Package, Interfacce, Ereditarietà Dott. Ing. Leonardo Rigutini



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10.12.2017
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Package, Interfacce, Ereditarietà

  • Dott. Ing. Leonardo Rigutini

  • Dipartimento Ingegneria dell’Informazione

  • Università di Siena

  • Via Roma 56 – 53100 – SIENA

  • Uff. 0577233606

  • rigutini@dii.unisi.it

  • www.dii.unisi.it/~rigutini/




I package

  • Un programma JAVA è costituito da una raccolta di classi. Finora i nostri programmi erano composti da un piccolo numero di classi

  • Quando queste tuttavia aumentano di numero, limitarsi a distribuire le classi su più file non basta ed occorre un meccanismo per organizzare le collezioni di classi in modo chiaro e semplice

  • In JAVA questo meccanismo è fornito dai pacchetti:

    • un pacchetto (package) è costituito da una serie di clssi correlate
  • La libreria JDK è costituita da centinaia di classi organizzate in dozzine di pacchetti:

    • java.lang , java.awt, java.io , ecc…


Definire il package

  • Per inserire le classi in un pacchetto si usa la seguente sintassi all’inizio del file:

  • package NOME_PACCHETTO;

  • Il nome del pacchetto può essere costituito da una serie di identificatori, separati da punti:

    • L’idea è quella di organizzare i package in maniera gerarchica e quindi dare la possibilità di creare un albero di pacchetti
    • Ogni punto individua un “ramo” dell’albero


Importare pacchetti

  • Se vogliamo utilizzare una classe di un pacchetto è necessario specificare al compilatore di quale pacchetto abbiamo bisogno

  • E’ possibile dereferenziare direttamente la classe utilizzando il percorso completo della classe in fase di dichiarazione di una variabile oggetto:

  • Questo sistema è evidentemente molto scomodo, quindi in alternativa è possibile importare all’inizio della definizione della classe i pacchetti che poi verranno utilizzati nel codice tramite la parola import:



Importare package

  • Quando di un package sono utilizzate molte classi, è possibile collassare le molte righe relative a quel package in una riga

  • In questo modo viene specificato di importare tutte le classi presenti nel package

  • Nel caso si utilizzi package omonimi o classi omonime in package diversi, è necessario utilizzare comunque la notazione estesa per risolvere l’eventuale ambiguità



Come vengono organizzate le classi

  • I package hanno una corrispondenza “fisica” sul progetto che si sta sviluppando:

    • Ovvero se una classe fa parte di un package, allora deve risiedere in una cartella il cui percorso di directory coincide con la gerarchia del package
  • Es



Come vengono organizzate le classi

  • Notare come la root deve essere una directory nel CLASSPATH del JCompiler e della JVM

  • Se vogliamo che la classe BankAccount o tutto il package bankaccount.prova.* siano visibili in una classe terza, è necessario inserire la directory da cui classes.bankaccount.* nasce:



Pacchetti compressi

  • Usualmente il pacchetto viene fornito in formato compresso (jar):

    • All’interno del file .jar vengono memorizzate le classi del pacchetto in una struttura a directory che rispecchia i package di ogni classe
  • Nella creazione del jar è possibile specificare se includere anche le dipendenze, ovvero tutti quelle classi (con i relativi package) che sono utilizzate nel pacchetto che stiamo costruendo

  • Inoltre è possibile inserire nel file .jar anche la documentazione, in modo da avere un pacchetto completo memorizzato in un singolo file e compresso



Pacchetti compressi

  • L’utilizzo dei file jar segue quello deli pacchetti normali:

    • Nel CLASSPATH è possibile specificare come path di ricerca classi anche i files .jar in cui sono memorizzati i package
    • Il JCompiler e la JVM entrano all’interno dei file jar per utilizzare tutte le classi necessarie




Riutilizzo

  • Supponiamo di avere una classe DataSet che calcola alcune statistiche di un insieme di valori in ingresso (media, massimo, varianza ecc…).

  • Vorremmo una classe che calcoli le stesse informazioni su oggetti BankAccount (diversi dai semplici numeri).

