Programmierkurs Java

1. Programmierkurs Java Teil Objektorientierte Programmierung Unterrichtseinheit 38 Generics Dr. Dietrich Boles

2. Gliederung • Generics • Motivation • Generische Klassen • Klassendefinition • Objekte / Objektvariablen • Übersetzung • Typ-Kompatibilität • Generische JDK-Klassen • Iterator • Vector • Beispiel • Typ-Parameter mit Einschränkungen • Vererbung • Interfaces • Arrays • Wildcards • new • static • Generische Methoden • Motivation • Beispiele • Zusammenfassung

3. Motivation / Problem • Simulation eines Getränkehandels • Quelle: J. Nowak. Fortgeschrittene Programmierung mit Java 5,dpunkt. • Gegeben: vielerlei Getränke • Gewünscht: typisierte Flaschen, die nur mit Bier, Rotwein oder Weißwein gefüllt werden können Drink Wine Beer RedWine WhiteWine

4. Motivation / Ausgangslage abstract class Drink { } class Beer extends Drink { private String brewery; public Beer(String brewery) { this.brewery = brewery; } public String getBrewery() { return this.brewery; } public String toString() { return this.getClass().getName() + "[" + this.brewery + "]“; } } abstract class Wine extends Drink { private String region; public Wine(String region) { this. region = region; } public String getRegion() { return this.region; } public String toString() { return this.getClass().getName() + "[" + this.region + "]"; } } class WhiteWine extends Wine { public WhiteWine(String region) { super(region); } } class RedWine extends Wine { public RedWine(String region) { super(region); } }

5. Motivation / erste Lösung class Bottle { private Drink content; public boolean isEmpty() { return this.content == null; } public void fill(Drink content) { this.content = content; } public Drink empty() { Drink content = this.content; this.content = null; return content; } } ... Bottle beerBottle = new Bottle(); beerBottle.fill(new WhiteWine("Burgunder")); ... Beer beer = (Beer)beerBottle.empty(); // ClassCastException! Lösung: polymorphe Klasse Probleme: - keine korrekte Lösung - Typ-Unsicherheit

6. Motivation / zweite Lösung abstract class DrinkBottle {} class BeerBottle extends DrinkBottle { private Beer cont; public void fill(Beer content) { this.cont = content; } public Beer empty() { Beer c=this.cont; this.cont=null; return c; } } abstract class WineBottle extends DrinkBottle {} class WhiteWineBottle extends WineBottle { private WhiteWine cont; public void fill(WhiteWine content) { this.cont = content; } public WhiteWine empty() { WhiteWine c=this.cont; this.cont=null; return c; } } class RedWineBottle extends WineBottle { private RedWine cont; public void fill(RedWine content) { this.cont = content; } public RedWine empty() { RedWine c = this.cont; this.cont = null; return c; } } Lösung: Getränk-spezifische Flaschen Problem: Keine Vererbung, keine wirkliche Polymorphie!

7. Motivation / dritte Lösung (1) class Bottle<T> { private T content; public boolean isEmpty() { return this.content == null; } public void fill (T content) { this.content = content; } public T empty() { T content = this.content; this.content = null; return content; } } Lösung: - Generische (parametrisierte) Klasse - T ist formaler Typ-Parameter (Typ-Variable) der Klasse Bottle

8. Motivation / dritte Lösung (2) Bottle<Beer> beerBottle = new Bottle<Beer>(); Bottle<WhiteWine> whiteWineBottle = new Bottle<WhiteWine>(); beerBottle.fill(new Beer("Veltins")); beerBottle.fill(new WhiteWine("Burgunder")); // Fehlermeldung durch Compiler! whiteWineBottle.fill(new WhiteWine("Burgunder")); Beer beer = beerBottle.empty (); System.out.println (beer); WhiteWine whiteWine = whiteWineBottle.empty (); System.out.println (whiteWine); Aktueller Typ-Parameter (Klasse)

