Java für Computerlinguisten - Institut für Maschinelle

Java für Computerlinguisten
2. Objektorientierte Programmierung
Christian Scheible
Institut für Maschinelle Sprachverarbeitung
28. Juli 2009
Christian Scheible
Java für Computerlinguisten
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Heute:
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Besprechung der Übungen vom Montag
2
Objektorientierte Programmierung
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Objektorientierte Programmierung
• Grundlagen
• Klassen
• Sichtbarkeit
• Statische Methoden/Attribute
• Vererbung
• Schnittstellen
• Wrapper
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Grundlagen
Warum Klassen/Objekte?
• Anschaulichkeit: Menschen sind mit Objekten vertraut
• Zusammenfassung von Funktionen und Daten
• Wiederverwendbarkeit
• Klasse: Vorlage
• Objekt:
Bisher
• Klasse war nur Rahmen für unsere Programme
• Nicht benutzt: Klasse als Vorlage für Objekte
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Grundlagen
Aufbau eines Objekts
class Regal
Color farbe;
float hoehe;
float breite;
float tiefe;
...
void aufbauen();
void ablegen(Object gegenstand, int x, int y)
Object herausnehmen(int x, int y);
...
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Attribute
(Variablen)
Methoden
(Funktionen)
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Grundlagen
Begriffe in der Objektorientierten Programmierung
• Abstraktion
• Kapselung
• Polymorphie
• Vererbung
• Feedback
• Persistenz
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Grundlagen
Abstraktion
• Wiederverwendbare Vorlagen
→ Objekt: Instanz einer Klasse
class Regal
Regal braunesRegal
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Regal weissesRegal
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Grundlagen
Kapselung
• Daten sind im Objekt enthalten
• Daten sind von außen nicht zugänglich
• Objekt bietet Methoden zur Veränderung der Daten
Wozu?
• Interne Variablen, die der Benutzer der Klasse nicht braucht
• Variablen, die der Benutzer nicht verändern darf
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Grundlagen
class Schwein
private float gewicht;
private float alter;
...
public void fuettern();
private void wachsen (int laenge);
...
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Grundlagen
Polymorphie
• Methoden reagieren verschieden abhängig von
• Aufruf
• Klassenzugehörigkeit
Feedback
Interaktion zwischen Objekten
Persistenz
Objekt existiert so lange, bis es zerstört wird
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Grundlagen
Vererbung
• Neue Klassen können unter Benutzung alter Klassen definiert werden
• Die neue Klasse (Tochterklasse) erhält alle Attribute und Methoden
der Mutterklasse
class Fahrzeug
class Moebel
class Regal
class Sitzmoebel
class Stuhl
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class Bank
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Klassen
Attribute
class Buch
{
String name; //
String author; // Attribute
int pubDate; //
}
Attribut: Variable, die dem Objekt zugehört.
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Klassen
Methoden
class Buch
{
String name;
String author;
int pubDate;
void read() // Eine Methode
{
// ...
}
int countPages() // Noch eine Methode
{
// ...
}
}
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Klassen
Instanzen
class Buecherei {
public static void main (String argv[])
{
Buch buch1 = new Buch();
Buch buch2 = new Buch();
// ...
buch1.name = "The Catcher in the Rye";
buch1.author = "J. D. Salinger";
buch1.pubDate = 1951;
buch1.read();
}
}
Punkt (.) für Zugriff auf Inhalt des Objekts
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Klassen
Konstruktor
Was passiert beim Aufruf von new Buch()?
Der Konstruktor liefert ein neues Objekt.
class Buch {
String name;
Buch () {} // Konstruktor ohne Argument
Buch (String name) // Konstruktor mit Argument
{
this.name = name;
}
}
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Klassen
this
• this: Referenz für das Objekt, in dem wir uns befinden
• Beispiel: Unterscheidung zwischen Parameter und Objektvariable
class Buch
{
String name;
void setName (String name)
{
this.name = name;
}
}
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Sichtbarkeit
Einschränkung des Zugriffs von anderen Klassen aus
→ Kapselung
Sichtbarkeitsstufen
• Öffentlich (public)
• Privat (private)
• Paketsichtbar
• Geschützt (protected)
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Sichtbarkeit
Öffentlich
public: Auf das Element darf von außen ohne Einschränkung zugegriffen
werden.
com.ikea.Regal
public void aufbauen();
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BeliebigeAndereKlasse
...
