DIE WICHTIGSTEN STICHWORTE UND FAKTEN ZUM THEMA "OBJEKT-ORIENTIERTE PROGRAMMIERSPRACHEN" UND OO IN JAVA

1. OBJEKTE

1.1 Objekte werden durch ZUSTAND und VERHALTEN beschrieben Die Zustandskomponenten heissen ATTRIBUTE, das Verhalten wird durch Methoden (oder synonym: Operationen) spezifiziert. Der Internzustand sowie bestimmte Operationen, die nur innerhalb Objektes benötigt werden, können nach dem GEHEIMNISPRINZIP (Information Hiding) vor externem Zugriff geschützt werden. Die möglichen Verhaltensweisen eines Objektes werden durch das Versenden von BOTSCHAFTEN an das Objekt ausgelöst. Während bei der imperativen Programmierung Daten an eine Funktion zur Verarbeitung übergeben werden, kapselt das Objekt Daten und auf ihnen anwendbare Funktionen; die Verarbeitung der Daten wird durch Senden einer Botschaft an das Objekt ausgelöst. Die Parameter der Botschaft dürfen wiederum Objekte sein, d.h. intuitiv gesprochen, man kann mit den Eingangsdaten einer Botschaft auch gleich die Methoden zur Verarbeitung dieser Eingangsdaten mitsenden.

In Java:

Zustandsspezifikation durch Feld-Variablen
Feld-Variablen können Klassen- oder Objektattribute sein
Schlüsselwort 'public' macht Attribute und Operationen für alle verfügbar
Schlüsselwort 'private' schützt Attribute und Operationen vor externem Zugriff
Schlüsselwort 'protected' macht Attribute und Operationen für Unterklassen verfügbar, welche die Methoden und Attribute der Oberklasse erben.
Das Versenden von Botschaften an ein Objekt wird durch Methodenaufrufe der syntaktischen Form <objektname>.<Methodenname mit Aktualparametern> vollzogen.

1.2 Methoden (Operationen) lassen sich in Prozedur/Funktion/Konstruktor gliedern. Prozeduren sind void-Methoden, Konstruktoren sind spezielle Prozeduren, die nur bei der Objekterzeugung aufgerufen werden dürfen. Funktionen sind Methoden, die einen Rückgabewert erzeugen. Die Objektinitialisierung geschieht durch KONSTRUKTOREN (Operationen zur Erzeugung/Initialisierung von Objekten) In Java:

Wird ein Objekt durch den Garbage Collector deallokiert, kann eine Finalization-Methode aufgerufen werden. (VORSICHT: Zeitpunkt der Garbage Collection und des Aufrufs der Finalisierungsmethode muss explizit über Methoden der Laufzeitumgebung gesteuert werden. Andernfalls hat man keine Sicherheit, wann das Objekt tatsaechlich "finalisiert" und zerstört wird.)

Methoden haben eine SIGNATUR, diese ist definiert durch

Methodenname
Anzahl und Typ und Reihenfolge der Parameter [Bemerkung: Der Rückgabewert einer Funktion ist NICHT Bestandteil der Signatur].

Methoden können ÜBERLADEN (engl. OVERLOADING) werden: Hierunter versteht man die mehrfache Deklaration der Methode mit unterschiedlichen Signaturen.
In Java:

Es dürfen nur Methoden, aber keine Operatoren (z.B. +,-,==) überladen werden. Das Überladen von Operatoren ist beispielsweise in C++ erlaubt.

