Objektorientierte Programmierung

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Objektorientierte Programmierung

Die objektorientierte Programmierung (kurz OOP) ist ein auf dem Konzept der Objektorientierung basierendes Programmierparadigma. Die Grundidee besteht darin, die Architektur einer Software an den Grundstrukturen desjenigen Bereichs der Wirklichkeit auszurichten, der die gegebene Anwendung betrifft. Ein Modell dieser Strukturen wird in der Entwurfsphase aufgestellt. Es enthält Informationen über die auftretenden Objekte und deren Abstraktionen, ihre Typen. Die Umsetzung dieser Denkweise erfordert die Einführung verschiedener Konzepte, insbesondere Klassen, Vererbung, Polymorphie und spätes Binden (dynamisches Binden).[1]

Java

Java ist eine Objektorientierte Programmiersprache. In einigen Punkten nimmt Sie die Objektorientierung nicht so streng wie andere Sprachen. Ein Beispiel hierfür wären die primitiven Datentypen. Somit ist in Java nicht alles ein Objekt.

Primitive Datentypen

In Java gibt es eine vielzahl von primitiven Datentypen. Sie unterscheiden sich darin, dass Sie kein Object sind. Sie haben keine Methoden und auch keine Attribute. Wird eine Variable mit einem primitiven Datentyp erstellt und dieser Variable ein Wert zugewiesen, so enthält diese Variable den wirklichen Wert und nicht nur eine Referenz auf das eigentliche Objekt: 

//Variable a enthält den Wert 10
int a = 10;
//Variable b enthält nur den Verweis auf das Integer Objekt mit dem Wert 10
Integer b = Integer.valueOf(10);

Zu jedem primitiven Datentyp, gibt es einen entsprechende Klasse:

Entsprechende Klasse für primitive Datentypen
primitiver Datentyp Klasse
int Integer
float Float
double Double
char Character
boolean Boolean

Primitive Datentypen können automatisch in ihr entsprechendes Klassenäquivalent umgewandelt werden und natürlich umgekehrt. Dieser Prozess nennt sich Autoboxing. Dies ist vorallem von Vorteil, wenn mit Collections (Listen,...) gearbeitet wird, da diese nur mit Klassen funktionieren. 

//Umwandlung der Zahl 10 in ein Integer Object
Integer b = 10;
//Integer Object wird in primitive Zahl 10 umgewandelt
int c = b;

Package

Klassen und Interfaces sind in Java immer in Packages unterteilt. Diese dienen zum gruppieren nach verschiedenen zugehörigkeiten. Die Package Definition befindet sich immer bei der Klasse oder dem Interface ganz oben. Die Dateien werden intern in Ordnern abelegt. 

package at.drlue.matura;

public class Matura {
  public void printNote() {
    System.out.println("Eins");
  }
}

Die Klasse Matura befindet sich in der Datei Matura.java, diese Datei befindet sich im Ordner at/drlue/matura/.

Klasse

Unter einer Klasse (auch Objekttyp genannt) versteht man in der objektorientierten Programmierung ein abstraktes Modell bzw. einen Bauplan für eine Reihe von ähnlichen Objekten. Die Klasse dient als Bauplan für die Abbildung von realen Objekten in Softwareobjekte und beschreibt Attribute (Eigenschaften) und Methoden (Verhaltensweisen) der Objekte. Verallgemeinernd könnte man auch sagen, dass eine Klasse dem Datentyp eines Objekts entspricht.[2]
Wir sehen, eine Klasse kann man sich wie eine Vorlage vorstellen, aus dieser dann Instanzen / Objekte mittels des Schlüsselworts new erstellt werden.

