====== 4. Cvičení ====== [[courses:b0b36pjv:internal:solution:04:start|Info pro ucitele]] Toto cvičení je zaměřeno na procvičení práce se spojovými datovými strukturami. V druhé části cvičení se zaměříme na dědičnost a návrhový vzor double dispatch. ===== Úkoly na cvičení ===== - Pokračujte v práci na nedokončených úlohách v minulém cvičení - Pusťte se do úkolů z části Polymorfismus. Pokuste se zdůvodnit, proč nefunguje single dispatch. ===== Polymorfizmus ===== ==== Úkol 1. - Úvod do problematiky ==== Tento úkol je těžce inspirován tutoriálem od Oracle. Vytvořte projekt, který bude obsahovat následující třídy: * ''Bicycle'' - reprezentuje jízdní kolo s následujícími atributy a metodami: * private int cadence; * private int gear; * private int speed; * public void printDescription(){}, která vypíše informace o kolu ve tvaru: Bike is in gear 1 with a cadence of 20 and travelling at a speed of 10. * ''TestBikes'' - obsahuje pouze ''public static void main()'', kde budeme naše výtvory zkoušet. Slovníková definice polymorfismu odkazuje na zásady v biologii, v níž organismus nebo druh může mít mnoho různých forem nebo fáze. Tento princip lze také použít k objektově orientovanému programování a jazyků, tedy i v jazyku Java. Podtřídy třídy mohou definovat své vlastní jedinečné chování a přesto sdílejí některé stejné funkčnosti nadřazené třídy. Polymorfismus může být demonstrován na třídě ''Bicycle''. Ta obsahuje metodu ''printDescription()'', která vypíše informace o všech datech dané instance. * Napište třídy ''MountainBike'' a ''RoadBike'', které budou reprezentovat horské a silniční kolo, a které budou dědit od třídy ''Bicycle''. * ''MountainBike'' bude mít navíc atribut ''String suspension'' označující, jakým druhem odpružení kolo disponuje (''"Front"'' pro přední, ''"Dual"'' pro přední i zadní). * ''RoadBike'' bude mít navíc atribut ''int tireWidth'' označující šířku pneumatiky v milimetrech (protože siniční kola mívají pneumatiky úzké). Nyní bychom chtěli, aby ''printDescription()'' vypisovalo všechny informace o daném kolu: Bicycle bike01, bike02, bike03; bike01 = new Bicycle(20, 10, 1); bike02 = new MountainBike(20, 10, 5, "Dual"); bike03 = new RoadBike(40, 20, 8, 23); bike01.printDescription(); bike02.printDescription(); bike03.printDescription(); Jenže výstup je následující: Bike is in gear 1 with a cadence of 20 and travelling at a speed of 10. Bike is in gear 5 with a cadence of 20 and travelling at a speed of 10. Bike is in gear 8 with a cadence of 40 and travelling at a speed of 20. Informace o odpružení (u druhého kola) a o šířce pneumatik (u třetího kola) chybí. Návrhy jak to vyřešit? * Přepište metodu ''printDescription()'' u potomků třídy ''Bicycle'' tak, aby vždy zahrnovala data specifická pro dané kolo. Tedy, existují tři třídy: ''Bicycle'', ''MountainBike'' a ''RoadBike''. Dvě podtřídy přepisují metodu ''printDescription()'' a tisknou jedinečné informace. Jak to, že se volá správná metoda, ačkoliv všechny proměnné jsou typu ''Bike''? Java Virtual Machine (JVM) volá příslušnou metodu pro objekt, na který se odkazuje každá z proměnných. Není to volání metody určené podle typu proměnné. Toto chování se označuje jako //volání virtuální metody// a ukazuje určitý aspekt důležitých polymorfních rysů v jazyce Java. ==== Úkol 2. - Servis kol ==== Navrhněte servis kol. Servis příjmá různá kola a může mít různé specializace na opravy. Například může být servis, který se specializuje jen na ''RoadBike'' ale zvládne i údržbu běžného kola. Zkusme navrhnout následující 3 servisy: * ''BasicService'' s metodou ''void accept(Bicycle)'' - vypíše ''"fixing Bicycle"'' * ''MountainBikeService extends BasicService'' s metodami ''void accept (Bicycle)'' a ''void accept (MountainBike)'' - druhá z metod přijme jen ''MountainBike'' a vypíše ''"fixing MountainBike"'' * ''RoadBikeService extends BasicService'' s metodami ''void accept (Bicycle)'' a ''void accept (RoadBike)'' - druhá z metod přijme jen ''RoadBike'' a vypíše ''"fixing RoadBike"'' Nyní zkusme zakomponovat do metody main tyto servisy a předejme jim kola. ==== Úkol 