2. KLASSEN

Klassen spezifizieren die Gemeinsamkeiten einer Menge von Objekten mit denselben Eigenschaften (Attributen) und demselben Verhalten (Methoden) und denselben Beziehungen (d.h. Vererbungsstrukturen und Assoziationen, siehe Vererbung weiter unten). ABSTRAKTE KLASSEN definieren nicht alle erforderlichen Methoden für ihre Objekte, sondern nur Methodenschnittstellen. Sind Klassen nicht abstrakt, bieten sie insbesondere Methoden zur Objekterzeugung an (Konstruktoren). Die Klasse dient dann als "Objektfabrik" OBJECT FACTORY. Durch die Klasse erzeugte Objekte heissen INSTANZEN der Klasse. In Java:

Schlüsselworte 'abstract', 'public', 'final' ('final' bedeutet, es dürfen keine Unterklassen erzeugt werden).
Java-Klassen sind Typen im Sinne der Objekt-Orientierung, decken aber nicht das gesamte OO-Typkonzept ab, wie es üblicherweise verwendet wird, siehe Punkt 3.

Die Attribute und Methoden einer Klasse werden gmeinsam als MITGLIEDER (engl. members) der Klasse bezeichnet. Klassen können VERERBT werden: Eine Klasse (dann Unterklasse genannt) kann die Attribute und Methoden einer oder mehrerer Oberklassen übernehmen und dann eigene Attribute und Methoden hinzudefinieren. Ein Objekt O der Unterklasse K2 ist damit auch ein Mitglied einer jeden Oberklasse K1: Bei Methodenaufrufen, die Parameter vom Typ K1 verlangen, darf also O als gültiger Wert verwendet werden. O besitzt als Instanz von K2 spezielle Eigenschaften, die in K1 nicht enthalten sind. Daher wird K2 als SPEZIALISIERUNG von K1 bezeichnet; umgekehrt ist K1 eine GENERALISIERUNG von K2. Dabei dürfen in Oberklassen vorhandene Methoden von der Unterklasse

REDEFINIERT werden (die Signatur bleibt gleich) oder
ÜBERSCHRIEBEN werden (der Methodenname bleibt gleich, die Signatur ändert sich).

D.h., es ist wichtig, die drei Möglichkeiten (1) Einführung einer zusätzliche Methode gleichen Namens mit neuer Signatur in derselben Klasse, (2) Einführung einer zusätzlichen Methode gleichen Namens und gleicher Signatur in der Unterklasse, (3) Einführung einer zusätzlichen Methode gleichen Namens und anderer Signatur in der Unterklasse, zu vestehen und unterscheiden zu können.
Damit können Objektinstanzen unterschiedlicher Klassen Methoden mit identischer Signatur oder gleichen Namens besitzen, die unterschiedliches Verhalten implementieren. Diese Eigenschaft objekt-orientierter Programmiersprachen wird POLYMORPHISMUS genannt. Wird ein Objekt O als Parameter einer Methode vom Typ K1 eingegeben, ist damit nicht immer zur Übersetzungszeit bereis bekannt, ob zur Laufzeit auch ein Objekt der Unterklasse K2 als Parameter verwendet wird. Infolgedessen ist erste zur Laufzeit bekannt, ob beim Aufruf O.m() die Methode m() der Klasse K1 oder die in K2 redefinierte Methode m() zur Ausführung kommt. Dies muss von der Laufzeitumgebung ermittelt werden (DYNAMSCHES BINDEN).
In Java:

Syntax ist class <Classname> extends <Classname> { ... }
Es darf nur von einer Klasse geerbt werden (EINFACHVERERBUNG) - hierdurch ensteht eine Klassenhierarchie mit Baumstruktur. Die Wurzelklasse dieser Baumstruktur ist 'Object'. (Im Gegensatz zu Java lässt C++ beispielsweise MEHRFACHVERERBUNG zu)
Eine Klasse darf beliebig viele Interfaces implementieren.
Die Konstruktoren der Oberklasse koennen explizit mit super() bzw. super(<Parameterliste>) referenziert werden. Die Mitglieder (Attribute und Methoden) der Oberklasse können durch Vorstellen von <Name der Oberklasse>. oder einfach von super. referenziert werden.
Die Konstruktoren der Unterklasse koennen explizit mit this(<Parameterliste>) referenziert werden.Die Mitglieder (Attribute und Methoden) der Unterklasse können explizit durch Vorstellen von <Name der Unterklasse>. oder einfach von this. referenziert werden. Insbesondre kann sich jede Instanz der Unterklasse durch this selbst referenzieren. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn eine Methode eine Referenz auf ein Objekt des Klassentyps zurückgibt und diese Referenz auf das eigene Objekt zeigen soll.
Attribute können bei der Vererbung nicht überschrieben, sondern nur VERSTECKT (eng. HIDING) werden: Definiert die Unterklasse ein gleichnamiges Attribut der Oberklasse, so ist das Attribut der Oberklasse weiterhin durch <Name der Oberklasse>.<Attributname> oder durch super.<Attributname> referenzierbar.

