TDDD78 Objektorientering i Java, del 2

Transkript

1 TDDD78 Objektorientering i Java, del 2 Objektvariabler är pekare vad är det? Hur används pekare för att sätta samman objekt (composition)? Hur används hierarkier för att modellera nära relaterade typer? jonas.kvarnstrom@liu.se 2016

2 Viktiga begrepp inte bara inom objektorientering

3 Motivation Programmeringsuppgift: Lagra en databas över anställda Håll reda på varje anställds närmaste chef som också är en anställd! 3 En första ansats: public class Employee { private String name; private Employee boss; // Och andra egenskaper public Employee(String name, Employee boss) { this.name = name; this.boss = boss; Hur ska detta lagras i praktiken?

4 Motivation (2): Innehåll? Ser ut som att en Employee innehåller en annan 4 Jag Chefen public class Employee { private String name; private Employee boss; public Employee(String name, Employee boss) { this.name = name; this.boss = boss;

5 Motivation (3): Innehåll? Kan bli problematiskt! 5 Många nivåer Jag Chefen Chefens chef Högsta chefen Hur får man stopp på det? Två platser i minnet olika objekt! Andra kan inte innehålla samma objekt! Min kollega Samma chef!

6 Motivation (4): En bättre lösning En anställd ska inte innehålla chefen, utan peka ut vem chefen är 6 Jag Min kollega Chefen Chefens chef Högsta chefen Så: Hur pekar man på ett annat objekt?

7 Variabler och minnesadresser 7 Programkod int: längd Minne vid körning 10 Använd minnesadresser! Finns alltid där "i bakgrunden": "int längd = 10;" "lagra 32-bitars heltal 10 på adress " "Employee me = new ;" "Skapa Employee-objekt på adress " int: höjd String: hälsning Employee: me "Hello"

8 Variabler och minnesadresser (2) 8 Programkod Minne vid körning I vissa språk får man veta minnesadresserna C: höjd == 5 &höjd == ("adressen till höjd") int: längd int: höjd

9 Pekare (1) 9 Programkod Minne vid körning En variabel av pekartyp kan innehålla en adress C: "pekare till int" heter int* int* höjdpekare = &höjd; Värdet blir adressen int: längd int: höjd int*: höjdpekare Värdet är adressen till ett annat värde i minnet

10 Pekare (2): Tilldelning 10 Programkod Minne vid körning Ändra pekarens värde ändra vart den pekar C: int* höjdpekare = &höjd; höjdpekare = &längd; int: längd int: höjd int*: höjdpekare

11

12 Objektvariabler är pekare I Java är en objektvariabel alltid en pekare! Circle mycircle = new Circle(10, 20, 30); 12 Namn Värde i minnet Circle: mycircle Skapa variabeln, låt den peka på obj. Object (data) header: x 10 y 20 r Skapa objektet (minne, konstruktor, ) mycircle är egentligen pekaren (4/8 bytes), inte objektet! Java gömmer dess numeriska värde (irrelevant för vår kod): Vi kan inte få fram talet 49152

13 Men vilka konsekvenser får detta?

14 Pekare i Java (1): Objektmedlemmar 14 Att komma åt medlemmar: T.ex. mycircle.x = 4711; Beräknar mycircle (49152); går automatiskt vidare till objektet på plats Hittar fältet x; ändrar dess värde Namn Circle: mycircle Värde i minnet Object (data) header: x 4711 y 20 r

15 Pekare i Java (2): Exempel 15 Namn Circle: c1 Värde i minnet Anta två cirklar: Circle c1 = new Circle(1,1,1); Circle c2 = new Circle(2,2,2); 5000 Circle: c2 Object (data) header: x 1 y 1 r Object (data) header: x 2 y 2 r

16 Pekare i Java (3): Tilldelning 16 Namn Circle: c1 Circle: c2 Värde i minnet Object (data) header: x 1 y 1 r Tilldela c2 = c1; c1, c2 är pekare Ändra pekarens värde ändra vart den pekar Sätter c2 till Kommer inte att kopiera själva cirkeln, fält för fält! Object (data) header: x 2 y 2 r Kvarvarande objekt som ingen pekar på inte ett problem i Java (skräpsamling)

