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Vererbung Modellierung grafischer Objekte Helmut PaulusSpeyer, 5.-7.11.07.

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Präsentation zum Thema: "Vererbung Modellierung grafischer Objekte Helmut PaulusSpeyer, 5.-7.11.07."—  Präsentation transkript:

1 Vererbung Modellierung grafischer Objekte Helmut PaulusSpeyer,

2 2 Anwendungsbeispiel Aktivitäten: verschieben, drehen, skalieren, editieren

3 3 Anforderungen Erzeugung und Verwaltung von grafischen Objekten unter- schiedlicher Form Fähigkeiten der Objekte -frei verschiebbar (Maus) -skalierbar -drehbar

4 4 Erste OOA-Analyse Problem: Vielfalt der Objekte Optimierung: Entwicklung einer Klassenhierarchie TKreis TRechteck TParallel TQuadrat TDreieck TText...

5 5 Klassenhierarchie TGrafikElement TKreisTPolygonTTextTLinie TRegNEck TRechteck TParallel

6 6 Klassenhierarchie Optimierung der Klassen durch Entwicklung einer Vererbungsstruktur Ziele: Der gemeinsame Kern aller Elemente wird in einer Basisklasse modelliert. Spezialisierte Klassen werden von der Basisklasse abgeleitet; sie fügen spezielle Attribute und Operationen hinzu oder definieren bestimmte Dinge neu.

7 7 Klassenhierarchie Vorteile: Durch Vererbung werden alle gemeinsamen Eigenschaften und Operationen an abgeleitete Klassen weitergegeben: Grundlegende Attribute und Operationen werden nur einmal entwickelt Möglichkeit zur Anpassung und Erweiterung unter geringem Aufwand (Wiederverwendbarkeit) Einheitlicher Zugriff auf verschiedene Objekttypen wird möglich (Polymorphismus)

8 8 Einfaches Beispiel Kreise und Rechtecke

9 9 TKreis xPos, yPos //Mittelpunkte Farbe // Füllfarbe Canvas //Zeichenflächenref. markiert // Markierungsflag Rad //Radius Create paint Moveto // verschieben skalieren //vergrößern TRechteck xPos, yPos //Mittelpunkte Farbe // Füllfarbe Canvas //Zeichenflächenref. markiert // Markierungsflag Breite, FLaenge Create paint Moveto // verschieben skalieren //vergrößern Beide Klassen besitzen gleiche Attribute und Methoden gleicher Funktionalität. Das Gemeinsame muss nicht mehrmals implementiert werden!

10 10 Erste Modellierung der Klassen TKreis Rad //Radius paint skalieren //vergrößern TRechteck Breite, Laenge paint skalieren //vergrößern Basisklasse abgeleitete Klassen (Unterklasse) Generalisierung Spezialisierung Die Basisklasse enthält den gemeinsamen Kern aller grafischen Objektklassen. TGrafikElement xPos, yPos //Mittelpunkte Farbe // Füllfarbe Canvas //Zeichenflächenref. Markiert // Markierungsflag Create //Basiskonstruktor Moveto // verschieben ist ein

11 11 Implementierung der Basisklasse TGrafikElement - xPos : integer - yPos : integer - Farbe : TColor - markiert : boolean - Canvas : TCanvas + Create(CanRef : TCanvas; x, y : integer) + moveto(x, y : integer); + gibX : integer + gibY : integer TGrafikElement = class private xPos : integer; yPos : integer; Farbe : TColor; markiert : boolean; Canvas : TCanvas; public constructor create(CanRef : TCanvas; x,y : integer); procedure moveto(x,y : integer); function gibX : integer; function gibY : integer; gibFarbe Farbe : Tcolor; procedure setzeFarbe(wert : TColor); end;

12 12 Implementierung der Basisklasse constructor TGrafikElement.create(CanRef : TCanvas; x,y : integer); begin xPos := x; yPos := y; canvas := CanRef; end; TGrafikElement - xPos : integer - yPos : integer - Farbe : TColor - markiert : boolean - Canvas : TCanvas + Create(CanRef : TCanvas; x, y : integer) + gibX : integer + gibY : integer Die Objekte erhalten eine Referenz auf das Zeichenflächenobjekt des GUI-Objekts procedure TGrafikElement.moveto(x,y : integer); begin xPos := x; yPos := y; end;