3. TYPEN

Während Klassen typischerweise Zustand und Verhalten zumindest teilweise explizit definieren, benötigt man auch ein Konzept, mit dem man Leistungen gewünschter (später explizit auszuprägender) Objekte IMPLIZIT spezifizieren kann, d.h., ohne Zustandskomponenten und Methodenrümpfe explizit zu benennen. Allgemein besteht eine implizite Spezifikation aus

einer Schnittstellenspezifikation bestehend aus Signatur und ggf. Typ des Rückgabewertes
optional: einem logischen Prädikat (häufig auch AXIOM genannt), welches das Sollverhalten eines der impliziten Spezifikation genügenden Objektes beschreibt, ohne auf Internzustände und Algorithmen Bezug zu nehmen, d.h.: das Axiom bezieht sich nur auf Komponenten, die in der Schnittstellenspezifikation sichtbar sind, beispielsweise
- Methodennamen,
- Parameternamen,
- Rückgabewerte

Formale Sprachen (z.B. VDM, Z, CSP und verschiedene algebraische Spezifikationsformalismen) bieten in der Regel die Möglichkeit zur impliziten Spezifikation mit Schnittstellenspezifikation und Axiomen. Dagegen bestehen implizite Spezifikation bei Programmiersprachen in der Regel allein aus der Schnittstellenspezifikation; die Definition logischer Prädikate wird nicht als Sprachbestandteil angesehen. Beispiele für implizite Spezifikation bei Programmiersprachen:

C: Function prototypes in C-Header Files, wie z.B. extern int f(int i,float ff,int j);
C++: Klassendefinitionen in C++-Header Files, deren Methoden sämtlich als 'virtual' definiert sind und die keine Zustandsvariablen einführen.

In Java:

Der Typ 'interface' dient zur impliziten Spezifikation.
Ein Interface kann (offensichtlich) nicht direkt instantiiert werden. Stattdessen wird ein Klassentyp durch Hinzunahme eines Interfaces und seiner Implementierung erweitert.
Klassen dürfen mehrere Interfaces implementieren, Deklarationssyntax class <Classname> implements <Interfacename> { ... }
Interfaces dürfen keine Zustandsvariablen definieren, wohl aber Konstanten (z.B. public static final int x = 5;).
Abstrakte Klassen können dasselbe wie Interfaces leisten, wenn sie nur abtrakte Methoden und keine Zustandsvariablen definieren. Eine Unterklasse darf dann aber nur diese eine abstrakte Klasse erweitern, da Mehrfachvererbung nicht möglich ist.

Vereinfacht ausgedrückt: In Java sind interfaces reine Entwurfsspezifikationen, während Klassen Mischungen aus Entwurfsspezifikation und Implementierung sind.
[Literatur: Balzert, Abschnitt 2.16]

Manche Programmiersprachen lassen das "Programmieren mit Typen" zu, d.h. sie bieten Methoden zur Abfrage von Eigenschaften eines Objekttyps an. In C-Code kann man beispielsweise nicht abfragen, welchen Funktionsnamen die aktuell ausgeführte C-Function hat. Es gibt auch keine C-Operationen, mit denen man die Namen und Signaturen der in einer C-Bibliothek enthaltenen Funktionen abfragen kann.