Konstruktor

Jede Klasse hat einen Konstruktor, ist dieser leer, d.h. er nimmt keine Parameter, muss dieser nicht geschrieben werden. Der Konstruktor heißt immer gleich wie die Klasse selbst. 

public class Animal {
  private String name;

  //Standardkonstruktor wird verwendet.
}
...
//Instanz von Animal erstellen
Animal a = new Animal();

Wollen wir nur beispielsweise garantieren, dass ein Animal bei der Instanzierung einen Namen hat, so könnten wir den Konstruktor verändern. 

public class Animal {
  private String name;

  public Animal(String name) {
    this.name = name;
  }
}
...
//Instanz von Animal erstellen
Animal a = new Animal("Alfons");

Es können auch mehrere Konstruktoren existieren. Diese können sich auch gegenseitig aufrufen. Sobald ein Konstruktor definiert wird, so kann der Standardkonstruktor nicht mehr zur Instanzierung verwendet werden, dieser muss explizit hingeschrieben werden, wenn nötig. 

public class Animal {
  private String name;

  public Animal() {
    this("John Doe")
  }

  public Animal(String name) {
    this.name = name;
  }
}
...
//Instanz von Animal erstellen
Animal a = new Animal(); //John Doe
//Weitere Instanz mit gewähltem Namen
Animal b = new Animal("Alfons"); //Alfons

Attribute

Klassen haben Attribute (Eigenschaften). Wir unterscheiden hier zwei Varianten von Attributen. Instanz Attribute und Klassen Attribute.

Instanz Attribute

public class Animal {
  public String name;
}
...
//Korrekter Zugriff
Animal a = new Animal();
System.out.println(a.name);

Jede Instanz verfügt über eigene Instanzvariablen, diese werden nicht untereinander geteilt.

Klassen Attribute

public class Animal {
  public static double PI = 3.14;
}
//Korrekter Zugriff
System.out.println(Animal.PI);

Attribute die mit dem Schlüsselwort static gekennzeichnet werden, existieren nur einmal. Vereinfacht gesagt, diese Attribute sind an die Klasse und nicht an die Instanz gebunden.

Methoden

Methoden sind Prozeduren (Abläufe) die in Klassen Definiert werden. Durch Methoden können Objekte miteinander interagieren, bzw. deren Zustand kann modifiziert werden. Genauso wie bei den Attributen können Methoden für eine Instanz oder mit dem Schlüsselwort static für die Klasse definiert werden.

Methoden haben zumindest:

  • Methodennamen
  • Rückgabetype
  • 0 - * Parameter
  • Methodenrumpf (Code der Ausgeführt wird)

Methodensignatur

Die Methodensignatur einer Methode, besteht aus Methodenname, Übergabeparameter. Weiters muss die Signatur jeder Methode in einer Klasse eindeutig sein.
Warum gehört der Rückgabetyp nicht zur Methodensignatur? Angenommen wir haben folgende Klasse: 

public class Calc {
  public int add(float a, float b) {
    return (int) (a + b);
  }

  public float add(float a, float b) {
    return a + b;
  }
}

In Java ist es nicht zwingend nötig den Rückgabewert einer Methode zu verarbeiten: 

public static void main(String[] args) {
  Calc c = new Calc();
  c.add(10.0f, 20.0f);
}

Der Compiler hat keine Möglichkeit herauszufinden, welche Methode in Calc nun verwendet werden soll. Deswegen gehört der Rückgabetyp nicht zur Methodensignatur und das Beispiel würde nicht compilieren.

Instanzmethode

Folgendes Beispiel zeigt den klassischen getter und setter, Attribute sollten nach Möglichkeit nur über diese geholt/verändert werden und die Attribute sollten nach außen hin nicht sichtbar sein (private). Warum? Durch den setter ist es möglich, eine inkorrekte Modifikation des Attributs zu unterbinden. 

public class Animal {
  private String name;

  public void setName(String name) {
    this.name = name;
  }

  public void getName(String name) {
    this.name = name;
  }
}
...
//Korrekter Aufruf
Animal a = new Animal();
a.setName("Alfons");
System.out.println(a.getName());

Klassenmethode

Eine klassische Helper Methode. Diese Methode wird über die Klasse selbst aufgerufen, sie existiert nur ein mal. Die Methode soll nicht über eine Instanz der Klasse aufgerufen werden. 