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Sichtbarkeit
Privat
private: Auf das Element darf nur aus der selben Klasse zugegriffen
werden.
X
de.aldi.Aushilfe
...
com.ikea.Regal
private void aufbauen();
com.ikea.Mitarbeiter
...
X
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Sichtbarkeit
paketsichtbar
Standard: Auf das Element darf nur aus dem selben Paket zugegriffen
werden, aber nicht aus anderen Paketen.
In der Praxis: Wenn die Klasse im gleichen Verzeichnis liegt.
X
de.aldi.Aushilfe
...
com.ikea.Regal
void aufbauen();
com.ikea.Mitarbeiter
...
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Sichtbarkeit
Geschützt
protected: Auf das Element darf der selben Klasse und davon
abgeleiteten Klassen zugegriffen werden.
→ Vererbung
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Sichtbarkeit
class Buch
{
private String name;
boolean gelesen;
public void lesen ()
{
gelesen = true;
}
}
class Bibliothek
{
public static void main (String [] args)
{
Buch buch1 = new Buch();
buch1.lesen();
buch1.gelesen = false; // erlaubt
buch1.name = "The Third Policeman"; // nicht erlaubt! --> Compilerfehler
}
}
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Statische Attribute
class Fahrrad {
String marke;
Fahrrad (String marke) {
this.marke = marke;
}
}
Normale Variable
• Variable gehört zu einem Objekt
• Jedes Objekt bekommt eine eigene Instanz der Variable
• Wert der Variablen kann in jedem Objekt unterschiedlich sein
• Beispiel: String marke;
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Statische Attribute
class Fahrrad {
String marke;
static int anzahl_fahrraeder = 0; // statische Variable
Fahrrad (String marke) {
this.marke = marke;
anzahl_fahrraeder += 1;
}
}
Statische Variable
• Variable gehört zu einer Klasse
• Jedes Objekt benutzt die selbe Instanz der Klasse
• Wert der Variablen ist in jedem Objekt gleich
• Beispiel: static int anzahl_fahrraeder (Instanzzähler)
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Statische Methoden
class Fahrrad {
static boolean equal (Fahrrad f1, Fahrrad f2) {
// ...
}
void fahren () {
// ...
}
}
• Normaler Aufruf: f1.fahren()
→ Methode einem bestimmten Objekt zugeordnet f1, das vorher erstellt
worden sein muss
• Statischer Aufruf: Fahrrad.equal(f1, f2)
→ Methode keinem bestimmten Objekt zugeordnet, sondern der Klasse
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Vererbung
Benutze vorhandene Klasse als Grundlage für neue Klassen
class Fahrzeug
class Moebel
class Regal
class Sitzmoebel
class Stuhl
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class Bank
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Vererbung
Syntax
class Tochterklasse extends Mutterklasse {}
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class Moebel
{
float gewicht;
void aufbauen ()
{
System.out.println("Wir bauen ein Moebelstueck!");
}
}
class Regal extends Moebel // Regal erbt von Moebel
{
float ablagevolumen;
Regal (float gewicht, float ablagevolumen)
{
this.gewicht = gewicht; // Variablen von Moebel werden uebernommen
this.ablagevolumen = ablagevolumen;
}
void aufbauen ()
{
System.out.println("Wir bauen ein Regal!");
}
}
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Vererbung
Konstruktor
• Konstruktoren werden nicht mitvererbt
• Zugriff auf den Konstruktor der Mutterklasse?
class Moebel
{
Moebel ()
{
System.out.print("Moebel wird gebaut")
}
}
class Regal extends Moebel // Regal erbt von Moebel
{
Regal ()
{
super();
}
}
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Vererbung
Typhierarchie
Object
↑
Moebel
↑
Schrank
• Object ist immer die oberste Klasse
• Standard: Klasse erbt automatisch von Object
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Vererbung
Automatische Typanpassung
Regal regal1 = new Regal();
Moebel regal2 = new Regal();
Object regal3 = new Regal();
Moebel moebel1 = new Moebel();
Object moebel2 = new Moebel();
• Erlaubt: Vom niedrigeren zum höheren Typ
• Verboten: Vom höheren zum niedrigeren Typ
Christian Scheible
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Vererbung
Typecasting
Object regal1 = new Regal();
Moebel regal2 = (Moebel) regal1;
Regal regal3 = (Regal) regal1;
Moebel regal4 = (Regal) regal1;
• Typ testen: variable instanceof Typ
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Vererbung
Methoden überschreiben
• Mutterklasse und Tochterklasse haben Methode mit gleicher
Signatur:
→ Methode der Tochterklasse überschreibt die der Mutterklasse
• Einschränkungen
• Sichtbarkeit muss gleich oder schwächer sein
• Rückgabetyp kann verschieden sein
Christian Scheible
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Vererbung
class A
{
public String toString ()
{
return "Instanz von Klasse A";
}
}
class B extends A
{
public String toString ()
{
return "Instanz von Klasse B";
}
}
toString(): Wird benutzt, wenn System.out.print aufgerufen wird.