3. - Život není snadný, ale nevzdávejme se ==== Servis nám příjmá kola jako ''Bicycle''. Co stím? Nápady? * Detekce a přetypování * Atribut typ pro každou třídu kola a dle něj přetypujeme * Nějaký magický trik Zkusme tedy použít kouzlo, jistě ho oceníte. Nejprve, ale řekněme co je zde za problém. Pokud uděláme toto ''Bicycle bike = new MountainBike(20, 10, 5, "Dual");'' a zavoláme ''bike.printDescription();'' tak se správně zavolá virtuální metoda z ''MountainBike''. Pokud ale zavoláme na ''mountainBikeService.accept(bike)'', tak si compiler myslí, že má Bicycle. Jak na to? Znovu pro pořádek: - zavoláme ''bike.printDescription();'' a správně se zavolá virtuální metoda z MountainBike - zavoláme na ''mountainBikeService.accept(bike)'' a compiler si myslí, že má Bicycle. Co tedy s tím? Spojme to a udělejme //double dispatch//. Přidejme metodu ''visit(BasicService bs)'' do každého typu kola! Každý typ kola pak zavolá v metodě visit ''bs.accept(this);''. Zopakujme si to: - Zavoláme ''bike.visit(mountainBikeService)'' - to zavolá virtuální metodu ''visit'' na ''MountainBike'' - nic nového. - V těle ''visit'' se do ''mountainBikeService'' předá ''this'', jenže co je nyní this? ''this'' je nyní ''MountainBike'' a ne ''Bicycle''. Proč? Protože jsme zavolali virtuální metodu nad ''MountainBike''. Tento trik, je opět "best practice" a nazývá se visitor. - Je třeba aby každý servis implementoval metody ''accept'' pro všechny typy kol. - Každé kolo pak musí mít vlastní metody ''visit'', i když vypadají stejně. ==== Úkol 4. ==== Navrhněte třídu držák, ta bude držet instanci daného typu kola (delegace). * BicycleHolder * MountainBikeHolder extends BicycleHolder * RoadBikeHolder extends BicycleHolder Nápověda public class MountainBikeHolder extends BicycleHolder { public MountainBikeHolder(MountainBike bicycle) { super(bicycle); } } ==== Úkol 5. ==== Navrhněte vozidlo ''Car'', které bude přijímat kola různých typů a dle jejich typu bude vybírat vhodný držák, a to podobně jako jako se kola předávala do servisu (v minulém ukolu), tedy metodami: * ''accept(Bicycle)'' * ''accept(MountainBike)'' * ''accept(RoadBike)'' Kola se ve vozidle budou ukládat jen s pomocí držáku a to do seznamu/listu: List carHolders = new ArrayList(4); === Nápověda === Generalizujte visitor pro auto i opravnu přes rozhraní ''Visitor'', upravte kola ať je může navštívit toto rozhraní public interface BicycleVisitor { public void accept(Bicycle b); public void accept(MountainBike b); public void accept(RoadBike b); } public class Bicycle { .. public void visit(BicycleVisitor servis) { servis.accept(this); // i v dalsich tridach } } ==== Úkol 6. === Každé kolo bude mít danou barvu, evidujme jen dobře definovaný počet barev výčtovým typem. Výčtovému typu přidejme pro každou barvu též atributy: název barvy a identifikační číslo. ==== Úkol 7. ==== Navrhněte generickou třídu ''AnyHolder'', která odstraní hierarchii z úkolu 1. Použijte ji ve druhém autě ''AnyHolderCar'' (původní ne-generickou implementaci ponechte, ať máte srovnání před očima). ===== Bonusy, poznámky, další... ===== ==== Přetížení vs přepsání (overloading vs overriding) ==== Zdánlivě podobné, avšak zcela rozdílné koncepty, které si nesmíte plést. === Přetížení === Přetížení (angl. //overloading//) je případ, kdy jedna třída obsahuje více metod se stejným jménem, ale **různou signaturou**. Příklad: class Printer { public void print(String string) { System.out.println(string); } public void print(int integer) { System.out.println(integer); } } Třída obsahuje dvě metody. Obě se jmenují ''print'', nicméně jedna z nich bere argument typu ''String'' a druhá argument typu ''int''. O metodě ''print'' řekneme, že je přetížená. Ve cvičení jsme se s přetížením setkali na samém závěru u třídy ''BasicService'', která měla 3 varianty metody ''accept''. === Přepsání === Přepsání (angl. //overriding//) je případ, kdy třída A má nějakou metodu a třída B, která je potomkem třídy A, definuje vlastní implementaci této metody, neboli ji přepisuje. Při volání takové metody na objektu deklarovaného jako typ A se