public class Animal {
  private float weight;

  public Animal(float weight) {
    this.weight = weight;
  }

  public static float calculateWeight(List<Animal> animals) {
    float weight = 0;
    for(Animal a : animal) {
      weight += a.weight;
    }
  }
}
...
//Korrekter Aufruf
List<Animal> animals = new ArrayList<>();
animals.add(new Animal(10));
animals.add(new Animal(20));
animals.add(new Animal(30));
System.out.println(Animal.calculateWeight(animals));

Abstrakte Klasse

Abstrakte Klassen sind unfertige Klassen. Sie können nicht direkt instanziert werden. Es können nur Subklassen (Klassen die davon erben) davoninstanziert werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit eine Instanz durch eine Anonyme Implementierung der abstrakten Klasse zu erstellen.
Sie einzusetzen ist sinnvoll, wenn sich eine Gruppe von Klassen Funktionalität teilt, doch gewisse Funktionalität von jeder einzelnen Klasse implementiert werden muss.
Die noch zu implementierenden Methoden und die Klasse selbst werden mit dem Schlüsselwort abstract gekennzeichnet, . 

public abstract class Animal {
  private String name;
  private float weight;

  public Animal(String name, String weight) {
    this.name = name;
    this.weight = weight;
  }

  //Abstrakte Methode, muss implementiert werden
  public abstract void eat();
}

public class Cat extends Animal {
  public Animal(String name, String weight) {
    //Konstruktor der Superklasse muss aufgerufen werden
    super(name, weight);
  }

  @Override
  public void eat() {
    System.out.println("I eat mice!");
  }
}

public class Bird extends Animal {
  public Animal(String name, String weight) {
    //Konstruktor der Superklasse muss aufgerufen werden
    super(name, weight);
  }

  @Override
  public void eat() {
    System.out.println("I eat worms!");
  }
}
...
//Instanzierung
Bird b = new Bird('Tweety');
b.eat();
//Folgendes ist auch möglich weil, durch die Vererbung, ein Bird ist ein Animal
Animal b1 = new Bird('Tweety');
b1.eat();
//Anonyme Implementierung
Animal a = new Animal("Anonymous", 30) {
  public void eat() {
    System.out.println("I eat nothing.");
  }
};

Interface

Interfaces oder auch Schnittstellen bieten die Möglichkeit Methoden zu definieren welche von Klassen die diese Schnittstelle implementieren, implementiert werden müssen. Der Vorteil von Schnittstellen gegenüber der Vererbung ist, dass eine Klasse mehrere Interfaces implementieren kann. Genauso wie bei der Abstrakten Klasse gilt, Interfaces können nicht direkt instanziert werden, eine Anonyme Implementierung ist jedoch möglich. Ein Interface ist also eine Zusicherung dass eine Klasse eine gewisse Funktionalität beherrscht. 

public interface CanDrive {
  void drive();
}

public interface CanFly {
  void fly();
}

public class Car implements CanDrive {
  @Override
  public void drive() {
    System.out.println("Driving on the road");
  }
}

public class Plane implements CanFly {
  @Override
  public void fly() {
    System.out.println("Flying in the sky");
  }
}

public class KnightRider implements CanDrive, CanFly {
  @Override
  public void drive() {
    System.out.println("Driving on the road");
  }

  @Override
  public void fly() {
    System.out.println("Flying in the sky");
  }
}
...
//Neues Flugzeug wird instanziert
Plane plane = new Plane();
//Zuweisung ist möglich, da die Klasse Plane CanFly implementiert
CanFly canFly = plane;
//Neues Auto wird instanziert
Car car = new Car();
//Zuweisung ist möglich, da die Klasse Car CanDrive implementiert
CanDrive canDrive = car;
//Neuer KnightRider wird instanziert
KnightRider kit = new KnightRider();
//Zuweisung ist möglich, da die Klasse KnightRider CanDrive implementiert
canDrive = kit;
//Zuweisung ist möglich, da die Klasse KnightRider CanFly implementiert
canFly = kit;

Vererbung

Bei der Vererbung gibt es immer zwei Protagonisten, die Subklasse und die Superklasse. Die Subklasse erbt von der Superklasse. Das heißt Sie übernimmt alle Attribute und alle Methoden. Die Instanz Methoden können auch überschrieben werden, wenn diese nicht mit dem Schlüsselwort final markiert wurden. Vererbung geschieht mittels des Schlüsselworts extends, das heißt eine Klasse erweitert eine andere Klasse. In Java ist keine Mehrfachvererbung möglich! 

