FK:P VT2004 Föreläsningsbilder F1 En inledning till Java och OOP

Några aspekter på ett nytt språk exekveringsmiljö (”nativ” kod eller interpretering m.m.) historik och designprinciper (varför språket ser ut som det gör) syntax för grundspråket (primitiva datatyper, satser osv) abstraktionsmekanismer (t.ex. egna datatyper, procedurer och funktioner i Pascal, klasser och metoder mm i Java) standardbibliotek av färdiga programkomponenter standardverktyg för programutveckling (programmeringsmiljön: kompilatorer, texteditorer, debuggers, dokumentationsverktyg, programgeneratorer m.m.)

Java utformad 1991 av James Gossling vid Sun Microsystems under namnet Oak tänkt från början för programmering av elektroniska hemapparater i nätverk höga krav på flyttbarhet (skall kunna köras på olika processorer) driftsäkerhet (möjlighet att fånga upp och åtgärda felvid exekvering) säkerhet (möjlighet att begränsa programmets verksamhet) förberedelse för nedladdning över ett nät förberedelse för kommunikation över ett nät mellan samverkande program parallellt exekverande processer (”trådar”) omvandlad 1995 till Java och anpassad till programmering av tillämpningar för WorldWideWeb, bl.a. omfattande stöd för grafik och animering utkommit sedan dess i flera versioner (1.0, 1.1, 1.2, 1.3, nuv. 1.4 och snart 1.5) objektorienterat språk

Java: kompilering och interpretering Källkod i Java Prog.java Kompileras av Javakompilatorn javac Programmet i bytecode Prog.class Interpreteras av Java Virtual Machine En webbläsare Exekveras på aktuell dator

Program i konventionella språk Kompilator för Windows Länkare för Windows Exekverbart program för Windows Objektkod för Windows Källkod i Pascal Rutiner för Windows Objektkod för Macintosh Exekverbart program för Macintosh Rutiner för Macintosh Kompilator för Macintosh Länkare för Macintosh

Program i Java Java- kompilator Källkod i Java class-fil i bytekod Java Virtual Machine för Windows Källkod i Java class-fil i bytekod Java Virtual Machine för Macintosh class-fil i bytekod Andra klasser

Kortfattad språkhistoria Fortran Blockstruktur (lokala variabler), procedurer, funktioner, parametrar, datatyper, arrayer (IBM) Algol 1960 1970 1980 1990 2000 Simula O-J. Dahl, K. Nygaard (Norsk Regnesentral) OOP Pascal C N. Wirth + poster, pekare mm D. Ritchie Systemprogrammering Lågnivåmekanismer Smalltalk Ada J. Ichbiah (DOD) Modularitet, Objekt-baserad prog, Genericitet, Parallellitet, Undantagshant. A. Key (Xerox PARC) C++ B. Stroustrup Lågnivåmek., OBP, OOP, Genericitet, Undantagshant. Java Ada95 ... samt OOP Generic Java J. Gossling(Sun) OOP Parallellitet Undantagshant. C# Java 1.5 (MS) ... samt genericitet

Den C-aktiga syntaxen Korthugget språk: { } istället för BEGIN END inga ”onödiga” ord som PROCEDURE, FUNCTION, THEN osv int[] arr; istället för arr: ARRAY[1..10] OF Integer; i = 0; istället för i := 0; && resp. || istället för AND resp. OR Vissa saker kan göras på flera olika sätt, t.ex. öka värdet i variabeln i med 1: i = i + 1; eller i += 1; eller ++i; Uttryck kan användas som satser, funktioner kan anropas som procedurer: ++i; j = ++i; summa(arr); // Returvärdet ignoreras, meningslöst här men tillåtet

Snabb syntaxjämförelse: Pascal ... TYPE arrtyp = ARRAY [1..10] OF Integer; PROCEDURE skriv(arr:arrtyp); VAR i : Integer; BEGIN FOR i:=1 TO 10 DO Write(arr[i]); Writeln; END; { las } FUNCTION summa(arr:arrtyp):Integer; VAR i, sum : Integer; BEGIN sum:=0; FOR i:=1 TO 10 DO sum := sum + arr[i]; summa:=sum; END; { summa } ... kontra Java int summa(int[] arr){ int sum=0; for (int i = 0; i < 10; ++i) sum += arr[i]; return sum; } // summa void skriv(int[] arr){ for (int i = 0; i < 10; ++i) System.out.print(arr[i]); System.out.println(); } // summa