17 Pekare i Java (4): 17 Namn Circle: c1 Circle: c2 Värde i minnet Object (data) header: x 100 y 1 r c2.x = 100; Nu är c1.x också 100 c1 och c2 pekar på samma objekt c1.x och c2.x är samma variabel! "Peter Dalenius" är en sträng "Kursens studierektor" är en annan Men de pekar ut samma person Om Peter Dalenius får ny chef, får kursens studierektor ny chef

18 Pekarexemplet (0) 18 public class Employee { private String name; private Employee boss; public Employee(String name, Employee boss) { this.name = name; this.boss = boss;

19 Pekarexemplet (1) 19 Employee 1 Minne name: "Employee 1" Employee 2 Employee 3 name: "Employee 2" boss: Med pekare: Många kan peka på samma objekt trots att själva objektet bara lagras en gång name: "Employee 3" boss:

20 Pekarexemplet (2) 20 Men anställd 1 har ingen chef! Vad ska boss fältet ha för värde? Minne name: "Employee 1" boss:??? name: "Employee 2" boss: name: "Employee 3" boss: 10000

21 Null-pekare 21 Objektpekare kan ha specialvärdet null Pekar "ingenstans" "inte applicerbart": Noden har ingen chef "vi vet inte än" Minne name: "Employee 1" boss: null Lagras ofta som adressen 0 Spelar ingen roll för oss I Java ser vi bara värdet null name: "Employee 2" boss: Med pekare: Kan lätt ange avsaknad av värde name: "Employee 3" boss:

22 Null-pekare (2) Vad kan man göra om pekarens värde är null? 22 Använda själva pekarvariabeln if (this.boss == other.boss) // Jämför pekarnas värden (0 == 49152), // tittar inte efter något objekt // (Motsvarar operatorn "is" i Python) painter.draw(circle1) // Om circle1 == null, // får parametern till draw också värdet null Inte använda fälten och metoderna i objektet den pekar på! Den pekar ju inte på något objekt! this.boss = null; // OK this.boss.name = "Hello"; // Fel vid körning: NullPointerException boss:

23

24 Sammansättning 1 Anta en klass för 2D-positioner: public class Point { private double x, y; public Point(double x, double y) { this.x = x; this.y = y; public double getx() { return x; public double gety() { return y; public double getdistfromorigin() { return Math.sqrt(x*x + y*y); 24

25 Sammansättning 2 Skapa en cirkelklass två alternativ: public class Circle { // Alla fält är primitiva typer, som tidigare private double x, y, r; public Circle(double x, double y, double r) { this.x = x; this.y = y; this.r = r; Implementera allt från början public class Circle { // Fält kan vara objekt private Point center; private double r; public Circle(Point center, double r) { this.center = center; this.r = r; Använd existerande punktklassen! Sammansättning = composition 25

26 Sammansättning 3 Med sammansättning: En cirkel har en punkt, eller består av en punkt (och en radie) Återanvändning av existerande kod (Point kunde vara komplicerad) Mindre upprepning bra! 26 Exempel i labb: Listor finns redan En kö har en lista där den kan lagra sina element public class Circle { // Fält kan vara objekt private Point center; private double r; public Circle(Point center, double r) { this.center = center; this.r = r;

27 Sammansättning och delegering Om man vill ge tillgång till "komponentens" funktionalitet: Delegera! 27 public class Circle { // Fält kan vara objekt private Point center; private double r; public Circle(Point center, double r) { this.center = center; this.r = r; public double getdistfromorigin() { return center.getdistfromorigin(); Vad är cirkelns avstånd till origo? Samma som punktens!

