Video introductiv: link

Scopul acestui laborator este familiarizarea studenților cu noțiunile de agregare și de moștenire a claselor.

Aspectele urmărite sunt:

• studierea mecanismului de moștenire
• înțelegerea diferenței între moștenire și agregare
• downcasting și upcasting

Agregarea și compunerea se referă la prezența unei referințe pentru un obiect într-o altă clasă. Acea clasă practic va refolosi codul din clasa corespunzătoare obiectului.

• Agregarea (aggregation) - obiectul-container poate exista și în absența obiectelor agregate, de aceea este considerată o asociere slabă (weak association). În exemplul de mai jos, un raft de bibliotecă poate exista și fără cărți.
• Compunerea (composition) - este o agregare puternică (strong), indicând că existența unui obiect este dependentă de un alt obiect. La dispariția obiectelor conținute prin compunere, existența obiectului container încetează. În exemplul de mai jos, o carte nu poate exista fără pagini.

Inițializarea obiectelor conținute poate fi făcută în 3 momente de timp distincte:

• la definirea obiectului (înaintea constructorului: folosind fie o valoare inițială, fie blocuri de inițializare)
• în cadrul constructorului
• chiar înainte de folosire (acest mecanism se numește inițializare leneșă (lazy initialization))

Exemple de cod:

Compunere:

public class Foo {
    // Obiectul Bar nu poate exista dacă obiectul Foo nu există
    private Bar bar = new Bar();
}

Agregare:

public class Foo { 
    private Bar bar; 
 
    // Obiectul Bar poate continua să existe chiar dacă obiectul Foo nu există
    Foo(Bar bar) {
       this.bar = bar; 
    }
}

Exemplu practic:

class Page {
    private String content;
    public int numberOfPages;
 
    public Page(String content, int numberOfPages) {
       this.content        = content;
       this.numberOfPages  = numberOfPages;
    }
}
 
class Book {
    private String title; 			// Compunere
    private Page[] pages; 			// Compunere
    private LibraryRow libraryRow = null; 	// Agregare
 
    public Book(int size, String title, LibraryRow libraryRow) {
        this.libraryRow = libraryRow; 
        this.title = title;
 
        pages = new Page[size];
 
        for (int i = 0; i < size; i++) {
           pages[i] = new Page("Page " + i, i);
        }
    }	
}
 
class LibraryRow {
    private String rowName = null; 		// Agregare
 
    public LibraryRow(String rowName) {
        this.rowName = rowName;
    }
}
 
class Library {
 
    public static void main(String[] args) {	
        LibraryRow row = new LibraryRow("a1");
        Book book = new Book(100, "title", row);
 
        // După ce nu mai există nici o referință la obiectul Carte,
        // Garbage Collector-ul va șterge (la un moment dat, nu 
        // neapărat imediat) acea instanță, dar obiectul LibraryRow
        // transmis constructorului nu este afectat.
 
        book = null;
    }
}

Numită și derivare, moștenirea este un mecanism de refolosire a codului specific limbajelor orientate obiect și reprezintă posibilitatea de a defini o clasă care extinde o altă clasă deja existentă. Ideea de bază este de a prelua funcționalitatea existentă într-o clasă și de a adăuga una nouă sau de a o modela pe cea existentă.

Clasa existentă este numită clasa-părinte, clasa de bază sau super-clasă. Clasa care extinde clasa-părinte se numește clasa-copil (child), clasa derivată sau sub-clasă.

Când se folosește moștenirea și când agregarea?

Răspunsul la această întrebare depinde, în principal, de datele problemei analizate dar și de concepția designerului, neexistând o rețetă general valabilă în acest sens. În general, agregarea este folosită atunci când se dorește folosirea trăsăturilor unei clase în interiorul altei clase, dar nu și interfața sa (prin moștenire, noua clasă ar expune și metodele clasei de bază). Putem distinge două cazuri:

• uneori se dorește implementarea funcționalității obiectului conținut în noua clasă și limitarea acțiunilor utilizatorului doar la metodele din noua clasă (mai exact, se dorește să nu se permită utilizatorului folosirea metodelor din vechea clasă). Pentru a obține acest efect se va agrega în noua clasă un obiect de tipul clasei conținute și având specificatorul de acces private.
• obiectul conținut (agregat) trebuie/se dorește a fi accesat direct. În acest caz vom folosi specificatorul de acces public. Un exemplu în acest sens ar fi o clasă numită Car care conține ca membrii publici obiecte de tip Engine, Wheel etc.

