Lekce 7 - Dědičnost a polymorfismus v Kotlin

V minulé lekci, Aréna s bojovníky v Kotlin, 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 val jmeno: String = ""
    private val heslo: String = ""
    private val vek: Int = 0

    fun prihlasit(heslo: String): Boolean {
        // ...
    }

    fun odhlasit(): Boolean {
        // ...
    }

    fun nastavVahu() {
        // ...
    }

    // ...
}

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

class Administrator {
    private val jmeno: String = ""
    private val heslo: String = ""
    private val vek: Int = 0
    private val telefonniCislo: String = ""

    fun prihlasit(heslo: String): Boolean {
        // ...
    }

    fun odhlasit(): Boolean {
        // ...
    }

    fun nastavVahu(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    fun pridejZvire(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    fun 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, nejprve řekneme Kotlinu, že třída Uzivatel může být děděná. Dále definujeme třídu Administrator tak, aby z třídy Uzivatel dědila. Atributy a metody uživatele tedy již nemusíme v administrátorovi znovu definovat, Kotlin nám je do třídy sám dodá.

V Kotlinu jsou třídy ve výchozím stavu tzv. zapečetěné, nelze z nich tedy dědit. Pokud přecházíte z Javy, můžeme situaci přirovnat k tomu, jako by u tříd byl napsaný modifikátor final.

Třídu Uzivatel tzv. otevřeme a tím zajistíme, že z ní půjde dědit. To provedeme klíčovým slovem open:

open class Uzivatel {
    // ... zbytek metod a atributů ...

Dále definujeme třídu Administrator tak, že bude dědit z třídy Uzivatel:

class Administrator: Uzivatel {
    private val telefonniCislo: String = "";

    fun pridejZvire(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    fun vymazZvire(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    // ...
}

Vidíme, že ke zdědění jsme použili operátor :. 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. private atributy 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, který funguje stejně, jako private, ale dovoluje tyto atributy nebo metody dědit.

Začátek třídy Uzivatel by tedy vypadal takto:

class Uzivatel {
    protected val jmeno: String = ""
    protected val heslo: String = ""
    protected val vek: Int = 0
    // ...

Když si nyní vytvoříme instance uživatele a administrátora, oba budou mít např. atribut jmeno a metodu prihlasit(). Kotlin 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 20ti 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 Uzivatel by potom dědili 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 tohoto kurzu. 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 vytvořit pole typu Uzivatel a v něm mít jak uživatele, tak administrátory. S proměnnou to tedy funguje takto:

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

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

val u = Administrator("Josef Nový", 25)
if (u is Administrator) {
    println("Je to administrátor")
} else {
    println("Je to uživatel")
}

Pomocí operátoru is se můžeme zeptat, zda je objekt daného typu. Kód výše otestuje, zda je v proměnné u 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. Kotlin 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.

V příští lekci, Aréna s mágem - Dědičnost a polymorfismus v Kotlin, si polymorfismus spolu s dědičností vyzkoušíme 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