13 13 Ist ein - Beziehung Die Unterklassen beschreiben nur die Abweichungen von von der Oberklasse. Alles andere kann wiederverwendet werden, weil es in der Oberklasse vorliegt. Ein Objekt der Unterklasse hat somit ein Objekt der Oberklasse als Teilobjekt. Umgekehrt sind alle Objekte der Unterklasse eine Teilmenge der Objekte der Oberklasse. TGrafikElement... TKreis - rad : integer - setzeRadius(wert : integer) + paint + setAttribute( r : integer, f : TColor) ist ein Jeder Kreis ist ein GrafikElement Konsequenz : Zuweisungskompatibilität Einer Variablen vom Typ der Oberklasse kann eine Referenz auf ein Unterklassenobjekt zugewiesen werden.

14 14 Implementierung der Klasse TKreis TKreis = class(TGrafikElement) private rad : integer; public constructor create(CanRef : TCanvas; x,y : integer); procedure paint; procedure setAttribute(r : integer;f : TColor); function gibRadius : integer; procedure setzeRadius(wert : integer); end; TGrafikElement... TKreis -rad : integer paint + setAttribute( r : integer, f : TColor) + gibRadius : ineger + setzeRadius(wert : integer) ist ein

15 15 Implementierung der Klasse TKreis TGrafikElement... TKreis - rad : integer - setzeRadius(wert : integer) + paint + setAttribute( r : integer, f : TColor) ist ein constructor TKreis.create(CanRef : TCanvas; x,y : integer); begin inherited create(CanRef,x,y); //Konstruktor der Oberklasse FRad := 10; end; Durch Aufruf des geerbten Konstruktors werden die Attribute des Basisobjekts initialisiert. Das abgeleitete Objekt enthält quasi ein Basisobjekt als Teilobjekt.

16 16 Implementierung der Klasse TKreis TGrafikElement... TKreis - Rad : integer + paint + setRadius(wert : integer) + setAttribute( r : integer, f : TColor) ist ein procedure TKreis.setAttribute(r : integer;f : TColor); begin Rad := r; Farbe := f; end; procedure TKreis.paint; var x1,y1,x2,y2 : integer; begin //umgebendes Rechteck x1 := xPos-Frad; y1 := yPos-Frad; x2 := xPos+Frad; y2 := yPos+Frad; with canvas do begin brush.color:= FFarbe; ellipse(x1,y1,x2,y2); end;

17 17 Vererbung und Zugriffrechte Schutzebenen: public keine Zugriffsbeschränkung nach außen private Zugriff nur innerhalb einer Klasse protected Zugriff auch in abgeleiteten Klassen möglich Elemente einer Klasse können in der Klassendeklaration vor dem Zugriff von außen geschützt werden (Geheimnisprinzip). Vererbung der Zugriffsrechte Die Zugriffsrechte einer Klasse werden an abgeleitete Klassen vererbt. Schutzrechte können in einer abgeleiteten Klasse abgeschwächt, aber nicht verschärft werden. Die Schutzebenen private und protected gelten allerdings nur für den Zugriff aus einer anderen Unit heraus.

18 18 Zuweisungskompatibilität Konsequenz der ist ein – Beziehung: Einer Objektvariablen einer Oberklasse können Objekte aller Unterklassen zugewiesen werden. Die Umkehrung gilt nicht. Beispiel: Var Kreis : TKreis; Rechteck : TRechteck Grafik : TGrafikElement;... Kreis := TKreis.create(...); Rechteck := TRechteck.create(..);... Hinweis: Grafik ist eine Referenz auf den Teil des Kreisobjekts, der von TGrafikElement geerbt wird. Möglich: Grafik := Kreis; Grafik.setzeFarbe(clred); Grafik := Rechteck; Nicht möglich: Grafik.setzeAttribute(...) Grafik.setzeBreite(100);