9. Generische Klassen / Klassendefinition class C<T> { ... } class D<T> extends T { } class E<T> { T obj; } interface I<T1, T2> { public void setze(T1 obj1, T2 obj2); } class F<T4, T5, T6> implements I<T4, T6> { public T5 liefere() { ...} public void setze(T4 obj1, T6 obj2) { ... } } T kann im weiteren Klassenkopf und im Klassenrumpf (fast) überall da verwendet werden, wo Klassennamen stehen können

10. Generische Klassen / Objekte und Objektvariablen class C<T> { public T f(T t) {...} } class A { } class B { } C<A> obj = new C<A>(); C<B> obj2 = new C<B>(); A a = obj.f(new A()); B b = obj2.f(new B()); A a2 = obj.f(new B()); // Fehlermeldung durch Compiler Formaler Typ-Parameter Parametrisierte Klasse / Typ Aktueller Typ-Parameter (Klasse, kein Standarddatentyp)

11. Generische Klassen / Übersetzung class C<T> { T t; T f(T t) { T t1 = t; this.t = t1; String str = t.toString(); return this.t; } } class C { Object t; Object f(Object t) { Object t1 = t; this.t = t1; String str = t.toString(); return this.t; } } Compiler Raw-Type Daher erlaubt: C obj = new C(); + Meta-Informationen!

12. Generische Klassen / Typ-Kompatibilität class C<T> { ... } class A { } class B { } class D extends A { } C<B>  C<A> // C<A> obj = new C<B>(); Fehler C<D>  C<A> // C<A> obj = new C<D>(); Fehler C<A>  C<Object> // C<Object> = new C<A>(); Fehler C<A>  Object // Object obj = new C<A>(); ok

13. Generische JDK-Klassen / java.util.Iterator public interface Iterator<T> { public boolean hasNext(); public T next(); } public interface Iterable<T> { // in java.lang public java.util.Iterator<T> iterator(); }

14. Generische JDK-Klassen / java.util.Vector public class Vector<T> extends java.util.AbstractList<T> implements Iterable<T>, ... { public Vector(); public Vector(int initCapacity); public boolean add(T obj); public boolean contains(Object obj); public T elementAt(int index); public T get(int index); public void insertElementAt(T o,int i); public boolean remove(Object obj); public int size(); public java.util.Iterator<T> iterator(); ... }

15. Generische JDK-Klassen / Beispiel import java.util.Vector; import java.util.Iterator; public class IteratorBspMitCast { public static void main(String[] args) { Vector speicher = new Vector(); speicher.add(4711); speicher.add(46); speicher.add(33); int summe = 0; Iterator iter = speicher.iterator(); while (iter.hasNext()) { summe += (Integer)iter.next(); } System.out.println(summe); } } Raw-Type Cast notwendig! Compiler-Warnung: ... uses unsafe operations

16. Generische JDK-Klassen / Beispiel import java.util.Vector; import java.util.Iterator; public class IteratorBsp { public static void main(String[] args) { Vector<Integer> speicher = new Vector<Integer>(); speicher.add(4711); speicher.add(46); speicher.add(33); int summe = 0; Iterator<Integer> iter = speicher.iterator(); while (iter.hasNext()) { summe += iter.next(); } System.out.println(summe); } } Kein Cast notwendig!

17. Generische JDK-Klassen / Beispiel import java.util.Vector; public class IteratorBspFor { public static void main(String[] args) { Vector<Integer> speicher = new Vector<Integer>(); speicher.add(4711); speicher.add(46); speicher.add(33); int summe = 0; for (Integer i : speicher) { summe += i; } System.out.println(summe); } } neue for-Schleife

18. Typ-Parameter mit Einschränkungen • Motivationsproblem: Bottle<Object> ist keine Getränkeflasche! • Lösung: Einschränkung des Typ-Parameters class Bottle<T extends Drink> { /* wie auf Folie 7 */ } class Petrol { } class Stout extends Beer { ... } Bottle<Drink> drinkBottle = new Bottle<Drink>(); Bottle<Beer> beerBottle = new Bottle<Beer>(); Bottle<Object> objectBottle = new Bottle<Object>(); // Fehlermeldung durch Compiler Bottle<Petrol> petrolBottle = new Bottle<Petrol>(); // Fehlermeldung durch Compiler Bottle<Stout> stoutBottle = new Bottle<Stout>();