až v momentě volání zvolí, zda-li se volá metoda třídy A (pokud objekt je skutečně typu A), nebo metoda třídy B (pokud objekt je skutečně typu B). Příklad: class Printer { public void print(String string) { System.out.println(string); } } class VerbosePrinter extends Printer { @Override public void print(String string) { System.out.println("I am now printing the following string: \"" + string + "\""); } } Třídou "A" je zde třída ''Printer'', třídou "B" je zde třída ''VerbosePrinter'', přepisovanou (a jedinou) metodou je zde metoda ''print''. ==== Abstraktní třídy a metody ==== V Javě je možné vytvořit takzvanou abstaktní metodu. Jedná se o metodu, u které je definovaná pouze její signatura, ale nikoliv její implementace. Příklad definice abstraktní metody: public abstract void foo(); Třída, která obsahuje alespoň jednu abstraktní metodu, musí být definována jako abstraktní třída: public abstract class Abstr { public abstract void foo(); } Obráceně však tato implikace neplatí, tzn. můžeme vytvořit abstraktní třídu (použitím klíčového slova ''abstract''), která však bude mít všechny své metody implementované. Abstraktní třídy se vyznačují tím, že není možné vytvářet jejich instance. Tzn. volání typu Abstr x = new Abstr(); nebude možné zkompilovat. Nicméně, levá část (tzn. před rovnítkem) je zcela v pořádku a je možné mít proměnné typované na abstraktní třídu. Budeme-li tedy mít nějakého ne-abstraktního potomka (ne-abstraktní = nemá žádnou abstraktní metodu = všechny abstraktní metody má implementované), můžeme vesele vytvářet instance. Příklad: public class Concr extends Abstr { public void foo() { System.out.println("foo"); } } Potom již lze udělat následující volání Abstr x = new Concr(); x.foo(); a správně se zavolá metoda ''foo'' na třídě ''Concrete'' (klasické přepsání či overriding metody a virtuální volání). ==== Rozhraní (interface) ==== Rozhraní je velice podobné abstraktním třídám. Jedná se o "něco jako třídu", zkrátka rozhraní, které definuje metody, ale nikoliv jejich implementace. To znamená, že v rozhraní jsou vždy všechny metody abstraktní, a proto se také nemusí psát (a ani nepíše) klíčové slovo ''abstract''. Příklad definice rozhraní: public interface Iface { public void foo(); } Rozhaní pak jednotlivé třídy **implementují**: public class Impl implements Iface { public void foo() { System.out.println("foo"); } } Třída, která implementuje nějaké rozhraní, **musí** implementovat všechny metody rozhraní. Nicméně existuje výjimka z tohoto pravidla, a to abstraktní třídy. Pokud je třída abstraktní, tak nemusí implementovat všechny metody (nebo žádnou) ze svých rozhraní. Nebo obráceně - pokud necheme implementovat všechny metody z rozhraní, musíme třídu označit jako abstraktní. Příklad: public abstract class AbstractImpl implements Iface { } Rozhraní navíc fungují jako typ. Tzn. je možné (a velmi často vhodné) volání Iface x = new Impl(); Vám známý ''List'' je také rozhraní, nikoliv třída. Jednotlivé implementace (''ArrayList'', ''LinkedList'') toto rozhraní implementují. Rozhraní mezi sebou také mohou mít hierarchii, tzn. jedno rozhraní může být potomkem (dědit od) rozhraní jiného. Příkladem budiž opět známá rozhraní ''List'' a ''Collection'', kde ''List'' je potomkem ''Collection''. Chová se to pak podobně jako u tříd, tzn. potomek má metody jak své tak metody předka, ale jelikož u rozhraní nejsou žádné implementace, tak přepisování (overriding) zde postrádá smysl. === Proč rozhraní === Nabízí se otázka: proč máme v Javě dva podobné mechanismy, a to abstraktní třídy a rozhraní? Důvod je jednoduchý: v jazyce Java může třída dědit pouze od jedné třídy, ale může implementovat libovolný počet rozhraní. Rozhraní se obecně využívají právě pro definici **rozhraní**. Tzn. v rozhraní popíši, jak chci, aby s objektem šlo manipulovat (jaké operace na něm budou existovat) a implementaci nechám na konkrétních třídách. Jelikož jsem udělal definici skrze rozhraní, konkrétní třídy stále mohou dědit od jiných tříd. Krásný příklad je třída ''Thread'' a rozhraní ''Runnable''. Jedná se o vlákna, ke kterým se dostaneme