19 19 is - Operator : Typprüfung (Laufzeit) Beispiel: Var Figur : TGrafikElement; Kreis : TKreis;... if Figur is TKreis then TKreis(Figur).paint; Typumwandlung (type cast) - liefert true, wenn das Objekt Figur eine Instanz der angegebenen Klasse oder eines ihrer abgeleiteten Klassen ist Operatoren is und as as - Operator : Typumwandlung (Laufzeit) Beispiel: Kreis := Figur as TKreis; (Figur as TKreis).paint; - liefert eine Referenz auf ein Objekt vom Typ Kreis

20 20 Statische Methoden Kreis.paint; //paint - Methode des Kreisobjekts Rechteck.paint; //paint - Methode des Rechteckobjekts Der Typ der Referenz auf das Objekt bestimmt, welche Methode aufgerufen wird. Die bisher definierten Methoden sind statisch: Beim Compilieren ist der Objekttyp bekannt, sodass die Sprungadresse der Methode festgelegt werden kann (statische Bindung) Problem: Dieses Verhalten ist, wenn Vererbung ins Spiel kommt, oft unerwünscht. Z. B. wenn sich erst zur Laufzeit entscheidet, welcher Objekttyp angesprochen wird.

21 21 Statische Methoden Beispiel: Zur Laufzeit werden verschiedene Grafikobjekte erzeugt und ihre Referenzen in einem Array als Container verwaltet: Var Figur : array[1..10] of GrafikElement; Ziel: Einheitlicher Zugriff auf bestimmte Methoden, wie z. B.: for i := 1 to 10 do Figur[i].paint; Dazu müsste der aktuelle Objekttyp für die Auswahl der Methode maßgebend sein. Da zur Compilierzeit noch nicht feststeht, welche Objekttypen ins Array aufgenommen werden, entscheidet sich erst zur Laufzeit, welche Objektmethode aufgerufen werden soll.

22 22 Virtuelle Methoden Die Basisklasse erhält ebenfalls eine Methode paint; diese wird aber als virtual deklariert. TGrafikElement = class private... public... procedure paint;virtual; end; TKreis = class(TGrafikElement) private... public procedure paint;override;... end; Lösung des Problems durch virtuelle Methoden: paint wird in der Unterklasse überschrieben, d.h. als override deklariert und neu implementiert.

23 23 Verhalten virtueller Methoden Var Figur : Array[1..10] of TGrafikElement; Figur[5].paint; //Aufruf der virtuellen Methode Die Referenz auf das Objekt enthält Information über den Typ des übergebenen Objekts. Dadurch kann die zum Objekt passende Methode aufgerufen werden. Der Typ des aktuellen Objekts bestimmt zur Laufzeit die Methode. Interne Realisierung: Objekte besitzen einen Zeiger auf eine virtuelle Methodentabelle (VMT), die Zeiger auf alle virtuellen Methoden der Klasse enthält. Bei virtuellen Methoden erfolgt der Aufruf über diese Methodenzeiger-Tabelle. Dynamische Bindung / late binding

24 24 Polymorphismus Das Konzept der dynamischen Bindung heißt in der OOP Polymorphismus (Vielgestaltigkeit). Merkmale Bei polymorphen Objektenvariablen entscheidet sich erst zur Laufzeit, welcher Klasse das Objekt angehört. Eine in einer Basisklasse als virtual deklarierte Methode definiert eine Schnittstelle für alle abgeleiteten Klassen, auch wenn diese noch nicht festgelegt sind. Ein Programm, das virtuelle Methoden einer Basisklasse enthält kann sehr leicht um abgeleitete Klassen erweitert werden, weil sichergestellt ist, dass stets die richtige Methode aufgerufen wird. Empfehlung Statische Methoden einer Basisklasse sollten nicht überschrieben werden. Wenn Überschreiben notwendig erscheint, sollte die Methode als virtual deklariert werden.

