4. Vererbung - www2.inf.h

4. Vererbung
Grundlagen der Vererbung
4. Vererbung
Wir wollen ein Verwaltungsprogramm für CDs und Videos entwickeln. Wir stellen uns
dazu folgende Klassen vor:
CD
titel:
kuenstler:
titelanzahl:
spielzeit:
habIch:
kommentar:
setzeKommentar(String)
gibKommentar()
setzeVorhanden(boolean)
gibVorhanden()
ausgeben()
String
String
int
int
boolean
String
void
String
void
boolean
void
Video
titel:
regisseur:
spielzeit:
habIch:
kommentar:
setzeKommentar(String)
gibKommentar()
setzeVorhanden(boolean)
gibVorhanden()
ausgeben()
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String
String
int
boolean
String
void
String
void
boolean
void
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4. Vererbung
Grundlagen der Vererbung
Wenn wir diese beiden Klassen realisieren, stellen wir fest, dass der Quelltext der
Klassen weitgehend identisch ist.
☞ siehe Beispiele
Nachteile dieses Ansatzes:
• erhöhter Aufwand der Erstellung
• bei der Wartung von dupliziertem Code sind Änderungen an mehreren Stellen notwendig
• Wartung ist fehleranfällig
• erhöhter Testaufwand
• erhöhter Aufwand bei der Nutzung der Klassen
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4. Vererbung
Grundlagen der Vererbung
Idee der Vererbung
• Statt die beiden Klassen CD und Video unabhängig voneinander zu definieren,
definieren wir zuerst eine Klasse, die die Gemeinsamkeiten von CD und Video
zusammenfasst.
Wir wollen diese Klasse Medium nennen.
• Wir definieren dann anschließend, dass eine CD ein Medium ist und ebenso, dass
ein Video ein Medium ist.
• Schließlich ergänzen wir die Klassen für CD und Video ausschließlich um ihre
spezifischen Eigenschaften.
☞ Prinzip der Generalisierung
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4. Vererbung
Grundlagen der Vererbung
Medium
−titel: String
−spielzeit: int
−habIch: boolean
−kommentar: String
+void setzeKommentar(String)
+String gibKommentar()
+void setzeVorhanden(boolean)
+boolean gibVorhanden()
+void ausgeben()
CD
−kuenstler: String
−titelanzahl: int
Video
−regisseur: String
+String gibRegisseur()
+String gibKuenstler()
+int gibTitelanzahl()
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4. Vererbung
Grundlagen der Vererbung
Terminologie
• Eine Superklasse (Oberklasse) ist eine Klasse, die von anderen Klassen erweitert
wird.
• Eine Subklasse (Unterklasse) ist eine Klasse, die eine andere Klasse erweitert.
Man sagt auch, dass die Subklasse von der Superklasse erbt.
• Vererbung bedeutet, dass die Subklasse alle Datenfelder und Methoden von der
Superklasse übernimmt.
• Es werden keine Konstruktoren vererbt!
• Klassen, die über eine Vererbungsbeziehung miteinander verknüpft sind, bilden
eine Vererbungshierarchie.
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Grundlagen der Vererbung
Beispiel:
Eine
Vererbungshierarchie für graphische
Elemente.
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4. Vererbung
Vererbung in Java
Vererbung in Java
Syntax:
public class Unterklasse extends Oberklasse {
...
}
• Mit Hilfe von extends wird die Oberklasse zu einer Klasse angegeben.
• Java unterstützt ausschließlich einfache Vererbung, d.h. wir können höchstens eine
Oberklasse angeben.
• Ohne Verwendung von extends ist implizit die Klasse java.lang.Object die
Oberklasse.
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Vererbung in Java
Definition der Oberklasse Medium:
Definition der Unterklassen:
public class Medium {
private String titel;
private int spielzeit;
private boolean habIch;
private String kommentar;
...
}
public class CD extends Medium {
private String kuenstler;
private int titelanzahl;
...
}
public class Video extends Medium {
private String regisseur;
...
}
☞ In den Unterklassen werden zusätzliche Datenfelder und Methoden deklariert.
☞ Darüberhinaus verfügt ein Objekt der Unterklasse über alle Datenfelder und Methoden der Oberklasse.