19. Typ-Parameter mit Einschränkungen / Übersetzung class A { public void doIt() {...} } class C<T extends A> { T t; T f(T t) { T t1 = t; this.t = t1; this.t.doIt(); return this.t; } } class C { A t; A f(A t) { A t1 = t; this.t = t1; this.t.doIt(); return this.t; } } Compiler

20. Vererbung class A { } class B<T extends A> { public void f(T t) { ... } } class C<T> extends A { } class D<T extends A> extends B<T> { } class E extends B<A> { public void f(A obj) { ... } // Überschreiben public void f(Object obj) { ... } // Überladen }

21. Interfaces class A { } class B { } interface I<T1 extends A, T2 extends B> { public void f1(T1 t); public void f2(T2 t); } class C implements I<A, B> { public void f1(A t) { ... } public void f2(B t) { ... } } class D implements I<A, A>, I<B, B> { ... } // Fehler: dasselbe Interface nicht zweimal implementieren

22. Arrays mit parametrisierten Klassen (1) • Motivationsproblem: Klasse für Getränke-spezifische Getränkekästen • Problem: Arrays mit parametrisierten Klassen sind nicht erlaubt • Lösung: class BottleBox<T extends Drink> { private Object[] bottles; private int count = 0; public BottleBox(int number) { // this.bottles = new T[number]; nicht erlaubt this.bottles = new Object[number]; } public void add(Bottle<T> bottle) { this.bottles[this.count] = bottle; this.count++; } public Bottle<T> getBottle(int index) { return (Bottle<T>)this.bottles[index]; } } Internes sicheres (!) Cast

23. Arrays mit parametrisierten Klassen (2) BottleBox<Beer> beerBottleBox = new BottleBox<Beer>(6); // Bierkasten füllen for (int i = 0; i < 6; i++) { Bottle<Beer> beerBottle = new Bottle<Beer>(); beerBottle.fill(new Beer("Jever")); beerBottleBox.add(beerBottle); } Bottle<RedWine> wineBottle = new Bottle<RedWine>(); beerBottleBox.add(wineBottle); // Fehlermeldung ... // Bierkasten leeren for (int i = 0; i < 6; i++) { Bottle<Beer> beerBottle = beerBottleBox.getBottle(i); Beer beer = beerBottle.empty (); System.out.println(beer); }

24. Wildcards (1) • Motivationsproblem: Klasse für Getränkekästen mit beliebigen Flaschen • Lösung: „Wildcards“ class BottleBox { private Object[] bottles; private int count = 0; public BottleBox(int number) { this.bottles = new Object[number]; } public void add(Bottle<? extends Drink> bottle) { this.bottles[this.count] = bottle; this.count++; } public Bottle<? extends Drink> getBottle(int index) { return (Bottle<? extends Drink>)this.bottles[index]; } }

25. Wildcards (2) BottleBox box = new BottleBox(6); // Füllen Bottle<Beer> beerBottle = new Bottle<Beer>(); beerBottle.fill(new Beer("Veltins")); box.add (beerBottle); Bottle<WhiteWine> whiteWineBottle = new Bottle<WhiteWine>(); whiteWineBottle.fill (new WhiteWine("Burgunder")); box.add (whiteWineBottle); // Leeren for (int i = 0; i < 6; i++) { Bottle<? extends Drink> bottle = box.getBottle (i); Drink drink = bottle.empty (); System.out.println(drink); }

26. Wildcards (3) class A { } class B { } class C<T> { } C<A> ca = new C<A>(); // ok C<Object> cobj = new C<A>(); // Fehler C obj = new C<A>(); // ok, aber möglichst vermeiden C<?> c1 = new C<A>(); // ok C<?> c2 = new C<B>(); // ok ? steht für irgendeinen Typ

