Ohjelmoinnin peruskurssien laaja oppimäärä

Ohjelmoinnin peruskurssien laaja oppimäärä Luento 7: Olio-ohjelmointia: UML ja suunnittelumallit Riku Saikkonen (osa kalvoista on suoraan ei-laajan kurssin luennoista) 14. 3. 2012

Sisältö 1 UML-luokkakaaviot 2 Suunittelumallit 3 Suunnittelumallit Factory Method ja Abstract Factory 4 Suunnittelumalli Observer 5 Suunnittelumalli Composite

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 3) UML-mallinnuskieli UML UML-kieli luotiin 90-luvun puolivälissä korvaamaan joukko erilaisia mallinnuskieliä, joilla oli paljon yhteistä mutta myös paljon pikku eroja. Mallinnuskielen avulla on helppo suunnitella suurempia järjestelmiä, esittää tietoa nopeasti ja pienessä tilassa, selittää asioita muillekin kuin ohjelmoijille jne. jne. Parhaan kuvan mallinnuskielestä saa kokeilemalla sitä itse joten pitemmittä puheitta... Tutustutaan luokkakaavioon 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 4) UML luokkakaavio class Nelio(object): Nelio def init (self, yl,... self.yla_laita = yl self.ala_laita = al self.vasen_laita = vl self.oikea_laita = ol def laske_pinta_ala(self):... def aseta_vari(self, c):... 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 5) UML luokkakaavio class Nelio(object): Nelio +laske_pinta_ala() : int +aseta_vari(c: väri): def init (self, yl,... self.yla_laita = yl self.ala_laita = al self.vasen_laita = vl self.oikea_laita = ol def laske_pinta_ala(self):... def aseta_vari(self, c):... 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 6) -yla_laita -ala_laita -vasen_laita -oikea_laita UML luokkakaavio class Nelio(object): Nelio :Viiva :Viiva :Viiva :Viiva def init (self, yl,... self.yla_laita = yl self.ala_laita = al self.vasen_laita = vl self.oikea_laita = ol def laske_pinta_ala(self):... +laske_pinta_ala() : int +aseta_vari(c:väri): def aseta_vari(self, c):... 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 7) UML luokkadiagrammi class Nelio(object): -ylalaita -alalaita -vasenlaita -oikealaita Nelio :Viiva :Viiva :Viiva :Viiva def init (self, yl,... _self.yla_laita = yl _self.ala_laita = al _self.vasen_laita = vl _self.oikea_laita = ol def laske_pinta_ala(self):... +laske_pinta_ala() : int +aseta_vari(c:väri):void näkyvyysmääreet + public - private # protected default def aseta_vari(self, c):... muuttujan, parametrin tai paluuarvon tyyppi kaksoispisteen jälkeen 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 8) UML-luokkakaaviot Suunittelumallit Factory Observer Composite Yhteyssuhde (assosiation) Nelio Viiva class Nelio(object): Suhteen suunta def init (self,yl, al, vl, ol): self.yla_laita = yl self.ala_laita = al self.vasen_laita = vl self.oikea_laita = ol 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 9) Yhteyssuhde Nelio 1..2 4 Viiva class Nelio(object): def init (self,yl, al, vl, ol): self.yla_laita = yl self.ala_laita = al self.vasen_laita = vl self.oikea_laita = ol Multiplicity (kerrannaisuus) Kertoo kuinka moneen toisen luokan olioon jokin luokan olio on yhteydessä 3 tarkalleen kolme kpl 0..5 nollasta viiteen kpl 2..* vähintään kaksi kpl * Vapaavalintainen määrä Esimerkissämme yhteen neliöön kuuluu aina tasan 4 viivaa, mutta yksi viiva voi kuulua joko yhteen tai kahteen neliöön 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 10) Yhteyssuhde Nelio reunat 4 Viiva class Nelio(object): Rooli Karkeasti: kertoo mikä tämän suhteen pään merkitys on toiselle def init (self,yl, al, vl, ol): self.yla_laita = yl self.ala_laita = al self.vasen_laita = vl self.oikea_laita = ol päälle Viivan merkitys neliölle on, että se toimii neliön reunana. 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 11) Suhteen suunta Nelio reunat 4 Viiva Viivan kentissä ei välttämättä ole viittauksia Neliö-luokan olioihin Neliön kentissä on jollain tavalla tallessa viittauksia Viiva-olioihin class Nelio(object): def init (self,yl, al, vl, ol): self.yla_laita = yl self.ala_laita = al self.vasen_laita = vl self.oikea_laita = ol 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 12) Vahva ja löyhä kooste kuvaavat, että jokin koostuu pienemmistä osasista. Jos pääolioon kohdistetaan operaatioita, ne kohdistuvat jollain tavoin myös sen osasiin. Vahva kooste on jyrkempi kuin löyhä. Vahva kooste (composition) Nelio reunat 4 Viiva Neliö koostuu viivoista, jos neliö poistetaan viivatkin häviävät Löyhä kooste (aggregation) Pari 2 Yksilo Pari koostuu yksilöistä, jos pari purkautuu, yksilöt säilyvät silti 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 13) Riippuvuus Nelio reunat 4 Viiva +laske_pinta_ala() : int +aseta_vari(c:väri): Riippuvuus Karkeasti: Luokka käyttää toisen luokan olioita tai niiden metodeja (esim. parametreina) mutta ei säilytä viittauksia sen olioihin Väri 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 14) Perintä Kuvio Perintä Luokka perii toisen luokan ominaisuudet, ja sen olioon voidaan viitata yläluokan tyyppisen muuttujan kautta. Nelio reunat 4 Viiva 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 15) Esimerkki 2 vanhemmat Ihminen lapset * Rekursiivinen assosiaatio Luokan oliot voivat tietenkin viitata toisiin samanluokan olioihin. Esim Ihminen-luokassa voi olla viittaus muihin Ihminen-luokan olioihin. 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 16) Esimerkki Pankki Monta assosiaatiota Kahden luokan olioiden välillä saa olla myös useampia assosiaatioita, mutta tällöin kannattaa selittää mitä eri suhteet kuvaavat. 1 * Asiakas 1 omistaja * Pankkitili * * käyttöoikeus 14:43

