5. Ανασκόπηση αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού

Transcript

1 5. Ανασκόπηση αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού Χειμερινό εξάμηνο 2013 Πέτρος Κωμοδρόμος 1

2 Θέματα Αντικειμενοστραφής προγραμματισμός Τάξεις (classes) και αντικείμενα (objects) Μέθοδοι (methods) και μεταβλητές (instance variables) τάξεων Ορισμός (declaration) τάξεως και δημιουργία (instantiation) αντικειμένων Ορισμός μεθόδων μιας τάξης (συμπεριφορά/behavior) Ορισμός μεταβλητών μιας τάξης (χαρακτηριστικά/attributes) Κλήση μιας μεθόδου Μεταβλητές τάξεως και τοπικές μεταβλητές (local variables) Χρήση constructor κατά τη δημιουργία αντικειμένων Πρωτογενής (primitive) τύποι και τύποι αναφοράς (reference) μεταβλητών Αριθμοί κινητής υποδιαστολής 2

3 Αντικειμενοστραφής προγραμματισμός Αντικείμενα (objects) Προγραμματιστικά στοιχεία που αντιπροσωπεύουν πραγματικά αντικείμενα Παραδείγματα αντικειμένων o άνθρωποι, κτίρια, αυτοκίνητα, ζώα, δέντρα, ποδήλατα, παιδιά, δοκοί, κλ.π. Χαρακτηριστικά, γνωρίσματα (attributes fields) o Βάρος, ύψος, χρώμα, πυκνότητα, σχήμα, ηλικία Συμπεριφορές (behaviors methods) o o o o Οι άνθρωποι τρώνε, μιλάνε, περπατούν, δουλεύουν, κλ.π. Οι δοκοί φορτίζονται, παραμορφώνονται, κ.λπ. Τα κτίρια διεγείρονται σεισμικά, ταλαντώνονται, κ.λπ. Οι δεξαμενές γεμίζουν ή αδειάζουν, κ.λπ. 3

4 Ανάπτυξη αντικειμενοστραφούς λογισμικού Επαναχρησιμοποίηση έτοιμου λογισμικού (software reuse) Αξιοποίηση τάξεων και αντίστοιχων μεθόδων (classes/methods): από τις διαθέσιμες βιβλιοθήκες τάξεων που έχουμε ήδη αναπτύξει και ελέγξει στο παρελθόν που έχουν κάποιοι άλλοι αναπτύξει και ελέγξει Εξοικονόμηση απαιτούμενου χρόνου για την ανάπτυξη λογισμικού Χρησιμοποιώντας τις βιβλιοθήκες τάξεων της Java (API classes): αυξάνει η αποδοτικότητα του λογισμικού διατηρούμε την δυνατότητα μεταφοράς (portability) του λογισμικού σε άλλη πλατφόρμα Η/Υ ελαχιστοποιείται ο χρόνος ανάπτυξης του λογισμικού 4

5 Ανάλυση και σχεδιασμός αντικειμενοστραφή προγραμματισμού (object-oriented analysis and design) Σχεδίαση αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού (object-oriented design - OOD) Αντιπροσωπεύονται πραγματικά αντικείμενα Προσομοιώνονται οι ενέργειες και αλληλοεπιδράσεις μεταξύ αντικειμένων Οι τάξεις συμπεριλαμβάνουν χαρακτηριστικά και συμπεριφορές (encapsulate attributes and operations) έχοντας δυνατότητες επιλεκτικής απόκρυψης κάποιων πληροφοριών (information hiding) και περιορισμού των δυνατοτήτων πρόσβασης σε δεδομένα Unified Modeling Language (UML) γραφική απεικόνιση της σχεδίασης ενός αντικειμενοστραφούς συστήματος 5

6 Τάξεις και αντικείμενα, μέθοδοι και μεταβλητές τάξεων Μια τάξη μπορεί να διαθέτει κάποιες μεθόδους (methods) Μια μέθοδος αντιπροσωπεύει κάποια συγκεκριμένη εργασία o o o Περιγράφει τις σχετικές εντολές για να την πραγματοποιήσει Κρύβει από το χρήστη αχρείαστες λεπτομέρειες υλοποίησης Μπορεί να καλεστεί για να εκτελέσει το σκοπό της Μια τάξη μπορεί να διαθέτει κάποια χαρακτηριστικά ή δεδομένα (attributes, fields or data members) Τα δεδομένα αντιπροσωπεύονται από μεταβλητές (instance variables) 6

