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Objektorientierte Programmierung mit Java

Inhaltsverzeichnis

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

Member-Zugriffe und Sichtbarkeit

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

Lose Kopplung

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