až za několik týdnů, ale o samotná vlákna tu nejde. Jde o to, že vlákno je možné vytvořit dvěma způsoby: - Vytvořím potomka třídy ''Thread''. - Vytvořím třídu implementující ''Runnable'' a tu pak vložím jako argument do konstruktoru ''Thread''. První možnost je nejjednodušší, ale už si tím zavřu dveře k dědění od jiné třídy, takže nemůžu použít jinou funkcionalitu. Když ale implementuji rozhraní ''Runnable'', tak jsem pořád schopen vlákno vytvořit, ale stále můžu dědit od jiné třídy. ==== ENUM ==== Pro účely karetních her zkusme porovnat reprezentaci barev karet pomocí konstant a pomocí enum. Všechny úkoly zkuste nejprve pomocí konstant: - Vytvořte třídu karta, která bude mít konstruktor obsahující hodnotu a barvu karty, - bude obsahovat metodu toString, která textově vypíše hodnotu a barvu karty. A nyní pomocí ENUM, pro načtení hodnot můžete použít static import. Napište metody pro výpis a výpis v angličtině (diamonds (♦), spades (♠), hearts (♥) and clubs (♣)). Kde jsou nebezpečí používání konstant? import java.util.*; public class Card { public enum Rank { DEUCE, THREE, FOUR, FIVE, SIX, SEVEN, EIGHT, NINE, TEN, JACK, QUEEN, KING, ACE } public enum Suit { CLUBS, DIAMONDS, HEARTS, SPADES } private final Rank rank; private final Suit suit; private Card(Rank rank, Suit suit) { this.rank = rank; this.suit = suit; } public Rank rank() { return rank; } public Suit suit() { return suit; } public String toString() { return rank + " of " + suit; } private static final List protoDeck = new ArrayList(); // Initialize prototype deck static { for (Suit suit : Suit.values()) for (Rank rank : Rank.values()) protoDeck.add(new Card(rank, suit)); } public static ArrayList newDeck() { return new ArrayList(protoDeck); // Return copy of prototype deck } } ==== Enum jak ho neznáme ==== Řekněme, že chceme pracovat s elementy, které je možné řadit vzestupně nebo sestupně. Mějme následující výchozí Enum: public enum Ordering { ASCENDING, DESCENDING; } === Atributy === Enum může mít atributy, stejně jako jakákoliv jiná třída. Tyto atributy lze nastavit v konstruktoru, který lze definovat. Deklarace jednotlivých prvků jsou vlastně volání konstruktoru (akorát když žádný není, vynecháme závorky) a lze tak předat atributům hodnoty. Uložme si pro každé seřazení jeho zkratku: public enum Ordering { ASCENDING("ASC"), DESCENDING("DESC"); public final String acronym; private Ordering(String acronym) { this.acronym = acronym; } } Atribut můžete použít stejně jako u jakékoli jiné třídy, např.: Ordering[] ords = Ordering.values(); for (Ordering o : ords) { System.out.println(o.acronym + " - " + o); } Produkuje: ASC - ASCENDING DESC - DESCENDING === Metody === Enum může mít metody, stejně jako jakákoliv jiná třída. A jelikož i Enum je potomkem třídy Object (stejně jako všechny třídy v javě), ukažme to na metodě ''toString()'': public enum Ordering { ASCENDING("ASC"), DESCENDING("DESC"); public final String acronym; private Ordering(String acronym) { this.acronym = acronym; } @Override public String toString() { return this.name() + "(" + acronym + ")"; } } Následující kód for (Ordering o : Ordering.values()) { System.out.println(o); } pak produkuje ASCENDING(ASC) DESCENDING(DESC) === Rozhraní === Stejně jako jakákoliv jiná třída, i Enum může implementovat rozhraní (interface). Implementujme na našem ''Ordering'' rozhraní ''java.util.Comparator'' pro ''Integer''. Máme dvě možnosti. == 1. Speciální implementace pro každý prvek == Každý prvek si implementuje vlastní verze metod rozhraní: public enum Ordering implements Comparator { ASCENDING { @Override public int compare(Integer o1, Integer o2) { return o1.compareTo(o2); } }, DESCENDING { @Override public int compare(Integer o1, Integer o2) { return o2.compareTo(o1); } }; } Ukázkový kód: List elementsBase = Arrays.asList(3, 1, 40, 42, 42, 51, -134, 0, 0); List sortedAsc = new ArrayList(elementsBase); Collections.sort(sortedAsc, Ordering.ASCENDING); List sortedDesc = new ArrayList(elementsBase); Collections.sort(sortedDesc, Ordering.DESCENDING); System.out.println(sortedAsc); System.out.println(sortedDesc); Produkuje