Noțiuni avansate de programare obiect-orientată

Conceptele de moștenire, încapsulare și polimorfism sunt concepte de programare orientate obiect, astfel, orice limbaj de acest fel oferă suport pentru ele, nu doar Java. Cu toate acestea, exemplele următoare vor fi realizate în limbajul Java.

Ierarhii de clase

Una din cele mai utile facilități ale unui limbaj orientat obiect, din punct de vedere al ușurinței de a citi și menține o aplicație, este aceea de a crea o ierarhie de clase. Particularitățile unei ierarhii de clase sunt:

• o clasă poate extinde o altă clasă, moștenind din funcționalitatea acesteia din urmă;
• un obiect instanțiat dintr-o clasă B care este extinsă dintr-o clasă A, este în același timp de tip B dar și de tip A (polimorfism).

Moștenire

Conceptul de moștenire este util atunci când programatorul are nevoie de o anumită funcționalitate care parțial este deja implementată într-o alta clasă. Astfel, acele bucăți de program nu mai trebuie reimplementate și testate ci doar completate. Java oferă suport doar pentru moștenire simplă (a unei singure clase).

Putem lua ca exemplu o clasă Vehicle:

public class Vehicle{

    public static final float MAX_VEHICLE_SPEED = 300;

    protected float currentSpeed;
    private String name;
    private String color;

public Vehicle(String _name, String _color){
    name = _name;
    color = _color;
}

public void increaseSpeedBy(float _speed){
    // for all classes that inherit this method from
    // class Vehicle, MAX_VEHICLE_SPEED will always be 300
    // because even if this field is hidden by extending classes
    // this method, being defined in class Vehicle, will use the
    // static field from class Vehicle, which is 300.
    if(currentSpeed + _speed <= MAX_VEHICLE_SPEED){
        currentSpeed += _speed;
    }
}

public String getName(){
    return name;
}

public String getColor(){
    return color;
}

public float getCurrentSpeed(){
    return currentSpeed;
}

}

... și trei clase extinse: Carriage

public class Carriage extends Vehicle{

    public static final float MAX_VEHICLE_SPEED = 40;

    private int horseCount;

public Carriage(String _color, int _horseCount){
    super("Carriage", _color);
    horseCount = _horseCount;
}

public int getHorseCount(){
    return horseCount;
}

}

... Automobile:

public class Automobile extends Vehicle{

    public static final float MAX_VEHICLE_SPEED = 250;

    private int cylinders;
    private String make;
    private String model; 

public Automobile(String _make, String _model, String _color, int _cylinders){
    super("Automobile", _color);
    make = _make;
    model = _model;
    cylinders = _cylinders;
}

public int getCylinders(){
    return cylinders;
}

public String getMake(){
    return make;
}

public String getModel(){
    return model;
}

}

... și Truck:

public class Truck extends Automobile{

    public static final float MAX_VEHICLE_SPEED = 150;
    private int maxCargo;

public Truck(String _make, String _model, String _color, int _cylinders, int _maxCargo){
    super(_make, _model, _color, _cylinders);
    maxCargo = _maxCargo;
}

public int getMaxCargo(){
    return maxCargo;
}

public String getName(){
    return "Truck";
}

}

Schema bloc a ierarhiei este prezentată mai jos:

Regulă: O clasă Java extinde exact o singură altă clasă (dacă nu este specificată, aceasta este clasa Object).

Regulă: O clasă Java moștenește de la superclasă doar metodele și câmpurile non-statice, declarate public, protejate sau implicite. O clasă nu moștenește membrii privați și statici, și constructorii.

Suprascriere și ascundere

Există două noțiuni foarte importante legate de extinderea claselor: suprascriere și ascundere (overriding & hiding):

• suprascrierea unei metode se referă la definirea în clasa extinsă a unei metode ne-statice cu aceeași semnătură (prototip) cu o metodă ne-statică din clasa de bază;
• ascunderea unei metode se referă la definirea în clasa extinsă a unei metode statice cu aceeași semnătură (prototip) cu o metodă statică din clasa de bază.

