Abstrakte Klassen¶

Abstrakte Klassen haben wir bereits verwendet, ohne bis her zu wissen, worum es sich dabei handelt. Wenn wir uns nochmal die "Vererbungshierarchie" von Collection anschauen, dann finden wir darin

Interfaces: die Klassen Collection, List, Set, SortedSet und NavigableSet sind solche Interfaces (dazu kommen wir in der nächsten Lektion) und
Abtrakte Klassen: die Klassen AbstractCollection, AbstractList und AbstractSet sind solche abstrakten Klassen (die schauen wir uns jetzt an)

collection

Klassen - allgemein¶

Wir haben uns bis jetzt Klassen erstellt, um

sie als einen neuen (Referenz-)Typ zu verwenden, um
von diesen Klassen zu erben und somit alle Eigenschaften (Variablen und Methoden) dieser Klasse wiederzuverwenden und um
daraus Objekte zu erzeugen. Diese Objekte weisen alle die gleichen Eigenschaften (Variablen und Methoden) auf. Diese Eigenschaften sind entweder in der Klasse definiert, von der wir Objekte erzeugen oder sie wurden in dieser Klasse von einer anderen Klasse geerbt.

Angenommen, in der Klasse wurde eine Methode implementiert

public void eineImplementierteMethode()
{
    // Anweisungen
}

, dann konnten alle Objekte, die wir von dieser Klasse erzeugt haben, diese Methode aufrufen und ausführen refVariable.eineImplementierteMethode();.

Klassen - abstrakt¶

Abstrakte Klassen sind etwas anders. Von ihnen können wir keine Objekte erzeugen. Das heißt, für abstrakte Klassen gelten nur die beiden ersten Punkte der oberen Aufzählung. Abstrakte Klassen werden erstellt, um

sie als einen neuen (Referenz-)Typ zu verwenden, um
von diesen Klassen alle Eigenschaften erben zu lassen.

Der dritte obere Punkt gilt nicht! Wir können von abstrakten Klassen keine Objekte erzeugen.

Eine abstrakte Klasse enthält eine oder mehrere abstrakte Methoden. Oder besser andersherum: Eine Klasse, die eine oder mehrere abstrakte Methoden enthält, ist eine abstrakte Klasse.

Abstrakte Methoden¶

Abstrakte Methoden sind Methoden, die nicht implementiert sind, d.h. sie haben keinen Methodenrumpf. Eine abstrakte Methode besteht nur aus einem Methodenkopf (gefolgt von einem Semikolon):

public abstract void eineAbstrakteMethode();

Das Schlüsselwort abstract gibt an, dass die Methode nicht implementiert wird, sondern nur abstrakt beschreibt,

wie der Name der Methode lautet,
welche Parameter die Methode erwartet,
wie der Rückgabetyp der Methode ist und
wie der Sichtbarkeitsmodifizierer dieser Methode ist.

Prinzipiell ist für abstrakte Methoden zu beachten, dass sie das Schlüsselwort abstract im Methodenkopf deklarieren und dass abstrakte Methode keinen Methodenrumpf haben, also keine { }. Die Deklaration einer abstrakten Methode endet aber mit einem Semikolon!

Verwendung abstrakter Klassen¶

Eine Klasse, die eine oder mehrere abstrakte Methoden enthält, ist eine abstrakte Klasse. Abtrakte Klassen dienen

als Typ und
als Basisklasse, d.h. von abstrakten Klassen wird geerbt.

Von abstrakten Klassen abgeleitete Klassen (also Klassen, die von einer abstrakten Klasse erben), müssen die geerbten Methoden implementieren (ansonsten wären sie selbst wieder abstrakt)!

Ein Beispiel - die abstrakte Klasse `Shape`¶

Wir erstellen uns eine abstrakte Klasse Shape, welche zwei abstrakte Methoden enthält, perimeter() und area().

public abstract class Shape 
{   
    public abstract double perimeter();
    public abstract double area();

}

Beachten Sie, dass eine Klasse selbst als abstract deklariert werden muss, wenn sie abstrakte Methoden enthält. Deshalb enthält die Klassendeklaration in Zeile 1 ebanfalls das Schlüsselwort abstract. Sie ließe sich auch sonst gar nicht compilieren.