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Vererbung in Java
Vererbung und Zugriffsrechte
• Von einer Unterklasse aus kann man nicht auf die private deklarierten Datenfelder und Methoden der Oberklasse zugreifen.
• Daher gibt es zusätzlich den Modifikator (Zugriffsrecht) protected.
• Das Zugriffsrecht protected
– erlaubt den Zugriff von Unterklassen aus,
– erlaubt den Zugriff für Klassen des gleichen Pakets und
– verbietet den Zugriff für alle anderen Klassen.
• Der Modifikator protected kann nur auf Datenfelder, Konstruktoren und Methoden angewendet werden, nicht auf Klassen.
• Datenfelder werden üblicherweise nicht als protected deklariert, da dies die
Kapselung schwächen würde. Stattdessen definiert man Zugriffsmethoden die
protected oder public sind.
• Typischer Einsatz von protected: Bei Hilfsmethoden, die nach außen verborgen
werden sollen, für Unterklassen aber hilfreich sein können.
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Vererbung in Java
• Der Einsatz von protected ist nur über Paketgrenzen hinweg sinnvoll.
• protected wird deutlich seltener als public und private eingesetzt.
• Bevor Sie protected verwenden, sollten Sie kritisch prüfen, ob private nicht
auch ausreicht.
• Man beachte: protected ist weniger restriktiv als die Verwendung keines Modifikators.
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Vererbung in Java
Vererbung und Initialisierung
• Üblicherweise sorgt ein Konstruktor dafür, dass die Datenfelder eines Objekts nach
der Erzeugung in einem vernüftigem Zustand sind.
• Wie ist das nun, wenn die Datenfelder durch Vererbung über verschiedene Klassen
verteilt sind?
• Unter- und Oberklasse bieten Konstruktoren an.
• Die Unterklasse kümmert sich in ihrem Konstruktor nur um die Datenfelder, die in
der Unterklasse definiert sind.
• Damit auch die Datenfelder der Oberklasse korrekt initialisiert werden, rufen wir
den Konstruktor der Oberklasse auf.
• Der Aufruf des Konstruktors der Oberklasse erfolgt mit dem Schlüsselwort super.
• Dieser Aufruf muss stets die erste Anweisung in einem Konstruktor der Unterklasse
sein! Ansonsten fügt der Compiler den Aufruf eines parameterlosen Konstruktors
für die Oberklasse ein.
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Vererbung in Java
public class Medium {
private
private
private
private
String titel;
int spielzeit;
boolean habIch;
String kommentar;
public Medium(String titel, int spielzeit)
{
this.title = titel;
this.spielzeit = spielzeit;
this.habIch = false;
this.kommentar = "";
}
...
}
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4. Vererbung
Vererbung in Java
public class CD extends Medium {
private String kuenstler;
private int titelanzahl;
public CD(String titel, String kuenstler, int stuecke, int spielzeit)
{
super(title,spielzeit);
this.kuenstler = kuenstler;
this.titelanahl = stuecke;
}
...
}
☞ Sie sollten den Konstruktor der Oberklasse auch dann explizit aufrufen, wenn der
Compiler diesen Aufruf automatisch einfügen würde. Es ist guter Programmierstil.
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4. Vererbung
Vererbung in Java
Vorteile der Vererbung (bis hierher)
•
•
•
•
Vermeidung von Quelltext-Duplizierung
Wiederverwendung von Quelltext
Einfachere Wartung
Erweiterbarkeit
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4. Vererbung
Subtyping
Subtyping und Ersetzbarkeit
• Wir wissen: Klassen definieren Datentypen.
• Wir haben gelernt: Klassen bilden eine Klassenhierarchie.
• Analog zur Klassenhierarchie entsteht somit auch eine Typhierarchie mit Suptypen
(Untertypen) und Supertypen (Obertypen).
• Der Typ, der durch eine Subklasse definiert wird, ist ein Subtyp des Typs, der durch
die Zugeordnete Superklasse definiert wird.
Prinzip der Ersetzbarkeit:
Objekte von Subtypen können an allen Stellen verwendet werden, an denen ein
Supertyp erwartet wird.