7 Ορισμός μιας τάξης και δημιουργία ενός αντικειμένου Κάθε τάξη που ορίζεται σαν public, το οποίο δηλώνει τις δυνατότητες πρόσβασης (access modifier), πρέπει να αποθηκεύεται σε ένα αρχείο με το ίδιο όνομα και επέκταση.java To keyword public (το οποίο είναι access modifier) δηλώνει ότι οποιοσδήποτε έχει πρόσβαση στην τάξη αυτή Το keyword new χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί κάποιο αντικείμενο (object) βάσει του ορισμού της αντίστοιχης τάξης, εκτός από τα Strings. Κατά τη δημιουργία ενός αντικειμένου κατάλληλο μέγεθος μνήμης ανατίθεται σε αυτό και ορίζονται, συνήθως μέσω ειδικών μεθόδων (constructors) τα δεδομένα μέλη του. Το new δεσμεύει μνήμη (από το heap) για κάποιο αντικείμενο και επιστρέφει μια αναφορά (reference) στο αντικείμενο που μόλις έχει δημιουργηθεί Αν δεν υπάρχει αρκετή μνήμη τότε προκύπτει OutOfMemoryError exception Η εντολή Point p; απλά καθορίζει ότι η μεταβλητή p είναι αναφορά (reference) που μπορεί να αναφέρεται σε αντικείμενο τύπου Point, αλλά χωρίς να δεσμεύεται μνήμη για κάποιο αντικείμενο 7

8 Παράδειγμα: GradeBook.java 1 // Fig. 3.1: GradeBook.java 2 // Class declaration with one method. 3 4 public class GradeBook 5 6 // display a welcome message to the GradeBook user 7 public void displaymessage() 8 9 System.out.println( "Welcome to the Grade Book!" ); 10 // end method displaymessage 11 Print line of text to output 12 // end class GradeBook 8

9 GradeBookTest.java 1 // Fig. 3.2: GradeBookTest.java 2 // Create a GradeBook object and call its displaymessage method. 3 4 public class GradeBookTest 5 6 // main method begins program execution 7 public static void main( String args[] ) Use class instance creation expression to create object of class GradeBook 8 9 // create a GradeBook object and assign it to mygradebook 10 GradeBook mygradebook = new GradeBook(); // call mygradebook's displaymessage method 13 mygradebook.displaymessage(); 14 // end main Call method displaymessage using GradeBook object // end class GradeBookTest Welcome to the Grade Book! 9

10 Ορισμός και χρήση μεθόδων τάξης (class member methods/functions) Επικεφαλίδα μεθόδου (method header) Καθορισμός πρόσβασης (access modifier) Τύπος επιστρεφόμενης τιμής (return type) o Το keyword void δηλώνει ότι η μέθοδος δεν επιστρέφει κάτι Όνομα μεθόδου (method name) Παρενθέσεις με παραμέτρους (parameters within parentheses) Κυρίως σώμα μεθόδου (method body) Κλήση/χρήση μιας μεθόδου (method call) 10

11 Παράδειγμα TestPoint1 class Point public double x; public double y; public void printpoint() System.out.println(" x=" + x + " y=" + y); Point + x: double + y: double + printpoint() 11

12 public class TestPoint1 public static void main(string args[]) Point p1; Point p2 = new Point(); p1 = new Point(); p1.y = 1.1; p1.x = 2.2; System.out.print("\n p1: x = " + p1.x + " y = " + p1.y ); System.out.print("\n p2: "); p2.printpoint(); System.out.println(); 12

