Astrazioni Polimorfe e Tipi Generici Polimorfismo



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Astrazioni Polimorfe e Tipi Generici


Polimorfismo

  • Dal Greco  molte forme

  • Una variabile polimorfa può riferirsi a oggetti di classi diverse

  • Un metodo polimorfo può avere parametri di tipi diversi

  • Un tipo polimorfo può essere un contenitore di dati di tipi diversi (per esempio stack di oggetti di tipo qualunque…)



Polimorfismo

  • Polimorfismo per procedure e iteratori: astrazioni parametriche rispetto al tipo di uno o piu` argomenti

    • Es. e motivazione: invece di costruire una procedura di ordinamento per un vettore di interi, una per per un vettore di stringhe, ecc.,è preferibile unica astrazione procedurale che ordina un vettore, e che sia utilizzabile sia per gli interi che per le stringhe,
  • Polimorfismo per data abstraction: astrazione parametrica rispetto a tipo degli elementi contenuti negli oggetti

    • Es. Invece di un’astrazione per insiemi di numeri interi (IntSet) e una per insiemi di stringhe (StrSet), preferibile unica astrazione del concetto di insieme (astrazione Set) utilizzabile sia per gli interi che per le stringhe


Esempio: Ricerca sequenziale

    • ….
    • public static int cerca(Object x, Vector a) {
    • //@requires x != null && a !=null && (\forall int i; 0<=i
    • //@ a.get(i)!=null);
    • //@ensures \result == -1 && (*non esiste in a elemento equals a x *)
    • //@ || x.equals(a.get(\result))
    • for(int i=0; i
  • if(x.equals(a.get(i)) return i;

  • return –1;

  • }

  • }

  • Il codice per Object è un’astrazione di quello, ad esempio, per int.

  • Similmente, si potrebbe definire cerca(Object, Iterator) o cerca(Object, Collection) per astrarre ricerca sequenziale a qualunque contenitore



Es. Specifica di set polimorfo

  • public class PolimSet {

  • // OVERVIEW: PolimSet sono insiemi mutabili illimitati

  • // oggetto null non può appartenere a un oggetto PolimSet

  • // usato equals per determinare uguaglianza di elementi

    • public PolimSet() // costruttore
    • public void insert (Object x) throws NullPointerException {…}
    • //@ signals x == null
    • //@ ensures x!=null && (*inserisce x (non un suo clone) in this *)
    • public void remove (Object x)
    • public boolean IsIn (Object x)
    • public boolean subset (PolimSet s)
  • }



Implementazione (parziale) di PolimSet

  • public class PolimSet{

  • private ArrayList els; //oppure Vector

  • public PolimSet(){els=new ArrayList();} // oppure Vector()

  • public void insert (Object x) throws NullPointerException {

  • if (getIndex(x) < 0) els.add(x);

  • }

  • private int getIndex(Object x){

  • for(int i=0; i

  • if(x.equals(els.get(i)) return i;

  • return –1;

  • }

  • public void remove (Object x){

  • if (x==null) return;

  • els.remove(x);

  • }

  • public boolean IsIn (object x){…}

  • public boolean subset (PolimSet s){…}

  • }



Attenzione all’implementazione del metodo equals

  • Appartenenza di un elemento a oggetto PolimSet determinata usando equals, quindi anche contenuto di un PolimSet dipende da esso

  • Spesso (ad es. per Vector e tutte le classi delle librerie Sun) equals restituisce true se due vettori hanno lo stesso stato: attenzione a immettere oggetti Vector in un PolimSet!

  • PolimSet s = new PolimSet();

  • Vector x = new Vector();

  • Vector y = new Vector();

  • s.insert(x);

  • s.insert(y);

  • x.add(new Integer(3));

  • if(s.isIn(y)) // qsta condizione vale false

  • Questo può essere inatteso (dopo s.insert(y); senza un remove ci si aspetta che y sia ancora in s)

    • soluzione insoddisfacente: usare == invece di equals : non funziona per oggetti immutabili (es: due stringhe identiche nello stesso PolimSet)
    • Soluzione: racchiudere elementi (es. Vector) che si vogliono distinguere in oggetti di una classe contenitore (wrapper) che ridefinisca il metodo equals in maniera opportuna