28 Sammansatt objektstruktur 1 I vissa språk: Sammansatta objekt är sammansatta i minnet public class Circle { Point center; double radius; Circle c1 = new Circle(); 28 c1 Object header: x y (data) radius "Point-delen" 0.0 av en cirkel

29 Sammansatt objektstruktur 2 Men Javas objektvariabler är alltid pekare! Ett "sammansatt" objekt består egentligen av flera separata objekt class Circle { En Circle består av Point center; en Point-pekare (inte en Point) double radius; en double Circle c1 = new Circle(); 29 c1 Object header: center radius (data) 0.0 Object header: x y (data)

30 Sammansatt objektstruktur 3 Konsekvenser: Som vi såg för pekare tidigare Exempel: Två cirklar kan ha samma centrumobjekt Point center = new Point(10, 20); Circle c1 = new Circle(center, 7); Circle c2 = new Circle(center, 12); 30 c1 Object header: center radius (data) 7.0 Object header: x y (data) c2 Object header: center radius (data) 12.0

31 Typhierarkier: Gränssnitt, ärvning, subtypspolymorfism,

32 Repetition: Klasser Vi har pratat om klasser av objekt i verkligheten 32 Tydliga olikheter separata klasser

33 Liknande objekt Hur gör vi när objekten är "ganska lika"? 33 En klass: Generella motorfordon? Bra: Vi kan generalisera "Detta gäller alla motorfordon" Tre klasser: Bilar, bussar och lastbilar? Bra: Vi kan vara specifika "Detta gäller bara bussar" Fem klasser: Bil, lätt lastbil, tung lastbil, minibuss, buss?

34 Hierarkier av klasser 34 Vi kan ha hierarkier med både generella och specifika klasser! Fordon "is-a"-relation (en bil är en sorts motorfordon) Motorfordon

35 Hierarkier och delmängder En delmängdsrelation mellan klassernas objekt 35 Fordon Motorfordon Alla motorfordon är fordon Cykel Bil Buss Med denna hierarki: En bil kan aldrig vara en buss, är alltid ett motorfordon

36 Liknande datatyper (1) Samma situation uppstår med datatyper hur lagras listor? 36 "Linjärt"? Länkad lista? Object header pos 0 (data) 0.0 pos pos Object header value next Object header value next (data) 0.0 (data) 20.0 Object header value next Object header value next (data) 10.0 (data) Snabbt att slå upp element 92000: Adress = liststart * elementstorlek Långsamt att stoppa in ett element: Måste flytta alla efterföljande element Långsamt att slå upp element 92000: Gå till start, följ pekare gånger Snabbt att stoppa in ett element: Ändra två pekare

37 Liknande datatyper (2) Många olika sorters listor: LinkedList, ArrayList, SkipList, Stora skillnader i implementation Olika klasser Mycket gemensamt t.ex. metoder int size(); Object get(int index); void set(int index, Object element); 37 LinkedList ArrayList SkipList size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int pos, Object element): void insert(): void size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int pos, Object element): void size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int pos, Object element): void

38 Liknande datatyper (3) Vill inte behöva ange exakt typ, bara "någon sorts lista" void quicksort(arraylist somelist) { // Kräver ArrayList! 38 // Men skulle fungera med många // klasser som har size(), get(), set(), ArrayList getnames() { // Lovar att returnera ArrayList! // Anropare kan förlita sig på detta // måste fortsätta med samma typ

39 Duck Typing 39 Python class ArrayList: def extend(self, list): class LinkedList: def extend(self, list): Duck Typing: When I see a bird that walks like a duck and swims like a duck and quacks like a duck, I call that bird a duck James Whitcomb Riley def add_lists(list1, list2): list1.extend(list2) return list1 Har en ArrayList-klass Funktioner kollar aldrig typen bara att medlemmarna finns!

40 Utan Duck Typing 40 Java class ArrayList { definierar addall() class LinkedList { definierar addall() public static ArrayList add_lists(arraylist list1, ArrayList list2) { list1.addall(list2); return ret; Måste ange parametertyp Hur kan vi ange "ArrayList eller LinkedList"?

41 Typhierarkier 1 En hierarki av datatyper! 41 List size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int pos, Object element): void List: Generell sekvens/lista LinkedList ArrayList SkipList En LinkedList är en sorts List

42 Typhierarkier 2: Terminologi Terminologi: List size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int pos, Object element): void List är supertyp till LinkedList 42 LinkedList ArrayList SkipList LinkedList är subtyp till List supertyp = supertype subtyp = subtype

43 Typhierarkier 3: Vad vinner vi? Nu kan vi skriva om: 43 void quicksort(arraylist somelist) { // Kräver ArrayList! // Men skulle fungera med många // klasser som har size(), get(), set(), void quicksort(list somelist) { // Kan ta emot ArrayList, SkipList, //! ArrayList getnames() { // Lovar att returnera ArrayList! // Anropare kan förlita sig på detta // måste fortsätta med samma typ List getnames() { // Lovar bara List: // Vi kan fritt byta vilken typ av lista // som returneras! Lova mindre!

44 Specifikation utan implementation

45 Bakgrund: Abstrakta datatyper En abstrakt datatyp (ADT): Talar om vilken information som ska finnas En lista innehåller ett antal (n) element Varje element har ett unikt index, [0..n 1] Talar om vilka operationer som finns (ADT är inte OO-specifikt!) int size(list list) void Element void List List add(list list, Element el) get(list list, int index) set(list list, int index, Element el) createandinitializelist() createandinitializelist(int capacity) 45 Säger inget om implementationen, representationen! Enbart hur datatypen ska fungera, vad den ska uppfylla Många varianter kan implementeras Anger ett kontrakt Formellt: En matematisk definition Abstrakt datatyp = abstract data type

46 Interface 1: Metodsignaturer, specifikation 46 Ett interface (gränssnitt) är just specifikation utan implementation /** An ordered collection (also known as a sequence). Elements in the list are indexed beginning at 0 and */ public interface List { /** Returns the number of elements in this list. */ int size(); Object get(int index); void add(object element); void set(int index, Object element); Gränssnitt kan inte instansieras new List()? Det finns ingen kod för dess metoder! Dokumentation anger krav för alla som implementerar List Metodsignaturer: Returtyp, namn, parametrar Inga fält, ingen kod Metoder i ett gränssnitt är alltid (underförstått): public tillgängliga för alla abstract ej implementerade här

47 Interface 2: Implementation 47 En Java-klass kan implementera ett gränssnitt class ArrayList implements List { private Object[] elements; private int length; Ett löfte att uppfylla vad gränssnittet lovar ("kontrakt") public int size() { return length; public Object get(int index) { return elements[index]; public void add(object element) { public void set(int index, Object element) { Kompilatorn verifierar att metoderna finns Programmeraren verifierar att kontraktet i övrigt är uppfyllt public void shuffle() { Kan ha fler metoder än gränssnittet (starkare kontrakt) implementera = implement

48 Interface 3: Typhierarki En typhierarki 48 Sortable <<interface>> sort(comparator c) : void List <<interface>> size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int index, Object element): void Kan implementera flera gränssnitt Sortable och List är supertyper till LinkedList LinkedList head: Object tail: LinkedList sort(comparator c) : void size() : int LinkedList är en subtyp till Sortable och List elements: Object[] length: int ArrayList size() : int get(int pos): Object add(object element): Object set(int index, Object element): void size() : int SkipList

49 UML: Klassdiagram med gränssnitt 49 UML-diagram: Klassrelationen realisering Ett gränssnitt är bara en beskrivning Klasser realiserar gränssnittet: Ger en konkret implementation Streckad pil, tom pilspets Medlemmar visas: Där de deklareras första gången Där de implementeras List <<interface>> size(): int get(int amount): Object add(object element): Object set(int index, Object element): void LinkedList ArrayList SkipList head: Object tail: LinkedList size() : int elements: Object[] length: int size() : int get(int amount): Object add(object element): Object set(int index,object element): void size() : int

50 Om man har flera "klassvarianter" med gemensam bas: Oftast bör man ha ett gränssnitt, så den gemensamma basen kan användas List LinkedList SkipList ArrayList

51 Sammanhang 51 Kontrakt Gränssnitt Abstrakt datatyp

52

53 Objekt med flera typer Ett objekt har nu flera typer Varje LinkedList är också av typen List och Sortable 53 Sortable List LinkedList SkipList ArrayList Bird Duck Owl Dodo Vilka effekter får det?

54 Peka på en subtyp 54 En objektvariabel kan peka på objekt av godtycklig subtyp List names = new ArrayList(); Bird mybird = new Duck(); En ArrayList är ju en List Så vilken typ har variabeln egentligen? En objektvariabel kan pekas om till ett objekt av annan typ List numbers = new SkipList(); numbers = new LinkedList(); Både SkipList och LinkedList är ju specialfall av List Så kan variabler byta typ?

55 Typer: Apparent / Actual Med typhierarkier: List windows = application.getwindows(); 55 Variabelns typ kallas static / apparent type List: windows Variabel av typ List List get() add() (no impl) (no impl) Känt av kompilatorn Statiskt: Variabelns typ är oföränderlig Object header Node: head Node: tail (data) LinkedList get() [LL-get] add() [LL-add] print() [] Värdet vid exekvering blir av typen LinkedList Generellt bara känt vid körning Kan ändras under körning Objektets typ kallas dynamic / actual type

56 Synliga (tillgängliga) medlemmar Givet en variabel, vilka metoder och fält är synliga? List windows = application.getwindows(); 56 List: windows Variabel av typ List List get() add() (no impl) (no impl) I Java: De som finns i variabelns (uttryckets) typ! windows.get(), windows.add() Object header Node: head Node: tail (data) LinkedList get() [LL-get] add() [LL-add] print() [] Värdet vid exekvering blir av typen LinkedList Kompilatorn vet inte att värdet kommer att vara en LinkedList Vi kan inte anropa windows.print()!

57 Statisk typkontroll Så typkontrollen är fortfarande statisk class Application { List getwindows() { SkipList getfiles() { 57 Application app List windows List files = ; = app.getwindows(); = app.getfiles(); Kompilatorn testar: getfiles() returnerar SkipList, files är av typ List Allt OK!

58 Vem vet mest? 58 Men tänk om vi vet mer än kompilatorn! Vi har listor av fåglar public class BirdList { void add(bird foo) { Bird get(int index) { Vi stoppar in något först i listan BirdList lista = new BirdList(); lista.add(new Owl()); Vi plockar ut det Bird a = lista.get(0); Owl b = lista.get(0); Duck // Kompilatorn accepterar Owl Bird Dodo // Fel! Metoden get() lovar bara att ge oss en Bird, // och inte alla fåglar är ugglor Men vi vet ju vad vi stoppade in där!

59 Att veta mer (2) 59 Vi kan tala om för kompilatorn vad vi vet! Använd en cast Owl b = (Owl) lista.get(0); En object-cast är ett löfte: Fågeln är faktiskt en uggla!" Resultatet är en ny pekare till samma objekt Inte ett nytt "konverterat" objekt! Bird: lista.get(0) Om man ljuger: ClassCastException (här finns dynamisk typkontroll, dvs. vid körningen!) Owl: (Owl) lista.get(0) Object header value (data) 10

60

61 Namnbindning 61 Namnbindning: Givet en identifierare (namn), vilken variabel / fält / metod / menar vi? För variabler tar kompilatorn reda på detta: class Binding1 { void foo() { int index = 100; int other = 200; System.out.println(index); // "index" binds till metodens första variabel class Binding2 { int index = 100; void foo() { int other = 200; System.out.println(index); // "index" binds till objektets första fält Detta är statisk bindning = tidig bindning: Sker före programmet körs

62 Bindning av metoder Att binda metodnamn till implementation: 62 Utan typhierarkier Variabelns typ = objektets typ Statisk bindning är möjlig ArrayList mylist = ; mylist.add(); Vilken variant av add()? Måste vara ArrayList:s! Känt vid kompileringen: Namnet add() kan statiskt bindas till en funktion av kompilatorn Med typhierarkier Variabelns typ!= objektets typ Dynamisk bindning krävs List mylist = ; mylist.add(); Vilken variant av add()? ArrayList:s? LinkedList:s? Okänt vid kompileringen: Namnet add() måste dynamiskt bindas till en funktion vid körning

