Ohjelmoinnin peruskurssien laaja oppimäärä

Transkriptio

1 Ohjelmoinnin peruskurssien laaja oppimäärä Luento 4: Perinnän käyttäminen Riku Saikkonen (osa kalvoista on suoraan ei-laajan kurssin luennoista)

2 Sisältö 1 Yksinkertainen esimerkki perinnästä 2 Pohdintaa perinnän käyttämisestä 3 Abstraktit luokat ja isinstance 4 Moniperintä

3 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 6) Esimerkki Kirjaston tietokanta sisältää nykyisin varsin monenlaisia lainattavia asioita Kirjoja Kasetteja CD:itä Videoita DVD-levyjä Nuotteja, mikrofilmejä, jne Näillä on paljon yhteisiä ominaisuuksia Luokkia mallinnettaessa yhteiset ominaisuudet tulisi mahdollisuuksien mukaan kerätä yliluokkaan. 10:31

4 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 7) Esimerkki: ennen perintää Luokissa on yhteisiä tai melkein yhteisiä toteutusosia Koodia toistetaan turhaan Ohjelmaa muutettaessa samat korjaukset tehdään kaikkiin luokkiin class CD(object): def get_name(self): def get_artists(self): class Book(object): def def get_play_time(self): get_name(self): def get_authors(self): class Magazine(object): def get_name(self): def get_pages(self): def get_editors(self): Nimi on kaikilla Artist, author ja editor ovat oikeastaan sama asia def get_issn(self): 10:31

5 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 8) Esimerkki: perinnän jälkeen Yhteiset piirteet luokassa LibraryItem Kaikilla aliluokilla metodit get_name ja get_authors class LibraryItem(object): def get_name(self): def get_authors(self): class CD(LibraryItem): def get_play_time(self): class Book(LibraryItem): def get_pages(self): class Magazine(LibraryItem): def get_issn(self): 10:31

6 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 22) Korvaaminen (Overriding) Lisätään kirjastoesimerkkiin metodi get_details() Metodi palauttaa merkkijonoesityksen kulloisestakin esineestä. Metodin voi korvata aliluokassa, jolloin eri esineet voivat tulostaa erilaisen kuvauksen tyypistään riippuen Ongelma Nyt jokaisen aliluokan täytyisi toteuttaa ISBNkenttien tms. tulostukset toisistaan erillään. Turhaa toistoa Voidaanko yliluokan get_details-metodia käyttää apuna? 10:31

7 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 23) Korvaaminen (Overriding) Aliluokasta (ja vain sieltä) voidaan eksplisiittisesti kutsua yliluokan metodia super(aliluokka, ilmentymä).metodi(parametrit) Yleensä kutsu tehdään vastaavassa aliluokan metodissa import abc class LibraryItem(object): metaclass = abc.abcmeta def get_details(self): return 'name: {}, author(s): {}, class Magazine(LibraryItem): def get_details(self): return 'Magazine:\n' + super(magazine, self).get_details() + 10:31

8 Sisältö 1 Yksinkertainen esimerkki perinnästä 2 Pohdintaa perinnän käyttämisestä 3 Abstraktit luokat ja isinstance 4 Moniperintä

9 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 24) Perinnän etuja Koodia tarvitsee kirjoittaa vähemmän Uudelleenkäyttö (Reuse) Koodin ylläpito selkiytyy Muutokset yliluokkaan päivittyvät myös aliluokkiin Mallinnusnäkökulma Olioita voidaan tarvittaessa käsitellä luokasta riippumatta yliluokan tasolla. 10:31

10 Perinnän ongelmia 1/2 edellisestä kirjastoesimerkistä: entä jos olioa tehdessä olisi tiedossa vain LibraryItemin tiedot, ja vasta myöhemmin selviäisi että olio onkin CD? entä jos sama LibraryItem sisältäisi kirjan ja CD:n? em. ongelmat syntyvät siitä, että oliolla on vain yksi luokka eikä sitä voi luomisen jälkeen muuttaa vrt. että LibraryItemin tyyppi ja lisätiedot olisivat kenttiä toisenlainen hankaluus: mitä toimintoja ja koodia esim. jokin CD-olio kaiken kaikkiaan sisältää? tai: mihin koodiin on mahdollista mennä, kun CD-luokan metodi kutsuu toista saman olion metodia? periaatteessa pitää käydä koko perintähierarkia läpi dokumentointi ja ohjelmointityökalut (esim. Eclipse) auttavat mm. näistä syistä perintää käytetään usein paljon vähemmän kuin voisi kuvitella luokkahierarkiaa aluksi suunnitellessa syntyy helposti paljon syvempi hierarkia kuin mitä lopulta käytetään

