Table of Contents

Agregare și moștenire

Obiective

Scopul acestui laborator este familiarizarea studenților cu noțiunile de agregare și de moștenire a claselor.

Aspectele urmărite sunt:

Agregare și Compunere

Agregarea și compunerea se referă la prezența unei referințe pentru un obiect într-o altă clasă. Acea clasă practic va refolosi codul din clasa corespunzatoare obiectului. Exemplu:

Compunere: 

public class Foo {
    private Bar bar = new Bar();
}

Agregare: 

public class Foo { 
    private Bar bar; 
 
    // Obiectul Bar poate continua să existe chiar dacă obiectul Foo nu există
    Foo(Bar bar) {
       this.bar = bar; 
    }
}

Exemplu practic: 

class Page {
    private String content;
    public int numberOfPages;
 
    public Page(String content, int numberOfPages) {
       this.content        = content;
       this.numberOfPages  = numberOfPages;
    }
}
 
class Book {
    private String title; 			// Compunere
    private Page[] pages; 			// Compunere
    private LibraryRow libraryRow = null; 	// Agregare
 
    public Book(int size, String title, LibraryRow libraryRow) {
        this.libraryRow = libraryRow; 
        this.title = title;
 
        pages = new Page[size];
 
        for (int i = 0; i < size; i++) {
           pages[i] = new Page("Page " + i, i);
        }
    }	
}
 
class LibraryRow {
    private String rowName = null; 		// Agregare
 
    public LibraryRow(String rowName) {
        this.rowName = rowName;
    }
}
 
class Library {
 
    public static void main(String[] args) {	
        LibraryRow row = new LibraryRow("a1");
        Book book = new Book(100, "title", row);
 
        // După ce nu mai există nici o referință la obiectul Carte,
        // Garbage Collector-ul va șterge (la un moment dat, nu 
        // neapărat imediat) acea instanță, dar obiectul LibraryRow
        // transmis constructorului nu este afectat.
 
        book = null;
    }
}

Inițializarea obiectelor conținute poate fi făcută în 3 momente de timp distincte:

Moștenire (Inheritance)

Numită și derivare, moștenirea este un mecanism de refolosire a codului specific limbajelor orientate obiect și reprezintă posibilitatea de a defini o clasă care extinde o altă clasă deja existentă. Ideea de bază este de a prelua funcționalitatea existentă într-o clasă și de a adăuga una nouă sau de a o modela pe cea existentă.

Clasa existentă este numită clasa-părinte, clasa de bază sau super-clasă. Clasa care extinde clasa-părinte se numește clasa-copil (child), clasa derivată sau sub-clasă.

Spre deosebire de C++, Java nu permite moștenire multiplă (multiple inheritance), astfel că nu putem întâlni ambiguități de genul Problema Rombului / Diamond Problem. Mereu când vom vrea să ne referim la metoda părinte (folosind cuvântul cheie super, cum vom vedea mai jos), acel părinte este unic determinat.

Agregare vs. moștenire

Când se folosește moștenirea și când agregarea?

Răspunsul la această întrebare depinde, în principal, de datele problemei analizate dar și de concepția designerului, neexistând o rețetă general valabilă în acest sens. În general, agregarea este folosită atunci când se dorește folosirea trăsăturilor unei clase în interiorul altei clase, dar nu și interfața sa (prin moștenire, noua clasă ar expune și metodele clasei de bază). Putem distinge două cazuri:

Moștenirea este un mecanism care permite crearea unor versiuni “specializate” ale unor clase existente (de bază). Moștenirea este folosită în general atunci când se dorește construirea unui tip de date care să reprezinte o implementare specifică (o specializare oferită prin clasa derivată) a unui lucru mai general. Un exemplu simplu ar fi clasa Dacia care moștenește clasa Car.

Diferența dintre moștenire și agregare este de fapt diferența dintre cele 2 tipuri de relații majore prezente între obiectele unei aplicații :

Upcasting și Downcasting

Convertirea unei referințe la o clasă derivată într-una a unei clase de bază poartă numele de upcasting. Upcasting-ul este facut automat și nu trebuie declarat explicit de către programator.

Exemplu de upcasting: 

class Instrument {
    public void play() {}
 
    static void tune(Instrument i) {
        i.play();
    }
} 
 
// Obiectele Wind sunt instrumente
// deoarece au aceeași interfață:
public class Wind extends Instrument {
    public static void main(String[] args) {
        Wind flute = new Wind();
        Instrument.tune(flute); // !! Upcasting automat pentru că metoda primește
                                // un obiect de tip Instrument, nu un obiect de tip Wind
                                // Deci ar fi redundant să faci un cast explicit cum ar fi:
                                // Instrument.tune((Instrument) flute)
    }
}

Deși obiectul flute este o instanță a clasei Wind, acesta este pasat ca parametru în locul unui obiect de tip Instrument, care este o superclasa a clasei Wind. Upcasting-ul se face la pasarea parametrului. Termenul de upcasting provine din diagramele de clase (în special UML) în care moștenirea se reprezintă prin 2 blocuri așezate unul sub altul, reprezentând cele 2 clase (sus este clasa de bază iar jos clasa derivată), unite printr-o săgeată orientată spre clasa de bază.

