Objektorientierte Programmierung

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Objektorientierte Programmierung

• Proseminar Programmiersysteme 31.03.2004
• Lehrstuhl für Programmiersysteme Prof. Gert
  Smolka
• Vortragender Philipp Brendel
• Tutor Andreas Rossberg

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Gliederung

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

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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

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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

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Konzepte der OOP- Ein Beispiel in ML -

• Implementierung eines Zählers mit Prozeduren zur
  Abfrage (get) und Erhöhung (inc)
• Realisierung durch ProzedurnewCounter unit -gt
  counterzur Erzeugung neuer Objekte des Typs
  counter

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Konzepte der OOP- Ein Beispiel in ML -

• type counter getunit -gt int, incunit -gt
  unit
• fun newCounter () let
• val n ref 0
• in
• get fn () gt !n,
• inc fn () gt n !n 1
• end
• gt newCounter fn unit -gt counter

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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 ()gt val c
  ... counter- val i get(c) ()gt val i 0
  int- inc(c) ()gt val it () unit- val j
  get(c) ()gt val j 1 int

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Konzepte der OOP- Ein Beispiel in ML -

• Erweiterung des Zählers um eine Reset-Prozedur
• type reset_counter getunit -gt int,
• incunit -gt unit,
• resetunit -gt unit
• fun newResetCounter () let
• val n ref 0
• in
• get fn () gt !n,
• inc fn () gt n !n 1,
• reset fn () gt n 0
• end

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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 (ccounter) inc(c) () get(c) ()
• gt val f fn counter -gt int
• - val (c, c) (newCounter (),
  newResetCounter())
• gt val c ... counter
• val c ... reset_counter
• - f c
• gt val it 1 int
• - f c
• gt val it 1 int

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Konzepte der OOP- Subtyping -

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

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Konzepte der OOP- Subtyping -

• Erweiterung des Typsystems mit Typrelation R um
  eine Subsumtionsregel, die Subtyping ermöglicht

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

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Java

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

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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

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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)

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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.

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Smalltalk

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

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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

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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

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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

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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

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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.

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Diskussion- Interessante Aspekte
objektorientierter Programmierung -

• Objektmetapher erleichtert Enkapsulierung
• Zerlegung von Problemen ist in OOP natürlich
• Wiederverwendbarkeit von Code in verschiedenen
  Szenarien

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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

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Diskussion

• Binary-Methods-Problem Im Gegensatz zu
  prozeduraler Programmierung fällt der
  Objektzugriff bei OOP einseitig
  ausPoint.add(Point q) return new Point
  (this.x q.x, this.y q.y)

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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