11 Perinnän ongelmia 2/2 entä jos yliluokan toimintaa joutuu muuttamaan olennaisesti? kaikki aliluokat pitää käydä läpi ja tarkistaa siis yliluokkien toimintoja suunnitellessa pitää olla varovainen, jos aliluokkia on paljon mitä metodeja saa muuttaa luokkaa periessä ja miten? (siis mikä on perimisen kannalta luokan sisäistä tietoa) monimutkaista määritellä, joten jätetään usein tekemättä käytännössä usein tulee paljon tyhmiä metodeja, jotka vain välittävät viestejä eteenpäin toiselle oliolle tai rajapinnalle toinen joukko tyhmiä metodeja ovat useimmat get- ja set-metodit sekä jotkin konstruktorit monissa oliokielissä (mm. Common Lisp, Scala, Python) on tapa välttää niitä tai tehdä niitä automaattisesti (eli tälle ongelmalle on ratkaisu) osalle näistä ongelmista on vastine myös ei-olio-ohjelmoinnissa

12 Miten pitäisi periä? olio-ohjelmoinnissa aliluokan olio on (is a) myös yliluokan jäsen luokkaa periessä pitäisi aina säilyttää yliluokan toiminnot siis mihin tahansa koodiin, jossa käytetään yliluokan oliota, voisi sijoittaa aliluokan olion, niin että koodi edelleen toimii järkevästi toisin sanottuna: jokaisen yliluokan metodin (myös niiden, joita ei periessä korvaa!) semantiikka eli merkitys pitää säilyttää tämä nk. substituutioperiaate (Liskov Substitution Principle, LSP) on eräs perinnän käyttämisen perusohjeista käytännössä tästä kuitenkin melko usein poiketaan ja samalla oletetaan, ettei yliluokkaa käytetä väärin... usein ei ole tarpeeksi tarkkaan mietitty, mitä metodin pitäisi tehdä Substituutioperiaate formaalisti ((sub)type (ali)luokka) Let φ(x) be a property provable about objects x of type T. Then φ(y) should be true for objects y of type S where S is a subtype of T. B. Liskov, J. Wing: A behavioral notion of subtyping. ACM Trans. on Prog. Lang. and Syst., 16(6), 1994.

13 Substituutioperiaatteen seurauksia substituutioperiaatteesta seuraa: metodin argumentin tyyppiä voi aliluokassa yleistää muttei tiukentaa (eli argumenttityyppi on kontravariantti) metodin paluutyyppiä voi aliluokassa tiukentaa muttei yleistää (eli paluutyyppi on kovariantti) säännöt koskevat sekä ohjelmoijan kirjoittamia tyyppejä (staattisesti tyypitetyissä kielissä) että yleisemmin sitä, mikä kelpaa argumentiksi tai mitä metodi voi palauttaa esim. jos yliluokan metodi haluaa argumentiksi luvun välillä [1..10], aliluokan metodi saa hyväksyä muitakin lukuja mutta paluuarvolla toisin päin mm. Java ei kuitenkaan anna muuttaa staattista argumenttityyppiä koko olion toimintaan liittyen periaatteesta seuraa mm: (esim. metodien) esiehtoja ei saa tiukentaa aliluokassa jälkiehtoja ei saa heikentää aliluokassa aliluokan olio ei saa muuttua yliluokan metodeista näkyvällä tavalla, joka ei olisi mahdollinen yliluokassa