Downcasting este operația inversă upcast-ului și este o conversie explicită de tip în care se merge în jos pe ierarhia claselor (se convertește o clasă de bază într-una derivată). Acest cast trebuie făcut explicit de către programator. Downcasting-ul este posibil numai dacă obiectul declarat ca fiind de o clasă de bază este, de fapt, instanță clasei derivate către care se face downcasting-ul.

Iată un exemplu în care este folosit downcasting: 

class Animal {
    public void eat() {
        System.out.println("Animal eating");
    }
}
 
class Wolf extends Animal {
    public void howl() {
        System.out.println("Wolf howling");
    }
 
    public void eat() {
        System.out.println("Wolf eating");
    }
}
 
class Snake extends Animal {
    public void bite() {
        System.out.println("Snake biting");
    }
}
 
class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a [] = new Animal[2];
 
        a[0] = new Wolf();    // Upcasting automat
        a[1] = new Snake();   // Upcasting automat
 
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            a[i].eat(); // 1
 
            if (a[i] instanceof Wolf) {
                ((Wolf)a[i]).howl(); // 2
            }
 
            if (a[i] instanceof Snake) {
                ((Snake)a[i]).bite(); // 3
            }
        }
    }
}

Codul va afișa: 

Wolf eating
Wolf howling
Animal eating
Snake biting

În liniile marcate cu 2 și 3 se execută un downcast de la Animal la Wolf, respectiv Snake pentru a putea fi apelate metodele specifice definite în aceste clase. Înaintea execuției downcast-ului (conversia de tip la Wolf respectiv Snake) verificăm dacă obiectul respectiv este de tipul dorit (utilizând operatorul instanceof). Dacă am încerca să facem downcast către tipul Wolf al unui obiect instantiat la Snake mașina virtuală ar semnala acest lucru aruncând o excepție la rularea programului.

Apelarea metodei eat() (linia 1) se face direct, fără downcast, deoarece această metodă este definită și în clasa de bază Animal. Datorită faptului că Wolf suprascrie (overrides) metoda eat(), apelul a[0].eat() va afișa “Wolf eating”. Apelul a[1].eat() va apela metoda din clasă de bază (la ieșire va fi afișat “Animal eating”) deoarece a[1] este instantiat la Snake, iar Snake nu suprascrie metoda eat().

Upcasting-ul este un element foarte important. De multe ori răspunsul la întrebarea: este nevoie de moștenire? este dat de răspunsul la întrebarea: am nevoie de upcasting? Aceasta deoarece upcasting-ul se face atunci când pentru unul sau mai multe obiecte din clase derivate se execută aceeași metodă definită în clasa părinte.

Să încercăm să evităm folosirea instanceof

Totuși, deși v-am ilustrat cum instanceof ne poate ajuta să ne dăm seama la ce să facem downcasting, este de preferat să ne organizăm clasele și designul codului în așa fel încât să lăsăm limbajul Java să facă automat verificarea tipului și să cheme metoda corespunzătoare. Vom refactororiza codul anterior pentru a nu fi nevoie de instanceof: 

class Animal {
    public void eat() {
        System.out.println("Animal eating");
    }
 
    public void action() {
        // avem nevoie de această metodă deoarece vom crea un vector
        // cu instanțe Animal și vom apela această metodă pe ele
    }
}
 
class Wolf extends Animal {
    public void action() {
        System.out.println("Wolf howling");
    }
 
    public void eat() {
        System.out.println("Wolf eating");
    }
}
 
class Snake extends Animal {
    public void action() {
        System.out.println("Snake biting");
    }
}
 
class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a [] = new Animal[2];
 
        a[0] = new Wolf();
        a[1] = new Snake();
 
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            a[i].eat();
 
            // acum că ele sunt numite la fel, putem apela metoda action
            // din clasa Animal (observați de ce a fost nevoie să definim
            // metoda action în clasa Animal), iar metoda corespunzătoare
            // va fi apelată pentru tipul specific al instanței a[i]
 
            a[i].action();
        }
    }
}

Codul va afișa: 

Wolf eating
Wolf howling
Animal eating
Snake biting

Implicații ale moștenirii

În Java, clasele și membrii acestora (metode, variabile, clase interne) pot avea diverși specificatori de acces, prezentați pe wiki în Organizarea surselor și controlul accesului.

