugt automatisch ein Objekt der inneren Klasse. Hinweise zur Syntax: (int x, int y) -> x + y: - Typangaben sind nur erforderlich, wenn der Compiler sie nicht selbst ermitteln kann. - Bei mehr als einem Parameter sind Klammern links erforderlich. (x, y) -> x + y: Der Compiler kann die Typen von x und y selbst bestimmen. x -> 2 * x: Bei einem Parameter sind die Klammern nicht erforderlich. () -> 42: Ohne Parameter müssen leere Klammern („burger“) gesetzt werden. System.out::println: Methodenreferenz als Kurzform für x -> System.out.println(x) Customer::new: Referenz auf einen Konstruktor Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 286 Funktionale Programmierung Lambda-Ausdrücke In vielen Datenstrukturen müssen die Lamda-Ausdrücke frei von Nebeneffekten sein: Sie dürfen die Datenstruktur, auf der sie aufgerufen werden, nicht verändern. Sie dürfen keine anderen Daten verändern. Viele weitere Beispiele zu Lambda-Ausdrücken kommen in den Kapiteln zu JavaFX und Datenstrukturen. Holger Vogelsang Informatik 2 - Einführung in Java und UML 287