13 Στατικά και μη στατικά δεδομένα και μέθοδοι μιας τάξης (Class/Non-class data and methods) Τα δεδομένα και οι μέθοδοι (member data and methods) μπορούν να οριστούν: Non-class members: ώστε να δημιουργούνται για κάθε ένα αντικείμενο που ορίζεται οι αντίστοιχες μεταβλητές (non-class data members) και να είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες μέθοδοι (non-class member methods/functions) Class members: ώστε να δημιουργούνται μία φορά μόνο οι μεταβλητές και μαζί με τις μεθόδους να αφορούν όλη την τάξη (class data and methods/functions) o Ορίζονται σαν static χρησιμοποιώντας το αντίστοιχο keyword o Ένα class member data ή method, είναι μια μεταβλητή ή μέθοδος που δεν χρησιμοποιείται με συγκεκριμένο αντικείμενο αλλά αφορά την τάξη και όλα τα αντικείμενα της, χωρίς να πρέπει να δημιουργηθεί απαραίτητα κάποιο αντικείμενο o Μια στατική μέθοδος έχει άμεση πρόσβαση μόνο στα στατικά μέλη της τάξης o Τα στατικά δεδομένα (μεταβλητές) μιας τάξης δημιουργούνται πριν από τη δημιουργία κάποιου αντικειμένου και των δικών του δεδομένων (member data) 13

14 class Point double x; double y=100; static int numpoints = 0; Παράδειγμα void printpoint() System.out.println("Point: x=" + x + " y=" + y); static void printnumberpoints() System.out.println(" Number of points = " + numpoints); 14

15 public class TestPoint2 public static void main(string args[]) Point p1; Point p2 = new Point(); Point.numPoints++; p1 = new Point(); p1.y = 1.1; p1.x = 2.2; p2.numpoints++; Point.printNumberPoints(); System.out.print("\n p1: x = " + p1.x + " y = " + p1.y ); System.out.print("\n p2: "); p2.printpoint(); System.out.println(); p2.printnumberpoints(); 15

16 Ορισμός ιδιοτήτων κλάσεων Όταν ορίζεται μία τάξη πρέπει να χρησιμοποιηθεί το keyword class ακολουθούμενο από το όνομα της τάξης και στη συνέχεια το κυρίως σώμα του ορισμού της (class body of class declaration) Άλλα keywords με τα οποία μπορούν να καθοριστούν οι ιδιότητες της: public abstract final extends <superclass> implements <one or more interfaces> Αν δεν καθοριστεί οτιδήποτε άλλο θεωρούνται σαν defaults τα εξής: nonpublic, non-abstract, non-final subclass της τάξης Object η οποία δεν υλοποιεί (implement) οποιοδήποτε interface. 16

17 Ορισμός μεθόδου με παραμέτρους Παράμετροι μεθόδου (method parameters) Επιπλέον δεδομένα τα οποία περνούν σε αντίστοιχες μεταβλητές/παραμέτρους μίας μεθόδου όταν αυτή καλείται Μέθοδοι τάξεως Scanner nextline - διαβάζει τους επόμενους χαρακτήρες μέχρι να συναντήσει το χαρακτήρα (newline) που συμβολίζει την επόμενη γραμμή και επιστρέφει όλους τους χαρακτήρες μέχρι το newline, χωρίς όμως αυτό next - διαβάζει τους επόμενους συνεχόμενους χαρακτήρες μέχρι να συναντήσει κενό (whitespace) χαρακτήρα (space, tab, newline) και επιστρέφει όλους τους χαρακτήρες μέχρι το whitespace, χωρίς όμως αυτό 17

18 GradeBook.java 1 // Fig. 3.4: GradeBook.java 2 // Class declaration with a method that has a parameter. 3 4 public class GradeBook 5 6 // display a welcome message to the GradeBook user 7 public void displaymessage( String coursename ) 8 Call printf method with coursename argument 9 System.out.printf( "Welcome to the grade book for\n%s!\n", 10 coursename ); 11 // end method displaymessage // end class GradeBook 18

19 GradeBookTest.java 1 // Fig. 3.5: GradeBookTest.java 2 // Create GradeBook object and pass a String to 3 // its displaymessage method. 4 import java.util.scanner; // program uses Scanner 5 6 public class GradeBookTest 7 8 // main method begins program execution 9 public static void main( String args[] ) // create Scanner to obtain input from command window 12 Scanner input = new Scanner( System.in ); // create a GradeBook object and assign it to mygradebook 15 GradeBook mygradebook = new GradeBook(); // prompt for and input course name 18 System.out.println( "Please enter the course name:" ); 19 String nameofcourse = input.nextline(); // read a line of text 20 System.out.println(); // outputs a blank line // call mygradebook's displaymessage method 23 // and pass nameofcourse as an argument 24 mygradebook.displaymessage( nameofcourse ); 25 // end main // end class GradeBookTest Please enter the course name: CS101 Introduction to Java Programming Call nextline method to read a line of input Call displaymessage with an argument Welcome to the grade book for CS101 Introduction to Java Programming! 19

