OOP-CASSELT

Objektorientierte Programmierung mit Java

Inhaltsverzeichnis

• Einleitung
  • Java-Sprachelemente
  • Methoden
  • Strings
• Basiskonzepte der OOP & Java
  • Packages
  • Überladen
  • Konstruktoren
  • statische Member und Methoden
  • innere Klassen
• Vererbung
  • Vererbung vs. Delegation
• Abstrakte Klassen und Methoden
• Interfaces
  • Vererbung vs. abstrakte Klassen vs. Interfaces
• Lose Kopplung
• Ausgewählte Probleme und Aspekte der OOP mit Java
  • Liskov und Varianzen
  • Vererbung und private Member
  • Vererbung und die Klasse Object
  • Gleichheit von Objekten
• Java Collection Framework
• Sortieren von Objekten

Einleitung

• Bauen eines JARs von einer Klassensammlung: jar cmf Manifest.txt name.jar *.class
  • mit Programm jar
  • Benötigt wird Manifest.txt, welche Version und Hauptklasse enthält
• Java ist eine interpretierbare, objektorientierte Sprache
• Java-Quellcode wird mit javac in Bytecode kompiliert und mit einer JVM interpretiert

Java-Sprachelemente

• einzeilige Kommentare am Zeilenende mit //
• Blockkommentar: Start mit /*, Ende mit */
• Bezeichner müssen mit _, $, oder einem Unicode-Buchstaben beginnen, aber nicht mit einer Ziffer, einem reservierten Wort oder ungültigen Zeichen (???) wie dem !
• Bezeichner sind case-sensitiv
• Namenskonventionen:
  • Klassennamen mit großem CamelCase: KlassenName
  • Variablen- und Methoden-Namen mit kleinem camelCase: compSumme()
  • Konstanten in Capslock SNAKE_CASE: MAX_SPEED
• primitive Datentypen sind initialisiert
• Referenzvariablen sind ggf. null
• Literale: Ganzzahlen, Fließkommazahlen, Zeichen, null, Strings, Konstanten
• Im Gegensatz zu C / C++ dürfen in Java Methoden und Membervariablen durcheinander geschrieben werden, ohne Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Der Compiler wird diese automatisch sortieren
• Es gibt die Zugriffsmodifier private, protected und public, wobei protected der Standard ist
• alle primitiven Datentypen existieren auch in Wrapperklassen objektorientiert
• Für zwei Referenzvariablen a1 und a2 kann ausgeführt werden: a2 = a1, wobei die Referenz geändert wird, das Objekt wird nicht kopiert
  • $\rightarrow$ entsprechend verweisen beide Variablen auf dasselbe Objekt

Methoden

Deklaration:

returntyp methodenName(parameterliste) {
    // Methodenkörper
    return something;
}

Strings

• Gleichheit von Strings: Wir betrachten folgenden Code: String s1 = "abc", s2 = "abc", s3 = new String("abc");
• Java speichert Stringliterale in einem Pool, weshalb s1 und s2 auf dieselbe Adresse verweisen
• s1 == s2 ergibt true, aber s1 == s3 false
• Daher immer s1.equals() verwenden!

Basiskonzepte der OOP & Java

• 4 Grundkonzepte:
  • Abstraktion: Gemeinsame Eigenschaften und Fähigkeiten werden zusammengefasst beschrieben
  • Datenkapselung: Zustandsänderungen nur über dafür vorgesehene Operationen (Methoden)
  • Vererbung: Erweiterung vorhandener Objekte mit zusätzlichen Eigenschaften + Operationen bei bleibender Kompatibilität zum Ursprungstyp
  • Polymorphie: Laufzeitprüfung, wie auf vererbte Objekte reagiert wird
• Klassen und Objekte $\rightarrow$ setze ich mal voraus
• Unterschied Operationen und Methoden:
  • Operation: was wird gemacht?
  • Methode: wie wird gemacht?
• in Java werden keine Prototypen gebraucht
• wer mehrere Klassen in eine .java-Datei packt, kommt in die Hölle