14 Perinnän käyttötapoja 1/2 Kaksi tietystä näkökulmasta vastakkaista perinnän käyttötapaa: aliluokka erikoistuu johonkin eli tarjoaa yliluokan toiminnot tietyssä kontekstissa, säilyttäen substituutioperiaatteen tai toteuttaa abstraktissa yliluokassa kuvatut metodit esim. aliluokka CD yliluokasta LibraryItem tämä lienee tyypillisin perinnän käyttötapa aliluokka yleistää yliluokkaa muokkaamalla sen toimintoja monipuolisemmiksi (ja mahdollisesti lisäämällä uusia) esim. aliluokka ColoredPoint yliluokasta Point voi yleistää sen draw-metodia piirtämään eri värisiä pisteitä mutta toimintojen muokkaaminen voi rikkoa substituution: esim. Point:n draw-metodia käyttävä koodi voisi olla olettanut, että piirretyt pisteet ovat kaikki saman näköisiä tällöin olisi usein parempi periä toisin päin (yleisempi isänä: värillinen piste ei ole erikoistapaus pisteestä) perintä väärin päin voi syntyä a) jos perintähierarkia suunnitellaan lähtien datasta eikä toiminnoista tai b) kun olemassaolevaa yliluokkaa ei haluta muuttaa

15 Perinnän käyttötapoja 2/2 Lisää tapoja, joilla perintää usein käytetään: em. yleistämisen sijaan yliluokan laajentaminen eli kokonaan uusien irrallisten toimintojen tarjoaminen aliluokassa ei ole ongelma substituutioperiaatteen kannalta aliluokka voi rakentaa uuden (yliluokasta riippumattoman) toiminnon käyttäen apuna yliluokan toimintoja tässä yliluokan päätoimintoa ei yleensä enää käytetä aliluokan koodin ulkopuolelta (jolloin substituutioperiaate saa rikkoutua) usein delegointi toiselle oliolle on perintää selkeämpi vaihtoehto aliluokka rajoittaa yliluokan toimintoja, esim. tarkistaa että metodeja käytetään halutulla tavalla esim. aliluokka Stack yliluokasta Deque tämä perintätapa rikkoo aina substituutioperiaatteen aliluokalla ja yliluokalla on yhteistä koodia, mutta ne eivät konseptuaalisesti liity toisiinsa kumminkaan päin ehkä yhteisen koodin voisi siirtää molemmille yhteiseen yliluokkaan

16 Millainen abstraktio olio on? olio-ohjelmoinnissa ratkaistava ongelma jaetaan osiin luokkien ja yksittäisten olioiden avulla puhtaimmillaan olio on itsenäinen kokonaisuus jolla on omaa tilaa (kentät) joka reagoi viesteihin (= metodikutsuihin) muuttamalla tilaansa tai lähettämällä muille viestejä olio-ohjelmoinnin tavoite (?): olioita käyttävä ohjelma on (vain) joukko itsenäisiä olioita, jotka hoitavat kukin omaa tehtäväänsä ja tarvittaessa kommunikoivat keskenään viesteillä kaikki ohjelman luokat eivät ole täysin erilaisia, vaan niillä kannattaa olla yhteisiä osia perintä on mekanismi tämän helpompaan toteuttamiseen

17 Sisältö 1 Yksinkertainen esimerkki perinnästä 2 Pohdintaa perinnän käyttämisestä 3 Abstraktit luokat ja isinstance 4 Moniperintä

18 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 12) type-funktio Funktio type näyttää olion tyypin Se pystyy myös luomaan luokan saamistaan parametreista: def alusta(self, arvo): self.arvo = arvo def hae_nimi(self): return self.nimi print type(olio) print type(olio.muuttuja) print type(luokka) <class ' main.testiluokka'> <type 'int'> <type 'type'> Uusi = type('uusi', (), {' init ': alusta, 'hae_nimi': hae_nimi, 'nimi': 'jussi'}) On sama kuin: class Uusi(object): def init (self, arvo): self.arvo = arvo self.nimi = 'jussi' def hae_nimi(self): return self.nimi Ja kummallekin toimii: print Uusi hemmo = Uusi(3) print hemmo print hemmo.hae_nimi() print hemmo.arvo 10:31

19 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 13) Metaluokka Pythonissa luokat luodaan metaluokilla luokkien luokilla Funktio type on metaluokka, jota Python käyttää kaikkien luokkien luomiseen 4 on int-luokan ilmentymä, joka taas on type-luokan ilmentymä ja hae_nimi on instancemethod-luokan ilmentymä, joka sekin on type-luokan ilmentymä Metaluokka on siis periaatteessa Pythonin maailmankaikkeuden luoja. Kaikki Pythonin sisäänrakennetut luokat ovat sen ilmentymiä Sen avulla voi myös luoda omia luokkia ohjelman suorituksen aikana 10:31