Moștenirea este un mecanism care permite crearea unor versiuni “specializate” ale unor clase existente (de bază). Moștenirea este folosită în general atunci când se dorește construirea unui tip de date care să reprezinte o implementare specifică (o specializare oferită prin clasa derivată) a unui lucru mai general. Un exemplu simplu ar fi clasa Dacia care moștenește clasa Car.

Diferența dintre moștenire și agregare este de fapt diferența dintre cele 2 tipuri de relații majore prezente între obiectele unei aplicații :

• is a - indică faptul că o clasă este derivată dintr-o clasă de bază (intuitiv, dacă avem o clasă Animal și o clasă Dog, atunci ar fi normal să avem Dog derivat din Animal, cu alte cuvinte Dog is an Animal)
• has a - indică faptul că o clasă-container are o clasă conținută în ea (intuitiv, dacă avem o clasă Car și o clasă Engine, atunci ar fi normal să avem Engine referit în cadrul Car, cu alte cuvinte Car has a Engine)

Convertirea unei referințe la o clasă derivată într-una a unei clase de bază poartă numele de upcasting. Upcasting-ul este facut automat și nu trebuie declarat explicit de către programator.

Exemplu de upcasting:

class Instrument {
    public void play() {}
 
    static void tune(Instrument i) {
        i.play();
    }
} 
 
// Obiectele Wind sunt instrumente
// deoarece au aceeași interfață:
public class Wind extends Instrument {
    public static void main(String[] args) {
        Wind flute = new Wind();
        Instrument.tune(flute); // !! Upcasting automat pentru că metoda primește
                                // un obiect de tip Instrument, nu un obiect de tip Wind
                                // Deci ar fi redundant să faci un cast explicit cum ar fi:
                                // Instrument.tune((Instrument) flute)
    }
}

Deși obiectul flute este o instanță a clasei Wind, acesta este pasat ca parametru în locul unui obiect de tip Instrument, care este o superclasa a clasei Wind. Upcasting-ul se face la pasarea parametrului. Termenul de upcasting provine din diagramele de clase (în special UML) în care moștenirea se reprezintă prin 2 blocuri așezate unul sub altul, reprezentând cele 2 clase (sus este clasa de bază iar jos clasa derivată), unite printr-o săgeată orientată spre clasa de bază.

Downcasting este operația inversă upcast-ului și este o conversie explicită de tip în care se merge în jos pe ierarhia claselor (se convertește o clasă de bază într-una derivată). Acest cast trebuie făcut explicit de către programator. Downcasting-ul este posibil numai dacă obiectul declarat ca fiind de o clasă de bază este, de fapt, instanță clasei derivate către care se face downcasting-ul.

Iată un exemplu în care este folosit downcasting:

class Animal {
    public void eat() {
        System.out.println("Animal eating");
    }
}
 
class Wolf extends Animal {
    public void howl() {
        System.out.println("Wolf howling");
    }
 
    public void eat() {
        System.out.println("Wolf eating");
    }
}
 
class Snake extends Animal {
    public void bite() {
        System.out.println("Snake biting");
    }
}
 
class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a [] = new Animal[2];
 
        a[0] = new Wolf();    // Upcasting automat
        a[1] = new Snake();   // Upcasting automat
 
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            a[i].eat(); // 1
 
            if (a[i] instanceof Wolf) {
                ((Wolf)a[i]).howl(); // 2
            }
 
            if (a[i] instanceof Snake) {
                ((Snake)a[i]).bite(); // 3
            }
        }
    }
} 

Codul va afișa:

Wolf eating
Wolf howling
Animal eating
Snake biting

În liniile marcate cu 2 și 3 se execută un downcast de la Animal la Wolf, respectiv Snake pentru a putea fi apelate metodele specifice definite în aceste clase. Înaintea execuției downcast-ului (conversia de tip la Wolf respectiv Snake) verificăm dacă obiectul respectiv este de tipul dorit (utilizând operatorul instanceof). Dacă am încerca să facem downcast către tipul Wolf al unui obiect instantiat la Snake mașina virtuală ar semnala acest lucru aruncând o excepție la rularea programului.