25 25 Abstrakte Klassen Die Basisklasse TGrafikElement muss die Methode paint enthalten, kann sie aber nicht sinnvoll implementieren, weil diese Klasse zu allgemein ist. Die Implementation kann also entfallen. Dazu wird die virtuelle Methode der Basisklasse zusätzlich als abstract deklariert. Merkmale: Abstrakte Klassen enthalten mindestens eine abstrakte virtuelle Methode, die überschrieben werden muss. Von abstrakten Klassen können keine Instanzen gebildet werden. Abstrakte Klasse bilden eine gemeinsame Schnittstelle für alle Unterklassen. TGrafikElement = class... procedure paint;virtual;abstract;... end; TGrafikElement als abstrakte Klasse

26 26 Aufgaben 1 1.Entwickeln Sie ein Programm, das mehrere grafische Objekte anzeigt. 2.Verwenden Sie die Unit uGrafEle.pas. 3.Ergänzen Sie die Objekte um die Funktion gibFlaeche. Der Zugriff soll polymorph erfolgen. 4.Entwickeln Sie eine abstakten Oberklasse für alle Listen. 5.Polymorphismus anwenden: Eine Bank verfügt über Girokonten und Sparkonten. Während Girokonten überzogen werden können, dürfen Sparkonten keinen negativen Stand aufweisen. Der Auszahlungsaufruf soll für beide Kontotypen einheitlich sein Entwickeln Sie eine geeignete Vererbungsstruktur (UML)

27 27 Anhang Objektverwaltung

28 28 Objektverwaltung Aufgaben eines Objektverwalters Referenzen unterschiedlicher Objekttypen speichern Einfügen, entfernen von Referenzen Zugriff auf einzelne Objekte oder alle ermöglichen Zeichnen aller Objekte Realisierung Speicher (lineare Liste) Array of TGrafikElement (dyn. Array) Lineare Liste entwickeln Vorhandene Container – Objekte nutzen oder anpassen (TList) Methoden Einfügen Entfernen Verschieben (innerhalb der Liste) Objekt an bestimmter Position ermitteln Zeichnen

29 29 Klassendiagramm TGrafikElement #F Markiert : boolean; #Farbe : Tcolor xPos : integer yPos : integer # zeichneMarke + paint TVerwalter - Elemente : TList + Count : integer + add(Objekt : TGrafikElement) + getElement( index : integer); + getElementAt(x, y : integer) : TGrafikElement + entferne(Objekt : TGrafikElement) + paintAll * TGUI SelObjekt : TGrafikElement Verwalter : TVerwalter FormCreate(...) FormPaint(...) FormMouseDown(...) FormMouseMove(...) Der Verwalter hat ein Tlist- Objekt zur Aufnahme der Elemente 1 getElementAt(x,y) - Element an der Position (x, y) der Zeichenfläche

30 30 Problem: Objekt auswählen function TVerwalter.getElementAt(x, y : integer): TGrafikElement; var i, dx, dy : integer; Obj : TGrafikElement; begin result := nil; for i := 0 to Elemente.Count-1 do begin Obj := TGrafikElement(Elemente[i]); dx := x-Obj.getx; dy := y-Obj.gety; if dx*dx + dy*dy < 100 then result := Obj; end; Liste der Objekte durchlaufen und Abstand zum übergebenen Punkt (x,y) berechnen Abstandsbedingung prüfen Referenz des letzten gefundenen Objekts zurückgeben evtl. gefundenes Objekt ans Ende der Liste setzen, damit es als letztes gezeichnet wird und damit alle anderen überdeckt. Objekt an der Stelle (x, y) Algorithmus:

31 31 Zusammenfassung 1. Optimierung der Klassenstruktur Verwaltungs - Klassen hinzufügen Komplexe Klassen zerlegen 2. Optimierung der Attribute 3. Optimierung der Operationen 4. Optimierung der Vererbungsstruktur Abstrakte Operationen für einheitliche Schnittstellen Abstrakte Oberklassen bilden Polymorphismus maximieren Vererbungshierarchie komprimieren Existierende Klassen wiederverwenden OOD- Klassendiagramm

32 32 Aufgaben 4 Erweiterung des Programms SimpelObjekt Objektverwalter einbinden (Klasse TVerwalter (Unit: uVerwalter) Objekte mit der Maus über den Bildschirm ziehen Farbe oder Größe einer mit Maus gewählten Figur ändern Mit Hilfe der Maus beliebig viele Objekte interaktiv erzeugen


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