Packages

• Verwalten Klassen und Zugriffsrechte
• erste Anweisung muss package paketname; sein
• ohne Zugriffsmodifier an Klasse: nur für eigenes Package sichtbar
• Modifier public an Klasse: Klasse für alle Packages sichtbar

Überladen

• in einer Klasse können mehrere Methoden desselben Namens existieren, die aber verschiedene Signaturen haben
• Ein Aspekt der statischen Polymorphie - Methoden haben in Abhängigkeit ihrer Signaturen die gleiche Funktionalität
• siehe auch: C++ (3. Semester)
• Achtung: wir sehen den Returntyp hier nicht als Bestandteil der Signatur

Konstruktoren

• Konstruktoren sind Initialisierer für Objekte und werden von dem new-Operator benutzt
• wird ein impliziter Konstruktor genutzt, werden Membervariablen mit null, 0 oder false gefüllt

statische Member und Methoden

• existieren nur einmal pro Klasse
• statische Methoden können nicht auf non-statische Methoden zugreifen

innere Klassen

• innerhalb eines Blockes deklariert und nur dort sichtbar
• haben Zugriff auf Member und Methoden der äußeren Klasse
• Nutzen: Implementierung von Funktionalität, die nur für diese Klasse gültig sein soll / relevant ist
• Anwendung folgt im Kapitel Grafische Oberflächen

Vererbung

• Schaffung neuer Klassen basierend auf existierenden Klassen
• Beziehung ist dauerhaft
• i.d.R. eine Erweiterung oder Spezialisierung der urspr. Klasse
• erbt alle Member der "Superklasse"
• Java-Syntax: class Unterklasse extends Oberklasse {}
• UML: nicht ausgefüllter Pfeil von Unterklasse zu Oberklasse
• Vorteile:
  • Vermeidung von Quelltextduplizierung
  • einfachere Wartung
  • Erweiterbarkeit von Klassenfunktionalität
• eine überschriebene Methode der Superklasse ist dennoch erreichbar via super.methode()
• finale Klassen können nicht abgeleitet werden
• finale Methoden können nicht überschrieben werden
• Liskovsches Substitutionsprinzip: jede Unterklasse ist auch als ihre Oberklasse verwendbar
• Analog zu C++ kann man ein Array einer Oberklasse auch mit einer Instanz einer Unterklasse befüllen, wobei zur Laufzeit erkannt wird, dass überschriebene Methoden der Unterklassen auszuführen sind
• man darf die Sichtbarkeit von Methoden in Unterklassen erweitern, aber nicht weiter einschränken
• soll eine Instanz einer Unterklasse niemals auf eine überschriebene Methode der Oberklassse zurückgreifen, muss @Override über die Methode geschrieben werden
• Jeder Konstruktor einer abgeleiteten Klasse ruft zuerst den Konstruktor der Superklasse auf
  • implizit, wenn nicht parametrisiert
  • muss explizit aufgerufen werden, wenn parametrisierter Konstruktor
• jede Klasse erbt von Object, auch implizit $\rightarrow$ also hat jede Klasse eine toString()-Methode

Beispiel für Downcasting:

if (m instanceof Arbeiter) System.out.println("\t" + ((Arbeiter)m).getLohnsteuer());

Vererbung vs. Delegation

• Delegation: "Hat ein..." $\rightarrow$ Member-Variable
• Vererbung: "Ist ein..." $\rightarrow$ siehe oben
• Delegation ist der Vererbung vorzuziehen
• Vererbung sollte verwendet werden, wenn...
  • die angestrebte Unterklasse wirklich eine Spezialisierung / ein Teil von der Superklasse ist
  • alle Eigenschaften wirklich vererbt werden sollen

Abstrakte Klassen und Methoden

• von abstrakten Klassen können keine Objekte erzeugt werden
• werden im Klassendiagramm kursiv geschrieben (Vorsicht: sieht man ggf. nicht gleich!)
• abstrakte Methoden können nicht private sein, weil das keinen Sinn ergibt
• vor abstrakten Methoden, die also keine Implementierung haben, steht das Schlüsselwort abstract