Usare un contenitore per gli oggetti mutabili della collezione

  • public class Container{

    • private Object el;
    • public Container(Object x){el = x;}
    • public Object get () {return el;}
    • public boolean equals (Object x){
    • if(! x instanceOf Container) return false;
    • return (el == ((Container) x).get());
    • }
  • }

  • Adesso il codice (con qualche modifica) funziona come ci aspettiamo

  • PolimSet s = new PolimSet();

  • Vector x = new Vector();

  • Vector y = new Vector();

  • s.insert(new Container(x));

  • s.insert(new Container(y));

  • x.add(new Integer(3));

  • if(s.isIn(new Container (y))) // condizione vera



Accorgimenti nell’uso di collezioni polimorfe

  • Le collezioni polimorfe (e.g., PolimSet) sono definite rispetto a elementi di classe Object, quindi

    • bisogna incapsulare (wrap) i tipi primitivi: int  Integer
    • i metodi osservatori che restituiscono elementi della collezione restituiranno oggetti di tipo Object, quindi occorre fare il casting e nel caso di tipi primitivi “estrarre” (unwrap)
    • a volte wrap e unwrap evitati grazie ad autoboxing e autounboxing
      • PolimSet s = new PolimSet();
      • s.insert(new Integer(3));
      • … … …
      • Iterator g = s.elements();
      • while (g.hasNext()){
      • int i = (Integer) g.next(); //NB: autounboxing
      • … … … …
      • }


Problema con astrazioni polimorfe

  • Il vincolo che gli elementi di una collezione siano tutti dello stesso tipo non può essere controllato dal compilatore! quindi possono verificarsi errori di classe a run-time (che non si verificano, e.g., con IntSet).

      • Esempio
        • List myIntList = new LinkedList(); // 1
        • myIntList.add(new Integer(0)); // 2
        • Integer x = (Integer) myIntList.iterator().next(); // 3
    • Il cast in linea 3 è “noioso”: il programmatore sa cosa c’è nella lista.
    • Se pero’ la riga (2) fosse:
        • myIntList.add(new String(0)); // 2
    • allora l’oggetto restituito in linea 3 non sarebbe un Integer, causando un errore run time!
  • Come fare a evitarlo? Noi vorremmo type safety!

  • Questo è un problema ineliminabile fino al JDK 1.4 incluso, in quanto è necessario usare il casting

  • Risolto in Java 1.5 con i tipi generici



Classi Generiche

  • Generici forniscono un’astrazione sui tipi, simile alle astrazioni polimorfe ma più “sicure” (type-safety è sempre garantita)

    • Esempio di lista di interi con i generici
      • List myIntList = new LinkedList(); // 1’
      • myIntList.add(new Integer(0)); //2’
      • Integer x = myIntList.iterator().next(); // 3’
    • alla riga 3’non serve più il cast: il compilatore “sa” che la lista contiene solo oggetti Integer
    • se la riga 2’ fosse: myIntList.add(new String(0)); // 2
    • non ci sarebbe bisogno di mandare in esecuzione il programma per accorgersi dell’errore: ce lo segnalerebbe il compilatore


Classi Generiche

  • Esempi di classi generiche: le interfacce List e Iterator

    • - parti tra parentesi angolate sono parametri formali della classe generica; tipico identificatore: singola lettera maiuscola
    • List e Iterator sono invocazioni della classe generica, con parametro attuale Integer
    • NB: non si crea una classe nuova (nessuna duplicazione di codice) così come non si crea nuovo codice quando si invoca un metodo passandogli i parametri attuali


Genericità e Sottotipi

  • Attenzione: alcune cose sembrano andare contro l’intuizione

  • Domanda fondamentale: una lista di String è una lista di Object?

    • NO! Altrimenti tramite una variabile lista di Object si può inserire un Object in una lista di String e quando si tenta di estrarre, tramite una variabile lista di String, un oggetto String, si verifica un errore
  • In generale, se Gen è una classe generica e se ClassB è sottoclasse di ClassA allora Gen NON è sottoclasse di Gen

  • (NB: a maggior ragione una lista di Object NON è sottoclasse di una lista di String)



Genericità e Sottotipi: i tipi jolly (1)

  • Rimane problema di definire sottoclassi di classi ottenute per invocazione di classi generiche, per realizzare polimorfismo, e.g., nei metodi che hanno parametri contenitori

  • Esempio: un metodo che stampi tutti gli elementi di una collezione

    • Non va: parametro attuale deve essere stesso tipo o sottotipo, ma Collection non ha alcun sottotipo  nessun polimorfismo
    • Occorre definire il tipo supertipo di tutte le collezioni ottenute per invocazione di Collection

      • questo è Collection (leggi: “Collection di sconosciuto”)


      Genericità e Sottotipi: i tipi jolly (2)

      • L’inserzione di elementi NON è possibile!