Christian Scheible
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Vererbung
Annotation: @Override
@Override public String toString ()
{
return "Ich bin es."
}
• Bedeutung: Die annotierte Methode muss eine andere überschreiben
→ Verhindert Fehler, z.B.
@Override public String tostring ()
Christian Scheible
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Vererbung
Finale Methoden
public final String getName ()
{
return
}
final: Methode darf von Unterklassen nicht überschrieben werden
Christian Scheible
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Vererbung
Finale Klassen
final class Regal extends Moebel
{
// ...
}
final: Von dieser Klasse darf man nicht erben
Christian Scheible
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Vererbung
Dynamische Bindung
→ Polymorphie
• Methoden werden mitvererbt
• Geerbte Methoden können wir überschreiben
• Methoden können nicht wieder verloren werden
Christian Scheible
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Vererbung
Dynamische Bindung
Regal moebel1 = new Regal();
Moebel moebel2 = new Regal();
moebel1.aufbauen();
moebel2.aufbauen();
• Prüfung zur Laufzeit: welche Implementierung von aufbauen() soll
benutzt werden
• Variablen haben die Typen Object und Moebel
• Benutzt wird die Methode aus Regal
Christian Scheible
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Abstrakte Klassen
• Bisher: Wir können von jeder Klasse ein Objekt erstellen.
• Problem: Manchmal nicht so sinnvoll.
• Beispiel: Was für ein Objekt erzeugt Moebel?
• Lösung: Abstrakte Klasse
abstract class Moebel {}
• Verboten:
Moebel moebel1 = new Moebel();
• Weiter Erlaubt:
Moebel moebel1 = new Regal();
Christian Scheible
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Abstrakte Klassen
abstract class Moebel
{
String name;
float gewicht;
public abstract void aufbauen ();
public void setName(String name)
{
this.name = name;
}
}
• Abstrakte Methode aufbauen():
→ Unterklasse muss diese Methode implementieren
• Nicht-abstrakte Methoden dürfen vorkommen (setName())
Christian Scheible
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Abstrakte Klassen
Umgang mit abstrakten Methoden aus der Oberklasse
• Implementieren
• Abstrakt lassen (unsere Klasse ist selbst abstrakt!)
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Interfaces (Schnittstellen)
class Eins {
void x() { System.out.println("A") }
}
class Zwei {
void x() { System.out.println("B") }
}
class EinsZwei extends Eins, Zwei { // sehr verboten!
}
• Abstrakte Klasse bestimmt Voraussetzungen, die Unterklasse erfüllen
muss
• Idee: Von mehreren Klassen erben, um Voraussetzungen zu verbinden
• Problem: Welche Methode wird vererbt bei gleicher Signatur?
(Oben: Methode x)
→ Mehrfachvererbung verboten!
Christian Scheible
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Interfaces (Schnittstellen)
Lösung: Interfaces
interface KaufbarerGegenstand
{
public static int konstante = 0;
public void kaufen();
}
Unterschied zu abstrakten Klassen:
• Interface darf keine Implementierung enthalten
• Eine Klasse darf von mehreren Interfaces erben
(eigentlich: Eine Klasse darf mehrere Interfaces implementieren)
→ implements statt extends
• Variablen müssen static und final sein
Christian Scheible
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abstract class Moebel
{
float gewicht;
abstract void aufbauen ();
}
interface Buyable
{
void kaufen();
}
class Regal extends Moebel implements Buyable
{
void aufbauen ()
{
System.out.println("baue Regal ...");
}
public void kaufen()
{
System.out.println("Kaufe Regal zum Preis von" + this.preis);
}
}
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Generische Klassen
• Generisch: Bekannt aus Ada?