Regulă: Întotdeauna când o metodă este apelată folosind o referință la un obiect, metoda apelată este cea care suprascrie ultima, indiferent de tipul variabilei referință (polimorfism).

Mai multe despre moștenire și suprascriere/ ascundere pe pagina oficială Oracle:

• http://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/IandI/subclasses.html
• http://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/IandI/override.html

Polimorfism

Considerând exemplul de mai sus, polimorfismul se referă la faptul că un obiect de tip Truck este în același și un obiect de tip Automobile, un obiect de tip Vehicle și un Object. Astfel sunt permise următoarele construcții:

public class MainClass{
    
public static void main(String _args[]){
    // this is a reference variable of type Truck, referring
    // an object of type Truck
    Truck _firstTruck = new Truck("Volvo", "Generic", "blue", 8000, 20); 

    // this is a reference variable of type Vehicle, referring
    // an object of type Vehicle
    Vehicle _firstVehicle = new Vehicle("Bicycle", "red");

    // since a Truck is also a Vehicle, we can have 
    // a reference variable of type Vehicle, referring
    // an object of type Truck
    Vehicle _secondVehicle = new Truck("Scania", "unknown", "green", 7000, 30);

    //better yet, we can do this:
    Vehicle _vehicles[] = new Vehicle[3];
    _vehicles[0] = _firstTruck; // a truck is a vehicle
    _vehicles[1] = _firstVehicle;
    _vehicles[2] = _secondVehicle;

    for(int i=0; i<_vehicles.length; i++){
        _vehicles[i].increaseSpeedBy(1.1f);
    }

    // this will NOT work, since an Object is not 
    // a Vehicle and will generate a compile time error
    //
    //_vehicles[0] = new Object();

}

}

Același lucru se poate realiza cu ajutorul interfețelor:

public interface Colored{
    public String getColor();
}

// all objects of type Vehicle and up are not Colored
public class Vehicle implements Colored{

//... same class content as before

}

public class MainClass{
    
public static void main(String _args[]){
    Colored _coloredItems[] = new Colored[3];
    _coloredItems[0] = new Vehicle("Submarine", yellow);
    _coloredItems[1] = new Carriage("brown", 6);    
    _coloredItems[2] = new Automobile("Dacia", "Sandero", "Yellow", 1600);    

    for(int i=0; i<_coloredItems.length; i++){
        System.out.println("Color of item " + i + " is " + _coloredItems[i].getColor());
    }

    // this will fail with a compile time error
    // since class Object does not implement 
    // interface Colored
    Colored _coloredItem = new Object();
}

}

Casting (upcast & downcast)

Există situații în care compilatorul are nevoie de informații suplimentare pentru a accepta schimbarea referinței pentru un obiect:

public class MainClass{

public static readChar(){
    //... reads a char from keyboard
}
    
public static void main(String _args[]){
    Vehicle _vehicle;
    char c = readChar();

    if(c == 'a'){
        _vehicle = new Carriage("green", 2);
    }else{
        _vehicle = new Vehicle("Scooter", "red");
    }

    // this is called a down cast and it's done
    // automatically (cast from Vehicle down to Object):
    Object _obj = _vehicle;
    // same with:
    _obj = (Object)_vehicle; 

    // the following does NOT work since the compiler does
    // not have enough information about the reference
    // _vehicle. What it knows for sure is that it refers to
    // an object of type Vehicle. It COULD be a Carriage, but
    // it doesn't know:
    Carriage _carriage = _vehicle;

    // so the programmer needs to explicitly tell the compiler 
    // that the object is a Carriage, and this is called an
    // up cast (up from Vehicle to Carriage):
    Carriage _carriage = (Carriage)_vehicle;
    // however, _vehicle can still NOT be of type Carriage 
    // (if char c is not 'a'), and then a runtime exception
    // of type ClassCastException will be thrown
}

