2 - Polymorfismus, přepisování metod, double dispatch

• pro vyučující: 02

Stáhnětě si výchozí projekt lab02, který obsahuje základ pro naši další dnešní práci. Je těžce inspirován turoriálem od Oracle.

Projekt obsahuje následující třídy:

• Bicycle - reprezentuje jízdní kolo
• 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.

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.

Servis nám příjmá kola jako Bicycle. Co s tím? 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:

1. zavoláme bike.printDescription(); a správně se zavolá virtuální metoda z MountainBike
2. 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:

1. Zavoláme bike.visit(mountainBikeService) - to zavolá virtuální metodu visit na MountainBike - nic nového.
2. 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.

1. Je třeba aby každý servis implementoval metody accept pro všechny typy kol.
2. Každé kolo pak musí mít vlastní metody visit, i když vypadají stejně.

Řešení celého cvičení ke stažení: zde.

Naší práci budeme potřebovat příští týden, takže toto téma nepodceňujte.

Zdánlivě podobné, avšak zcela rozdílné koncepty, které si nesmíte plést.

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 (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.

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 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.

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:

1. Vytvořím potomka třídy Thread.
2. 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.