Constructorii nu se moștenesc și pot fi apelați doar în contextul unui constructor copil. Apelurile de constructor sunt înlănțuite, ceea ce înseamnă că înainte de a se inițializa obiectul copil, mai întâi se va inițializa obiectul părinte. În cazul în care părintele este copil la rândul lui, se va înițializa părintele lui (până se va ajunge la parintele suprem – root).

Pe lângă reutilizarea codului, moștenirea dă posibilitatea de a dezvolta pas cu pas o aplicație (procedeul poartă numele de incremental development). Astfel, putem folosi un cod deja funcțional și adaugă alt cod nou la acesta, în felul acesta izolându-se bug-urile în codul nou adăugat. Pentru mai multe informații citiți capitolul Reusing Classes din cartea Thinking în Java (Bruce Eckel)

Suprascrierea, supraîncărcarea si ascunderea metodelor statice

Suprascrierea (overriding) presupune înlocuirea funcționalității din clasa/clasele părinte pentru instanța curentă. Supraîncărcarea (overloading) presupune furnizarea de funcționalitate în plus, fie pentru metodele din clasa curentă, fie pentru clasa/clasele părinte. 

public class Car {
    public void print() {
        System.out.println("Car");
    }
 
    public void init() {
        System.out.println("Car");
    }
 
    public void addGasoline() {
        // do something
    }
}
 
class Dacia extends Car {
    public void print() {
        System.out.println("Dacia");
    }
 
    public void init() {
        System.out.println("Dacia");
    }
 
    public void addGasoline(Integer gallons) {
        // do something
    }
 
    public void addGasoline(Double gallons) {
        // do something
    }
}

Metodele dependente de instanță sunt polimorfice (la runtime pot avea diferite implementări) deci ele pot fi suprascrise sau supraîncarcăte. Metoda print este suprascrisă în clasa Dacia ceea ce înseamnă că orice instanță, chiar dacă se face cast la tipul Car metoda ce se va apela va fi mereu metoda print din clasa Dacia. Metoda addGasoline este supraîncărcată ceea ce înseamnă că putem executa metode cu semnături diferite dar același nume (cel mai folosit in crearea metodelor de conversie). 

Car a = new Car();
Car b = new Dacia();
Dacia c = new Dacia();
Car d = null;
 
a.print(); // afișează Car
b.print(); // afișează Dacia
c.print(); // afișează Dacia
d.print(); // aruncă NullPointerException

Suprascrierea nu se aplică și metodelor statice pentru că ele nu sunt dependente de instanță. Dacă în exemplul de mai sus facem metodele print din Car și din Dacia statice, rezultatul va fi următorul: 

Car a = new Car();
Car b = new Dacia();
Dacia c = new Dacia();
Car d = null;
 
a.print(); // afișează Car
b.print(); // afișează Car pentru că tipul dat la inițializare al lui b este Car
c.print(); // afișează Dacia pentru că tipul dat la inițializare al lui c este  Dacia
d.print(): // afișează Car pentru că tipul dat la inițializare al lui b este Car
O să punem accent pe aceste concepte în laboratorul visitor
Sintaxa Java permite apelarea metodelor statice pe instanțe (e.g. a.print în loc de Car.print), dar acest lucru este considerat bad practice pentru că poate îngreuna înțelegerea codului.

Suprascrierea corecta a metodei equals(Object o)

Una din problemele cele mai des întâlnite este suprascrierea corectă a metodei equals. Mai jos putem vedea un exemplu de suprascriere incorectă a acestei metode. 

public class Car {
    public boolean equals(Car c) {
        System.out.println("Car");
        return true;
    }
 
    public boolean equals(Object o) {
        System.out.println("Object");
        return false;
    }
}

Prima metodă este o supraîncărcare a metodei equals iar a doua metodă este suprascrierea metodei equals. 

Car a = new Car();
Dacia b = new Dacia();
Int c = new Int(10);
 
a.equals(a); // afișează Car
a.equals(b); // afișează Car deoarece se face upcasting de la Dacia la Car
a.equals(c); // afișează Object deoarece se face upcasting de la Int la Object

Problema care se poate observa este că putem pasa ca argumente metodei equals si tipuri de date diferite de Car, lucru ce ar putea arunca excepții de cast sau când vrem să accesăm anumite proprietăți din instanță. Mai jos este modul corect de suprascrie metoda equals. 

public class Car {
    public boolean equals(Car c)
    {
        return true;
    }
 
    public boolean equals(Object o)
    {
        if (o == this) {
            return true;
        }
 
        if (!(o instanceof Car)) {
            return false;
        }
 
        return equals((Car) o);
    }
}

De reținut că folosirea instanceof nu este recomandată, însă în acest caz este singurul mod prin care ne putem asigura ca instanța de obiect trimisă metodei este de tip Car.