}

Regulă: Up cast trebuie făcut întotdeauna explicit, indiferent cât de clar este tipul obiectului pentru programator:

String _someString = "Help!";
Object _obj = _someString; //implicit down cast
String _otherString = (String)_obj; //explicit up cast

Mai mult despre polimorfism:

• http://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/IandI/polymorphism.html

Încapsulare

Încapsularea se referă la modul de realizare a unei clase astfel încât implementarea să fie transparentă pentru utilizator. Astfel, elementele interne ale clasei sunt protejate la accesul neautorizat (încapsulate) și modificarea implementării nu influențează modul în care clasa este folosită în aplicații complexe.

Ca exemplu pentru noțiunea de încapsulare, vom da ca exemplu o clasă Sorter:

public class Sorter{

    private Comparable[] elements;

public Sorter(Comparable[] _elements){
    elements = _elements;
}

public Comparable[] sort(){
    return bubbleSort();
}

private Comparable[] bubbleSort(){
    Comparable[] _result = new Comparable[elements.length];
    System.arraycopy(_result, 0, elements, 0, _result.length);
    boolean _done;
    do{
        _done = true;
        for(int i=0; i<_result.length - 1; i++){
            if(_result[i].compareTo(_result[i + 1]) > 0){
                Comparable _temp = _result[i];
                _result[i] = _result[i + 1];
                _result[i + 1] = _temp;
                _done = false;
            }
        }
    }while(!_done);

    return _result;
}

}

Se observă că singurele metode publice sunt constructorul și metoda sort(). Astfel, implementarea efectivă a algoritmului de sortare este ascunsă. Dacă la un moment dat clasa Sorter va fi modificată astfel încât să folosească algoritmul Quick Sort în loc de Bubble Sort, orice clasă care folosește clasa Sorter va continua să funcționeze la fel ca și până atunci.

Getters & Setters

Un alt exemplu de încapsulare este practica de implementa pentru fiecare câmp câte două metode numite setter și getter. Motivul pentru această abordare este faptul că dacă un câmp este declarat public acesta poate fi modificat fără restricții de orice altă clasă. În schimb, dacă acest câmp are restricții, atunci acestea pot fi aplicate doar cu ajutorul unei metode. Vom da ca exemplu o clasă Person:

public class Person{

    public static final boolean MALE = true;
    public static final boolean FEMALE = false;

    private String fullName;
    private short age;
    private boolean gender;

public Person(String _fullName, short _age, boolean _gender){
    setName(_fullName);
    setAge(_age);
    gender = _gender;
}

// setter method for field fullName
public void setName(String _fullName){
    // make use of regular expressions to check for
    // a valid name
    if(_fullName.matches("[A-Z][a-zA-Z]+([ \\-][A-Z][a-zA-Z]+)+")){
        fullName = _fullName;
    }else{
        throw new RuntimeException("Invalid full name " + _fullName);
    }
}

// setter method for field age
public void setAge(short _age){
    if(_age >= 0 && _age <= 150){
        age = _age;
    }else{
        throw new RuntimeException("Invalid age " + _age);
    }
}

// setter method for field sex
public void setGender(boolean _gender){
    gender = _gender;
}

// getter method for field fullName
public String getName(){
    return fullName;
}

// getter method for field age
public short getAge(){
    return age;
}

// getter method for field gender
public boolean getGender(){
    return gender;
}

}

Se observă că dacă accesul la cele două câmpuri fullName și age ar fi fost public, atunci acestea ar fi putut fi modificate cu orice valori invalide pentru scopul lor. Dar în acest fel, metoda setter verifică valoarea primită ca argument înainte de a fi atribuită câmpului.

Convenție: Câmpurile unei clase se definesc private sau protejate, iar pentru cele se dorește acces public se implementează metode getter și setter publice.