  • In questo modo però se vogliamo estendere le funzionalità della classe DataSet ad altre classi (Coin per esempio) rimane necessario ogni volta aggiungere metodi per la classe desiderata



Riutilizzo



Riutilizzo

  • Possiamo notare però che il meccanismo per l’analisi dei dati è il solito in tutti i casi:

    • viene letto il valore dell’oggetto passato e viene calcolata l’informazione richiesta
  • Se tutte le classi che noi vogliamo passare alle funzioni di DataSet potessero accordarsi su un unico metodo getValue() che ritorna il valore su cui la classe DataSet calcola le statistiche, potremmo definire una sola funzione add()



Riutilizzo

  • Ma che tipo di oggetto passiamo come parametro per add() ? Definiamo una classe fittizia Measurable che descrive solamente l’interfaccia comune e poi specifichiamo le diverse classi che “implementano” l’interfaccia



Riutilizzo

  • Le classi che dovranno essere passate come parametri di add(Measurable x) dovranno essere specificate come implementazioni della classe Measurable e dovranno implementare il metodo specificato nell’interfaccia:



Interfaccia

  • I metodi di una interfaccia non sono dichiarati public perché lo sono per impostazione predefinita. Tuttavia, i metodi di una classe non sono pubblici se ciò non viene specificato:

    • Quindi nell’ implementazione di una interfaccia è necessario specificare i metodi come public
  • La classe Measurable, è una descrizione di più alto livello delle classi BankAccount e Coin. E’ possibile quindi utilizzare una variabile oggetto di tipo Measurable per memorizzare un oggetto di tipo BankAccount o Coin



Operatore instanceof

  • L’operazione inversa, invece, non è immediata come la precedente:

    • Se siamo sicuri che un oggetti di tipo Measurable sia di tipo Coin possiamo “forzare” la conversione tramite un cast
    • Nel caso però in cui la forzatura non sia valida, ossia a run-time l’oggetto forzato non è di tipo Coin, viene ritornato errore
  • Per verificare a run-time la corretta appartenenza ad una classe di un oggetto è possibile utilizzare l’operatore instanceof:



Interfacce

  • Le interfacce non possono avere variabili, ma è possibile dichiarare constanti che verranno “ereditate” da tutte le classi che implementano l’interfaccia:

    • Quando vengono dichiarate le costanti in una interfaccia dovrebbero essere omesse le parole chiave public, static e final poiché tutte le variabili in una interfaccia sono definite automaticamente public static final


Polimorfismo

  • La riga di codice è molto utilizzata in pratica e permette di avere la variabile x disponibile per memorizzare oggetti di classi diverse:

  • Occorre ricordare però che in realtà non esiste alcun oggetto di tipo Measurable. Il tipo dell’oggetto sarà sempre una classe che implementa l’interfaccia



Polimorfismo

  • Pensiamo adesso a cosa accade quando viene chiamata una funzione dell’interfaccia: la JVM risolve il tipo dell’oggetto su cui è chiamato il metodo d’interfaccia ed invoca quello relativo alla classe “corretta”

  • Ciò significa che l’invocazione di un metodo d’interfaccia può chiamare metodi diversi:

    • Il principio secondo cui il tipo dell’oggetto determinato a run-time determina il metodo da chiamare è detto polimorfismo
  • In realtà in JAVA tutti i metodi sono polimorfi, poiché la scelta del metodo “giusto” da eseguire può dipendere dalla valutazione delle classi passate come parametro:

    • overloading




Inner Class

  • Le Inner class sono classi definite all’interno di altre classi.



Inner Class

  • Le Inner class non possono essere istanziate direttamente con new da classi esterne:

  • Un modo per rendere visibile la classe è creare un metodo che ritorni una istanza della Inner Class:



Inner Class

  • Le Inner class che implementano interfacce pubbliche possono essere visibili all’esterno pur avendo l’implementazione nascosta all’interno della classe contenitore



Inner Class definite nei metodi

  • Le Inner class possono essere definite anche nei metodi, nascondendole del tutto al resto del programma

  • È possibile utilizzare queste classi all’esterno solo se posseggono una interfaccia pubblica o una classe base



Inner Class anonime

  • È possibile costruire classi innestate senza specificare il tipo, ma solo specificando l’interfaccia che implementano





Organizzazione gerarchica

  • Abbiamo visto che i package forniscono una struttura gerarchica per l’organizzazione delle classi

  • Una organizzazione gerarchica può esistere però anche tra le classi:

    • una classe può essere un tipo particolare di un’altra classe più generica: Veicolo  Auto  Ferrari
  • È possibile definire una struttura tra classe in cui da una classe generale vengono derivate classi sempre più specifiche che ereditano le proprietà ed i metodi delle classi genitore



Eredità

  • Come detto un problema può essere descritto in maniera più chiara se decomposto concettualmente in classi

  • Molte volte può essere necessario individuare classi di classi:

    • in molte situazioni infatti è possibile individuare oggetti generali da cui discendono una serie di classi “del tipo di”
  • In tale immaginario, le classi derivate “ereditano” lo stato delle classi genitore, aggiungendo funzionalità proprie della classe specifica:



Ereditarietà

  • Se pensiamo ad un veicolo, esso avrà delle funzioni (muovi, frena, gira ecc…) e delle proprietà (peso, lunghezza, larghezza ecc…)