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 9 sivu 17) Abstrakti luokka <<abstract>> Työntekijä Abstrakti luokka Abstrakti luokka on luokka, joka toteuttaa joitakin metodeja, mutta osan metodeista kohdalla se ainoastaan toteaa että ne täytyy jonkun muun luokan toteuttaa. Abstrakti luokka on puolivalmis luokka, joka antaa vapaat kädet puuttuvien metodien toteutukselle. Kokki Poliisi 14:43

Miten UML:ää käytetään? UML:ää voi tuottaa automaattisesti koodista esim. työkaluilla Doxygen, Epydoc ja Pyreverse ja koodia voi autogeneroida (ohjelmilla tehdyistä) luokkakaavioista sisäänrakennettuna joihinkin IDEihin, erikseen esim. dia2code mutta usein käsin tehty luokkakaavio on hyödyllisempi: luokkakaavion abstraktiotaso kannattaa valita sen mukaan, mitä sillä haluaa kertoa (ei kaikkia kenttiä ja metodeja) kaaviossa voi esim. keskittyä tietyn toiminnon kuvaamiseen tai ulkoisen rajapinnan kuvaamiseen luokkakaavio on suunniteltu staattiseen olio-ohjelmointiin erityisesti Java- ja C++-koodiin (mm. näkyvyydet ovat niistä) Pythonin dynaamisia ominaisuuksia ei aina voi kuvata kunnolla UML määrittelee muitakin kaaviotyyppejä kuin luokkakaavion mm. kuvaamaan metodikutsujen etenemistä tietyssä käyttötapauksessa (sequence diagram)

UML-esimerkki gedit-2.30.4/docs/class-diagram.dia (osa)

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 2) Suunnittelumalli Mikä on suunnittelumalli (Design Pattern) Suunnittelumalli on tiiviisti esitetty yleinen kuvaus jostakin toimivasta ratkaisusta yleiseen ongelmaan. Suunnittelumallien ideoita voi käytettäessä soveltaa vapaasti. Malleja voi myös yhdistellä, ja niin usein tehdäänkin. Vertailukohtana voi ajatella vaikkapa erilaisia puuliitostapoja, tanssiliikkeitä, Niksi-pirkan vinkkejä jne. Suunnittelumalli kuvaa yleisen ratkaisutavan ja sovellusalue lopulta määrää sen kuinka mallia kulloinkin käytetään. 12:22

Sunnittelumallit ja olio-ohjelmointi yleensä suunnittelumallit liittyvät olio-ohjelmointiin useimmiten Java/C++-tyyppiseen: on rajapintoja, ei moniperintää, ei ensimmäisen luokan funktioita tai metodeja, ei dynaamisuutta suunnittelumallin idea toki toimisi muuallakin, mutta käytännössä niitä ei kovin usein näe yhtä vakiintunutta terminologiaa tai esitystapaa ei ole jotkut abstraktit funktiot (esim. fold-left) ovat mallien kaltaisia, mutta suoraan koodina monet tavallisimmista suunnittelumalleista ovat ratkaisuja juuri olio-ohjelmointiin liittyviin ongelmiin joskus esim. ensimmäisen luokan funktiolla tai muuten ei-olio-ohjelmoinnilla saisi tehtyä helpomman ratkaisun mutta varsinkin puhtaassa olio-ohjelmoinnissa suunnittelumalleista on paljon hyötyä