Apelarea metodei eat() (linia 1) se face direct, fără downcast, deoarece această metodă este definită și în clasa de bază Animal. Datorită faptului că Wolf suprascrie (overrides) metoda eat(), apelul a[0].eat() va afișa “Wolf eating”. Apelul a[1].eat() va apela metoda din clasă de bază (la ieșire va fi afișat “Animal eating”) deoarece a[1] este instantiat la Snake, iar Snake nu suprascrie metoda eat().

Totuși, deși v-am ilustrat cum instanceof ne poate ajuta să ne dăm seama la ce să facem downcasting, este de preferat să ne organizăm clasele și designul codului în așa fel încât să lăsăm limbajul Java să facă automat verificarea tipului și să cheme metoda corespunzătoare. Vom refactororiza codul anterior pentru a nu fi nevoie de instanceof:

class Animal {
    public void eat() {
        System.out.println("Animal eating");
    }
 
    public void action() {
        // avem nevoie de această metodă deoarece vom crea un vector
        // cu instanțe Animal și vom apela această metodă pe ele
    }
}
 
class Wolf extends Animal {
    public void action() {
        System.out.println("Wolf howling");
    }
 
    public void eat() {
        System.out.println("Wolf eating");
    }
}
 
class Snake extends Animal {
    public void action() {
        System.out.println("Snake biting");
    }
}
 
class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a [] = new Animal[2];
 
        a[0] = new Wolf();
        a[1] = new Snake();
 
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            a[i].eat();
 
            // acum că ele sunt numite la fel, putem apela metoda action
            // din clasa Animal (observați de ce a fost nevoie să definim
            // metoda action în clasa Animal), iar metoda corespunzătoare
            // va fi apelată pentru tipul specific al instanței a[i]
 
            a[i].action();
        }
    }
} 

Codul va afișa:

Wolf eating
Wolf howling
Animal eating
Snake biting

• face codul repetitiv - downcasting și apelare de metodă la fiecare branch de if/else
• face codul mai greu de întreținut pe termen lung - codul principal trebuie updatat de fiecare dată când se introduce o nouă subclasă (vezi exemplul de mai sus - introducerea unui noi clase derivate din Animal va determina un alt branch de if/else)
• face codul mai dificil de citit - este mult mai ușor să ne uităm la metodele suprascrise cu tag-ul @Override decât să căutam fiecare metoda cu un nume diferit pe rând
• distruge designul orientat-obiect din perspectiva polimorfismului
• încalcă open-closed principle
• nu poate fi folosit cu tipuri generice, instanceof fiind un type comparison operator ce va compara la runtime, în schimb genericitatea fiind rezolvată la compile-time. Mai multe detalii aici si in laboratorul 11 despre genericitate.

Soluții pentru evitarea instanceof:

• polimorfism
• Visitor

În Java, clasele și membrii acestora (metode, variabile, clase interne) pot avea diverși specificatori de acces, prezentați pe wiki în Organizarea surselor și controlul accesului.

• specificatorul de acces protected - specifică faptul că membrul sau metoda respectivă poate fi accesată doar din cadrul clasei înseși sau din clasele derivate din această clasă. Clasele nu pot avea acest specificator, doar membrii acestora!
• specificatorul de acces private - specifică faptul că membrul sau metoda respectivă poate fi accesată doar din cadrul clasei înseși, nu și din clasele derivate din această clasă. Clasele nu pot avea acest specificator, doar membrii acestora!

Constructorii nu se moștenesc și pot fi apelați doar în contextul unui constructor copil. Apelurile de constructor sunt înlănțuite, ceea ce înseamnă că înainte de a se inițializa obiectul copil, mai întâi se va inițializa obiectul părinte. În cazul în care părintele este copil la rândul lui, se va înițializa părintele lui (până se va ajunge la parintele suprem – root).