Den största skillnaden: OOP Hmm..slarviga definitioner Java är ett objektorienterat språk. Objektorientering allmänt: verkligheten består av objekt som kan ha tillstånd och beteende, vissa objekt är av samma typ (klass), objekten kan ha olika relationer med varandra, klasser kan ha olika relationer med varandra (is-a, has-a) Objektorienterad analys (OOA): analysera (beskrivningen av) en verksamhet med avseende på vilka typer av objekt som förekommer och vilka operationer som utförs på dem Objektorienterad design (OOD): utforma en systemarkitektur bestående av klasser med angivna relationer mellan klasserna och operationer som skall kunna utföras på objekt av dessa klasser Objektorienterad programmering (OOP): program byggs upp som en samling samarbetande objekt av klasser med väldefinierade gränssnitt (operationer) och relationer. Varje klass utgör en byggkloss som kan användas i flera program. En objektorienterad systemarkitektur kan lätt översättas till ett program i ett objektorienterat programmeringsspråk, men OOP handlar även om mer konstruktionstekniska aspekter (t.ex. återanvändbara programkomponenter)

Topologin hos ett Pascalprogram (eller program i något annat imperativt språk) Centralt (globalt) lagrade data som (kan) bearbetas av alla delar av programmet. Vid ändringar av datastrukturen kan alla delar av programmet påverkas Felaktigheter kan propageras genom programmet och ge sig till känna på ett helt annat ställe än där de uppkommer - försvårad felsökning och korrigering Data Subrutin Subrutin Subrutin Huvudprogram

Topologin hos ett modulärt program Självständiga, separatkompilerade moduler som kommunicerar genom väldefinierade gränssnitt Modulgränssnitt uttryckta i termer av abstrakta tjänster. Data som behövs för att implementera tjänsterna och operationer på dessa data inkapslade (encapsulated) i modulen. Data är gömda (oåtkomliga) för andra moduler.

Exempel: användning av Javas bibliotek import javax.swing.*; import java.awt.*; class Anteckning extends JFrame{ Anteckning(){ super("Anteckning"); JTextArea text = new JTextArea(); getContentPane().add(text, BorderLayout.CENTER); setSize(300, 200); show(); } public static void main(String[] args){ new Anteckning(); Detta korta program skapar ett fönster med där användaren har fullständig inmatnings- och editeringsfunktionalitet.

API-beskrivningar Användning av sådana komponenter ur biblioteket kräver mycket sökning i beskrivningar av dessa komponenter efter vilka komponenter som finns, vilka operationer de har och hur man använder dem. På föreläsningar och lektioner hinner vi endast tipsa om de viktigaste komponenterna och deras struktur, detaljer måste inhämtas på egen hand från läroböcker men främst från de webbaserade API-beskrivningarna. Detta gäller främst den senare delen av kursen. Dessvärre kräver vissa enkla operationer också användning av komponenter. T.ex. ett program som läser in en sträng från terminalfönstret och skriver ut den igen: import java.io.*; class Hej{ public static void main(String[] args) throws IOException{ BufferedReader input=new BufferedReader( new InputStreamReader(System.in)); System.out.print(”Vad heter du? ”); String namn = input.readLine(); System.out.println(”Hej, ” + namn); }

Orientering om OOP: ett fånigt exempel Säg att vi skall (börja) skriva det välkända Igelkottsprogrammet. Programmet skall hantera igelkottar som har namn, ett antal taggar och som kan bli platta (av att ha blivit överkörda). En platt igelkott har inga taggar. Det man vill kunna göra med en igelkott är att få fram dess namn, dess antal taggar och om den är platt. Man skall även kunna köra över en igelkott. Man skall inte kunna ändra igelkottens namn. Antalet taggar och plattheten kan man bara ändra genom att köra över igelkotten. Igelkott ”Igge” 85 false getNamn bliPåkörd getTaggar ärPlatt

Klasser och objekt Klass Typ Skrivs i källkoden Objekt Instanser Igelkott namn antalTaggar platt Klass Typ Skrivs i källkoden getNamn bliPåkörd ärPlatt getTaggar Igelkott Igelkott Objekt Instanser Förekomster Värden Skapas dynamiskt vid exekvering ”Igge” 85 false ”Doris” true getNamn bliPåkörd getNamn bliPåkörd getTaggar ärPlatt getTaggar ärPlatt