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4. Vererbung
Subtyping
Beispiel: Die folgenden Zuweisungen sind zulässig:
Medium medium = new Medium(...);
Medium cd
= new CD(...);
Medium video = new Video(...);
• Eine Variable kann Objekte halten, deren Typ entweder gleich dem deklarierten
Typ der Variablen ist oder ein beliebiger Subtyp des deklarierten Typs ist.
• Bei der Zuweisung wird eine implizite Typumwandlung (Cast) durchgeführt.
Umgekehrt gilt dies nicht. Die folgenden Anweisungen sind nicht zulässig:
CD cd = new Medium(...);
Video video = new CD(...);
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4. Vererbung
Subtyping
Dieses Prinzip der Ersetzbarkeit gilt natürlich auch bei einer Parameterübergabe.
public class MedienDatenbank {
...
public void einfuegen(Medium medium) {
...
}
}
Wir können diese Methode sowohl für Videos als auch für CDs verwenden.
MedienDatenbank db = new MedienDatenbank(...);
Video video = new Video(...);
CD cd = new CD(...);
db.einfuegen(video);
db.einfuegen(cd);
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Subtyping
• Variablen für Objekte sind in Java polymorphe Variablen.
• Der Ausdruck polymorph (vielgestaltig) bezieht sich auf die Tatsache, dass eine
Variable Objekte verschiedener Typen referenzieren kann.
• Polymorphie ist einer der Grundpfeiler der Objektorientierung.
• Polymorphie tritt in objektorientierten Sprachen in unterschiedlichen Zusammenhängen auf.
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4. Vererbung
Die Klasse Object
Die Klasse Object
• Alle Klassen ohne explizit deklarierte Superklasse haben die Klasse Object als
Superklasse.
• Object gehört zum Paket java.lang.
• Object verfügt über einige vordefinierte Methoden. Diese stehen somit allen Objekten zur Verfügung.
• Es kann sinnvoll sein, diese Methoden in Unterklassen zu überschreiben, d.h. mit
einer anderen Implementierung zu versehen.
• Beispiel: toString()
• genaueres zu den Methoden: siehe API-Dokumentation
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4. Vererbung
Überschreiben von Methoden
Überschreiben von Methoden
Die Methode ausgeben() in der Klasse Medium können wir folgendermaßen definieren:
public void ausgeben() {
System.out.print(titel + " (" + spielzeit + "Min)");
if (habIch)
System.out.println("*");
else
System.out.println();
System.out.println("
" + kommentar);
}
Jetzt erzeugen wir eine Instanz der Klasse CD:
CD cd = new CD("Beggar\’s Banquet", "Rolling Stones", 10, 41);
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4. Vererbung
Überschreiben von Methoden
Mit weiteren Anweisungen können wir einen Kommentar angeben und das wir im Besitz der CD ist. Die Anweisung
cd.ausgeben();
erzeugt dann die Ausgabe
Beggar’s Banquet (41 Min)*
Die letzte Platte der Ur-Stones, ein absolutes Meisterwerk!
Problem:
• Die Ausgabe ist unzureichend.
• Es werden nur die allgemeinen Informationen angezeigt, die in der Klasse Medium
definiert sind.
• Dedizierte CD-Informationen (Künstler, Titelanzahl) fehlen in der Ausgabe.
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Überschreiben von Methoden
• Um eine vernüftige Ausgabe für CDs zu erhalten, müssen wir die Methode
ausgeben() überschreiben.
• Eine Subklasse kann die Implementierung einer Methode überschreiben.
• Dazu deklariert die Subklasse eine Methode mit der gleichen Signatur wie in der
Superklasse, implementiert diese jedoch mit einem anderen Rumpf.
• Bei Aufrufen an Objekte der Unterklasse wird die überschreibende Methode ausgeführt.
Ein erster Versuch:
public class CD extends Medium {
...
public void ausgeben() {
System.out.println( "
" + kuenstler +
", " + titelanzahl + " Titel");
}
}
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Überschreiben von Methoden
Die Anweisung cd.ausgeben(); liefert jetzt:
Rolling Stones, 10 Titel
• Jetzt geben wir nur die CD-spezifischen Information aus, es fehlen die allgemeinen
Informationen.