Pe lângă reutilizarea codului, moștenirea dă posibilitatea de a dezvolta pas cu pas o aplicație (procedeul poartă numele de incremental development). Astfel, putem folosi un cod deja funcțional și adaugă alt cod nou la acesta, în felul acesta izolându-se bug-urile în codul nou adăugat. Pentru mai multe informații citiți capitolul Reusing Classes din cartea Thinking în Java (Bruce Eckel)

Suprascrierea (overriding) presupune înlocuirea funcționalității din clasa/clasele părinte pentru instanța curentă. Supraîncărcarea (overloading) presupune furnizarea de funcționalitate în plus, fie pentru metodele din clasa curentă, fie pentru clasa/clasele părinte.

public class Car {
    public void print() {
        System.out.println("Car");
    }
 
    public void init() {
        System.out.println("Car");
    }
 
    public void addGasoline() {
        // do something
    }
}
 
class Dacia extends Car {
    public void print() {
        System.out.println("Dacia");
    }
 
    public void init() {
        System.out.println("Dacia");
    }
 
    // Exemplu de suprascriere
    public void addGasoline() {
        // do something
    }
 
    // Exemplu de supraîncărcare
    public void addGasoline(Integer gallons) {
        // do something
    }
}

Metodele dependente de instanță sunt polimorfice (la runtime pot avea diferite implementări) deci ele pot fi suprascrise sau supraîncarcăte. Metoda print este suprascrisă în clasa Dacia ceea ce înseamnă că orice instanță, chiar dacă se face cast la tipul Car metoda ce se va apela va fi mereu metoda print din clasa Dacia. Metoda addGasoline este supraîncărcată ceea ce înseamnă că putem executa metode cu semnături diferite dar același nume (cel mai folosit in crearea metodelor de conversie).

Car a = new Car();
Car b = new Dacia();
Dacia c = new Dacia();
Car d = null;
 
a.print(); // afișează Car
b.print(); // afișează Dacia
c.print(); // afișează Dacia
d.print(); // aruncă NullPointerException

Suprascrierea nu se aplică și metodelor statice pentru că ele nu sunt dependente de instanță. Dacă în exemplul de mai sus facem metodele print din Car și din Dacia statice, rezultatul va fi următorul:

Car a = new Car();
Car b = new Dacia();
Dacia c = new Dacia();
Car d = null;
 
a.print(); // afișează Car
b.print(); // afișează Car pentru că tipul dat la inițializare al lui b este Car
c.print(); // afișează Dacia pentru că tipul dat la inițializare al lui c este  Dacia
d.print(): // afișează Car pentru că tipul dat la inițializare al lui d este Car

Una din problemele cele mai des întâlnite este suprascrierea corectă a metodei equals. Mai jos putem vedea un exemplu de suprascriere incorectă a acestei metode.

public class Car {
    public boolean equals(Car c) {
        System.out.println("Car");
        return true;
    }
 
    public boolean equals(Object o) {
        System.out.println("Object");
        return false;
    }
}

Prima metodă este o supraîncărcare a metodei equals iar a doua metodă este suprascrierea metodei equals.

Car a = new Car();
Dacia b = new Dacia();
Int c = new Int(10);
 
a.equals(a); // afișează Car
a.equals(b); // afișează Car deoarece se face upcasting de la Dacia la Car
a.equals(c); // afișează Object deoarece se face upcasting de la Int la Object

Problema care se poate observa este că putem pasa ca argumente metodei equals si tipuri de date diferite de Car, lucru ce ar putea arunca excepții de cast sau când vrem să accesăm anumite proprietăți din instanță. Mai jos este modul corect de suprascrie metoda equals.

public class Car {
    public boolean equals(Car c)
    {
        return true;
    }
 
    public boolean equals(Object o)
    {
        if (o == this) {
            return true;
        }
 
        if (!(o instanceof Car)) {
            return false;
        }
 
        return equals((Car) o);
    }
}

De reținut că folosirea instanceof nu este recomandată, însă în acest caz este singurul mod prin care ne putem asigura ca instanța de obiect trimisă metodei este de tip Car.