Koden för klassen Igelkott public class Igelkott{ private String namn; private int antalTaggar; private boolean platt; public Igelkott(String n, int at){ namn = n; antalTaggar = at; platt = false; } public String getNamn() { return namn; public int getTaggar() { return antalTaggar; public boolean ärPlatt() { return platt; public void bliPåkörd() { antalTaggar = 0; platt = true; public String toString(){ return namn + ” har ” + antalTaggar + ” taggar”; Data markerade som privata ”Konstruktor” som anger hur objekt skall initieras ”Metoder” (dvs procedurer eller funktioner) som anger operationer på ett igelkottobjekt

Användning av klassen Igelkott Klassen Igelkott läggs på filen Igelkott.java och kompileras för sig. Detta resulterar i en fil Igelkott.class med den kompilerade bytekoden. Nu kan man skriva en annan klass som kan använda klassen Igelkott: public class AnnanKlass{ private Igelkott ig1, ig2; public void någonMetod(){ ig1 = new Igelkott(”Igge”, 85); ig2 = new Igelkott(”Doris”, 37); String str = ig1.getNamn(); int antal = ig2.getTaggar(); ig2.bliPåkörd(); ... } Klassnamnet Igelkott används som typnamn för deklaration av ”pekarvariabler” till Igelkott-objekt. Igelkott-objekt skapas dynamiskt med new. Vid skapande utförs objektens konstruktor, man måste ange värden för dess parametrar.

Klasser och objekt igen AnnanKlass Igelkott ig2 ig1 namn antalTaggar platt någonMetod getNamn bliPåkörd ärPlatt getTaggar AnnanKlass ig2 ig1 Igelkott Igelkott ”Igge” 85 false ”Doris” true någonMetod getNamn bliPåkörd getNamn bliPåkörd getTaggar ärPlatt getTaggar ärPlatt

Klasser kontra poster (RECORDs) Det finns en stor likhet mellan klasser och poster. Både klassobjekt och postförekomster innehåller värden på namngivna attribut (termer, variabler). Den stora skillnaden ligger i att klasser även innehåller operationer (metoder) som kan anropas från utanför klassen för att t.ex. förändra värden hos det objekt de anropas hos eller avläsa dessa värden. Man brukar säga att ett objekt har ett tillstånd representerat av värden på dess variabler (t.ex. namn, antalTaggar och platt) och ett beteende representerat av dess metoder (t.ex. kan våra igelkottar tillfrågas om deras namn, antal taggar och om de är platta, och de kan bli påkörda). En annan viktig skillnad är att man kan gömma den inre implementeringen av en klass genom att deklarera den som privat - andra klasser kan då endast använda de publika metoderna för att ändra eller avläsa tillståndet. På detta sätt kan man garantera att objekt av klassen beter sig korrekt. T.ex. kan man inte ändra namn på våra igelkottar. Man kan inte heller ändra deras antal taggar utan att köra på dem, och då blir de samtidigt platta. Vi har alltså skapat en ny datatyp med bestämda operationer.

Mer om klasser och objekt I Java finns det några primitiva datatyper som int, boolean, char, double (motsv. Real) m.fl. Allt annat är dock klasser, t.ex. String, Date och tusentals andra. I ett Java-program måste varje sats ligga inom någon metod, och varje metod måste ligga inom någon klass. Av en anledning som vi återkommer till kan man endast skapa objekt dynamiskt under exekveringen (liknande Pascals New) och de kan bara hanteras via ”pekare”. Dock har dessa ”pekare” ett mer disciplinerat beteende än pekare i Pascal och de kallas därför ”referenser” - man får inte kalla dem pekare. Det finns ingen motsvarighet till Pascals Dispose. Istället tas objekten bort automatiskt när det inte längre finns någon referens som refererar till dem (automatisk skräpsamling - garbage collection).

Krav på generalitet Eftersom de flesta klasser ska kunna användas av flera tillämpningsprogram måste de utformas någorlunda generellt så att de inte bestämmer alltför mycket för tillämpningarna. Exempel på ett par enkla sådana krav på återanvändbara klasser är: man skriver inte ut felmeddelanden i klassen - man vet ju inte hur tillämpningen vill hantera felet. Man försöker rapportera felet till tillämpningsprogrammet, inte till användaren man skriver inte ut data, istället skapar man strängar som tillämpningar kan skriva ut där de vill ha utskrifterna man läser inte in data, istället tar man emot strängar som man försöker tolka, så tillämpningar kan läsa in strängen på det sätt de vill