• Auf die Instanzvariablen von Medium haben wir aber innerhalb von CD keinen
Zugriff. Sollte man diese protected deklarieren?
• Nein, u.U. können wir dies auch gar nicht, da wir nicht den Quelltext von Medium
besitzen.
• Stattdessen nutzen wir super, um innerhalb der überschreibenden Methode, die
Methode der Oberklasse aufzurufen.
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4. Vererbung
Überschreiben von Methoden
Ein zweiter Versuch:
public class CD extends Medium {
...
public void ausgeben() {
System.out.print("CD: " + kuenstler + ": ");
super.ausgeben();
System.out.println( "
" + titelanzahl + " Titel");
}
}
Jetzt liefert die Anweisung cd.ausgeben();:
CD: Rolling Stones: Beggar’s Banquet (41 Min)*
Die letzte Platte der Ur-Stones, ein absolutes Meisterwerk!
10 Titel
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4. Vererbung
Überschreiben von Methoden
• Ein super-Aufruf in einer Methode hat immer folgende Form:
super.Methodenname( Parameterliste );
Der Methodenname muss also explizit genannt werden.
• Im Gegensatz zu super-Aufrufen in Konstruktoren kann der super-Aufruf in einer
Methode an jeder beliebigen Stelle der Methode erfolgen.
• Es muss auch kein super-Aufruf erfolgen und wenn dieser nicht erfolgt, wird auch
nicht automatisch ein solcher Aufruf generiert.
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4. Vererbung
Überschreiben von Methoden
Vererbung und Methodenausführung
Medium medium = new CD("Beggar\’s Banquet", "Rolling Stones", 10, 41);
...
medium.ausgeben();
• Welche Methode ausgeben() wird hier ausgeführt?
Die der Klasse Medium, weil die Variable medium von diesem Typ ist?
☞ statischer Typ der Variablen medium
Die der Klasse CD, weil das Objekt, auf dem ausgeben() aufgerufen wird, eine
Instanz von CD ist?
☞ dynamischer Typ der Variablen medium
☞ Entscheidend für die Methodenauswahl ist der dynamische Typ einer Variablen.
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4. Vererbung
Überschreiben von Methoden
Methoden-Polymorphie:
• Methodenaufrufe in Java sind polymorph.
• Derselbe Methodenaufruf kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten verschiedene
Methoden aufrufen.
• Welche Methode tatsächlich aufgerufen wird, ist abhängig vom dynamischen Typ
der Variablen, mit der der Aufruf durchgeführt wird.
Weiteres Beispiel:
• Wir gehen davon aus, daß die Klassen
CD und Video die Methode ausgeben()
aus Medium überschreiben.
• Dann wird für i==0 die Methode
ausgeben() von CD aufgerufen und
• für i==1 die Methode ausgeben() von
Video.
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Medium m;
Medium m1 = new CD(...);
Medium m2 = new Video(...);
for (int i=0 ; i<2 ; i++) {
if (i==0)
m = m1;
else
m = m2;
m.ausgeben();
}
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4. Vererbung
Überschreiben von Methoden
Wir wollen die Frage, welche Instanzmethode bei einem Methodenaufruf aufgerufen
wird, wird noch etwas genauer betrachten.
Methodensuche:
• Beim Aufruf einer Instanzmethode findet eine sogenannte Methodensuche statt.
• Ausgehend vom dynamischen Typ der Variablen wird in der Vererbungshierarchie
nach einer Methode gesucht, die auf die Signatur des Aufrufs passt.
• Wenn die Klasse des dynamischen Typs keine solche Methode aufweist, wird in
der direkten Oberklasse gesucht, usw.
• Die Suche endet spätestens in der Klasse Object.
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4. Vererbung
Überschreiben von Methoden
Die Methode toString()
• Jedes Objekt hat eine Methode toString().
• Diese Methode ist in der Klasse Object definiert.
• toString() wird implizit aufgerufen, wenn eine Objektreferenz als Parameter der
Methode println() verwendet wird.
MeineKlasse obj = new MeineKlasse();
System.out.println(obj);
• Die Implementierung in Object liefert einen String der Art:
Klassenname@Referenz
• Hier bietet es sich an, in Unterklassen die Methode toString zu überschreiben.
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