20 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 14) Omat metaluokat type on Pythonissa sisäänrakennettuna mutta metaluokkia voi myös luoda itse. Pythonin kirjastossa on moduuli abc, josta löytyy metaluokka ABCMeta Jos oman luokan metaluokaksi valitsee tämän ABCMeta type:n sijaan, luodaankin hieman toisenlainen luokkaolio Luokasta tulee abstrakti perusluokka Sillä on hieman erilaiset säännöt periytymisen suhteen 10:31

21 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 16) Abstrakti luokka Kertomalla, että luokan metaluokka on ABCMeta, voidaan käyttää abstrakteja metodeja Jos luokkaan lisätään metodi, joka merkitään abstraktiksi, silloin luokasta ei voi luoda oliota Aliluokista voi luoda olioita vain silloin, kun kaikki abstraktit metodit on korvattu aliluokassa 10:31

22 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 19) Esimerkki perinnästä Pohdintaa Abstraktit luokat Moniperintä Abstrakti luokka (esimerkki) LibraryItem abstraktina luokkana Kaikissa siitä periytyvissä luokissa oltava metodit init ja is_available() Lehdet taas eivät kaikki ole lainattavissa, joten DailyPaper abstraktiksi import abc class LibraryItem(object): metaclass = def init (self, author_list, ): class DailyPaper(LibraryItem): metaclass = def init (self, name, year, ): LibraryItem. init (self, ) def get_number(self): return self.number def is_available(self): pass class Book(LibraryItem): def get_authors(self): return def is_available(self): '''Method docstring. ''' def init (self, author_list, ): LibraryItem. init (self, ) def is_available(self): if self.due_date: return False else: return True 10:31

23 isinstance: onko olio haluttua luokkaa? Pythonissa isinstance-funktiolla voi kysyä, onko jokin olio tietyn luokan tai sen aliluokan jäsen: x = Luokka() isinstance(x, Luokka) True isinstance(42, int) True (edellä mainittu type kysyi olion tarkkaa luokkaa) Javassa ja C++:ssa isinstance on nimeltään instanceof tyypillinen käyttötapa on toiminto, joka toimii hieman eri tavalla riippuen argumentin tyypistä esim. tekee hieman eri asian jokaiselle LibraryItem:n aliluokalle (vaikkapa tekee listasta LibraryItem:ejä HTML-taulukon) isinstance ei ole puhdasta olio-ohjelmointia: ongelma on, että uutta aliluokkaa tehdessä kaikkea isinstance:a käyttävää koodia voi joutua muokkaamaan (ottamaan huomioon myös uusi luokka)

24 Perinnän käyttäminen isinstance:n sijaan sen sijaan että olion tyyppiä kysyy koodissa isinstance:lla, pitäisi asia puhtaassa olio-ohjelmoinnissa hoitaa perinnällä siis aliluokkiin metodi, joka tekee sen, mitä isinstance-tyypin perusteella yritettiin tehdä (tulostaa HTML-taulukon yhden rivin) aina perinnän käyttö ei kuitenkaan ole järkevää Pythonissa voi joskus myös käyttää poikkeuksia: kutsutaan kaipaamaamme metodia, ja jos sitä ei löydy, käsitellään poikkeus eräs yleinen käyttö isinstance:lle on, että yritetään pitää tietty toiminto yhtenäisessä kohdassa koodia puhtaaseen oliotyyliin kuuluisi, että toiminnon koodi jaettaisiin osiin käsiteltävän asian (luokan) mukaan jolloin uuden käsiteltävän asian voi lisätä tekemällä aliluokan mutta uutta toimintoa lisätessä pitää muuttaa kaikkia luokkia tai tehdä metodi, jonka isinstance:n avulla tekee koko toiminnon mutta yleisesti ottaen isinstance:a kannattaa välttää