27. Wildcards (4) • Motivationsproblem: Klasse für Getränke-spezifische Getränkekästen • Problem der Lösung auf Folie 22: BottleBox<Beer> • Lösung: class BottleBox<T extends Bottle<? extends Drink>> { private Object[] bottles; private int count = 0; public BottleBox(int number) { this.bottles = new Object[number]; } public void add(T bottle) { this.bottles[this.count] = bottle; this.count++; } public T getBottle(int index) { return (T)this.bottles[index]; } } Semantische Ungereimtheit

28. Wildcards (5) BottleBox<Bottle<Beer>> beerBottleBox = new BottleBox<Bottle<Beer>>(6); // Bierkasten füllen for (int i = 0; i < 6; i++) { Bottle<Beer> beerBottle = new Bottle<Beer>(); beerBottle.fill(new Beer("Jever")); beerBottleBox.add(beerBottle); } ... // Bierkasten leeren for (int i = 0; i < 6; i++) { Bottle<Beer> beerBottle = beerBottleBox.getBottle(i); Beer beer = beerBottle.empty (); System.out.println(beer); }

29. new class A { } class C<T> { T t = new T(); // Fehlermeldung; Grund: Übersetzung // von T nach Object }

30. static class A { } Class B { } class C<T> { static T t; // Fehlermeldung static C<T> c; // Fehlermeldung } C<A> ca = new C<A>(); C<B> cb = new C<B>(); Grund: Der Compiler generiert nur eine (!) Klasse. Beide Objekte würden sich die statischen Attribute teilen.

31. Generische Methoden / Motivation (1) • Motivationsproblem: Umfüllen von Flaschen • Mögliche Lösung: class BottleTransfuser<T extends Drink> { void transfuse(Bottle<T> fromBottle, Bottle<T> toBottle) { T drink = fromBottle.empty(); toBottle.fill(drink); } } BottleTransfuser<Beer> beerTransfuser = new BottleTransfuser<Beer>(); ... • Problem: beerTransfuser kann nur Bierflaschen umfüllen!

32. Generische Methoden / Motivation (2) • allgemeiner Lösung: Generische Methoden class BottleTransfuser { <T extends Drink> void transfuse (Bottle<T> fromBottle, Bottle<T> toBottle) { T drink = fromBottle.empty(); toBottle.fill(drink); } } BottleTransfuser transfuser = new BottleTransfuser (); Bottle<Beer> b1 = new Bottle<Beer>(); b1.fill(new Beer("Jever")); Bottle<Beer> b2 = new Bottle<Beer>(); transfuser.transfuse(b1, b2); Bottle<WhiteWine> b3 = new Bottle<WhiteWine>(); b3.fill(new WhiteWine("Burgunder")); Bottle<WhiteWine> b4 = new Bottle<WhiteWine>(); transfuser.transfuse(b3, b4); transfuser.transfuse(b1, b4); // Fehlermeldung

33. Generische Methoden / Beispiele (1) class A { public void f() {} } class B extends A { } class C { public <T> void f1(T t) { String str = t.toString(); } public static <T extends A> void f2(T t) { t.f(); } } C obj = new C(); C.f2(new A()); obj.f1("Hallo"); C.f2(new B()); obj.f1(4711); C.f2("Hallo"); // Fehlermeldung

34. Generische Methoden / Beispiele (2) class C { public static <T> void f3(T t1, T t2) { } public static <T> T f4(T t1, T t2) { return Math.random() < 0.5 ? t1 : t2; } } C.f3(11, "Hallo"); // Supertyp Object C.f3("Hallo", 11); // Supertyp Object String s2 = C.f4("Hallo", "World"); // Supertyp String String s1 = C.f4(11, "Hallo"); // Fehlermeldung Comparable c1 = C.f4(11, "World"); // Supertyp Comparable Die "T" müssen einen gemeinsamen Supertyp haben

35. Zusammenfassung • Generics: Parametrisierte Klassen • Sinn und Zweck: • Semantische Korrektheit • Vermeidung von Type-Casts • Vermeidung von ClassCast-Exceptions