        • Collection c;
        • c = new ArrayList();
        • c.add(new Object()); // errore di compilazione
        • NB: il tipo statico di c dice che il tipo dell’elemento della collezione è sconosciuto (può essere qualsiasi)  tipo del parametro attuale di add deve essere sottotipo di qualsiasi altro tipo  non esiste tale tipo; unico valore attuale ammissibile è null
        • NB: è comunque possibile fare una c.get() e assegnare il risultato a una variabile di tipo Object, perchè qualsiasi cosa estratto dalla get è un Object.


      Tipi jolly limitati

      • Ad esempio

        • Per definire un metodo drawAll che accetti liste di qualsiasi sottotipo di Shape
          • public void drawAll(List shapes) { ... }
      • è un esempio di jolly limitato

        • Rappresenta un tipo sconosciuto, di cui si sa che estende Shape
        • Shape è il suo limite superiore (upper bound)
      • Solito problema con gli inserimenti

          • public void addRectangle(List shapes) {
          • shapes.add(0, new Rectangle()); // Errore: shapes di fatto
          • // è in sola lettura
          • }
        • perchè il tipo del componente del parametro shapes è un sottotipo sconosciuto di Shape: non è garantito che sia un supertipo di Rectangle


      Metodi Generici (1)

      • Es: Metodo che travasa tutti gli oggetti di un array in una collezione

        • static void fromArrayToCollection(Object[] a, Collection c) {
        • for (Object o : a) { c.add(o); }
        • }
        • Non funziona: Perchè?
        • static void fromArrayToCollection(Object[] a, Collection c) {
        • for (Object o : a) { c.add(o); }
        • }
        • Non funziona neanche questo: Perchè?
        • Il modo giusto è usare metodi generici, che hanno uno o più parametri che rappresentano tipi.

          • static void fromArrayToCollection(T[] a, Collection c) {
          • for (T o : a) { c.add(o); }
          • }
          • per rendere corretta l’inserzione c.add(o) dobbiamo chiamare fromArrayToCollection con parametri in cui il tipo dell’elemento della collezione sia supertipo di quello dell’array
          • NB: non occorre indicare esplicitamente parametri attuali in corrispondenza ai parametri formali di un metodo generico:
            • ci pensa il compilatore a inferire il tipo del parametro attuale scegliendo il tipo più specifico (il minimo, nell’ordinamento tra tipi definito dalla gerarchia di ereditarietà, tra tutti quelli che rendono legale l’invocazione del metodo generico)


          Metodi Generici (2)

          • Esempi di inferenza dei tipi da parte del compilatore

            • String[] sa = new String[100];
            • Collection cs = new ArrayList();
            • fromArrayToCollection(sa, cs);// T inferred to be String
            • Collection co = new ArrayList();
            • fromArrayToCollection(sa, co);// T inferred to be Object
            • Integer[] ia = new Integer[100];
            • fromArrayToCollection(ia, cs);// compile-time error: String NON è supertipo di Integer


            • Metodi generici vs jolly (1)

              • Possono apparire intercambiabili:

                • interface Collection {
                • public boolean containsAll(Collection c);
                • public boolean addAll(Collection c);
                • }
                • interface Collection {
                • public boolean containsAll(Collection c);
                • public boolean addAll(Collection c);
                • }
              • Quale dei due stili è preferibile?

              • Notiamo che

                • Nei due metodi il parametro T compare una sola volta, non vincola il valore restituito dal metodo e gli altri parametri del metodo
                • T serve solo per il polimorfismo, ma per questo basterebbero i tipi Jolly
                • I metodi generici servono per esprimere dipendenze tra gli argomenti del metodo oppure tra gli argomenti e il tipo restituito


              Metodi generici vs jolly (2)

              • Possibile anche l’uso combinato dei due

                • class Collections {
                • public static void copy(List destinazione,
                • List sorgente){...}
                • }
              • alternativamente, senza tipi jolly

                • class Collections {
                • public static void copy(List dest,
                • List src){...}
                • }




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