25 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 15) Abstrakti perusluokka Abstrakti perusluokka on luokkamäärittely jossa mille tahansa luokalle voi määrätä virtuaalisen yliluokan. Pythonissa sarjatyypin luokille on määrätty metaluokaksi abstrakti perusluokka Sequence tai MutableSequence Tarkoituksena on että isinstance- ja issubclassfunktiot voivat tunnistaa olioita ja luokkia jonkin tietyn luokan ilmentymiksi tai aliluokiksi: isinstance([], Sequence) issubclass(list, Sequence) issubclass(list, MutableSequence) isinstance((), Sequence) not issubclass(tuple, MutableSequence) 10:31

26 Sisältö 1 Yksinkertainen esimerkki perinnästä 2 Pohdintaa perinnän käyttämisestä 3 Abstraktit luokat ja isinstance 4 Moniperintä

27 (ei-laajan kurssin kalvo: luento 3 sivu 10) Moniperintä Luokka voi periä ominaisuutensa useammasta eri luokasta class Oval(Circle, Rectangle): def get_area(self): def get_perimeter(self): Viitattaessa aliluokan metodiin (tai muuttujaan) hakujärjestys perintärakenteessa on alhaalta ylös, vasemmalta oikealle. (ratkaisee ns. timanttiongelman) Ensin etsittäisiin siis Circle-luokasta ja sen yliluokista ja vasta sitten Rectangle-luokasta ja sen yliluokista. Python käyttää ensimmäistä osumaa. Sen ylä- ja oikealla puolella olevia täytyy erikseen kutsua class Oval(Circle, Rectangle): def init (self, x, y, r1, r2): Rectangle. init (self, x, y, r1, r2) 10:31

28 Moniperinnästä moniperinnän toiminta ei ole kovin vakiintunutta, vaan toimii eri kielissä hieman eri tavalla esim. Common Lisp, C++ ja Python tukevat moniperintää esim. Java taas ei (paitsi rajoittuneesti) mm. samannimisten metodien valintajärjestys vaihtelee hieman moniperintä sallisi joskus parempia abstraktioita kuten tavallisellakin perinnällä, sillä voi vähentää koodin kopiointia samoin ongelman mallinnus olioiksi ja luokiksi olisi joskus luonnollisempaa moniperinnän avulla, sillä luonnollinen malli ei aina ole puu mutta käytännössä moniperinnän (laajamittainen) käyttäminen usein monimutkaistaa ohjelmaa turhan paljon ja moniperinnän tukeminen monimutkaistaa olio-ohjelmointikieliä

29 Moniperinnän ongelmia ohjelmointikielissä moniperinnän perusongelma: jos useammassa perintäverkon haarassa on korvattu sama metodi, mitä niistä käytetään? eri moniperintää tukevilla kielillä on hieman erilainen ratkaisu, mutta yleensä ne perustuvat siihen, missä järjestyksessä yliluokkien nimet kerrotaan aliluokassa mutta toiminta ei ole aina kovin intuitiivista tai helppoa ymmärtää... kentissä on samankaltainen ongelma: jos jokin yliluokka A peritään kahta polkua pitkin, pitäisikö perivään luokkaan tulla yksi vai kaksi kappaletta yliluokan A kenttiä? näkevätkö D-oliossa alla B:n ja C:n metodit eri vai saman x:n? class A { class A(object): int x; } self.x = class B extends A { } class B(A): class C extends A { } class C(A): class D extends B and C { } class D(B, C): molempia tapoja on käytössä eri kielissä (Pythonissa saman)

30 Ohjelmointikielten tekemiä ratkaisuja jotkin ohjelmointikielet ratkaisevat em. ongelmia rajoittamalla moniperintää esim. kielletään periminen niin, että useammassa haarassa olisi korvattu samoja metodeita tai ohjelmoijan pitää erikseen kertoa, minkä yliluokan metodi aliluokan oliosta näkyy (esim. C++) Javan ja C#:n ratkaisu: vain rajapintojen moniperintä on mahdollista, varsinaisia suoria yliluokkia on aina yksi rajapinnassa ei ole kenttiä eikä metodien toteutuksia, joten em. ongelmia ei esiinny mutta jos useassa rajapinnassa on samanniminen metodi, onko se tarkoitettu samaksi? muitakin ratkaisuja on: esim. Scala-kielessä on rajapinnan sijaan sen ja luokan välimuoto nimeltä trait, jolla moniperintää voi tehdä