Predavanje 2 - Osnove OOP-a

1. Uvod
2. Osnovni principi OOP programiranja u Javi
3. Primjer
4. Kompletan program s figurama
5. java.lang.Object
6. Napomene

1. Uvod

Podsjetimo se kako funkcionira standardno, proceduralno programiranje, na primjer u programskom jeziku C. Program započinje izvršavanjem funkcije main koja izvršava postavljeni zadatak pozivanjem drugih funkcija. Program završava kad se izvrše sve instrukcije funkcije main. Osnovni građevni blok programa je, dakle, funkcija. Postavljeni zadatak rješava se tako da se razbije na niz manjih zadaća od kojih se svaka može implementirati u jednoj funkciji. Cijeli program je niz funkcijskih poziva. U takvom stilu programiranja (proceduralno orijentirano programiranje) prvorazrednu ulogu imaju algoritmi, koji su implementirani u funkcijama, dok je značenje podataka drugorazredno.

U objektno orijentiranom programiranju osnovnu ulogu imaju objekti koji sadrže i podatke i funkcije (= metode). Program se konstruira kao skup objekata koji međusobno komuniciraju. Podaci koje objekt sadrži predstavljaju njegovo stanje, dok pomoću metoda on to stanje može mijenjati i komunicirati s drugim objektima.

Dakle, u osnovi svega je objekt koji:

• ima podatke
• ima metode
• jedinstvenu adresu u memoriji
• instance neke konkretne klase; klasa određuje tip objekta

Stoga je sav izvorni kod podijeljen u klase koje se nalaze u istoj ili različitim izvornim datotekama (s ekstenzijom .java).

2. Osnovni principi OOP programiranja u Javi

Vrlo su jednostavni i objašnjeni na primjeru niže:

1. apstrakcija:
   • Program čine objekti koji su instance nekih klasa. Programski  se zadatak rješava modeliranjem klasa i njihovih međusobnih interakcija. Sav Java-kod nalazi se unutar jedne ili više klasa.
2. enkapsulacija:
   • Podatke i metode koje rade s njima slažemo u razumljive cjeline: to su klase.
   • Korisnika objekta (a to je ponovo objekt iz neke druge klase) ne zanima implementacija već samo funkcionalnost koju određeni objekt pruža - stoga sakrivamo implementaciju od korisnika klase pomoću deklaracija private i protected.
3. nasljeđivanje:
   • Ideja: iskoristiti već postojeći kod te ga eventualno i preraditi i proširiti u novoj klasi.
   • Klasa proširuje funkcionalnost već postojeće klase naslijeđujući ili prerađujući (eng. overriding) metode i varijable od svojih prethodnika u hijerahiji klasa i eventualno dodaje nove metode i varijable
   • Vrh hijerahije klasa u Javi je klasa java.lang.Object.
4. polimorfizam:
   • Često umjesto da direktno referiramo na objekt iz proširene klase mi referiramo na objekt iz njegove bazne klase. Iako mi referiramo na objekt iz bazne klase, sistem zna točno da treba pozvati odgovarajuću metodu iz proširene klase, a ne onu bazne klase.

3. Primjer

Klasa geometrijska figura može apstrahirati sve geometrijske figure u ravnini (kružnice, kvadrate, pravokutnike, dužine, ...). Recimo klasa Figura može biti modelirana ovako:

 1  class Figura {
 2   // podatak
 3      int boja_Figure;
 4
 5   // metode
 6      void  nacrtaj() {
 7          // implementacija
 8      }
 9
10      void  nacrtaj(int boja) {
11          // implementacija
12      }
13
14      String ime_figure(){
15          // implemetnacija
16      }
17   }

Komentari:

• Klasa je osnovna programska cjelina u Javi. Ona predstavlja generalizaciju pojma strukture iz programskog jezika C. Kao i struktura, klasa je samo nacrt po kome se konstruiraju objekti. Za razliku od strukture, klasa pored varijabli članica sadrži i metode (= funkcije koje su članice strukture).
• Klasa Figura "čuva" jedan cjelobrojni podatak: int boja_Figure; i tri metode.
• Vidimo da klasa Figura ima dvije metode istog imena, ali s različitim brojem formalnih parametara -- to je tzv. preopterećenje (tvz. overloading). Java pri identifikaciji funkcije koristi ne samo njeno ime, već i broj i tip parametara; nije moguće imati dvije metode istog imena, ali različitih povratnih vrijednosti -razlog je jednostavan: to nema smisla; povratna vrijednost za metode istog imena mora biti ista, ali se može dobivati na više načina, ovisno o tome kakve ulazne podatke (formalni parametri) imamo.
• Klasa Figura nema main metodu pa stoga ne predstavlja potpuni program. Svaki program u Javi, isto kao i u jeziku C, započinje izvršavanjem main metode. Stoga jedna od klasa u programu (i samo jedna) mora i mati main metodu. Ta metoda mora biti deklarirana public i static, što će biti kasnije objašnjeno.
• Klasa je samo nacrt prema kojem se kreiraju objekti, odnosno, klasa je tip objekta. Da bismo kreirali objekt tipa Figura moramo konstruirati novu klasu koja će imati main metodu u kojoj ćemo takav objekt instancirati. Kreiranje objekata dane klase zovemo instanciranjem objekata, a same objekte zovemo instancama dane klase: za instanciranje koristimo operator new.