Cuvântul cheie super. Întrebuințări

Cuvântul cheie super se referă la instanța părinte a clasei curente. Acesta poate fi folosit în două moduri: apelând o metoda suprascrisă (overriden) sau apelând constructorul părinte.

Apelând o metodă suprascrisă

public class Superclass {
 
    public void printMethod() {
        System.out.println("Printed in Superclass.");
    }
}
 
public class Subclass extends Superclass {
 
    // overrides printMethod in Superclass
    public void printMethod() {
        super.printMethod();  // apelează metoda părinte
 
        System.out.println("Printed in Subclass.");
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        Subclass s = new Subclass();
        s.printMethod();
    }
}

Codul va afișa: 

Printed in Superclass.
Printed in Subclass.

Apelând constructorul părinte

class Superclass {
    public Superclass() {
       System.out.println("Printed in Superclass constructor with no args.");
    }
 
    public Superclass(int a) {
       System.out.println("Printed in Superclass constructor with one integer argument.");
    }
}
 
class Subclass extends Superclass {
    public Subclass() {
        super();    // apelează constructorul părinte
                    // acest apel trebuie să fie pe prima linie a constructorului !!
 
        System.out.println("Printed in Subclass constructor with no args.");
    }
 
    public Subclass(int a) {
        super(a);   // apelează constructorul părinte
                    // acest apel trebuie să fie pe prima linie a constructorului !!
 
        System.out.println("Printed in Subclass constructor with one integer argument.");
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        Subclass s1 = new Subclass(20);
        Subclass s2 = new Subclass();
    }
}

Codul va afișa: 

Printed in Superclass constructor with one integer argument.
Printed in Subclass constructor with one integer argument.
Printed in Superclass constructor with no args.
Printed in Subclass constructor with no args.
Invocarea constructorului părinte trebuie să fie prima linie dintr-un constructor al unei subclase, dacă invocarea părintelui există (se poate foarte bine să nu apelăm super din constructor).
Chiar dacă nu se specifică apelul metodei super(), compilatorul va apela automat constructor-ul implicit al părintelui însă dacă se dorește apelarea altui constructor, apelul de super(args) respectiv este obligatoriu

Summary

Relații între obiecte:

Upcasting

Downcasting

Suprascrierea

Supraincarcarea

super

Exerciții

Gigel vrea să-i faca mamei sale un cadou de ziua ei și știe că-i plac foarte mult bomboanele. El are nevoie de ajutorul vostru pentru a construi cel mai frumos și gustos cadou:

Task 1 [2p]

Veti proiecta o clasa CandyBox, care va conține câmpurile private flavor (String) și origin (String). Clasa va avea, de asemenea:

Task 2 [2p]

Din ea derivați clasele Lindt, Baravelli, ChocAmor. Pentru un design interesant, cutiile vor avea forme diferite:

Clasele vor avea:

Task 3 [1p]

Adăugați o metodă equals() în clasa CandyBox. Justificați criteriul de echivalentă ales. Vedeți metodele clasei Object, moștenită de toate clasele - Object are metoda equals, a cărei implementare verifică echivalența obiectelor comparând referințele.

Hint: Puteti genera automat metoda, cu ajutorul IDE. Selectați câmpurile considerate și analizați în ce fel va fi suprascrisă metoda equals.

Task 4 - Upcasting [2p]

Acum că am stabilit tipul cutiilor de bomboane, putem construi cadoul, ramanand la latitudinea vostra care va fi designul lui. In pachetul java.util se gaseste clasa ArrayList, care definește un resizable array, cu metodele specifice (add, size, get, lista lor completa este in documentatie). Creati o clasă CandyBag, care va conține un ArrayList cu mai multe cutii din fiecare tip. Creați obiecte de tip Lindt si testați egalitatea lor;

Task 5 - Downcasting [1p]

Adaugati clasei Baravelli, functia printBaravelliDim(), care va afișa dimensiunile razei și inaltimii. În mod analog, procedati cu celelalte tipuri de cutii, adaugand metodele printChocAmorDim() si printLindtDim(), în care să afișați dimensiunile fiecarei cutii.

Task 6 - Agregare [2p]

Gigel va vrea sa trimită prin curier cadoul, pentru a nu-l gasi mama lui mai devreme. Ajutați-l să determine locația, creând clasa “Area”, care va conține un obiect de tip CandyBag, un camp “number” (int) și un câmp “street” (String) Clasa va avea, de asemenea:

Resurse

Referințe