Interfaces

• auch benannte Schnittstellen genannt
• spezifizieren Menge von Operationen, aber keine Implementierungen $\rightarrow$ abstrakte Methoden
• Definition von Konstanten möglich
• können als Typ verwendet werden, wobei alle Klassen, die dieses Interface implementieren, dafür qualifiziert sind $\rightarrow$ diese Klassen werden dynamische Datentypen genannt
• Interfaces können durch Unter-Interfaces erweitert werden

Vererbung vs. abstrakte Klassen vs. Interfaces

• Unterklassen, wenn die Oberklasse erweitert werden soll
• abstrakte Klassen, wenn Instanzen der Oberklasse nicht sinnvoll / erwünscht sind
• Interfaces, wenn verschiedene Klassen einen Funktionsumfang implementieren sollen oder gemeinsame Datentypen benötigt werden

Lose Kopplung

• Szenario: Klasse A nutzt eine Referenzvariable vom Typ IB; mehrere Klassen B1, B2, ... implementieren IB
• Zur Laufzeit kann entschieden werden, welche Klasse genutzt werden soll

Ausgewählte Probleme und Aspekte der OOP mit Java

Liskov und Varianzen

• Wenn eine Klasse erwartet wird, sollte eine Unterklasse davon auch verarbeitet werden können
• Problemstellung: was darf eine überschreibende Methode ändern, in Bezug auf Rückgabetyp, Typen der formalen Parameter, ggf. auch Typen der Checked Exceptions?
• Invarianz: Datentypen sind in Ober- und Unterklasse gleich
• Kovarianz: Typhierarchie mit Vererbungshierarchie $\rightarrow$ bei Verwendung einer Unterklasse ist bspw. der Rückgabetyp auch von einer Unterklasse
  • Bsp.: Person schreibt Dokument; Student schreibt Buch
• Kontravarianz: Typhierarchie entgegen Vererbungshierarchie $\rightarrow$ bei Verwendung einer Unterklasse ist bspw. der Rückgabetyp von einer Oberklasse
  • Bsp.: Person schreibt Buch; Student schreibt Dokument

Varianz	Eingabeparameter	Rückgabeparameter
Invarianz	möglich	möglich
Kovarianz	nicht möglich	möglich
Kontravarianz	nicht möglich	nicht möglich

Vererbung und private Member

• private Member werden ebenfalls vererbt, sind aber nicht sichtbar
• Zugriff auf private Membervariablen sollte über Getter und Setter erfolgen

Vererbung und die Klasse Object

• jede Klasse erbt implizit von Object
• Object enthält Implementierungen für Operatoren wie toString()

Gleichheit von Objekten

• ...wird mittels equals(Object o) überprüft
• zwei Objekte sind gleich, wenn alle Member denselben Wert haben
• Achtung: o1 == o2 vergleicht Referenzen!
• hashCode() liefert den Hash eines Objektes

Java Collection Framework

• Implementierung komplexer Datenstrukturen über Zentrale Interfaces wie Collection
• Array: schneller Zugriff, klassisches Array, aber statische Größe
• ArrayList: aufgemotztes Array, dynamisch in der Größe, wahlfreier Zugriff schneller als in LinkedList, aber Einfügen und Löschen langsamer, da i.d.R ein Umspeichern erforderlich ist
• LinkedList: doppelt verkettete Liste (siehe Algo Semester 2) dynamischer Größe, passt sich zur Laufzeit an, aber direkter Zugriff langsam, da Liste sequenziell durchlaufen werden muss
• sowohl ArrayList als auch LinkedList erben von List, welches wiederum eine Collection ist

Sortieren von Objekten

• zwei Interfaces werden zur Verfügung gestellt: Comparable und Comparator
• Comparable deklariert die Methode public int compareTo(Object o), welche zu implementieren ist
• Sortieren wird benötigt, wenn TreeSet verwendet werden soll
• wenn kein triviales Vergleichen möglich ist, muss eine Klasse geschrieben werden, die Comparator implementiert
• Erinnerung stabile Sortierung: bei einem Pasch bleibt die Reihenfolge wie im Original erhalten