Cuvântul cheie super se referă la instanța părinte a clasei curente. Acesta poate fi folosit în două moduri: apelând o metoda suprascrisă (overriden) sau apelând constructorul părinte.

public class Superclass {
 
    public void printMethod() {
        System.out.println("Printed in Superclass.");
    }
}
 
public class Subclass extends Superclass {
 
    // overrides printMethod in Superclass
    public void printMethod() {
        super.printMethod();  // apelează metoda părinte
 
        System.out.println("Printed in Subclass.");
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        Subclass s = new Subclass();
        s.printMethod();
    }
}

Codul va afișa:

Printed in Superclass.
Printed in Subclass.

class Superclass {
    public Superclass() {
       System.out.println("Printed in Superclass constructor with no args.");
    }
 
    public Superclass(int a) {
       System.out.println("Printed in Superclass constructor with one integer argument.");
    }
}
 
class Subclass extends Superclass {
    public Subclass() {
        super();    // apelează constructorul părinte
                    // acest apel trebuie să fie pe prima linie a constructorului !!
 
        System.out.println("Printed in Subclass constructor with no args.");
    }
 
    public Subclass(int a) {
        super(a);   // apelează constructorul părinte
                    // acest apel trebuie să fie pe prima linie a constructorului !!
 
        System.out.println("Printed in Subclass constructor with one integer argument.");
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        Subclass s1 = new Subclass(20);
        Subclass s2 = new Subclass();
    }
}

Codul va afișa:

Printed in Superclass constructor with one integer argument.
Printed in Subclass constructor with one integer argument.
Printed in Superclass constructor with no args.
Printed in Subclass constructor with no args.

Clasa ArrayList este un array redimensionabil, iar această clasă poate fi găsită în pachetul java.util. Principalele metode ale acestei clase sunt:

• add() - adaugă un element la ArrayList.
• get() - accesează elementul de pe o anumită poziție din ArrayList.
• size() - returnează numărul de elemente din ArrayList.
• set() - modifica un element de pe o anumită poziție din ArrayList.
• remove() - șterge un element de pe o anumită poziție din ArrayList.
• clear() - șterge toate elementele din ArrayList.

Pentru a putea parcurge elementele unui ArrayList se poate folosit atât un for-each, cât și clasa Iterator. Un exemplu de utilizare a metodelor clasei ArrayList și de parcurgere a elementelor stocate de această clasă este următorul:

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) { 
 
        ArrayList<String> animals = new ArrayList<>();
        animals.add("Dog");
        animals.add("Cat");
        animals.add("Sheep");
 
        System.out.println("First animal from the list is: " + animals.get(0));
        System.out.println("Number of animals from the list: " + animals.size());
 
        animals.set(0, "Lion");
        System.out.println("First animal from the list is: " + animals.get(0));
 
        animals.remove(0);
 
        for (String animal : animals) {
            System.out.println(animal);
        }
 
        Iterator iterator = animals.iterator();
        while(iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
 
        animals.clear(); 
    }
}

Relații între obiecte:

• Agregare - has a
• Moștenire - is a

Upcasting

• convertire copil ⇒ părinte
• realizată automat

Downcasting

• convertire părinte ⇒copil
• trebuie făcută explicit de către programator
• încercați să evitați folosirea operatorului instanceof

Suprascrierea

• înlocuirea funcționalității metodei din clasa de bază în clasa derivată
• păstreaza numele și semnătura metodei

Supraincărcarea

• în interiorul clasei pot exista mai multe metode cu același nume, cu condiția ca semnătura (tipul, argumentele) să fie diferită

super

• instanța clasei părinte
• amintiți-vă din laboratorul anterior că this se referă la instanța clasei curente

Gigel vrea să-i facă mamei sale un cadou de ziua ei și știe că-i plac foarte mult bomboanele. El are nevoie de ajutorul vostru pentru a construi cel mai frumos și gustos cadou:

