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 modifikátorpublic
, ale omezený na konkrétní balíček
Výše uvedené modifikátory si shrneme v tabulce:
Modifikátor | Daná třída | Stejný balíček | Potomci třídy (odvozené třídy) | Svět (vše ostatní) |
---|---|---|---|---|
public |
✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
protected |
✔ | ✔ | ✔ | ❌ |
bez modifikátoru | ✔ | ✔ | ❌ | ❌ |
private |
✔ | ❌ | ❌ | ❌ |
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