Lekce 7 - Dědičnost a polymorfismus

V minulé lekci, Java - Aréna s bojovníky, jsme dokončili naši arénu, simulující zápas dvou bojovníků.

Dnes si opět rozšíříme znalosti o objektově orientovaném programování. V úvodním tutoriálu do OOP jsme si říkali, že OOP stojí na třech základních pilířích: zapouzdření, dědičnosti a polymorfismu. Zapouzdření a používání modifikátoru private nám je již dobře známé. Dnes se podíváme na zbylé dva pilíře.

Dědičnost

Dědičnost je jedna ze základních vlastností OOP a slouží k tvoření nových datových struktur na základě starých. Vysvětleme si to na jednoduchém příkladu.

Budeme programovat informační systém. To je docela reálný příklad, abychom si však učení zpříjemnili, bude to informační systém pro správu zvířat v ZOO Náš systém budou používat dva typy uživatelů: uživatel a administrátor. Uživatel je běžný ošetřovatel zvířat, který bude moci upravovat informace o zvířatech, např. jejich váhu nebo rozpětí křídel. Administrátor bude moci také upravovat údaje o zvířatech a navíc zvířata přidávat a mazat z databáze. Z atributů bude mít navíc telefonní číslo, aby ho bylo možné kontaktovat v případě výpadku systému. Bylo by jistě zbytečné a nepřehledné, kdybychom si museli definovat obě třídy úplně celé, protože mnoho vlastností těchto 2 objektů je společných. Uživatel i administrátor budou mít jistě jméno, věk a budou se moci přihlásit a odhlásit. Nadefinujeme si tedy pouze třídu Uzivatel (nepůjde o funkční ukázku, dnes to bude jen teorie, programovat budeme příště):

class Uzivatel {
    private String jmeno;
    private String heslo;
    private int vek;

    public boolean prihlasit(String heslo) {
        // ...
    }

    public boolean odhlasit() {
        // ...
    }

    public void nastavVahu(Zvire zvire) {
        // ...
    }

    // ...
}

Třídu jsem jen naznačil, ale jistě si ji dokážeme dobře představit. Bez znalosti dědičnosti bychom třídu Administrator definovali asi takto:

class Administrator {
    private String jmeno;
    private String heslo;
    private int vek;
    private String telefonniCislo;

    public boolean prihlasit(String heslo) {
        // ...
    }

    public boolean odhlasit() {
        // ...
    }

    public void nastavVahu(Zvire zvire) {
        // ...
    }

    public void pridejZvire(Zvire zvire) {
        // ...
    }

    public void vymazZvire(Zvire zvire) {
        // ...
    }

    // ...
}

Vidíme, že máme ve třídě spoustu redundantního (duplikovaného) kódu. Jakékoli změny musíme nyní provádět v obou třídách, kód se nám velmi komplikuje. Nyní použijeme dědičnost, definujeme tedy třídu Administrator tak, aby z třídy Uzivatel dědila. Atributy a metody uživatele tedy již nemusíme znovu definovat, Java nám je do třídy sama dodá:

class Administrator extends Uzivatel {
    private String telefonniCislo;

    public void pridejZvire(Zvire zvire) {
        // ...
    }

    public void vymazZvire(Zvire zvire) {
        // ...
    }

    // ...
}

Vidíme, že ke zdědění jsme použili klíčové slovo extends. V anglické literatuře najdete dědičnost pod slovem inheritance.

V příkladu výše nebudou v potomkovi přístupné privátní atributy, ale pouze atributy a metody s modifikátorem public. Atributy private a metody jsou chápány jako speciální logika konkrétní třídy, která je potomkovi utajena, i když ji vlastně používá, nemůže ji měnit. Abychom dosáhli požadovaného výsledku, použijeme nový modifikátor přístupu protected.

Modifikátor protected zpřístupní atribut nebo metodu buď libovolným potomkům v jakémkoli balíčku nebo libovolným třídám v tom samém balíčku. Potomek se tedy již k atributu dostane. Jako problém může být, že atribut je zvenčí viditelný, proto se v souboru .java se třídou často používá jiné jméno balíčku, než ve kterém jsou ostatní části programu. Tento nový balíček mají společný jen související třídy (např. dědičností), z balíčku ve kterém je hlavní program potom protected atributy přístupné nebudou.

Pokud bychom chtěli atributy nebo metody zpřístupnit pouze třídě samotné a třídám ve stejném balíčku, neuvedeme před ně žádný modifikátor přístupu (zvaný též jako package private).

Začátek třídy Uzivatel by tedy vypadal takto:

class Uzivatel {
    protected String jmeno;
    protected String heslo;
    protected int vek;

    // ...

Když si nyní vytvoříme instance uživatele a administrátora, oba budou mít např. atribut jmeno a metodu prihlasit(). Java třídu Uzivatel zdědí a doplní nám automaticky všechny její atributy.

Výhody dědění jsou jasné, nemusíme opisovat oběma třídám ty samé atributy, ale stačí dopsat jen to, v čem se liší. Zbytek se podědí. Přínos je obrovský, můžeme rozšiřovat existující komponenty o nové metody a tím je znovu využívat. Nemusíme psát spousty redundantního (duplikovaného) kódu. A hlavně - když změníme jediný atribut v mateřské třídě, automaticky se tato změna všude podědí. Nedojde tedy k tomu, že bychom to museli měnit ručně u 20 tříd a někde na to zapomněli a způsobili chybu. Jsme lidé a chybovat budeme vždy, musíme tedy používat takové programátorské postupy, abychom měli možností chybovat co nejméně.