`Rectangle` erbt von `Shape`¶

Shape kann nun bereits als Typ verwendet werden. Es lassen sich aber keine Objekte von der Klasse Shape erzeugen. Vielmehr ist die Klasse Shape auch dazu da, um von ihr zu erben. Wir erzeugen uns deshalb eine Klasse Rectangle, die von Shape erbt.

Wenn wir nun schreiben:

public class Rectangle extends Shape
{

}

dann ist Rectangle rot unterstrichen und Eclipse bietet uns zwei QuickFixes an:

Add unimplemnted methods oder
Make type Rectangle abstract

Durch das Erben von Shape haben wir auch die beiden abstrakten Methoden perimeter() und area() geerbt. Wir haben nun entweder die Möglichkeit, diese Methoden zu implementieren oder die Klasse Rectangle ist selbst eine abstrakte Klasse. Wir wählen QuickFix 1 und lassen die Methoden hinzufügen:

public class Rectangle extends Shape
{

    @Override
    public double perimeter() 
    {
        // TODO Auto-generated method stub
        return 0;
    }

    @Override
    public double area() 
    {
        // TODO Auto-generated method stub
        return 0;
    }

}

Eclipse fügt die zu implementierenden Methoden genau so ein, wie wir sie geerbt haben (also als public und mit Rückgabetyp double sowie den in Shape definierten Namen). Nun sind die beiden Methoden aber jeweils implementiert (aber noch nicht richtig - TODO). Da beide Methoden nun einen Methodenrumpf enthalten (Zeilen 6-9 und 13-16), sind sie nicht mehr abstrakt und somit ist auch die Klasse Rectangle keine abstrakte Klasse.

Eine sinnvolle Implementierung der Klasse Rectangle sieht z.B. so aus, dass wir zwei Objektvariablen definieren, die die Breite und Höhe eines Rechtecks beschreiben, dass wir einen parametrisierten Konstruktor hinzufügen und dass wir unter Verwendung der Werte der Objektvariablen die Methoden perimeter() und area() sinnvoll implementieren:

public class Rectangle extends Shape
{
    private int width, height;

    public Rectangle(int width, int height)
    {
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    @Override
    public double perimeter() 
    {   
        return (2.0 * (this.width + this.height));
    }

    @Override
    public double area() 
    {
        return (this.width * this.height);
    }
}

Natürlich könnte (und sollte) die Klasse auch noch geeignete Implementierungen für mindestens die von Object geerbten Methoden equals() und toString() enthalten.

`Circle` erbt von `Shape`¶

Wir können beliebig oft von der Klasse Shape erben, d.h. wir können nun beliebig viele Klasse erstellen, die von der Klasse Shape erben. Für jede dieser Klassen gilt nun:

ein Objekt dieser Klasse (z.B. ein Objekt der Klasse Rectangle) "besitzt" die Methoden perimeter() und area(),
ein Objekt dieser Klasse ist auch vom (Laufzeit-)Typ Shape.

Wir erzeugen uns eine weitere Klasse, um diese Tatsachen näher zu betrachten:

public class Circle extends Shape
{
    private double radius;

    public Circle(double radius)
    {
        this.radius = radius;
    }

    @Override
    public double perimeter() 
    {
        return Math.PI * 2.0 * this.radius;
    }

    @Override
    public double area() 
    {
        return Math.PI * this.radius * this.radius;
    }

}

Testen der Klassen¶

Beispielsweise könnte nun in einer beliebigen Klasse eine Methode implementiert werden, in der ein Shape als Parameter verwendet wird und die für dieses Shape die Methode perimeter() oder area() aufruft. Es ist ja sicher, dass jedes Objekt vom Typ Shape diese Methoden als Eigenschaft "besitzt". Betrachten wir folgende TestklasseShape:

public class TestklasseShape 
{

    public static void printPerimeter(Shape s)
    {
        System.out.printf("perimeter : %.2f cm%n", s.perimeter());
    }

    public static void printArea(Shape s)
    {
        System.out.printf("area      : %.2f cm%n", s.area());
    }

    public static double sumPerimeters(Shape[] shapes)
    {
        double sum = 0.0;
        for(Shape s : shapes)
        {
            sum += s.perimeter();
        }
        return sum;
    }

    public static double sumAreas(Shape[] shapes)
    {
        double sum = 0.0;
        for(Shape s : shapes)
        {
            sum += s.area();
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Shape s1 = new Rectangle(10, 20);
        Shape s2 = new Circle(6.0);
        printPerimeter(s1);
        printPerimeter(s2);
        printArea(s1);
        printArea(s2);

