Objektorientierte Programmierung

Objektorientierte Programmierung Proseminar Programmiersysteme 31.03.2004 Lehrstuhl für Programmiersysteme Prof. Gert Smolka Vortragender: Philipp Brendel Tutor: Andreas Rossberg

Gliederung • Konzepte objektorientierter Programmierung (OOP) • Java • Smalltalk • Diskussion

Konzepte der OOP- Objektbegriff - • Erste OOP: Simula 67 • entwickelt am Norwegian Computing Center um 1960 • dient zur Programmierung ereignisbasierter Simulationen • erfordet Datenstruktur zur Repräsentation unterschiedlicher „Ereignisse“

Konzepte der OOP- Objektbegriff - • Ein Objekt vereint Daten und Prozeduren, die auf diesen Daten operieren, in einem Wert • Eigenschaften, die den meisten klassenbasierten objektorientierten Programmiersprachen gemein sind: • Enkapsulierung • Vererbung • dynamische Bindung • Subtyping

Konzepte der OOP- Ein Beispiel in ML - • Implementierung eines Zählers mit Prozeduren zur Abfrage (get) und Erhöhung (inc) • Realisierung durch ProzedurnewCounter : unit -> counterzur Erzeugung neuer Objekte des Typs counter

Konzepte der OOP- Ein Beispiel in ML - type counter = { get:unit -> int, inc:unit -> unit } fun newCounter () = let val n = ref 0 in { get = fn () => !n, inc = fn () => n := !n + 1 } end > newCounter = fn : unit -> counter

Konzepte der OOP- Ein Beispiel in ML - Enkapsulierung: • Verbergung der Referenz n, die den Zählerstand enthält • Zugriff auf Zählerstand nur durch offengelegte Prozeduren:- val c = newCounter ()> val c = {...} : counter- val i = #get(c) ()> val i = 0 : int- #inc(c) ()> val it = () : unit- val j = #get(c) ()> val j = 1 : int

Konzepte der OOP- Ein Beispiel in ML - • Erweiterung des Zählers um eine Reset-Prozedur: type reset_counter = { get:unit -> int, inc:unit -> unit, reset:unit -> unit } fun newResetCounter () = let val n = ref 0 in { get = fn () => !n, inc = fn () => n := !n + 1, reset = fn () => n := 0 } end

Konzepte der OOP- Ein Beispiel in ML - • Subtyping: Werte vom Typ reset_counter sind gültige Argumente für Prozeduren, die Werte vom Typ counter erwarten (in idealisiertem ML-Dialekt). • Dynamische Bindung: Der in einer solchen Prozedur ausgeführte Code hängt von der Implementierung des Arguments ab. - fun f (c:counter) = #inc(c) () ; #get(c) () > val f = fn : counter -> int - val (c, c‘) = (newCounter (), newResetCounter()) > val c = {...} : counter val c‘ = {...} : reset_counter - f c > val it = 1 : int - f c‘ > val it = 1 : int

Konzepte der OOP- Subtyping - • Ein Typ σ ist ein Subtyp eines Typs τ (σ ≤ τ), wenn in jedem Kontext, der einen Wert des Typs τ erwartet, ein Wert des Typs σ verwendet werden kann • Subtyping definiert eine Relation ≤Í Typ ´ Typ, die folgende Eigenschaften aufweist: • Reflexivität • Transitivität • Antisymmetrie Die Subtypingrelation ist also eine Teilordnung.

Konzepte der OOP- Subtyping - • Erweiterung des Typsystems mit Typrelation R um eine Subsumtionsregel, die Subtyping ermöglicht:

Konzepte der OOP- Subtyping - Regeln für Subtyping von Records: Regel für Subtyping von Prozeduren:

Java • Entwickelt von SUN Microsystems um 1990 Designziele: • Offenheit: Klassen werden nach Bedarf zur Laufzeit geladen (dynamisches Linking), Objekttypen können zur Laufzeit im- und exportiert werden • Portabilität: Programme werden zu Bytecode kompiliert und laufen auf einer virtuellen Maschine • Sicherheit: Mechanismen zur Verhinderung von Sicherheitsverletzungen sind Bestandteil von Java

Java • Java ist klassenbasiert: Schemata, die die Implementierung von Objekten definieren, heißen Klassen • Klassen definieren Prozeduren (Methoden) und Daten (Felder oder Instanzvariablen)