Die Superklasse kann entweder eine normale Klasse oder eine Abstrakte Klasse sein. Von einem Interface, wird nicht geerbt, dieses wird implementiert.

public class Animal {
  private String name;

  public Animal(String name) {
    this.name = name;
  }

  //Kann nicht überschrieben werden
  public final String getName() {
    return this.name
  }

  public void sayHello() {
    System.out.println("Hallo, ich bin " + name);
  }
}

public class Cat extends Animal {
  public Cat(String name) {
    //Der Konstruktor der Superklasse muss aufgerufen werden
    super(name);
  }

  @Override
  public void sayHello() {
    System.out.println("Hallo mein Name ist " + getName() + " und ich bin eine Katze!");
  }
}

Folgendes ist wichtig bei der Vererbung zu erwähnen. Die Subklasse muss den Konstruktor der Superklasse aufrufen. Wenn es nur den Standard Konstruktor (keine Parameter), muss auch nicht super() aufgerufen werden.

Sichtbarkeit

Die Sichtbarkeit einer Klasse, Methode oder eines Attributs kann über Schlüsselwörter verändert werden. Diese beschreiben von wo aus der Zugriff darauf erfolgen darf. Die Folgende Tabelle zeigt diese Schlüsselwörter und von wo aus der Zugriff erfolgen kann:

Sichtbarkeit[3]

Datei: at/drlue/matura/packageA/A.java 

public class A {
  public String hi() {
    System.out.println("Hallo");
  }

  private String bye() {
    System.out.println("Bye");
  }

  protected String what() {
    System.out.println("Was geht?");
  }

  //Ohne Sichtbarkeitsmodifier ist es Default
  String howDoYouDo() {
    System.out.println("Wie geht es dir?");
  }
}

Datei: at/drlue/matura/packageB/B.java 

public class B {
  private A a = new A();

  public String hiAccess() {
    a.hi();
  }

  public String byeAccess() {
    //Nicht möglich da Zugriff private
    //a.bye();
  }

  public String whatAccess() {
    //Zugriff möglich, da nicht im selben Package
    a.what();
  }

  public String howDoYouDoAccess() {
    //Zugriff nicht möglich, da nicht im selben Package
    a.howDoYouDo();
  }
}

Datei: at/drlue/matura/packageA/C.java 

public class C {
  private A a = new A();

  public String hiAccess() {
    a.hi();
  }

  public String byeAccess() {
    //Nicht möglich da Zugriff private
    //a.bye();
  }

  public String whatAccess() {
    //Zugriff möglich, da selbes Package
    a.what();
  }

  public String howDoYouDoAccess() {
    //Zugriff möglich, da selbes Package
    a.howDoYouDo();
  }
}

Datei: at/drlue/matura/packageD/D.java 

public class D extends A {
  private A a = new A();

  public String hiAccess() {
    a.hi();
  }

  public String byeAccess() {
    //Nicht möglich da Zugriff private
    //a.bye();
  }

  public String whatAccess() {
    //Zugriff möglich, da geerbt wird
    a.what();
  }

  public String howDoYouDoAccess() {
    //Zugriff nicht möglich, da nicht im selben Package obwohl geerbt wird
    a.howDoYouDo();
  }
}

Weitere wichtige Dinge

Hier sollen noch einige Weitere Dinge abgeklärt werden.