20 Πακέτα (packages) και δηλώσεις εισαγωγής (import) Το πακέτο java.lang είναι το μοναδικό πακέτο που αυτόματα εισάγεται σε κάθε πρόγραμμα Java Το Default package Περιέχει τάξεις που μεταγλωττίζονται στο ίδιο directory και έμμεσα εισάγονται στον πηγαίο κώδικα των άλλων αρχείων στο ίδιο directory Δεν χρειάζεται να εισαχθεί ένα πακέτο αν χρησιμοποιούνται πλήρες ονόματα (fully-qualified names) 20

21 Είδη μεταβλητών Μεταβλητές τάξεων (fields) Μη στατικές μεταβλητές (instance variables) o To κάθε αντικείμενο έχει τις δικές του μεταβλητές Στατικές μεταβλητές (class variables) o Υπάρχουν συνολικά για όλη την τάξη Τοπικές μεταβλητές (local variables) μεταβλητές που ορίζονται μέσα σε μια μέθοδο έχουν διάρκεια ζωής μέχρι το τέλος της μεθόδου (extent) μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο στη μέθοδο που ορίζονται (scope) 21

22 Κωδικοί πρόσβασης (access modifiers) private: πρόσβαση μόνο μέσα από την ίδια την τάξη (data hiding) set και get μέθοδοι protected: πρόσβαση μέσα από την τάξη, οποιαδήποτε υποκλάση (its subclasses), και τάξεις που ορίζονται στο ίδιο πακέτο package: πρόσβαση μέσα από την τάξη και τάξεις που ορίζονται στο ίδιο πακέτο. Αυτό είναι το κατά συνθήκη επίπεδο πρόσβασης (default access level) όταν δεν καθορίζεται κάτι διαφορετικό public: υπάρχει πρόσβαση από οποιαδήποτε τάξη. 22

23 class Point private double x; private double y=100; Παράδειγμα double gety() return y; void setpoint(double xx, double y) x = xx; this.y = y; void printpoint() System.out.println("Point: x=" + x + " y=" + y); double getx() return x; 23

24 public class TestPoint3 public static void main(string args[]) Point p1; Point p2 = new Point(); p1 = new Point(); p1.setpoint(2.2, 1.1); System.out.print("\n p1: x = " + p1.getx() + " y = " + p1.gety() ); System.out.print("\n p2: "); p2.printpoint(); System.out.println(); 24

25 GradeBook.java 1 // Fig. 3.7: GradeBook.java 2 // GradeBook class that contains a coursename instance variable 3 // and methods to set and get its value. 4 5 public class GradeBook 6 7 private String coursename; // course name for this GradeBook 8 9 // method to set the course name 10 public void setcoursename( String name ) coursename = name; // store the course name 13 // end method setcoursename // method to retrieve the course name 16 public String getcoursename() return coursename; 19 // end method getcoursename // display a welcome message to the GradeBook user 22 public void displaymessage() // this statement calls getcoursename to get the 25 // name of the course this GradeBook represents 26 System.out.printf( "Welcome to the grade book for\n%s!\n", 27 getcoursename() ); 28 // end method displaymessage // end class GradeBook Instance variable coursename set method for coursename get method for coursename Call get method 25

26 GradeBookTest.java 1 // Fig. 3.8: GradeBookTest.java 2 // Create and manipulate a GradeBook object. 3 import java.util.scanner; // program uses Scanner 4 5 public class GradeBookTest 6 7 // main method begins program execution 8 public static void main( String args[] ) 9 10 // create Scanner to obtain input from command window 11 Scanner input = new Scanner( System.in ); // create a GradeBook object and assign it to mygradebook 14 GradeBook mygradebook = new GradeBook(); // display initial value of coursename 17 System.out.printf( "Initial course name is: %s\n\n", 18 mygradebook.getcoursename() ); 19 Call get method for coursename 26