63 Metodtabeller Varje objekt känner till sin klass Varje klass känner till sin metodkod 63 Klassinfo med metodtabell Virtual method table: vtable List: names1 List-metoder: Object get(int index), void add(object o), Object header: head tail (data) LinkedList get() [LL-get] add() [LL-add] print() []

64 Dynamisk bindning 64 Dynamisk bindning = sen bindning = dynamisk dispatch Objektets typ avgör List names1 = foo.getnames(); // Returnerar en LinkedList names1.add(n1); // LinkedList-implementationen av add List names2 = bar.getnames(); // Returnerar en ArrayList names2.add(n1); // ArrayList-implementationen av add Objektet talar (indirekt) om för oss var implementationen finns: List: names1 List: names2 Object header: head tail (data) LinkedList get() [LL-get] add() [LL-add] print() [] List-metoder: Object get(int index), void add(object o), Object header: length elements (data) ArrayList get() add() [AL-get] [AL-add]

65 Dynamisk bindning är nödvändigt! Kan vara omöjligt att analysera typen i förväg! 65 public class RandomList { public static void main(string[] args) { List list = getlist(); list.add(); // Vilken typ var det? private static List getlist() { if (Math.random() > 0.5) return new ArrayList(); else return new LinkedList();

66 Subtypspolymorfism 66 Typhierarkin + sen bindning ger oss Subtypspolymorfism πολυμορφισμός = som har flera former Här: Ett metodnamn, deklarerat i en typ Flera implementationer, skrivna i subtyperna Kallas ofta enbart "polymorfism" men polymorfism är egentligen bredare begrepp Sortable List LinkedList SkipList ArrayList

67 Overloading Kontrasteras med överlagring = ad-hoc-polymorfism Samma namn, flera implementationer (för olika argumenttyper) class Printer { void print(int val) { void print(double val) { void print(double val, int precision) { Inte ett OO-begrepp mer allmänt! 67 Alla varianter är kända vid kompileringen Ger statisk bindning

68

69 Interface-ärvning 1: Hierarkier Vi har sett typhierarkier i två nivåer 69 Gränssnitt anger funktionalitet: Vad som är gemensamt för alla listor List <<interface>> size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int index, Object element): void Klasser ger oss implementationer LinkedList ArrayList SkipList

70 Interface-ärvning 2: Gemensamt Men List har också något gemensamt med Set 70 Set <<interface>> size(): int add(object element): Object List <<interface>> size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int index, Object element): void Hur deklarerar vi en variabel som kan peka på en lista eller en mängd? LinkedList ArrayList SkipList

71 Interface-ärvning 3: En nivå till Genom ytterligare en nivå! Collection <<interface>> 71 size(): int add(object element): Object Set <<interface>> size(): int add(object element): Object List <<interface>> size(): int get(int pos): Object add(object element): Object set(int index, Object element): void LinkedList ArrayList SkipList

72 Interface-ärvning 4 Detta är interface-ärvning interface Collection { void add(object obj); boolean contains(object obj); interface List extends Collection { void set(int index, Object obj); 72 Collection är ett superinterface till List List utökar eller ärver från Collection List är ett underinterface till Collection List extends or inherits from Collection List is a subinterface of Collection Set Collection List Ärver Adderar kontrakt/löften: Collection lovar att ha en add()-metod, egna löften: List lovar också

73 Interface-ärvning 5: Multipel ärvning Multipel ärvning tillåts för gränssnitt interface SortableList extends Sortable, List { // Kombinerar supertypernas löften / kontrakt // Inget nytt adderat interface NetworkSocket extends DataInput, DataOutput { // Kombination av två supertyper // Plus: ytterligare en metod krävs public NetworkAddress getremotehost(); 73 Sortable List SortableList multipel ärvning = multiple inheritance

74 UML-klassdiagram: Generalisering Klassrelation: Generalisering (ärvning) List specialiserar Collection (lägger till nya krav, nya metoder) Collection generaliserar List Vanlig linje, tom pilspets Collection <<interface>> 74 +size(): int +add(object element): Object +contains(object element): boolean List <<interface>> +get(int index): Object +set(int index, Object element): void