O mateřské třídě se někdy hovoří jako o předkovi (zde Uzivatel) a o třídě, která z ní dědí, jako o potomkovi (zde Administrator). Potomek může přidávat nové metody nebo si uzpůsobovat metody z mateřské třídy (viz dále). Můžete se setkat i s pojmy nadtřída a podtřída.

Další možností, jak objektový model navrhnout, by bylo zavést mateřskou třídu Uzivatel, která by sloužila pouze k dědění. Z třídy Uzivatel by potom dědili třídy Osetrovatel a z něj Administrator. To by se však vyplatilo při větším počtu typů uživatelů. V takovém případě hovoříme o hierarchii tříd, budeme se tím zabývat ke konci této sekce. Náš příklad byl jednoduchý a proto nám stačily pouze 2 třídy. Existují tzv. návrhové vzory, které obsahují osvědčená schémata objektových struktur pro známé případy užití. Zájemci je naleznou popsané v sekci Návrhové vzory, je to však již pokročilejší problematika a také velmi zajímavá. V objektovém modelování se dědičnost znázorňuje graficky jako prázdná šipka směřující k předkovi. V našem případě by grafická notace vypadala takto:

Datový typ při dědičnosti

Obrovskou výhodou dědičnosti je, že když si vytvoříme proměnnou s datovým typem mateřské třídy, můžeme do ni bez problému ukládat i její potomky. Je to dané tím, že potomek obsahuje vše, co obsahuje mateřská třída, splňuje tedy "požadavky" (přesněji obsahuje rozhraní) datového typu. A k tomu má oproti mateřské třídě něco navíc. Můžeme si tedy udělat pole typu Uzivatel a v něm mít jak uživatele, tak administrátory. S proměnnou to tedy funguje takto:

Uzivatel uzivatel = new Uzivatel("Jan Novák", 33);
Administrator administrator = new Administrator("Josef Nový", 25);
// Nyní do uživatele uložíme administrátora:
uzivatel = administrator;
// Vše je v pořádku, protože uživatel je předek
// Zkusíme to opačně a dostaneme chybu:
administrator = uzivatel;

V Javě je mnoho konstrukcí, jak operovat s typy instancí při dědičnosti. Podrobně se na ně podíváme během seriálu, nyní si ukažme jen to, jak můžeme ověřit typ instance v proměnné:

Uzivatel uzivatel = new Administrator("Josef Nový", 25);
if (uzivatel instanceof Administrator) {
    System.out.println("Je to administrátor");
} else {
    System.out.println("Je to uživatel");
}

Pomocí operátoru instanceof se můžeme zeptat, zda je objekt daného typu. Kód výše otestuje, zda je v proměnné uzivatel uživatel nebo jeho potomek administrátor.

Jazyky, které dědičnost podporují, buď umí dědičnost jednoduchou, kde třída dědí jen z jedné třídy, nebo vícenásobnou, kde třída dědí hned z několika tříd najednou. Vícenásobná dědičnost se v praxi příliš neosvědčila, časem si řekneme proč a ukážeme si i jak ji obejít. Java podporuje pouze jednoduchou dědičnost, s vícenásobnou dědičností se můžete setkat např. v C++.

Polymorfismus

Nenechte se vystrašit příšerným názvem této techniky, protože je v jádru velmi jednoduchá. Polymorfismus umožňuje používat jednotné rozhraní pro práci s různými typy objektů. Mějme například mnoho objektů, které reprezentují nějaké geometrické útvary (kruh, čtverec, trojúhelník). Bylo by jistě přínosné a přehledné, kdybychom s nimi mohli komunikovat jednotně, ačkoli se liší. Můžeme zavést třídu GeometrickyUtvar, která by obsahovala atribut barva a metodu vykresli. Všechny geometrické tvary by potom dědily z této třídy její interface (rozhraní). Objekty kruh a čtverec se ale jistě vykreslují jinak. Polymorfismus nám umožňuje přepsat si metodu vykresli() u každé podtřídy tak, aby dělala, co chceme. Rozhraní tak zůstane zachováno a my nebudeme muset přemýšlet, jak se to u onoho objektu volá.

Polymorfismus bývá často vysvětlován na obrázku se zvířaty, která mají všechna v rozhraní metodu speak(), ale každé si ji vykonává po svém:

Podstatou polymorfismu je tedy metoda nebo metody, které mají všichni potomci definované se stejnou hlavičkou, ale jiným tělem.

Modifikátory přístupu

Pro přehlednost si ještě všechny modifikátory krátce popíšeme:

• public - Libovolné třídy mohou přistupovat k této metodě nebo atributu, tedy i z jiných balíčků.
• private - Přístup má pouze daná třída, žádná jiná nemůže.
• protected - Přístup má daná třída a potomci třídy.
• Žádný modifikátor - Přístup mají všechny třídy ve stejném balíčku (např. package cz.itnetwork). Tedy podobné jako modifikátor public, ale omezený na konkrétní balíček

Výše uvedené modifikátory si shrneme v tabulce:

Polymorfismus si spolu s dědičností vyzkoušíme v příští lekci, Aréna s mágem (dědičnost a polymorfismus), na bojovnících v naší aréně. Přidáme mága, který si bude metodu utoc() vykonávat po svém pomocí many, ale jinak zdědí chování a atributy bojovníka. Zvenčí tedy vůbec nepoznáme, že to není bojovník, protože bude mít stejné rozhraní. Bude to zábava