následující výstup: ascending: [-134, 0, 0, 1, 3, 40, 42, 42, 51] descending: [51, 42, 42, 40, 3, 1, 0, 0, -134] == 2. Jediná společná implementace s vnitřním rozhodováním na základě ''this'' == Metody rozhraní jsou implementovány pouze jednou, na stejné úrovni jako např. konstruktor a až uvnitř nich se rozhodneme, co budeme dělat na základě toho, co je vlastně ''this'': public enum Ordering implements Comparator { ASCENDING, DESCENDING; @Override public int compare(Integer o1, Integer o2) { switch (this) { case ASCENDING: return o1.compareTo(o2); case DESCENDING: return o2.compareTo(o1); } throw new IllegalStateException(); // we can never reach this code but without it // compiler complains that the method might not // return anything } } Chová se totožně jako předchozí varianta. Nicméně, **tento postup se nedoporučuje.** Navíc ani není moc hezký (nedosažitelná výjimka na konci) a není to správně objektové. === Ještě jedna poznámka k metodám === Metody samotné lze také implementovat pro každý prvek zvlášť, jako jsme viděli u rozhraní. Náš ''toString()'' by tedy mohl vypadat i takto: public enum Ordering { ASCENDING { @Override public String toString() { return this.name() + "(ASC)"; } }, DESCENDING { @Override public String toString() { return this.name() + "(DESC)"; } }; } Kterou ze dvou variant použít, je otázka. Obecné pravidlo by se dalo vyložit asi takto: pokud je chování metody specifické pro každý prvek (dá se zhruba říct i jako "bylo by třeba dělat ''switch(this)''"), je vhodné ji implementovat pro každý prvek zvlášť. Pokud je chování pro všechny prvky víceméně shodné (či "není třeba dělat ''switch(this)''"), je vhodné ji implementovat na úrovni Enumu. === Další studium === Pro maximální porozumění (nejen) Enumům doporučuji Chapter 6, Items 30-34 z knihy Effective Java, 2nd Edition. ==== Generika ==== Generika umožňují vytvářet třídy a metody "on demand" parametrizované nějakou jinou třídou (ale nikoliv např. číslem, což je možné např. v C++, kde se to nazývá "templates" neboli šablony). === Generická třída a rozhraní === Jednoduchý příklad: /** * Generic version of the Box class. * @param the type of the value being boxed */ public class Box { // T stands for "Type" private T t; public void set(T t) { this.t = t; } public T get() { return t; } } A zde volání Box integerBox = new Box(); Jiný a lepší příklad public interface Pair { public K getKey(); public V getValue(); } public class OrderedPair implements Pair { private K key; private V value; public OrderedPair(K key, V value) { this.key = key; this.value = value; } public K getKey() { return key; } public V getValue() { return value; } } inicializace OrderedPair class: Pair p1 = new OrderedPair("Even", 8); Pair p2 = new OrderedPair("hello", "world"); Java 7 zkrátí na OrderedPair p1 = new OrderedPair<>("Even", 8); OrderedPair p2 = new OrderedPair<>("hello", "world"); Pro ty co se neztratili OrderedPair> p = new OrderedPair<>("primes", new Box(...)); === Generická metoda === Nemusí být generická celá třída, generickou lze udělat i samotnou metodu: public class ListCreator { public static List createList(T ... elements) { List list = new ArrayList(elements.length); for (T element : elements) { list.add(element); } return list; } } Ono '''' před signaturou metody je ekvivalentní stejnému '''' za názvem třídy, akorát negeneralizujeme celou třídu, ale samotnou metodu. Když generické metody voláme, můžeme buď nechat typ odvodit: List ints = ListCreator.createList(1, 3); System.out.println(ints); System.out.println("Types: " + ints.get(0).getClass().getSimpleName() + ", " +ints.get(1).getClass().getSimpleName()); List strings = ListCreator.createList("ab", "cd"); System.out.println(strings); System.out.println("Types: " + strings.get(0).getClass().getSimpleName() + ", " +strings.get(1).getClass().getSimpleName()); Produkuje [1, 3] Types: Integer, Integer [ab, cd] Types: String, String Nebo jej ručně specifikovat voláním ve tvaru: List ints = ListCreator.createList(1, 3); Zde ale postrádá smysl, protože není jiná možnost než tato.