        Shape[] shapes = new Shape[4];
        shapes[0] = s1;
        shapes[1] = s2;
        shapes[2] = new Rectangle(5,15);
        shapes[3] = new Circle(10.0);
        System.out.printf("sum of perimeters : %.2f cm%n", sumPerimeters(shapes));
        System.out.printf("sum of areas      : %.2f cm%n", sumAreas(shapes));
    }
}

In dieser Testklasse sind vier Methoden implementiert, die als Parameter entweder Objekte vom Typ Shape oder vom Typ Shape[] erwarten. Von Objekten, die vom (Laufzeit-)Typ Shape sind, wissen wir, dass sie die Methoden perimeter() bzw. area() als Eigenschaften besitzen. Deshalb können wir diese Methoden auch in den jeweiligen Methoden für die Shape-Objekte aufrufen.

Abstrakte Klassen fungieren also ein Muster für Klassen, die von den abstrakten Klassen erben, denn die abgeleiteten Klassen müssen genau diese Methoden implementieren, die von den abstrakten Klassen vorgegeben sind. Ohne jetzt wirklich zu wissen, welche konkreten Klassen von dieser abstrakten Klasse erben und auch, ohne wirklich zu wissen, von welcher konkreten Klasse die Objekte erzeugt wurden (z.B. Rectangle oder Circle), so wissen wir doch, dass diese Objekte zumindest über die Methoden perimeter() und area() verfügen.

Beispiele aus den Java-Paketen¶

In Java finden sich sehr viele abstrakte Klassen. Wir betrachten im Folgenden einige, zu denen wir bereits einen Bezug haben.

Die abstrakte Klasse `Number`¶

Die Klasse Number aus dem java.lang-Paket ist eine abstrakte Klasse. In dieser Klasse sind folgende abstrakte Methoden definiert:

abstract double doubleValue()
abstract float floatValue()
abstract int intValue()
abstract long longValue()

Alle numerischen Wrapper-Klassen erben von Number, d.h. die Klassen Byte, Double, Float, Integer, Long und Short sind von Number abgeleitet. Das bedeutet, dass alle Objekte dieser konkreten Wrapper-Klassen auch vom Typ Number sind und somit die Methoden doubleValue(), floatValue(), intValue() und longValue() als Eigenschaften besitzen. Wir können also für alle solche Objekte diese Methoden aufrufen.

Abstrakte Klassen für Collections¶

Beispiele für abstrakte Klassen finden wir auch im java.util-Paket für die Collections. Beispielsweise definiert die abstrakte Klasse AbstractCollection eine Reihe uns bereits bekannter Methoden, wie z.B. add(), addAll(), clear(), contains(), isEmpty(), iterator(), remove() usw. Alle Klassen, die von dieser Klasse erben, wie z.B. AbstractList und AbstractSet verfügen also ebenfalls über diese Methoden. Beachten Sie, dass diese beiden Klassen AbstractList und AbstractSet ebenfalls abstrakt sind! Von AbstractSet erben z.B. die Klassen HashSet, TreeSet und EnumSet. Erst von diesen konkreten Klassen können tatsächlich Objekte erzeugt werden. Alle diese Objekte besitzen aber (natürlich) die bereits in AbstractCollection definierten Methoden.

Success

Wir kennen jetzt abstrakte Klassen. Abstrakte Klassen sind Klassen, die abstrakte Methoden enthalten. Abstrakte Methoden sind Methoden, die nicht implementiert sind. Von abstrakten Klassen können wir keine Objekte erzeugen. Abstrakte Klassen dienen uns als Typen und wir können von abstrakten Klassen erben. Eine Klasse, die von einer abstrakten Klasse erbt, muss die geerbten abstrakten Methoden implementieren (oder sie ist selbst wieder abstrakt). Alle Klassen, die von einer abstrakten Klasse erben, implementieren also die Methoden genau so, wie sie von der abstrakten Klasse vorgegeben wurden, also mit der Methodensignatur (Name der Methode, Parameter, Rückgabetyp und Sichtbarkeitsmodifizierer). Jedes Objekt einer Klasse, welche von der abstrakten Klasse geerbt hat, ist auch vom Typ der abstrakten Klasse.