Dagegen in Java:

Das Paket java.lang enthält die Klasse Class, deren Objekte "Auskunftsfunktionen" über andere Objekte enthalten. Ein Objekt obj beliebiger Klasse enthält die Methode getClass(), die ein solches Auskunftsobjekt oInfo vom Typ Class zurückgibt. Auf oInfo kann man vordefinierte Abfragefunktionen anwenden, die Auskunft über den Klassentyp von obj geben. Beispielsweise gibt die Class-Methode getMethods() einen Array mit internen Identifikationscodes der zu obj gehörigen Methoden zurück.
Im Java reflection package java.lang.reflect werden zusätzliche Auskunftsklassen definiert: Beispielsweise bietet Klasse Method Methoden an, mit denen man aus oInfo Signatur und Rückgabewert der zu obj gehörigen Methoden abfragen kann. Weiterhin lassen sich diese Methoden dann aufrufen (zu Method gehörige Methode invoke()), ohne den Methodennamen im Programmcode zu verwenden.
Klassennamen existieren als vorübersetzte Literale mit Extension .class, man kann damit auf Zugehörigkeit zu einem bestimmten Klassentyp abfragen:
if ( obj.getClass() == String.class ) { ... }

4. GENERISCHE FUNKTIONEN UND KLASSEN

Die Eigenschaft generisch bedeutet 'Typunabhängigkeit'. Mit diesem Begriff ist die Möglichkeit gemeint, bei der Instantiierung eines Objektes aus einer Klasse auch parametrisierbare Typen (in C++ Templates genannt) in den Methodenschnittstellen festzulegen und bei Methodenaufrufen auch anzuwendende Verarbeitungsfunktionen als Parameter mitzugeben.

In Java:
Templates und Funktionsparameter sind nicht als explizite Sprachkonstrukte vorhanden, aber auch nicht erforderlich, da die baumartige Vererbungshierarchie immer Object als allgemeinsten Verarbeitungstyp kennt.

Anstelle eines generischen Typparameters kann in einer Methodendeklaration immer der Typ 'Object' verwendet werden. Müssen die auf Object definierten Methoden (z.B. equals()) um weitere dort nicht bereits eingeführte erweitert werden, lässt sich dies mit Hilfe von abstrakten Klassen und Interfaces realisieren.
Zur Laufzeit wird beim Methodenaufruf als Parameter ein Objekt einer konkreteren Klasse eingegeben; dies ist in jedem Fall typkorrekt, da die konkretere Klasse immer eine Spezialisierung von Object ist.
Anstelle von Funktionsparametern für die Verarbeitung der konkreten Objekte werden die Verarbeitungsfunktionen immer als Methoden der konkreten Klasse definiert, ggf. durch Überschreiben der bereits auf Object definierten, in der speziellen Anwendung aber zu konkretisierenden Methoden.
Bei den Template-Klassen von C++ kann die Sortenreinheit, d.h. die ausschließliche Verwendbarkeit des Objekts mit den bei der Instantiierung angegebenen Typen bereits zur Übersetzungszeit erzwungen werden. In Java muss diese Eigenschaft, falls gewünscht, durch explizite Typprüfungen zur Laufzeit realisiert werden. Hierzu kann man den Objekttyp abfragen und auch das Vorhandensein bestimmter für die Verarbeitung benötigter Methoden explizit abfragen.

Literatur:

Helmut Balzert: Lehrbuch Grundlagen der Informatik, Spektrum Akademischer Verlag (1999). ISBN 3-8274-0358-8.
li> James Gosling, Bill Joy, Guy Steele und Gilad Bracha: The Java Language Specification, http://java.sun.com/docs/books/jls/index.html.
Diese Dokumentation dient zum systematischen, wissenschaftlich ausgerichteten Erlernen der Java-Syntax und -Semantik.

Jan Peleska - TZI - Bremen Institute of Safe Systems BISS / < jp@informatik.uni-bremen.de> / 13 DECEMBER 2002