  • Da una classe di oggetti veicolo possono poi essere derivati altri tipi di oggetti:

    • bicicletta, Autoveicolo, Motoveicolo
  • ognuno con delle funzionalità proprie:

    • ad esempio la funzione accendi() non dovrebbe appartenere alla classe bicicletta
  • Inoltre la classe autoveicolo potrebbe a sua volta essere suddivisa in base al tipo di autoveicolo:

    • Auto, camion, van, ecc…
  • ognuna con proprietà e funzioni proprie e diverse dall’altro



Ereditarietà



Ereditarietà

  • In Java è possibile dichiarare una classe come figlia di un’altra classe tramite la parola extends

  • La classe genitore viene riferita come superclasse, mentre la classe più specifica (figlia) viene chiamata sottoclasse

  • Nei diagrammi, l’ereditarietà si indica con una freccia a vuoto diretta dal figlio verso il padre



Eredità o interfaccia ?

  • A questo punto potremmo chiederci cosa ci sia di diverso tra l’ereditarietà e l’implementazione di una interfaccia? Un’interfaccia non è una classe, non ha uno stato né un comportamento: indica solamente quali metodi sono da implementare. Una superclasse ha uno stato ed un comportamaento e questi vengono ereditati dalla classe derivata.

  • L’ereditarietà realizza il concetto di riutilizzo del codice:

    • grazie all’ereditarietà, infatti, non siamo costretti a rifare il lavoro di progettazione della classe e di implementazione delle funzioni più generali


Ereditare variabili e metodi

  • Quando definiamo una classe come estensione di una superclasse, ereditiamo tutte le variabili e le funzioni della classe genitore ed in più possiamo aggiungere nuove variabili o funzioni

  • Cosa succede se ridefiniamo un metodo che già esiste nella superclasse? Il metodo viene “sovrascritto” (override) ovvero il metodo della superclasse è sostituito dalla nuova implementazione del metodo nella sottoclasse. Ogni chiamata a quel metodo da oggetti della sottoclasse, viene risolta con la nuova implementazione



Ereditare variabili e metodi

  • Così come è possibile ridefinire le funzioni, è possibile ridefinire anche le variabili membro, mettendo in ombra così le variabili della superclasse omonime:

    • in questo caso però, nella sottoclasse esiste comunque una istanza della variabile della superclasse
  • In entrambi i casi è sempre possibile fare riferimento ad una variabile o un metodo della classe genitore tramite l’indicatore di oggetto super:



Costruttore

  • Tramite la parola super, è possibile fare riferimento anche al costruttore della superclasse:



Visibilità

  • L’ereditarietà implica alcuni problemi di visibilità dei metodi e delle variabili

    • Che diritti può avere una classe derivata su un metodo o una variabile membro della superclasse che è stata definita privata?
    • È possibile definire variabili private che siano private ma utilizzabili per le classi derivate?
  • Sono state definite le seguenti regole tra classi e sottoclassi:

    • La visibilità di una variabile o di un metodo di una superclasse è specificata da “specificatori di accesso”


Specificatori di accesso

  • Public – rende visibile la variabile o il metodo a tutte le classi

  • Private – nasconde la variabile o il metodo a tutte le classi, comprese le classi derivate

  • Protected – nasconde le variabili ed i metodi a tutte le classi tranne quelle nello stesso package

  • Nessun specificatore – utilizza Protected come visibilità di default



Visibilità



Upcasting

  • È la proprietà più importante dell’ereditarietà

  • Il concetto è molto semplice: tutti i metodi che hanno una classe come parametro accettano anche tutti le classi derivate

  • Il termine upcasting deriva dalla direzione con cui ci si muove sugli alberi di ereditarietà:



Upcasting



Downcasting

  • Anche qui il concetto è semplice: se siamo sicuri che un handle, pur essendo di una classe, si riferisca ad un oggetto discendente, allora è possibile effettuare la conversione

  • La conversione è forzata: cast esplicito



RTTI (Run-Time Type Identification)

  • Per risolvere un riferimento ad una superclasse si può utilizzare la risoluzione a run-time del tipo di oggetto

  • Avevamo già visto nel caso di interface come risolvere a run-time il tipo di oggetto: instanceof

  • L’RTTI (Run-Time Type Identification) è il sistema che permette di capire a che classe appartiene un oggetto.



