Letný semester, prednáška č. 3

Oznamy

• Po dnešnej prednáške bude na testovači zverejnené zadanie prvej domácej úlohy, ktorej riešenia bude potrebné odovzdať najneskôr do stredy 16. marca, 13:10 (čiže do začiatku piatych cvičení).

Opakovanie: triedy a objekty

• Objekt je predovšetkým súborom rôznych dát a metód na manipuláciu s nimi. Na objekty sa odkazuje pomocou ich identifikátorov, ktoré sú referenciami na ich „pamäťové adresy”.
• Každý objekt je inštanciou nejakej triedy (angl. class). Triedu možno chápať ako „vzor”, podľa ktorého sa vytvárajú objekty. Trieda tiež reprezentuje typ jej objektov.
• Trieda sa teda podobá na struct z jazykov C a C++ v tom, že môže združovať niekoľko hodnôt rôznych typov. Ide však o omnoho bohatší koncept – môže obsahovať metódy (funkcie) na prácu s dátami uloženými v inštancii danej triedy, umožňuje nastaviť viditeľnosť jednotlivých premenných a metód pomocou modifikátorov, atď.
• Konštruktory sú špeciálne kusy kódu slúžiace na vytvorenie objektu (inštancie triedy).
• Dôležitým metodickým princípom objektovo orientovaného programovania je zapuzdrenie (angl. encapsulation): spojenie dát a súvisiaceho kódu do koherentného logického celku.
  • Trieda väčšinou navonok ukazuje iba vhodne zvolenú časť metód.
  • Premenné a pomocné metódy sú skryté – prípadné zmeny vnútornej implementácie triedy sa tak nemusia prejaviť v kóde pracujúcom s touto triedu.

Dedenie

Trieda môže byť podtriedou inej triedy. Napríklad trieda Pes môže byť podtriedou všeobecnejšej triedy Zviera: každý objekt, ktorý je inštanciou triedy Pes je potom súčasne aj inštanciou triedy Zviera. Tento vzťah medzi triedami vyjadrujeme kľúčovým slovom extends v definícii triedy.

class Pes extends Zviera { 
    // ...
}

Hovoríme tiež, že trieda Pes dedí od triedy Zviera, alebo že trieda Pes triedu Zviera rozširuje. V prípade vhodne zvolených prístupových modifikátorov (detaily neskôr) totiž inštancia triedy Pes zdedí metódy a premenné (nie konštruktory) definované v triede Zviera a tie sa potom správajú tak, ako keby boli priamo definované aj v triede Pes.

Dedenie umožňuje vyhnúť sa nutnosti písať podobný kód viackrát. Namiesto implementácie podobných metód v niekoľkých triedach možno vytvoriť nadtriedu týchto tried a spoločné časti kódu presunúť tam.

Príklad

Uvažujme triedy reprezentujúce rôzne geometrické útvary v rovine a poskytujúce metódu move realizujúcu posunutie.

public class Rectangle {
    private double x, y;           // Suradnice laveho horneho rohu
    private double width, height;  // Vyska a sirka obdlznika

    public double getX() {
        return x;
    }

    public void setX(double x) {
        this.x = x;
    }

    public double getY() {
        return y;
    }

    public void setY(double y) {
        this.y = y;
    }

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }

    public double getHeight() {
        return height;
    }

    public void setHeight(double height) {
        this.height = height;
    }

    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        x += deltaX;
        y += deltaY;
    }
}

public class Circle {
    private double x, y;    // Suradnice stredu
    private double radius;  // Polomer kruznice

    public double getX() {
        return x;
    }

    public void setX(double x) {
        this.x = x;
    }

    public double getY() {
        return y;
    }

    public void setY(double y) {
        this.y = y;
    }

    public double getRadius() {
        return radius;
    }

    public void setRadius(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        x += deltaX;
        y += deltaY;
    }
}

Vidíme, že obidve triedy obsahujú pomerne veľa spoločného kódu, ktorý nie je nijak špecifický pre obdĺžniky alebo kruhy, ale naopak môže byť v nezmenenej podobe použitý aj pri ďalších rovinných geometrických útvaroch. Využijeme teda mechanizmus dedenia – spoločné premenné a metódy tried Rectangle a Circle presunieme do ich spoločnej nadtriedy Shape.