---

 1  class  KorisnikFigure{
 2
 3      public static void main(String args[]) {
 4
 5         // fig je objekt koji reprezentira klasu Figura.          
 6         // 
 7
 8            Figura fig=new Figura();
 9
10            KorisnikFigure kf = new KorisnikFigure();
11            kf.ucini_nesto(fig);
12      }
13
14      void ucini_nesto(Figura x) {
15            x.nacrtaj();
16      }
17  }

---

• Klasa KorisnikFigure ima deklarirane dvije metode, od kojih je jedna main. Kada kompiliramo program koji sadrži klasu KorisnikFigure i pokrenemo ga, počet će se izvršavati njegova main metoda. U njoj se u liniji 8 instancira novi objekt tipa Figura. Varijabla fig (tipa Figura) je referenca na taj objekt. Štoviše, u liniji 10 se instancira objekt klase KorisnikFigure (što se može činiti bizarno) i nakon toga se na tom objektu (varijabla kf) poziva njegova metoda ucini_nesto, kojoj se kao argument daje objekt fig.
• Da bismo pozvali metodu neke klase, na primjer metodu ucini_nesto u klasi KorisnikFigure, ili metodu nacrtaj klase Figura, moramo prvo instancirati objekt te klase i zatim metodu pozvati na objektnoj varijabli pomoću dot-operatora: na primjer,

              kf.ucini_nesto(fig);
  

• Statičke metode (deklarirane static) su posebne po tome što ne trebaju instancirani objekt da bi bile pozvane. Zato main mora biti static -- na početku izvršavanja programa nema instanciranog objekta.
• Uočimo da nakon što smo definirali klasu Figura možemo deklarirati varijable i argumente metoda tipa Figura. Svaka klasa koju formiramo postaje na taj način novi tip podatka.
• Kvadrat je svakako geometrijska figura, te je smisleno modelirati tu klasu tako da naslijedi metode iz Figure, te da definira neke nove.

  ---

   1  class Kvadrat extends Figura{
   2
   3   //nasljedjuje sve iz Figure i dodaje novu varijablu  i metodu
   4
   5      int duljina_stranice;
   6
   7      int povrsina(){
   8          return duljina_stranice*duljina_stranice;
   9      }
  10
  11   //klasa Kvadrat preradjuje metodu nacrtaj
  12
  13       void nacrtaj(){ //neka nova implementacija
  14       }
  15  }
  

  ---

• Ključna riječ extends signalizira da se klasa Kvadrat konstruira proširenjem klase Figura. U osnovi to znači da klasa Kvadrat nasljeđuje sve podatke i metode iz klase Figura, te deklarira samo nove varijable i metode (uz neka ograničenja koja će kasnije biti objašnjena). U toj situaciji govorimo da klasa Kvadrat proširuje klasu Figura i da je Figura nadklasa Kvadrata (Kvadrat je podklasa Figure).
• Podklasa može ponovo deklarirati metodu deklariranu u nadklasi. To je slučaj s metodom nacrtaj. U tom slučaju kažemo da je metoda prerađena, tj. podklasa daje novu implementaciju metode iz nadklase.
• Reprezentacija klase u memoriji naziva se objekt. Općenito program može imati više objekata koji reprezentiraju istu klasu.
• Dio koda koji instancira objekt dane klase može izgledati ovako:

  ---

    Kvadrat kv=new Kvadrat();
    kv.nacrtaj();  //taj nacrtaj() je preradjen u klasi kvadrat
    kv.nacrtaj(3);  //ovaj nacrtaj(int) je iz klase klase Figura
    

  ---

• Nije nužno da klasa ima samo jednu podklasu tj. iz dane klase se može proširivanjem dobiti više klasa (primjer je klasa Krug malo niže). Medjutim, dana klasa može proširivati samo jednu nadklasu. C++ ima mogućnost višestrukog naslijeđivanja, ali u praksi se najčešće koristi kroz mehanizam višestrukog nasljeđivanja sučelja (eng. interface). Analogon toga u Javi je mogućnost klase da implementira više sučelja. Sučelja u Javi ćemo jako puno koristiti na isti način na koji se ona koriste i u C++-u.