27 20 // prompt for and read course name 21 System.out.println( "Please enter the course name:" ); 22 String thename = input.nextline(); // read a line of text 23 mygradebook.setcoursename( thename ); // set the course name 24 System.out.println(); // outputs a blank line // display welcome message after specifying course name 27 mygradebook.displaymessage(); 28 // end main // end class GradeBookTest Initial course name is: null Please enter the course name: CS101 Introduction to Java Programming Welcome to the grade book for CS101 Introduction to Java Programming! GradeBookT est.java Call set method for coursename (2 of 2) Call displaymessage 27

28 Primitive Boolean Byte Char Τύποι μεταβλητών στη Java Primitive Types vs. Reference Types short, int, long, float, double Αν είναι instance variables οι προεπιλεγμένες τιμές τους είναι αντίστοιχα false και μηδέν, ενώ οι τιμές τοπικών μεταβλητών δεν ορίζονται αυτόματα (προεπιλέγονται) Reference Αποθηκεύουν τη θέση των αντικειμένων (objects) στη μνήμη Προεπιλεγμένη τιμή null τους ανατίθεται αυτόματα Χρησιμοποιούνται για να κληθεί η μέθοδος ενός αντικειμένου 28

29 Ορισμός τιμών μεταβλητών ενός αντικειμένου Κατά τη δημιουργία ενός αντικειμένου εκτελούνται με τη σειρά: Ορίζονται οι προεπιλεγόμενες τιμές για όλες τις μεταβλητές: o 0 για αριθμητικούς τύπους (numeric primitive types) o '\u0000' για χαρακτήρες (char) o false για boolean o null για references Ακολούθως, εκτελούνται οι initializers και τα initialization blocks Τέλος, καλείται ο κατάλληλος constructor, ο οποίος, είτε έμμεσα είτε άμεσα (όταν καθοριστεί) καλεί τον superclass constructor και αφού τον εκτελέσει, εκτελεί τις εντολές στο constructor body 29

30 Ορισμός τιμών μεταβλητών ενός αντικειμένου κατά τη δημιουργία του με χρήση constructors Μέθοδοι κατασκευής αντικειμένων - Constructors Για να οριστεί με συγκεκριμένο τρόπο ένα αντικείμενο κατά τη δημιουργία του Η Java απαιτεί ένα constructor για κάθε τάξη και αν δεν οριστεί κανένας τότε προσφέρει ένα προεπιλεγμένο χωρίς παραμέτρους (default no-argument constructor) Ο constructor μιας τάξης καλείται όταν το keyword new ακολουθείται από το όνομα της τάξης και ακολούθως παρενθέσεις μέσα στις οποίες δίνονται οι τιμές των παραμέτρων Μπορεί να χρησιμοποιηθεί constructor overloading με το ίδιο τρόπο όπως method overloading Δεν μπορεί ένας constructor να επιστρέφει κάτι και άρα δεν μπορεί να έχει return type 30

31 Παράδειγμα class Point private double x; private double y; private static int numpoints = 0; Point() this(111.11,222.22); Point(double x, double y) this.x = x; this.y = y; numpoints++; static void printnumberpoints() System.out.println(" Number of points = " + numpoints); 31

32 public class TestPoint4 public static void main(string args[]) Point p1; Point p2 = new Point(); p1 = new Point(33.33, ); System.out.print("\n p1: "); p1.printpoint(); System.out.print("\n p2: "); p2.printpoint(); System.out.println(); p2.printnumberpoints(); 32

33 GradeBook.java 1 // Fig. 3.10: GradeBook.java 2 // GradeBook class with a constructor to initialize the course name. 3 4 public class GradeBook 5 6 private String coursename; // course name for this GradeBook 7 8 // constructor initializes coursename with String supplied as argument 9 public GradeBook( String name ) coursename = name; // initializes coursename 12 // end constructor // method to set the course name 15 public void setcoursename( String name ) coursename = name; // store the course name 18 // end method setcoursename // method to retrieve the course name 21 public String getcoursename() return coursename; 24 // end method getcoursename Constructor to initialize coursename variable 33

34 25 26 // display a welcome message to the GradeBook user 27 public void displaymessage() // this statement calls getcoursename to get the 30 // name of the course this GradeBook represents 31 System.out.printf( "Welcome to the grade book for\n%s!\n", 32 getcoursename() ); 33 // end method displaymessage // end class GradeBook 34