• Implementierung der Klasse abhängig vom Typ
class Liste<T> {
public void einfuegen(T wert){
// ...
}
}
Liste<Integer> l1 = new Liste<Integer>();
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Arbeiten mit Objekten
Getter/Setter
• Manchmal wollen wir den direkten Zugriff auf Attribute nicht erlauben
• Kontrollierter Zugriff
• Methoden für Zugriff
• Auslesen: get()
• Schreiben: set()
class ComplexNumber {
private float real, imaginary;
public float getReal() {
return real;
}
public void setReal(float real) {
this.real = real;
}
}
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Arbeiten mit Objekten
toString
• Identifikation eines Objekts
• Gibt Namen und Eigenschaften des Objekts aus
• Gibt nicht unbedingt den kompletten Inhalt aus
• Rückgabetyp: String, Sichtbarkeit: public
class ComplexNumber {
float real, imaginary;
@Override public String toString()
{
return getClass().getName() +
String.format("[real=%f,imaginary=%f]", real, imaginary);
}
}
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Arbeiten mit Objekten
class ComplexNumber {
float real, imaginary;
@Override public String toString()
{
return getClass().getName() +
String.format("[real=%f,imaginary=%f]", real, imaginary);
}
}
Aufruf
ComplexNumber c1 = new ComplexNumber();
System.out.println(c1); // geht wegen toString
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Arbeiten mit Objekten
equals
• Methode stellt Gleichheit mit einem anderen Objekt fest
• Beispiel: "a".equals("b")
• Rückgabetyp: boolean, Argumenttyp: Object
class ComplexNumber {
float real, imaginary;
@Override public boolean equals (Object obj)
{
ComplexNumber that = (ComplexNumber) obj;
return (this.real == that.real) &&
(this.imaginary == that.imaginary);
}
}
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Arbeiten mit Objekten
• Zuweisung mit = bei Referenztypen erzeugt keine Kopie
• Andere Methode zur Vervielfältigung nötig
Copy-Konstruktor
class ComplexNumber {
float real, imaginary;
ComplexNumber (ComplexNumber that)
{
this.real = that.real;
this.imaginary == that.imaginary;
}
}
ComplexNumber a = ComplexNumber(1,3);
ComplexNumber b = ComplexNumber(a)
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Arbeiten mit Objekten – Garbage Collection
Idee: Wir wollen Speicher sparen
• Daten bleiben so lange im Speicher, bis sie nicht mehr gebraucht
werden
• Problem: Wann werden sie nicht mehr gebraucht?
Lösung: Garbage Collector
• Sucht regelmäßig nach solchen Objekten
• Methode: Generationeller Zähler
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Arbeiten mit Objekten
finalize
• Garbage Collector löscht überflüssige Objekte
• Was passiert beim Löschen?
→ finalize
• Exceptions werden ignoriert, Garbage Collector läuft weiter
• Objekte mit finalize kosten Zeit!
• Nicht vergessen: super.finalize()
class X {
public void finalize() {
super.finalize();
System.out.println("Loesche ein X");
}
}
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Wrapper
• Wrapper: Klasse, die etwas umschließt (z.B. Objekt, andere Klasse)
• Ziel: Bestimmte Spezifikationen erfüllen, Methoden
• Primitive Wrapper: Für die primitiven Datentypen (int, float, ...)
→ Dadurch als Objekte verfügbar!
• Autoboxing/-unboxing: Java konvertiert primitive Variablen zu
Objekten, wenn nötig
Primitiv
byte
short
int
long
float
double
char
boolean
Wrapper
Byte
Short
Integer
Long
Float
Double
Character
Boolean
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Wrapper
Methoden (Integer)
equals()
intValue()
toString()
parseInt()
Gleichheit
Konversion nach int
Konversion nach String
Konversion von String
Integer.toString(new Integer(70)); // "70"
Integer.parseInt("12345"); // 12345
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Literatur
Sun.
JDK 6 Documentation.
http://java.sun.com/javase/6/docs/.
Sun.
The Java Tutorials.
http://java.sun.com/docs/books/tutorial/.
C. Ullenboom.
Java ist auch eine Insel.
Galileo Press, 2003.
http://openbook.galileocomputing.de/javainsel8/.
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