Vem börjar skapa objekten? AnnanKlass Igelkott namn antalTaggar platt ig2 ig1 getNamn någonMetod bliPåkörd ärPlatt getTaggar Om klasser bara är typbeskrivningar och det finns inget annat än klasser, vem är det som skapar det första objektet? Det måste finnas något som ”finns från början”, innan det finns några objekt. Man kan deklarera metoder (och även variabler) som finns i en enda uppsättning oberoende av objekten. De måste dock fortfarande finnas i någon klass. De kallas för klassmetoder resp. -variabler. I Java deklareras de med ordet static (”statiska” metoder resp. variabler)

Den ”statiska” metoden main AnnanKlass Igelkott namn antalTaggar platt ig2 ig1 TestProg getNamn någonMetod bliPåkörd main ärPlatt getTaggar Motsvarigheten till ett huvudprogram måste vara en statisk metod med namnet main (och vissa andra egenskaper). Javas interpretator anropar denna metod när exekveringen startar, i denna metod kan man börja skapa objekt osv class TestProg{ public static void main(.....){ AnnanKlass ak = new AnnanKlass(); ak.någonMetod(); .... } // main } // TestProg

Instans- kontra klass- variabler/metoder Det vanliga är att varje objekt av en klass har sin egen uppsättning variabler och metoder. De kallas då instans-variabler resp. -metoder. Ibland händer det dock att man behöver någon variabel som alla objekt skall dela på och som skall finnas även om det inte finns något objekt av klassen. Det händer också att man behöver någon metod som hör till klassen men inte behöver operera på objektens data och skall finnas oberoende av objekten (se exempel på nästa bild). Man kan då skapa en klassvariabel resp. klassmetod i klassen genom att deklarera de ordet static.

Klassvariabler och -metoder class Igelkott{ private static int antal=0; private String namn; ... public Igelkott(String n){ ++antal; namn = n; .... } public String getNamn(){ return namn; public static int getAntal(){ return antal; Igelkott namn antal 1 getNamn getAntal getTaggar ig1 Igelkott ”Igge” getNamn Anrop enligt: String str = ig1.getNamn(); men: int ant = Igelkott.getAntal();

Objekt av samma men ändå olika typ Säg att vi behöver ett program som hanterar djur av olika typer: alla djur kan äta och låta (ge läten) hästar kan springa kor kan ge mjölk fiskar kan simma och ”låter” annorlunda än alla andra djur Häst Ko Fisk äter äter äter låter låter simmar springer gerMjölk låter

Klasshierarkier, arv Djur äter låter Häst Fisk Ko springer simmar gerMjölk simmar låter Häst Ko Fisk äter äter äter Djur Djur Djur låter låter låter springer gerMjölk simmar Häst Häst Fisk låter

Klasshierarkier, arv Klasser kan ordnas i en hierarkisk struktur, med den mest generella klassen i toppen (klassen Djur i exemplet). Klasser på lägre nivåer (subklasser) sägs ärva från klasser på högre nivåer (superklasser). Subklasserna får alla de egenskaper som finns deklarerade i superklasserna och kan lägga till sina egna egenskaper. Dessutom kan subklasserna omdefiniera metoder från superklasserna - klassen Fisk har definierat om metoden låter. Detta kallas ”överskuggning” av superklassens metoder. En referens deklarerad som Djur kan nu referera till objekt av antingen klassen Häst, Ko eller Fisk. Om vi har referensen Djur d och anropet d.låter(); så går det inte att avgöra genom att titta på denna sats vilken metod låter som kommer att anropas. Metoden bestäms vid anropsögonblicket beroende på vilket objekt d råkar referera till då. Mekanismen kallas ”dynamisk bindning”, möjligheten att med en sats kunna anropa olika metoder vid olika tillfällen brukar kallas ”polymorfism”. Det utgör den viktigaste mekanismen inom objektorienterad programmering.

Konsekvenser av OOP Genom att varje klass är en självständig, separatkompilerad modul kan man skapa bibliotek av återanvändbara programkomponenter och bygga tillämpningsprogram av dessa byggklossar. Genom användning av polymorfism kan man även anpassa beteendet hos dessa byggklossar till varje tillämpnings önskemål. I Javas klassbibliotek finns det återanvändbara klasser för olika typer av datasamlingar (länkade listor, binära sökträd osv, sorterade och osorterade), komponenter för grafiska användargränssnitt och hela färdiga applikationsramverk som bara behöver fyllas i med innehållet i den aktuella tillämpningen.