  ---

  1  class Krug extends Figura{
  2      //vraća ime nase figure
  3      String ime_figure(){
  4          return "Krug";
  5       }
  6   }
  

  ---

• Polimorfizam: Svaki kvadrat je ujedno figura i stoga smo klasu Kvadrat konstruirali proširenjem klase Figura (uočite da se proširenjem klasu specijalizira). Prirodno je stoga da svaka metoda koja kao argument očekuje objekt tipa Figura, prihvati objekt tipa Kvadrat (ili Krug). To se naziva polimorfizam -- jedan objekt promatramo na različitim razinama apstrakcije.
• Polimorfizam ilustrira upotreba metode učini nešto klase KorisnikFigure

  ---

  KorisnikFigure korisnik = new KorisnikFigure();
  Kvadrat        kv       = new Kvadrat();
     //pozovimo metodu ucini_nesto
  korisnik.ucini_nesto(kv);
     //pozvali smo metodu na objektu prosirene klase
  

  ---

  Metoda ucini_nesto uzima parametar tipa Figura a pozvana je s parametrom tipa Kvadrat. To je dozvoljeno stoga što je Kvadrat podklasa klase Figura i prevodilac će izvršiti implicitnu konverziju reference. Izvedbena okolina, s druge strane, pamti da je stvarni tip reference predane metodi ucini_nesto. Na osnovu toga metoda ucini_nesto ne poziva metod nacrtaj() iz klase Figura već prerađenu metodu iz klase Kvadrata. Na taj način pišemo kod koji je neovisan o tome kakvu konkretno figuru želimo crtati; za sada imamo samo Kvadrat, Kruznicu, a kasnije možemo dodati kakve hoćemo figure i preraditi metodu nacrtaj() kako hoćemo, ali uvijek će se pozivati prava implementacija metode nacrtaj(). Dakle, kod metode ucini_nesto ne ovisi o konkretnoj prirodi figure. Ovo je sama srž OOP programiranja!
• Varijabla kv je referenca na objekt. Reference ćemo detaljnije objasniti na sljedećim predavanjima; istaknimo samo da su reference po svojim svojstvima slične pokazivačima u jezicima C/C++. Uočite da se objekti instanciraju s operatorom new koji je analogon funkcije malloc iz C-a.
• U C++-u metoda (naziva se funkcija) mora biti opisana ključnom riječi virtual da bi realizirala polimorfizma u Javi (vidite niže za primjer). Na taj način u C++ imamo potpunu kontrolu oko toga koje metode su polimorfne, a koje ne.

4. Kompletan program s figurama

Program se sastoji od četiri izvorne datoteke KorisnikFigure.java Figura.java, Kvadrat.java, te Krug.java.

         javac KorisnikFigure.java
   

         java KorisnikFigure 
   

Proučite što program radi te koje principe OOP-a možemo na njemu prepoznati. Korisno je komparirati jezike. Za one koje zanima isti program ali u C++-u i upute kako se prevodi nalaze se ovdje ovdje. C++ je jezik temeljen na C-u i sintaksa će vam biti vrlo bliska.

5. java.lang.Object

Sve klase (i sistemske i naše) u Javi su direktno ili indirektno izvedene iz ove klase. Štoviše, ako se eksplicitno ne specificira nadklasa dane klase, onda je ona uvijek java.lang.Object. Npr. HelloWorld zapravo se prevodi kao:

1  class HelloWorld extends Object{
2
3     public static void main(String[] args){
4
5         System.out.println("Hello, World");
6
7         }
8  }

Mi ćemo često prerađivati metodu

 
   String toString()
    
  

Kasnije u radu sa dretvama (eng. threads) upoznat ćemo i neke druge metode te klase.

6. Napomene

1. Ako ste dokumentaciju instalirali u C:\docs, ona u web pregledniku otvorite file:///C:/docs/api/index.html da vidite dokumentaciju o svim klasama i paketima koje čine Java API. Ovo ćete jako puno koristiti u ovom kolegiju. Ista dokumentacija se on-line može vidjeti na http://java.sun.com/j2se/1.3/docs/api/.

2. Glavna stranica dokumentacije je file:///C:/docs/index.html i ako se spustite niže do linka Java 2 Platform API Specification (NO FRAMES) doći ćete isto na file:///C:/docs/api/index.html.

3. Pretpostavimo da ste Java SDK instalirali u C:\java. Onda se u tom direktoriju nalazi datoteka src.zip. Otpakirajte je. Ona sadrži izvorni kod za Java API. Često je interesantno vidjeti kako su neke sistemske klase implementirane. Java spada u otvoreno računarstvo!

4. Precizne specifikacije jezika mogu se besplatno čitati ili skinuti sa inteneta u HTML ili PDF formatu http://java.sun.com/docs/books/jls/index.html.

Mnoštvo besplatnih knjiga u Javi može se naći http://java.sun.com/docs/index.html.