Java • jedes Objekt ist eine Instanz einer Klasse • instanzerzeugende Prozeduren heißen Konstruktoren • Enkapsulierung erfolgt durch Zugriffsmodifizierer (public, private, protected und package), die für jede Methode und jedes Feld wählbar sind

Java • Vererbung: Jede Klasse erbt von genau von einer Oberklasse, deren Code sie weiterverwenden oder spezialisieren kann • Die Subtypingrelation ist durch die Vererbungshierarchie gegeben: ein Objekt wird als Instanz aller seiner Oberklassen betrachtet(Nominelles Subtyping im Gegensatz zum strukturellen Subtyping des ML-Beispiels)

Java- Codebeispiel - Definition einer Zählerklasse in Java: class Counter extends Object { private int n; public Counter() { n = 0; } public int get() { return n; } public void inc() { n = n + 1; } } Verwendung der Klasse: Counter c = new Counter(); int i = c.get(); c.inc(); int j = c.get(); Am Ende des Beispiels hat i den Wert 0 und j den Wert 1.

Smalltalk • entwickelt von Xerox PARC in den 1970er Jahren • Designziele: • simples Konzept • Flexibilität • Betriebssystem des DYNABOOK • von „Nichtprogrammierern“ verwendbar

Smalltalk • äußerst einfaches und elegantes Konzept: „Alles ist ein Objekt“ • Programme werden ausgeführt, indem sogenannte Nachrichten an Objekte geschickt werden, die diese behandeln • äußerst einfache Syntax

Smalltalk • Komplexität durch umfangreiche Klassenbibliothek • Beispiel für konsequente Einhaltung der Objektmetapher: • Klassen sind Objekte, Instantiierung durch Senden einer Nachricht an Klassenobjekt • Klassen werden durch Senden einer Nachricht an ein Metaclass-Objekt erzeugt

Smalltalk • Enkapsulierung ist fest vorgegeben: Methoden sind öffentlich, Instanzvariablen sind geschützt • Dynamische Typisierung • Objekte haben die Möglichkeit, individuell auf unbekannte Nachrichten zu reagieren, indem sie die Nachricht doesNotUnderstand implementieren

Smalltalk- Codebeispiel - Definition einer Zählerklasse in Smalltalk: Object subclass: #Counter instanceVariableNames: 'n' initialise (n = nil) ifTrue: [n ¬ 0] inc self initialise. n ¬ (n + 1) get self initialise. n

Smalltalk- Codebeispiel - Verwendung der Klasse: c ¬ Counter new. i ¬ c get. c inc. j ¬ c get. Am Ende des Beispiels hat i den Wert 0 und j den Wert 1.

Diskussion- Interessante Aspekte objektorientierter Programmierung - • Objektmetapher erleichtert Enkapsulierung • Zerlegung von Problemen ist in OOP „natürlich“ • Wiederverwendbarkeit von Code in verschiedenen Szenarien

Diskussion- Probleme der OOP - • Mehrfachvererbung: • Was geschieht, wenn dieselbe Methode von mehreren Oberklassen geerbt werden soll? • Wie geht man vor, wenn zweimal von derselben Klasse geerbt wird? • „Inheritance is not subtyping“: Subklassen sind oft keine Subtypen, Beispiel: • Klasse Point2D besitzt Methodeboolean equal (Point2D q) • Klasse Point3D erbt von Point2D und implementiertboolean equal (Point3D q) Þ Point3D ist kein Subtyp von Point2D

Diskussion • Binary-Methods-Problem: Im Gegensatz zu prozeduraler Programmierung fällt der Objektzugriff bei OOP einseitig aus:Point.add(Point q){ return new Point (this.x + q.x, this.y + q.y);}

Literatur • John C. Mitchell: Concepts in Programming Languages. Cambridge University Press 2003 • Kim Bruce, Luca Cardelli, Giuseppe Castagna, Hopkins Objects Group, Gary T. Leavens, Benjamin Pierce: On Binary Methods, Theory And Practice of Object Systems. • Richard P. Gabriel, Objects Have Failed, OOPSLA Debate 2002 • William Cook, Walter Hill, Peter Canning, Inheritance Is Not Subtyping. Principles of Programming Languages (POPL) 1990

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