Downcasting



Lo specificatore final

  • Avevamo visto che final era utilizzato all’interno di una classe per definire una costante:

    • Una variabile inizializzata in fase di dichiarazione e non più modificabile
  • È possibile utilizzare final anche per i metodi: in tal caso il metodo non può più essere sovrascritto in una classe derivata



Lo specificatore abstract

  • Il JAVA permette di definire classi i cui metodi non hanno implementazione, queste classi si dicono astratte (abstract):

  • Una classe astratta non può essere istanziata ma solamente estesa da classi derivate



Lo specificatore abstract

  • Una classe astratta può avere dei metodi astratti che quindi non devono essere implementati:

  • Se una classe ha almeno un metodo astratto, deve essere dichiarata abstract



Lo specificatore abstract

  • I metodi astratti però devono essere implementati obbligatoriamente nelle classi derivate, a meno che anch’esse siano dichiarate abstract



Classi astratte

  • I vantaggi nella definizione di classi abstract sono:

    • definire una classe abstract significa definire una interfaccia comune a tutte le classi derivate
    • una classe abstract non può essere istanziata: se ciò viene fatto il compilatore produce un errore. Questo permette al progettista della classe di costringere l’utente a definire il comportamento dei metodi astratti


abstract ed interface

  • Ma cosa distingue una classe astratta da un interfaccia?

    • Nelle classi astratte è possibile definire proprietà utilizzando tutti gli specificatori di visibilità (public, private, ecc …) , mentre nelle interfacce questo non è possibile: in questo caso infatti le variabili divengono automaticamente STATIC and FINAL
    • Nella interface il concetto di implementazione è assolutamente inesistente. In pratica si stabilisce un protocollo di accesso, che poi verrà utilizzato da tutte le classi che utilizzano la medesima interfaccia
    • L’ interface permette l’ereditarietà multipla


La classe Object

  • L’ereditarietà in Java prevede una classe ROOT da cui discende qualsiasi altra classe: la classe Object

  • Ogni classe, che rappresenti qualsiasi entità, è sicuramente una derivazione della classe Object e quindi mette a disposizione i metodi di tale superclasse:

    • protected  Object clone() – copia 
    • Boolean equals(Object obj) – uguaglianza
    • protected  void finalize() – dealloca l’oggetto (Garbage Collector)
    • Class getClass() – ritorna il tipo dell’oggetto a run-time 
    • int hashCode() – ritorna un hash per l’oggetto


La classe Object

    • void notify() – riprende un thread fermo su questo oggetto
    • void notifyAll() – sveglia tutti i thread fermi su questo oggetto 
    • String toString() – ritorna una rappresentazione in stringa dell’oggetto
    • void wait() – ferma l’oggetto fino a che non viene chiamato il notify() o notifyAll()
    • void wait(long timeout) – come sopra però con un timeout massimo
    • void wait(long timeout, int nanos) – come sopra però permette di specificare il timeout in nanosecondi




Quanto “vivono” gli oggetti?

  • Il programmatore si occupa di costruire gli oggetti, ma non di distruggerli

  • In JAVA la deallocazione degli oggetti è gestita automaticamente:

    • quando un oggetto non è più utilizzato, la memoria utilizzata viene liberata automaticamente
  • L’entità che si occupa di liberare memoria non più utile è il Garbage Collector



Il Garbage Collector

  • Il garbage collector è avviato automaticamente dalla JVM, ma è possibile forzare la chiamata al Garbage Collector tramite una funzione ereditata da tutte le classe dalla classe Object:

  • È possibile capire se un oggetto è ancora referenziato (vivo) utilizzando due possibili tecniche:

    • Conteggio
    • Ricostruzione


Conteggio

  • Questa tecnica prevede di contare i riferimenti agli oggetti.

  • Lo svantaggio è che molte volte gli oggetti si auto-referenziano:



Ricostruzione

  • Un’altra tecnica è quella di seguire a ritroso i riferimenti fino ad una variabile static oppure presente nello stack ed ancora attiva:



Strategie di GC

  • Ma cosa fare quando vengono trovati gli oggetti non più utilizzati?

    • Stop-and-Copy: una volta trovati gli oggetti da rimuovere, vengono copiati in un altro heap gli oggetti ancora referenziati, e modificati tutti i riferimenti a loro collegati. L’heap originario è sostituito dal nuovo heap.
    • Mark-and-Sweep: una volta trovati gli oggetti da rimuovere, questi vengono eliminati senza copiare quelli ancora referenziati. In seguito l’heap può essere riorganizzato spostando solo alcuni oggetti ancora vivi, più piccoli degli spazi rilasciati.


Adaptive Garbace Collection

  • La tendenza attuale è quella di utilizzare entrambe le tecniche (Adaptive Garbace Collection), ma in momenti diversi:

    • la tecnica Stop-and-Copy viene utilizzata solo quando l’heap è troppo frammentato, e quindi è necessaria una riorganizzazione
    • la tecnica Mark-and-Sweep è più veloce, ma l’heap viene frammentato




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