Überladen von Methoden

Wir sprechen von überladen einerMethode, wenn mehrere Methoden in einer Klasse existieren und den den selben Namen haben, sich aber die Parameter, entweder in ihrem Datentyp, oder der Anzahl unterscheiden. Ein Konstruktor kann ebenfalls überladen werden.
Im folgenden Beispiel wird die Methode add überladen. Der Compiler entscheidet anhand des Datentyps der Parameter welche Methode verwendet werden soll, der Rückgabetyp spielt keine Rolle. 

public class Calc {
  public int add(int a, int b) {
    return a + b;
  }

  public float add(float a, float b) {
    return a + b;
  }
}
...
public static void main(String[] args) {
  Calc c = new Calc();
  //Die add Methode mit den floats wird verwendet, weil die Parameter floats sind
  float a = c.add(3.0f, 2.0f);
  //Die add Methode mit den ints wird verwendet, weil die Parameter ints sind
  float a = c.add(3, 2); 
}

Polymorphismus

Polymorphismus oder Vielgestaltigkeit, beschreibt den Vorgang bei einem Methodenaufruf auf eine Instanz einer Subklasse. Eine Methode ist Polymorph wenn diese in verschiedenen Klassen die selbe Signatur aufweist. 

public class A {
  public void doSomething() {
    System.out.println("My name is A and I do something!");
  }
}

public class B extends A {
  @Override
  public void doSomething() {
    System.out.println("My name is B and I do something!");
  }
}
...
public static void main(String[] args) {
  doSomething(new B());
}

public static void reallyDoSomething(A a) {
  a.doSomething();
}

Obwohl in der Methode reallyDoSomething(A a) eine Instanz des Typs A als Parameter erwartet wird, ist es in Wirklichkeit eine Instanz des Typs B. Ein Aufruf von a.doSomething() führt nicht den Code in Klasse A sondern Klasse B aus.

Beziehungen

Hier sollen noch die Beziehungen zwischen Klassen bzw. Objekten geklärt werden.

Is A

Wenn eine Klasse Cat eine Klasse Animal erweitert, d.h. von ihr erbt. Somit ist Cat ein Animal und die folgende Zuweisung ist möglich: 

Cat cat = new Cat();
Animal animal = cat;

Umgekehrt ist das nicht zwingend so. Wenn ich ein Objekt vom Typ Animal habe, so könnte es ein Object vom Type Cat sein, muss es aber nicht. Um dies zu prüfen gibt es das Schlüsselwort instanceof und es kann ein Cast erfolgen. Die Umwandlung ist auch ohne Prüfung möglich, dies kann jedoch zu Abstürzen durch eine ClassCastException führen. 

public void doSomething(Animal animal) {
  if(animal instanceof Cat) {
    Cat cat = (Cat) animal;
    cat.miau();
  } else {
    System.out.println("Can't miau");
  }
}

Das selbe gilt genau gleich, wenn eine Klasse ein Interface implementiert.
Is A ist somit erweiterung einer Klasse oder Implementierung einer Schnittstelle. Es handelt sich hierbei um eine starke Bindung, d.h. diese kann zur Laufzeit des Programmes nicht verändert werden.

Has A

Eine Has A Beziehung wird auch Komposition oder Zusammenstellung genannt. Komposition ist eine schwache Bindung. Sie kann während der Laufzeit des Programmes verändert werden. Folgendes Beispiel soll eine Has A Beziehung verdeutlichen: 

public class Cat {
  private List<Spielzeug> spielzeuge = new ArrayList();

  public void addSpielzeug(Spielzeug spielzeug) {
    this.spielzeuge.add(spielzeug);
  }

  public void removeSpielzeug(Spielzeug spielzeug) {
    this.spielzeuge.remove(spielzeug);
  }
}

public class Spielzeug {

}
...
public static void main(String[] args) {
  Cat cat = new Cat();

  Spielzeug ball = new Spielzeug();

  cat.addSpielzeug(ball);
  
  cat.removeSpielzeug(ball);
}

Hier wird gezeigt, dass Objekten zur Laufzeit andere Objekte hinzugefügt und entfernt werden können.