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 3) Gang of Four Patterns Seuraavaksi käydään läpi joitakin kirjassa Gamma, Helm, Johnson, Vlissides : Design Patterns Elements of Reusable Object-Oriented Software, 1995 esiteltyjä suunnittelumalleja. Tässä kirjassa esitettyjä malleja kutsutaan yleisesti nimellä Gang-of-Four (GoF) patterns kirjan neljän kirjoittajan mukaan. Seuraavat kalvot perustuvat k.o. kirjaan. 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 25) Iterator Monesti jonkin tietorakenteen kaikki alkiot tulisi käydä läpi (vaikkapa tallentaa tiedostoon) Tietoa voi kuitenkin olla monenlaisissa rakenteissa: puita, listoja, verkkoja jne. Iterator-rajapinta mahdollistaa rakenteen läpikäynnin ilman että sitä käyttävän tarvitsee tuntea rakenne Koska Pythonissassa on valmis rajapinta tälle (for..in..), kannattaa tätä mallia käyttävän aina käyttää mainittua rajapintaa. 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 7) Factory Method(function) Tehdasmetodi on metodi, jota käytetään olion luontiin Olion luokan nimeä ei tarvitse tietää, riittää kun tunnetaan rajapinta Käytännössä metodi toimii kuten olion luonti, palauttaen viittauksen halutun tyyppiseen olioon Voidaan toteuttaa kutsumalla konstruktoria metodin sisällä Voidaan palauttaa jokin olemassaoleva halutun tyyppinen olio Voidaan tehdä temppuja oliolle ennen kuin se palautetaan 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 8) Factory Method Factory method mallia käytetään mm. kun: metodia kutsuva luokka ei itse voi tietää minkä aliluokan olion se haluaa luoda kun luotavat oliot halutaan parametrisoida ennalta kutsuvasta luokasta riippumatta esim. asetetaan käyttöliittymän nappuloille haluttu väri ja teksti automaattisesti. Asetukset tarvitsee säätää vain kerran kun olioita halutaan laskea, käytöstä poistettuja olioita kierrättää jne. Kierrätys - Konstruktorin kautta ei voi tarjota jo aiemmin luotua oliota -> tehdasmetodin kautta voi 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 9) Factory Method class CardFactory( object ): def new_card( self, rank, suit ): if rank == 1: return Ace( rank, suit ) elif rank in [ 11, 12, 13 ]: return FaceCard( rank, suit ) else: return Card( rank, suit ) class Deck( object ): def init ( self ): factory= CardFactory() for suit in range(4): for rank in range(13): self.cards = factory.new_card(rank+1, suit) 12:22

Abstract Factory hieman laajempi suunnittelumalli Abstract Factory käyttää apuna edellistä siinä on useita erilaisia tehdasluokkia, ja niillä on yhteinen abstrakti yläluokka (jossa tehdasmetodi) usein kukin tehdasluokka tekee omanlaisiaan (eli eri aliluokan) olioita joskus samassa tehtaassa on useita tehdasmetodeita eri tarkoituksiin esimerkki: bouncy-0.6.20071104 pyglyph/font.py abstraktin luokan BaseFontFactory metodi get_font tekee uuden FontInstance:n abstraktin luokan perii LocalFontFactory jonka get_font hakee fontteja.ttf-tiedostoista tässä abstraktilla tehdasluokalla on vain yksi perillinen, ja siinä vain yksi tehtaan tuottama fonttiluokka: FontInstance:lla voisi olla aliluokkiakin

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 30) Observer Observer Observer mahdollistaa toiminnan, jossa muutos yhdessä oliossa aiheuttaa automaattisesti muutoksen kaikissa siitä riippuvissa olioissa Riippuvat oliot vain pyytävät kiinnostavaa oliota kertomaan muutoksista Käytännössä kiinnostavalla oliolla on lista johon kiinnostuneet (Listener, Observer) voivat ilmoittautua Kun jotain tapahtuu, käydään jokainen listallaolija läpi ja kutsutaan jokaisen kohdalla ilmoitusmetodia. Yleensä ilmoitusmetodille vielä annetaan pikku viesti (Event) joka kuvaa tapahtuneen asian Kuunneltavan ei tarvitse tietää kuuntelijasta muuta kuin että se täyttää kuuntelija -rajapinnan 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 31) Observer UML-kaavio <<interface>> Havainnoitava +lisaakuuntelija( ) +poistakuuntelija( ) +ilmoitamuutos( ) havainnoijat[] Suorittaa kaikille havainnoijille metodin ilmoitamuutos() <<interface>> Havainnoija +ilmoitamuutos() SeurattavaLuokka HavainnoijaToteutus Toteutus voi halutessaan reagoida muutokseen 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 32) Observer Observer-malli Yksi parhaista esimerkeistä Observer-mallin käytöstä on käyttöliittymien käyttämät tapahtumankuuntelijat Käytännössä mallia voidaan käyttää mihin tahansa tilanteeseen, jossa useamman paikan ohjelmassa tulee reagoida johonkin muutokseen. Tulostus päättyy Puuhun lisätään solmu Äänikanava suljetaan jne.. 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 19) Composite Joissakin tietorakenteissa (esim. puu) rakenteen osaset koostuvat pienemmistä osasista (lapset), jotka taas koostuvat pienemmistä osasista jne. Composite-mallissa koko rakenteelle voi suorittaa operaation tekemällä sen vain yhdelle osaselle Toteutuksessa suurempaa rakennetta ja sen osasia käsitellään samalla tavalla. Kaikki osaset täyttävät saman rajapinnan. