1. Klassen und Vererbung - www2.inf.h

1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
1. Klassen und Vererbung
• selbst definierter Datentyp (Referenzdatentyp)
• Modellierung neuer Strukturen
• Sammlung von Variablen verschiedener Typen
• Beispiel: Adresse
• Eine Adresse soll als Ganzes repräsentiert werden können.
• Teile des Ganzen haben unterschiedliche Datentypen.
• Eine Klasse fasst die Komponentenvariablen zusammen.
• Darstellung: UML-Klassendiagramm
Adresse
name:
strasse:
hausnummer:
postleitzahl:
wohnort:
mail:
kommentar:
Peter Becker, Datenstrukturen und Algorithmen — Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, SS 2010
String
String
int
int
String
String
String
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1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
Erläuterungen und Terminologie:
• Die Komponentenvariablen heißen hier Instanzvariablen.
• Eine Klasse kann als Bauplan für Objekte verstanden werden.
• Eine konkrete Realisierung einer Klasse K bezeichnen wir als Instanz der Klasse
K bzw. als Objekt der Klasse K .
• Jedes Objekt verfügt über eine separate Version der Instanzvariablen.
• Komponentenvariablen, die in der Deklaration mit static versehen sind, sind dagegen Klassenvariablen
• Klassenvariablen beschreiben üblicherweise eine Eigenschaft der Klasse, nicht eines einzelnen Objektes
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1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
Deklaration von Klassen
Syntax zur Deklaration von Klassen
(vorläufig):
public class Klassenname {
Variablendeklaration
...
Variablendeklaration
}
Beispiel:
public class Adresse {
String name;
String strasse;
int hausnummer;
int postleitzahl;
String wohnort;
String mail;
String kommentar;
}
1. Wir schreiben die Deklaration der Klasse Adresse in die Datei Adresse.java.
2. Wir compilieren Adresse.java. Damit entsteht Adresse.class.
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1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
3. Nun steht uns der neue Datentyp Adresse zur Verfügung. Eine Variablendeklaration der Form:
Adresse a;
ist nun möglich.
☞ Mit Klassen sind stets Referenzdatentypen verbunden.
☞ Also steht uns nach
Adresse a;
noch kein Objekt der Klasse Adresse zur Verfügung.
a
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1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
Instanziierung von Objekten
Instanzen einer Klasse erzeugen wir mit dem new-Operator:
Variablenname = new Klassenname();
Man bezeichnet dies als Instanziierung.
Beispiel:
Adresse a;
a = new Adresse();
Natürlich ist es auch möglich, Variablendeklaration und Instanziierung in einer Anweisung zu formulieren:
Adresse a = new Adresse();
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1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
Initialisierung von Instanzvariablen
a
name
☞ Instanzvariablen werden (automatisch) initialisiert wie Komponenten
von Feldern.
Hier:
• postleitzahl, hausnummer: 0
• und alle anderen Komponeten: null,
da Referenzdatentypen.
strasse
hausnummer
0
postleitzahl
0
wohnort
mail
kommentar
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1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
Zugriff auf Instanzvariablen
Zugriff auf Komponenten eines Objekts:
Variablenname.Komponentenname
Beispiele:
Adresse a = new Adresse();
a.wohnort = "Musterhausen";
a.postleitzahl = 47111;
System.out.println( "PLZ: " + a.postleitzahl );
System.out.println( "Ort: " + a.wohnort );
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1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
Objekte und Referenzen
Adresse a;
Adresse b;
a = new Adresse();
b = a;
a
name
b
• Klassen definieren Referenzdatentypen.
• Konsequenz: Eine Zuweisung sorgt
nicht dafür, dass ein Objekt kopiert
wird.
• Analog zu Feldern: Nur die Referenz
wird kopiert!
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strasse
hausnummer
0
postleitzahl
0
wohnort
mail
kommentar
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1. Klassen und Vererbung
Klassen als strukturierter Datentyp
Felder von Objekten
Natürlich können wir auch Felder deklarieren, die
als Komponententyp eine Klasse haben.
Adresse[] adressen = new Adresse[20];
adressen
• Der obige Aufruf erzeugt nur das Feld für
die Referenzen auf Instanzen von Adresse,
nicht die Objekte selbst.
• Die Feldkomponenten sind mit null initialisiert (siehe rechts).
• Erzeugung der Objekte:
for (int i=0 ; i<20 ; i++)
adressen[i] = new Adresse();
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adressen[0]
adressen[1]
adressen[2]
adressen[17]
adressen[18]
adressen[19]
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1. Klassen und Vererbung
Prinzipien der objektorientierten Programmierung
Prinzipien der objektorientierten Programmierung
• Objekte waren bisher nichts weiter als schlichte Datenspeicher, Klassen die Baupläne dieser Datenspeicher.
• In der objektorientierten Programmierung wird diese Sicht erweitert.
• Objekte sind hier mehr als reine Datenspeicher, sie haben insbesondere:
– einen Zustand und
– weisen ein bestimmtes Verhalten auf.
• Eine Klasse beschreibt die möglichen Zustände und das Verhalten der zugehörigen Instanzen. Sie ist eine abstrakte Beschreibung der Objekte (Instanzen).
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Prinzipien der objektorientierten Programmierung
Klassen als Modelle
• In der Softwareentwicklung transferieren wir die Problemwelt auf den Computer,
indem wir ein Modell der Problemwelt erstellen.
• Klassen sind wesentliche Bestandteile dieses Modells. Jede Klasse ist ein Modell
für eine Gruppe gleichartiger Objekte der Problemwelt.
• Durch die Instanziierung von Klassen erhalten wir Objekte. Diese Objekte stellen
auf dem Rechner das Äquivalent zu Gegenständen, Eigenschaften oder Personen
unserer Problemwelt dar.
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1. Klassen und Vererbung
Prinzipien der objektorientierten Programmierung
Vorteile des objektorientierten Ansatzes
• Ein Entwurf wird in unabhängige Komponenten (Klassen/Objekte) unterteilt, die
zusammen das Gesamtsystem bilden.
• Wie die Einzelteile eines Modellbaukastens werden diese Objekte zu einer Gesamtheit zusammengefügt.
Vorteile:
1. Durch die Aufteilung in (kleine) unabhängige Komponenten wird die Komplexität
verringert.
2. Die einzelnen Komponenten können unabhängig entwickelt und getestet werden.
3. Der Anbau weiterer Komponenten ist ohne besondere Probleme möglich.
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1. Klassen und Vererbung
Prinzipien der objektorientierten Programmierung
Grundpfeiler der objektorientierten Programmierung
•
•
•
•
Generalisierung
Vererbung
Kapselung
Polymorphismus
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1. Klassen und Vererbung
Prinzipien der objektorientierten Programmierung
Kapselung
Grundidee der Kapselung: Vgl. Hinweis auf der Rückseite eines Fernsehgeräts:
Gerät steht unter Spannung und darf nur vom Fachmann geöffnet werden!
1. Das Öffnen des Geräts ist für Unbefugte nicht ungefährlich. Wollen Sie sich von
einem Fernsehmechaniker am Blinddarm operieren lassen?
2. Normale Benutzer sollten nicht wissen müssen, wie der Fernseher intern funktioniert. Hierzu dienen die Bedienelemente als Schnittstelle zur Außenwelt.
In der objektorientierten Programmierung:
1. Der interne Aufbau einer Klasse bleibt verborgen (Data Hiding). Zur Benutzung der
Klasse reichen Kenntnisse über deren Schnittstelle.
2. Der interne Aufbau einer Klasse kann geändert werden, ohne dass dies Auswirkungen auf andere Teile der Software hat.
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1. Klassen und Vererbung
Zugriffsrechte
Vom Referenzdatentyp zur Objektorientierung
Wir beginnen mit einer einfachen Klasse:
/** Diese Klasse repräsentiert Studierende */
public class Student {
Student
name:
nummer:
/** Der Name des/der Studierenden */
String name;
String
int
/** Matrikelnummer */
int nummer;
}
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1. Klassen und Vererbung
Zugriffsrechte
Ist das Grundprinzip der Kapselung erfüllt?
• Haben wir die interne Struktur der Klasse Student von der Schnittstelle nach
außen getrennt?
• Könnten wir die Instanzvariablen einfach verändern, ohne hiermit Probleme zu verursachen?
Nein!
Wie können wir dies ändern?
• Anpassung der Zugriffsrechte für die Instanzvariablen.
• Deklaration von Zugriffsmethoden.
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1. Klassen und Vererbung
Zugriffsrechte
Zugriffsrechte
• Data Hiding: Wir wollen unsere Instanzvariablen vor der Außenwelt verstecken.
Bisher kann auch von anderen Klassen aus auf die Instanzvariablen von Student
zugegriffen werden.
• Dies wollen wir verhindern!
Hierzu schränken wir die Zugriffsrechte auf die Variablen ein.
• Zugriffsrecht wird private, d.h. nur innerhalb von Student ist ein Zugriff auf die
Instanzvariablen möglich.
Student
-name:
-nummer:
String
int
public class Student {
private String name;
private int nummer;
}
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1. Klassen und Vererbung
Zugriffsrechte
Die Klasse AndereKlasse enthalte folgende Anweisungen:
Student studi = new Student();
studi.name = "Karla Karlsson";
studi.nummer = 4711;
Wenn wir versuchen, AndereKlasse zu übersetzen, erhalten wir einen Fehler der
Form:
Variable name in class Student not accessible
from class AndereKlasse.
Das heißt, die Zugriffe werden verweigert.
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1. Klassen und Vererbung
Instanzmethoden
Instanzmethoden
Wie können wir Daten aus Objekten auslesen oder zuweisen, wenn wir hierzu nicht
berechtigt sind?
☞ Wir erweitern die Klasse um Instanzmethoden.
• Instanzmethoden sind beim Aufruf stets an ein Objekt gebunden, d.h. wir rufen
eine Instanzmethode auf einem Objekt auf.
• Innerhalb der Instanzmethode haben wir Zugriff auf alle Instanzvariablen.
• Methoden haben ihre eigenen Zugriffsrechte.
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1. Klassen und Vererbung
Instanzmethoden
Syntax der Deklaration von öffentlichen Instanzmethoden:
public Rückgabetyp Methodenname ( Parameterliste ) {
Anweisungen
}
Beispiele:
public String getName() {
return name;
}
public int getNummer() {
return nummer;
}
public void setName( String name ) {
this.name = name;
}
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1. Klassen und Vererbung
Instanzmethoden
public void setNummer( int n ) {
nummer = n;
}
Darstellung als Klassendiagramm:
Student
-name:
-nummer:
+getName()
+getNummer()
+setName(String)
+setNummer(int)
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String
int
String
int
void
void
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1. Klassen und Vererbung
Instanzmethoden
Was ist this?
• Das Schlüsselwort this liefert innerhalb
einer Instanzmethode immer eine Referenz auf das Objekt selbst, d.h. auf das
Objekt, auf dem die Methode aufgerufen
wurde.
• Das Schlüsselwort this wird insbesondere dann benötigt, wenn Instanzvariablen durch Namenskonflikte verdeckt werden.
Beispiel: Die Methode setName. Der formale Parameter name verdeckt die Instanzvariable name.
• Mittels this.name können wir die Instanzvariable ansprechen.
• Der Compiler “denkt ein wenig mit”. Liegen keine Namenskonflikte vor, ist die Angabe von this nicht notwendig.
"Karla Karlsson"
name
nummer
4711
this
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1. Klassen und Vererbung
Instanzmethoden
Instanzmethoden als erweiterte Funktionalität
Wir wollen die Menge der gültigen Matrikelnummern einschränken:
Eine Matrikelnummer sei dann gültig, wenn sie fünf Stellen sowie keine führenden Nullen hat und ungerade ist.
Hierfür definieren wir eine Methode validateNummer:
private boolean validateNummer() {
return (nummer >= 10000 && nummer <= 99999 && nummer % 2 != 0);
}
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1. Klassen und Vererbung
Instanzmethoden
Wir können nun unsere Methode setNummer so ändern, dass nur noch gültige Matrikelnummern akzeptiert werden.
public void setNummer(int n) {
int alteNummer = nummer;
nummer = n;
if (!validateNummer())
nummer = alteNummer;
}
Bemerkungen:
• höhere Funktionalität
• ohne Datenkapselung nicht möglich
• keine Änderung an der Schnittstelle der Klasse Student
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1. Klassen und Vererbung
Instanzmethoden
Beispiel: Ausgabe von Objekten auf der Konsole:
public String toString() {
return name + " (" + nummer + ")";
}
Nutzung:
Student studi = new Student();
studi.setName("Karla Karlsson");
studi.setNummer(12345);
System.out.println(studi.toString());
Prinzipiell reicht sogar die Anweisung:
System.out.println(studi);
Grund: Jedes Objekt verfügt automatisch über eine Methode toString, die für die
Ausgabe genutzt wird. Wir haben hier toString überschrieben.
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1. Klassen und Vererbung
Statische Komponenten einer Klasse
Klassenvariablen
• Wir wollen die Zahl der instantiierten Studentenobjekte zählen.
• Dies ist jedoch keine Eigenschaft eines einzelnen Objektes. Vielmehr gehört die
Eigenschaft zu der Gesamtheit aller Studentenobjekte.
• Eigenschaften einer Klasse als Ganzes werden durch Klassenvariablen repräsentiert.
Syntax für eine private Klassenvariable:
private static Datentyp Variablenname = Initialwert;
Beispiel:
private static int studZaehler = 0;
• Das Schlüsselwort static “macht” eine Variable zur Klassenvariable.
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1. Klassen und Vererbung
Statische Komponenten einer Klasse
• Wenn die Zugriffsrechte nicht dagegen sprechen, erfolgt der Zugriff auf eine Klassenvariable durch:
Klassenname.Variablenname
• Beispiel: Wäre studZaehler öffentlich, könnte man den Zählerwert wie folgt ausgeben:
System.out.println(Student.studZaehler);
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1. Klassen und Vererbung
Statische Komponenten einer Klasse
Klassenmethoden
Für das Auslesen des Studentenzählers definieren wir eine öffentliche Klassenmethode:
public static int getZaehler() {
return studZaehler;
}
Nutzung der Klassenmethode:
System.out.println(Student.getZaehler());
• Eine Klassenmethode ist eine Methode, die der Klasse als Ganzes zugeordnet ist.
• In Klassenmethoden ist kein Zugriff auf Instanzvariablen möglich.
• Nutzung allgemein:
Klassenname.Methodenname( aktuelle Parameter )
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1. Klassen und Vererbung
Statische Komponenten einer Klasse
Wie können wir dafür sorgen, dass bei der Erzeugung von Objekten der “Studentenzähler” korrekt erhöht wird?
Eine (noch nicht optimale) Möglichkeit: Wir “verpacken” die Erzeugung in einer Klassenmethode:
public static Student createStudent() {
studZaehler = studzaehler + 1;
return new Student();
}
Nutzung:
Student studi = Student.createStudent();
System.out.println(Student.getZaehler());
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1. Klassen und Vererbung
• Warum nicht optimal? Bei älteren Programmen, die new verwenden, wird
der Zähler nicht erhöht.
• Wie können wir dies abstellen? Verwendung eines sogenannten Konstruktors (siehe folgendes Thema).
• Klassenmethoden und Klassenvariablen werden in Klassendiagrammen
durch Unterstreichung gekennzeichnet.
Statische Komponenten einer Klasse
Student
-name:
-nummer:
-studZaehler:
+getName()
+getNummer()
+setName(String)
+setNummer(int)
+validateNummer()
+toString()
+getZaehler()
+createStudent()
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String
int
int
String
int
void
void
boolean
String
int
Student
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1. Klassen und Vererbung
Statische Komponenten einer Klasse
Vereinbarung von Konstanten
• Die Vereinbarung von Konstanten erfolgt innerhalb einer Klassendefinition.
• Konstanten sind Klassenvariablen.
• Durch das Schlüsselwort final wird die nachträgliche Änderung des Variablenwerts verboten.
Syntax für die Deklaration öffentlicher Konstanten:
public static final Datentyp Variablenname = Initialwert;
Beispiel: Definition von Konstanten für Studienfächer:
public static final int MATHEMATIK STUDIUM = 1;
public static final int INFORMATIK STUDIUM = 2;
public static final int BIOLOGIE STUDIUM = 3;
...
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1. Klassen und Vererbung
Statische Komponenten einer Klasse
• Der Zugriff erfolgt wie bei Klassenvariablen:
Klassenname.Variablenname
• Es hat sich die Schreibweise durchgesetzt, dass Konstantennamen ausschließlich
aus Großbuchstaben und Unterstrichen bestehen. Teilwörter werden durch einen
Unterstrich getrennt (siehe Java Code Conventions).
• Die Zuweisung an eine als Konstante vereinbarte Variable führt zu einem Fehler
bei der Übersetzung.
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1. Klassen und Vererbung
Konstruktor
Konstruktor
• Mit Konstruktoren können wir Einfluss auf die Erzeugung eines Objektes nehmen.
• Konstruktoren erlauben es, den Anfangszustand von Objekten zu parametrisieren.
• Der Aufruf des/der Konstruktoren erfolgt implizit bei Anwendung von new.
Syntax für einen öffentlichen Konstruktor:
public Klassenname( Parameterliste )
{
Anweisungen
}
• Ein Konstruktor heißt immer so wie die Klasse.
• In der Parameterliste werden Argumente vereinbart.
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1. Klassen und Vererbung
Konstruktor
Der einfachste Konstruktor für Student lautet:
public Student() { }
Allgemein ist dies der Standard-Konstruktor. Er wird automatisch angelegt, wenn kein
Konstruktor definiert wurde (aber nur genau für diesen Fall).
Wir sollten im Konstruktor dafür sorgen, dass automatisch der Zähler für die Studentenobjekte erhöht wird.
public Student() {
studZaehler = studZaehler + 1;
}
Damit ist die Klassenmethode createStudent überflüssig.
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1. Klassen und Vererbung
Konstruktor
Überladen von Konstruktoren
• Wie Methoden können auch Konstruktoren überladen werden.
• D.h., es darf mehrere Konstruktoren zu einer Klasse geben.
• Diese müssen sich aber in ihrer Signatur unterscheiden.
Weiterer möglicher Konstruktor für Student:
public Student(String name, int nummer) {
studZaehler = studZaehler + 1;
this.name = name;
this.nummer = nummer;
}
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1. Klassen und Vererbung
Konstruktor
• Innerhalb eines Konstruktors darf als erste Anweisung ein anderer Konstruktor aufgerufen werden.
• Dies erfolgt durch das Schlüsselwort this in Verbindung mit aktuellen Parametern.
Beispiel:
public Student(String name, int nummer) {
this();
this.name = name;
this.nummer = nummer;
}
Nutzung:
Student student = new Student("Jo Mustermann", 90815 );
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1. Klassen und Vererbung
Statische Komponenten einer Klasse
Der statische Initialisierer
• Ein Konstruktor ermöglicht uns eine objektbezogene Initialisierung.
• Gibt es auch eine klassenbezogene Initialisierung?
• Ja, mit Hilfe des statischen Initialisierers.
Syntax:
static
{
Anweisungen
}
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1. Klassen und Vererbung
Statische Komponenten einer Klasse
• Ein statischer Initialisierer einer Klasse wird ausgeführt, wenn die Klasse geladen
wird.
• Eine Klasse wird vom Class Loader der virtuellen Maschinene geladen, wenn sie
das erste mal benötigt wird.
• Eine Klasse kann mehrere statische Initialisierer haben.
Für die Anweisungen gelten die Einschränkungen eines statischen Kontextes:
• Nur Zugriff auf statische Komponenten einer Klasse.
• Zugriff auf alle (auch private) Teile einer Klasse.
• Weitere Einschränkung: Statische Initialisierer haben nur Zugriff auf statische Komponenten, die im Programmcode vor ihnen definiert wurden.
☞ Beispiel zum statischen Initialisierer.
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1. Klassen und Vererbung
Beispiele
Nutzen der Kapselung
Wenn wir Programmlogik in einem Objekt kapseln, dann können wir
1. diese Logik mehrmals zur gleichen Zeit einsetzen,
Beispiel: gleichzeitig mehrere unabhängige Objekte
2. in unterschiedlichen Zusammenhängen nutzen und
Beispiel: Programm zum Zählen von Zeilen, Wörtern und Zeichen
3. komplexere Objekte aus einfacheren Objekten zusammensetzen.
Beispiel: Die Klassen TorZaehler und Spielstand
☞ Leichtere Wiederverwendbarkeit
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