Multithreading

Threading oder Nebenläufigkeit bezeichnet den Vorgang in einem Programm das unterschiedliche Handlungsstränge aufweist. D.h. verschieden Programmabläufe laufen parallel. Diese Parallelität kann wirklich parallel ablaufen, d.h. 2 oder mehr CPUs sind involviert, oder es kann nur pseudoparallel Ablaufen, zwischen den unterschiedlichen Abläufen wird sehr schnell hin und her gewechselt. Je nach implementierung der Java Virtual Machine, läuft es wirklich parallel oder nur pseudo parallel (green Threads). Folgendes beispiel soll einen parallelen Ablauf verdeutlichen: 

public static void main(String[] args) {
  Thread a = new Thread(new Runnable() {
    public void run() {
      for(int i=0; i<10; i++) {
        System.out.println("Hallo von Thread A: "+i);
        try {
          Thread.sleep(100);
        } catch(InterruptedException exc) { }
      }
    }
  });

  Thread b = new Thread(new Runnable() {
    public void run() {
      for(int i=0; i<10; i++) {
        System.out.println("Hallo von Thread B: "+i);
        try {
          Thread.sleep(100);
        } catch(InterruptedException exc) { }
      }
    }
  });

  a.start();
  b.start();
}

Zuerst werden die Threads erstellt, diesen wird ein Objekt des Typs java.lang.Runnable mitgegeben. Alternative kann auch eine Klasse erstellt werden, welche von java.lang.Thread erbt und die run() Methode überschreibt. Nach dem initialisieren, können die Thread Instanzen mittels start() gestartet werden.

Synchronisierung

Verwendet ein Programm mehrere Threads so kann dies oft zu Problemen führen, wenn kritische Bereiche welche nicht atomare Operationen enthalten gleichzeitig verwendet werden. 

Atomare Operationen sind nicht Teilbar. Eine int Variable zu erhöhen ist Teilbar.

1) Nimm die Zahl und erhöhe sie um 1
2) Überschreibe den Speicherbereich der Zahl

private static int count = 0;
private static final int INCREMENTS = 1000;

public static void main(String[] args) {
  Thread a = new Thread(new Runnable() {
    public void run() {
      for(int i=0; i<INCREMENTS; i++) {
        count++;
      }
    }
  });

  Thread b = new Thread(new Runnable() {
    public void run() {
      for(int i=0; i<INCREMENTS; i++) {
        count++;
      }
    }
  });

  a.start();
  b.start();
  
  //Warten bis die Threads beendet wurden
  try {
    a.join();
  } catch(InterruptedException exc) {}
  try {
    b.join();
  } catch(InterruptedException exc) {}
  System.out.println("Increments: "+(2 * increments));
  System.out.println("Actual count: "+count);
  System.out.println("Difference: "+(2 * increments - count));
}

In diesem Beispiel ist ersichtlich, dass die Variable am Ende nicht 2000 ist, aufgrund dieser nicht atomaren Erhöhung der Zahl um 1.
Um nicht atomare Bereiche sicher zu machen, kann das Schlüsselwort synchronized verwendet werden. synchronized verwendet ein sogenanntes Object Lock um einen bereich abzusichern, beim betreten wird es geholt, beim Verlassen zurückgegeben. Dieses Lock existiert bei jedem Objekt nur einmal. Kann es nicht geholt werden, so muss gewartet werden, bevor der geschützte bereich verwendet werden darf.

Wie kann synchronized verwendet werden
Code Beschreibung 
synchronized(object) {
  //kritischer Bereich
}
Das Lock wird von einem bestimmten Object geholt. 
public synchronized void doSomething() { ... }
  //kritischer Bereich
}
Das Lock wird von der Instanz geholt, zu der dieser Methodenaufruf gehört. 
public static synchronized void doSomething() { ... }
  //kritischer Bereich
}
Synchronized kann auch bei statischen Methoden verwendet werden. Das Lock wird von der Klasse selbst geholt. Die geladene Klasse ist ebenfalls eine Instanz (von der eigenen Definition), diese existiert aber nur einmal.
  1. ↑ https://de.wikipedia.org/wiki/Objektorientierte_Programmierung
  2. ↑ https://de.wikipedia.org/wiki/Klasse_(Objektorientierung)
  3. ↑ https://wuselsnej.wordpress.com/coding/android/android-sichtbarkeit-java/
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