35 1 // Fig. 3.11: GradeBookTest.java Outline 2 // GradeBook constructor used to specify the course name at the 3 // time each GradeBook object is created. 4 5 public class GradeBookTest 6 7 // main method begins program execution 8 public static void main( String args[] ) 9 10 // create GradeBook object 11 GradeBook gradebook1 = new GradeBook( 12 "CS101 Introduction to Java Programming" ); 13 GradeBook gradebook2 = new GradeBook( 14 "CS102 Data Structures in Java" ); // display initial value of coursename for each GradeBook 17 System.out.printf( "gradebook1 course name is: %s\n", 18 gradebook1.getcoursename() ); 19 System.out.printf( "gradebook2 course name is: %s\n", 20 gradebook2.getcoursename() ); 21 // end main // end class GradeBookTest Call constructor to create first grade book object Create second grade book object gradebook1 course name is: CS101 Introduction to Java Programming gradebook2 course name is: CS102 Data Structures in Java 35

36 Αριθμοί κινητής υποδιαστολής (Floating-Point Number) float Απλής ακρίβειας αριθμοί κινητής υποδιαστολής Ακρίβεια 7 σημαντικών ψηφίων double Διπλής ακρίβειας αριθμοί κινητής υποδιαστολής Ακρίβεια 15 σημαντικών ψηφίων Ο προεπιλεγόμενος τύπος για αριθμούς με υποδιαστολή 36

37 Account.java 1 // Fig. 3.13: Account.java 2 // Account class with a constructor to 3 // initialize instance variable balance. 4 5 public class Account 6 7 private double balance; // instance variable that stores the balance 8 9 // constructor 10 public Account( double initialbalance ) // validate that initialbalance is greater than 0.0; 13 // if it is not, balance is initialized to the default value if ( initialbalance > 0.0 ) 15 balance = initialbalance; 16 // end Account constructor // credit (add) an amount to the account 19 public void credit( double amount ) balance = balance + amount; // add amount to balance 22 // end method credit // return the account balance 25 public double getbalance() return balance; // gives the value of balance to the calling method 28 // end method getbalance // end class Account double variable balance 37

38 AccountTest.java 1 // Fig. 3.14: AccountTest.java 2 // Create and manipulate an Account object. 3 import java.util.scanner; 4 5 public class AccountTest 6 7 // main method begins execution of Java application 8 public static void main( String args[] ) 9 10 Account account1 = new Account( ); // create Account object 11 Account account2 = new Account( ); // create Account object // display initial balance of each object 14 System.out.printf( "account1 balance: $%.2f\n", 15 account1.getbalance() ); 16 System.out.printf( "account2 balance: $%.2f\n\n", 17 account2.getbalance() ); 18 38

39 19 // create Scanner to obtain input from command window 20 Scanner input = new Scanner( System.in ); 21 double depositamount; // deposit amount read from user System.out.print( "Enter deposit amount for account1: " ); // prompt 24 depositamount = input.nextdouble(); // obtain user input 25 System.out.printf( "\nadding %.2f to account1 balance\n\n", 26 depositamount ); 27 account1.credit( depositamount ); // add to account1 balance // display balances 30 System.out.printf( "account1 balance: $%.2f\n", 31 account1.getbalance() ); 32 System.out.printf( "account2 balance: $%.2f\n\n", 33 account2.getbalance() ); System.out.print( "Enter deposit amount for account2: " ); // prompt 36 depositamount = input.nextdouble(); // obtain user input 37 System.out.printf( "\nadding %.2f to account2 balance\n\n", 38 depositamount ); 39 account2.credit( depositamount ); // add to account2 balance 40 Input a double value Input a double value 39

40 41 // display balances 42 System.out.printf( "account1 balance: $%.2f\n", 43 account1.getbalance() ); 44 System.out.printf( "account2 balance: $%.2f\n", 45 account2.getbalance() ); 46 // end main // end class AccountTest account1 balance: $50.00 account2 balance: $0.00 Enter deposit amount for account1: adding to account1 balance account1 balance: $75.53 account2 balance: $0.00 Enter deposit amount for account2: adding to account2 balance account1 balance: $75.53 account2 balance: $