public class Shape {
    private double x, y;  // Suradnice nejakeho vyznacneho bodu geometrickeho utvaru

    public double getX() {
        return x;
    }

    public void setX(double x) {
        this.x = x;
    }

    public double getY() {
        return y;
    }

    public void setY(double y) {
        this.y = y;
    }

    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        x += deltaX;
        y += deltaY;
    }
}

public class Rectangle extends Shape {
    private double width, height;

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }

    public double getHeight() {
        return height;
    }

    public void setHeight(double height) {
        this.height = height;
    }

    // Pripadne dalsie metody pre obdlznik
}

public class Circle extends Shape {
    private double radius;

    public double getRadius() {
        return radius;
    }

    public void setRadius(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    // Pripadne dalsie metody pre kruznicu
}

V rámci triedy možno používať aj verejné metódy a premenné nadtriedy, ako keby boli jej vlastné – a často aj metódy a premenné s inými modifikátormi rôznymi od private (o tom neskôr). V metódach a konštruktoroch tried Rectangle a Circle tak napríklad môžeme používať metódy getX, setX, getY, setY a move.

public class Rectangle extends Shape {
    // ...
    
    public Rectangle(double x, double y, double width, double height) {
        setX(x);
        setY(y);
        setWidth(width);
        setHeight(height);
    }

    // ...
}

public class Circle extends Shape {
    // ...
    
    public Circle(double x, double y, double radius) {
        setX(x);
        setY(y);
        setRadius(radius);
    }
    
    @Override // Vyznam tejto znacky si vysvetlime o chvilu
    public String toString() {
        return "Stred: [" + getX() + "," + getY() + "]; Polomer: " + getRadius() + ".";
    }

    // ...
}

• Inštanciu c triedy Circle teraz môžeme nielen vypísať na konzolu cez System.out.println(c) (použije sa metóda toString), ale môžeme pre ňu zavolať aj ľubovoľnú metódu triedy Shape, napríklad c.move(1, 1) alebo c.setX(2).

Dedenie a typy

• Premenná typu Shape môže obsahovať referenciu na objekt triedy Shape alebo jej ľubovoľnej podtriedy. Vždy teda treba rozlišovať medzi typom referencie (premennej obsahujúcej referenciu na objekt) a samotným typom objektu.

Circle circle = new Circle(0, 0, 5);
Shape shape = circle;     // toto je korektne priradenie
// circle = shape;        // toto neskompiluje, kedze shape nemusi byt kruznica
circle = (Circle) shape;  // po pretypovani to uz skompilovat pojde; ak shape nie je instanciou Circle alebo null, vyhodi sa vynimka

• Istejší prístup je pri priraďovaní premennej typu Shape do premennej typu Circle najprv overiť, či premenná typu Shape obsahuje referenciu na inštanciu triedy Circle. Na to slúži operátor instanceof. Platí pritom, že ak je objekt inštanciou nejakej triedy, je súčasne aj inštanciou ľubovoľnej jej nadtriedy (samotný typ objektu je však daný iba najnižšou triedou v tomto usporiadaní). Napríklad podmienka shape instanceof Shape je splnená kedykoľvek je splnená podmienka shape instanceof Circle. Pre ľubovoľnú triedu Trieda má výraz null instanceof Trieda vždy hodnotu false (a rovnako pre premennú obsahujúcu null).

if (shape instanceof Circle) {  
    circle = (Circle) shape;
}

• Keďže teda môžeme inštancie tried Rectangle alebo Circle považovať aj za inštancie ich spoločnej nadtriedy Shape, môžeme rôzne typy útvarov spracúvať tým istým kódom. Napríklad nasledujúca metóda dostane pole útvarov a posunie každý z nich o daný vektor (deltaX, deltaY).

public static void moveAll(Shape[] shapes, double deltaX, double deltaY) {
    for (Shape x : shapes) {
        x.move(deltaX, deltaY);
    }
}

• Cvičenie: čo vypíše nasledujúci kód?

Shape[] shapes = new Shape[2];
shapes[0] = new Rectangle(0, 0, 1, 2);
shapes[1] = new Circle(0, 0, 1);

moveAll(shapes, 2, 2);

for (Shape x : shapes) {
    if (x instanceof Circle) {
        System.out.println("Je to kruh.");
        Circle c = (Circle) x;  // O chvilu uvidime, ze toto pretypovanie kvoli nasledujucemu riadku nie je nutne
        System.out.println(c);
    }
    if (x instanceof Shape) {
        System.out.println("Je to utvar.");
    }
}

Dedenie a konštruktory

• Typickou úlohou konštruktora je správne nainicializovať objekt.
• Pri dedení si väčšinou každá trieda inicializuje „svoje” premenné.
• Napríklad krajší spôsob realizácie konštruktorov pre geometrické útvary je nasledovný: Shape inicializuje x a y, pričom napríklad Circle nechá inicializáciu x a y na Shape a inicializuje už len radius.
• Prvý príkaz konštruktora môže pozostávať z volania konštruktora predka pomocou kľúčového slova super (z angl. superclass, t. j. nadtrieda).

public class Shape {
    // ...    

    public Shape(double x, double y) {
        this.x = x; // alebo setX(x);
        this.y = y; // alebo setY(y);
    }
    
    // ...
}

public class Rectangle extends Shape {
    // ...
    
    public Rectangle(double x, double y, double width, double height) {
        super(x, y);
        this.width = width;   // alebo setWidth(width);
        this.height = height; // alebo setHeight(height);
    }
    
    // ...
}

public class Circle extends Shape {
    // ...         
    
    public Circle(double x, double y, double radius) {
        super(x, y);
        this.radius = radius; // alebo setRadius(radius);
    }
    
    // ...
}

• Ak nezavoláme konštruktor nadtriedy ručne, automaticky sa zavolá konštruktor bez parametrov, t. j. super(). To môže pri kompilovaní vyústiť v chybu v prípade, keď nadtrieda nemá definovaný konštruktor bez parametrov (či už explicitne jeho implementáciou, alebo implicitne tým, že sa neuvedie implementácia žiadneho konštruktora nadtriedy). Napríklad v horeuvedenom príklade je teda volanie konštruktora nadtriedy nutnou podmienkou úspešnej kompilácie.
• Výnimkou je prípad, keď sa na prvom riadku volá iný konštruktor tej istej triedy pomocou this(...) – vtedy sa volanie konštruktora nadtriedy nechá na práve zavolaný konštruktor.

Prekrývanie metód a polymorfizmus

Podtrieda môže prekryť (angl. override) niektoré zdedené metódy, aby sa chovali inak ako v predkovi.

Napríklad môžeme mať útvar Segment (úsečka), ktorý je zadaný dvoma koncovými bodmi a v metóde move treba posunúť oba. Metódu z predka môžeme zavolať pomocou super.move, ale nemusí to byť na prvom riadku a nemusí byť použitá vôbec:

public class Segment extends Shape {
    private double x2, y2;

    // ...

    public Segment(double x, double y, double x2, double y2) {
        super(x, y);
        this.x2 = x2;
        this.y2 = y2;
    }

    @Override
    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        super.move(deltaX, deltaY);
        x2 += deltaX;
        y2 += deltaY;
    }
}

Anotácia @Override je nepovinná, ale odporúčaná. Ide o informáciu pre kompilátor, ktorou sa vyjadruje snaha o prekrytie zdedenej metódy. Ak sa v predkovi nenachádza metóda s rovnakou hlavičkou, kompilátor vyhlási chybu. Tým sa dá predísť obzvlášť nepríjemným chybám.

S prekrývaním metód súvisí polymorfizmus, pod ktorým sa v programovaní (hlavne pri OOP) rozumie schopnosť metód chovať sa rôzne:

• S určitou formou polymorfizmu sme sa už stretli, keď sme mali viacero metód s rovnakým menom, avšak s rôznymi typmi parametrov (tzv. preťažovanie metód, angl. overloading).
• Pri dedení sa navyše môže metóda chovať rôzne v závislosti od triedy, ku ktorej táto metóda patrí.
• To, ktorá verzia metódy sa zavolá, záleží od toho, akého typu je objekt, nie akého typu je referencia naň.
• Takto to ale funguje iba pri nestatických metódach (keďže statické metódy príslušia samotným triedam, rozdiel medzi typom referencie a typom inštancie tam nemožno využiť). Pri statických metódach preto nehovoríme o ich prekrývaní, ale o ich skrývaní.

  Shape s = new Segment(0, 0, 1, -5);
  s.move(1, 1);  // zavola prekrytu metodu z triedy Segment
  s = new Circle(0, 0, 1);
  s.move(1, 1);  // zavola metodu z triedy Shape, lebo v Circle nie je prekryta

  Shape[] shapes = new Shape[3];

  //...

  for(Shape x : shapes) {
      x.move(deltaX, deltaY);  // kazdy prvok pola sa posuva svojou metodou move, ak ju ma
  }

Vo všeobecnosti sa pri volaní o.f(par1,...,parn) pre objekt o typu T aplikuje nasledujúci princíp:

• Ak má trieda T svoju implementáciu metódy f s vhodnými parametrami, vykoná sa táto verzia metódy.
• V opačnom prípade sa vhodná verzia metódy f hľadá v nadtriede triedy T, v prípade neúspechu v nadtriede nadtriedy T, atď.

Polymorfizus môže byť schovaný aj hlbšie – neprekrytá metóda z predka môže vo svojom tele volať prekryté metódy, čím sa jej správanie mení v závislosti od typu objektu:

public class SuperClass {
    void doX() { 
        System.out.println("doX in Super");
    }
   
    void doXTwice() { 
        doX();
        doX();
    }    
}

public class SubClass extends SuperClass {
    void doX() { 
        System.out.println("doX in Sub");
    }
}

// v metode main:
SuperClass a = new SubClass();
a.doXTwice();  // vypise 2x doX in Sub

Zmysluplnejším príkladom takéhoto správania bude metóda approximateArea v príklade nižšie.

Abstraktné triedy a metódy

Aby sa metóda chovala v určitej skupine tried polymorfne, musí byť definovaná v ich spoločnej nadtriede. V tejto nadtriede však nemusí existovať jej zmysluplná implementácia.

• Uvažujme napríklad metódu area(), ktorá zráta plochu geometrického útvaru.
• Pre triedy Rectangle, Circle, resp. Segment je implementácia takejto metódy zrejmá. Zmysluplná implementácia v ich spoločnej nadtriede Shape by však bola prinajmenšom problematická.

Vzniknutú situáciu možno riešiť nasledovne:

• Metódu area() v triede Shape, ako aj triedu Shape samotnú, označíme za abstraktnú modifikátorom abstract.
• Abstraktná metóda pozostáva iba z hlavičky bez samotnej implementácie a je určená na prekrytie v podtriedach (musí ísť o nestatickú metódu).
• Abstraktná trieda je trieda, ktorá môže obsahovať abstraktné metódy. Zo zrejmých dôvodov z nej nemožno tvoriť inštancie (napríklad v našom príklade by tieto inštancie „nevedeli, čo robiť” pri volaní metódy area()), ale za účelom volania z podtried môže obsahovať definície konštruktorov. Abstraktná trieda slúži iba na dedenie, stále však môže byť typom referencie na objekt.
• Podtriedy abstraktnej triedy, ktoré nie sú abstraktné, musia implementovať všetky abstraktné metódy svojho predka.

Príklad:

public abstract class Shape {
    // ...
    
    public abstract double area();

    public double approximateArea() {
        return Math.round(area());
    }
}

public class Rectangle extends Shape {
    // ...
    
    @Override
    public double area() {
        return width * height;
    }
}

public class Circle extends Shape {
    // ...
    
    @Override
    public double area() {
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

public class Segment extends Shape {
    // ...
    
    @Override
    public double area() {
        return 0;
    }
}

Napríklad program

public static void main(String[] args) {
    Shape[] shapes = new Shape[3];
    shapes[0] = new Rectangle(0, 0, 1, 2);
    shapes[1] = new Circle(0, 0, 1);
    shapes[2] = new Segment(1, 1, 2, 2);
    
    for (Shape x : shapes) {
        System.out.println(x.area() + " " + x.approximateArea());
    }
}

potom vypíše nasledujúci výstup:

2.0 2.0
3.141592653589793 3.0
0.0 0.0

Hierarchia tried a trieda Object

• V Jave môže každá trieda dediť iba od jednej triedy (na rozdiel od niektorých iných jazykov, kde je možné dedenie od viacerých tried).
• Dedenie je však možné „viacúrovňovo”:

class Pes extends Zviera {
}

class Civava extends Pes { // Hierarchia tried nemusi verne zodpovedat realite
}

• Všetky triedy sú automaticky potomkami triedy Object; tá sa tiež považuje za priamu nadtriedu tried, ktoré explicitne nerozširujú žiadnu triedu.
• Trieda Object obsahuje metódy – napríklad toString alebo equals – ktoré je často užitočné prekrývať.
• To vysvetľuje, prečo sme pri metóde toString triedy Circle použili anotáciu Override: prekryli sme totiž jej definíciu z triedy Object.
• Vypisovanie kružnice Circle circle cez System.out.println(circle) je zas ukážkou polymorfizmu. Ide tu o použitie verzie metódy println, ktorá ako argument očakáva inštanciu triedy Object a na výpis používa metódu toString tejto inštancie. V prípade, že metódu println zavoláme pre inštanciu podtriedy triedy Object, použije sa pri výpise prekrytá verzia metódy toString.
• Veľmi špeciálnym druhom objektov v Jave sú polia, pričom polia typu T (kde T je trieda alebo primitívny typ) sa považujú za inštancie triedy T[], ktorá je podtriedou triedy Object. Aj na polia teda v princípe možno aplikovať metódu toString triedy Object, avšak od jej použitia nemožno očakávať žiadne rozumné správanie, keďže nebola zmysluplným spôsobom prekrytá.

Rozhrania

Rozhranie (angl. interface) je podobným konceptom ako abstraktná trieda. Existuje však medzi nimi niekoľko rozdielov, z ktorých najpodstatnejšie sú tieto:

• Rozhranie slúži predovšetkým ako zoznam abstraktných metód – kľúčové slovo abstract tu netreba uvádzať. Pri triedach implementujúcich rozhranie je garantované, že na prácu s nimi bude možné použiť metódy deklarované v rozhraní (odtiaľ aj termín „rozhranie”). Napríklad rozhranie pre zásobníky by mohlo deklarovať metódy ako push, pop a isEmpty a triedy pre zásobníky implementované pomocou polí resp. spájaných zoznamov by toto rozhranie mohli implementovať.
• Naopak implementované metódy musia byť v rozhraní označené kľúčovým slovom default, prípadne musia byť statické (obidve tieto možnosti sa však typicky využívajú iba vo veľmi špeciálnych situáciách).
• Rozhranie nemôže definovať konštruktory, ani iné ako finálne premenné (t. j. konštanty).
• Kým od tried sa dedí pomocou kľúčového slova extends, rozhrania sa implementujú pomocou kľúčového slova implements. Rozdiel je predovšetkým v tom, že implementovať možno aj viacero rozhraní. Jedno rozhranie môže navyše rozširovať iné (dopĺňať ho o ďalšie požadované metódy): v takom prípade používame kľúčové slovo extends.
• Všetky položky v rozhraní sa chápu ako verejné (modifikátor public teda nie je potrebné explicitne uvádzať).
• Podobne ako abstraktná trieda, môže byť aj rozhranie typom referencie.
• Hoci nejde o prekrývanie v pravom slova zmysle, možno aj pri implementovaní metód z rozhraní použiť anotáciu @Override.

Príklad použitia:

public interface Movable {
    void move(double deltaX, double deltaY);
}

public interface Measurable {
    double area();
    double approximateArea();
}

public abstract class Shape implements Movable, Measurable {
    // ...

    @Override
    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        x += deltaX;
        y += deltaY;
    }

    @Override
    public abstract double area();

    @Override
    public double approximateArea() {
        return Math.round(area());
    }

    // ...
}

    public static void main(String[] args) {
        Measurable[] elements = new Shape[3];  // Podobne ako abstraktne triedy mozu byt aj rozhrania typmi referencie
        elements[0] = new Rectangle(0, 0, 1, 2);
        elements[1] = new Circle(0, 0, 1);
        elements[2] = new Segment(1, 1, 2, 2);

        for (Measurable x : elements) {
            System.out.println(x.area() + " " + x.approximateArea());
        }
    }

Prehľad niektorých modifikátorov tried, premenných a metód

Modifikátory prístupu:

• public: triedy, rozhrania a ich súčasti prístupné odvšadiaľ.
• (žiaden modifikátor): viditeľnosť len v rámci balíčka (package).
• protected: viditeľnosť v triede, jej podtriedach a v rámci balíčka.
• private: viditeľnosť len v danej triede (nedá sa aplikovať na triedu samotnú).

Iné modifikátory:

• abstract: neimplementovaná metóda alebo trieda s neimplementovanými metódami.
• final:
  • Ak je trieda final, nedá sa z nej ďalej dediť.
  • Ak je metóda final, nedá sa v podtriede prekryť.
  • Ak je premenná alebo parameter final, ide o „konštantu”, ktorú nemožno meniť (možno ju ale inicializovať aj za behu).
• static:
  • Statické premenné a metódy príslušia triede samotnej, nie jej inštanciám.
  • Statické triedy vo vnútri inej triedy nie sú viazané na jej konkrétnu inštanciu (viac neskôr).

Aritmetický strom s využitím dedenia

V minulom semestri sme upozorňovali na návrhový nedostatok pri realizácii aritmetického stromu: niektoré položky uložené v struct-och sa využívali len v niektorých uzloch stromu (hodnoty iba v listoch a operátory iba vo vnútorných uzloch). Tomuto sa vieme vyhnúť pomocou dedenia.

• Jednotlivé typy vrcholov budú podtriedy abstraktnej triedy Node
• Namiesto použitia príkazu switch na typ vrchola tu prekryjeme potrebné metódy, napríklad evaluate.

abstract class Node {
    public abstract int evaluate();
}

abstract class NullaryNode extends Node {
}

abstract class UnaryNode extends Node {
    private Node child;
    
    public Node getChild() {
        return child;
    }

    public UnaryNode(Node child) {
        this.child = child; 
    }
}

abstract class BinaryNode extends Node {
    private Node left;
    private Node right;

    public Node getLeft() {
        return left;
    }

    public Node getRight() {
        return right;
    }

    public BinaryNode(Node left, Node right) { 
        this.left = left;
        this.right = right; 
    }
}

class Constant extends NullaryNode {
    private int value;
    
    public Constant(int value) { 
        this.value = value;
    }

    @Override 
    public int evaluate() { 
        return value;
    }

    @Override
    public String toString() { 
        return Integer.toString(value);
    }
}

class UnaryMinus extends UnaryNode {
    public UnaryMinus(Node child){
        super(child); 
    }

    @Override 
    public int evaluate() { 
        return -getChild().evaluate();
    }

    @Override 
    public String toString() { 
        return "(-" + getChild().toString() + ")";
    }
}

class Plus extends BinaryNode { 
    public Plus(Node left, Node right) { 
        super(left, right);
    }

    @Override
    public int evaluate() { 
        return getLeft().evaluate() + getRight().evaluate();
    }

    @Override 
    public String toString() { 
        return "(" + getLeft().toString() + "+" + getRight().toString() + ")";
    }
}

public class Expressions {

    public static void main(String[] args) {
        Node expr = new Plus(new UnaryMinus(new Constant(2)),
			     new Constant(3));
        System.out.println(expr);
        System.out.println(expr.evaluate());
    }
}

Odkazy

• Java tutoriál: Classes and Objects
• Java tutoriál: Interfaces and Inheritance