Task 1 [2p]

Veți proiecta o clasă CandyBox, care va conține câmpurile private flavor (String) și origin (String). Clasa va avea, de asemenea:

• un constructor fără parametri
• un constructor ce va inițializa toate câmpurile
• o metodă de tip float getVolume(), care va întoarce valoarea 0;
• Întrucât clasa Object se află în rădăcina arborelui de moștenire pentru orice clasă, orice instanță va avea acces la o serie de facilități oferite de Object. Una dintre ele este metoda toString(), al cărei scop este de a oferi o reprezentare unei instanțe sub forma unui șir de caractere, utilizată în momentul apelului System.out.println(). Adăugați o metodă toString(), care va returna flavor-ul și regiunea de proveniență a cutiei de bomboane.

Task 2 [2p]

Din ea derivați clasele Lindt, Baravelli, ChocAmor. Pentru un design interesant, cutiile vor avea forme diferite:

• Lindt va conține length, width, height (float);
• Baravelli va fi un cilindru. Acesta va conține un câmp radius și unul height (float);
• ChocAmor, fiind un cub, va conține un camp length (float);

Clasele vor avea:

• constructori fără parametri
• constructori care permit inițializarea membrilor. Identificați o modalitate de reutilizare a codului existent. Pentru fiecare tip de cutie veți inițializa, în constructor, câmpurile flavor și origin cu tipul corespunzător
• Suprascrieți metoda getVolume() pentru a întoarce volumul specific fiecărei cutii de bomboane, în funcție de tipul său.
• Suprascrieți metoda toString() în clasele derivate, astfel încât aceasta să utilizeze implementarea metodei toString() din clasa de bază. Returnați un mesaj de forma “The ” + origin + ” ” + flavor + ” has volume ” + volume;

Task 3 [1p]

Adăugați o metodă equals() în clasa CandyBox. Justificați criteriul de echivalentă ales. Vedeți metodele clasei Object, moștenită de toate clasele - Object are metoda equals, a cărei implementare verifică echivalența obiectelor comparând referințele. Creați obiecte de tip Lindt și testați egalitatea lor.

Task 4 - Upcasting [2p]

Acum că am stabilit tipul cutiilor de bomboane, putem construi cadoul, rămânând la latitudinea vostră care va fi designul lui. În pachetul java.util se găsește clasa ArrayList, care definește un resizable array, cu metodele specifice (add, size, get, lista lor completa este în documentatie). Creați o clasă CandyBag, care va conține un ArrayList cu mai multe cutii din fiecare tip.

Task 5 - Downcasting [1p]

Adăugați clasei Baravelli, funcția printBaravelliDim(), care va afișa dimensiunile razei și înălțimii. În mod analog, procedați cu celelalte tipuri de cutii, adaugând metodele printChocAmorDim() și printLindtDim(), în care să afișați dimensiunile fiecărei cutii.

Task 6 - Agregare [2p]

Gigel va vrea sa trimită prin curier cadoul, pentru a nu-l găsi mama lui mai devreme. Ajutați-l să determine locația, creând clasa “Area”, care va conține un obiect de tip CandyBag, un câmp “number” (int) și un câmp “street” (String) Clasa va avea, de asemenea:

• un constructor fără parametri
• un constructor ce va inițializa toate câmpurile
• Acum ca am finalizat construcția, îi vom oferi mamei informații despre cadoul ei printr-o felicitare. Creați o metoda getBirthdayCard(), care va afișa, pe primul rand, adresa completă, iar apoi un mesaj de la multi ani.
• Tot aici, parcurgeți array-ul, apelând metoda toString() pentru elementele sale.
• Parcurgeți array-ul și, folosind downcasting la clasa corespunzătoare, apelați metodele specifice fiecărei clase. Pentru a stabili tipul obiectului curent folosiți operatorul instanceof
• În final, modificați cum considerați programul anterior astfel încât să nu mai aveți nevoie de instanceof.

• Exerciții din alți ani

• UML Diagrams
• Aggregation vs Composition
• Inheritance JavaDoc
• Multiple Inheritance
• Upcasting and Downcasting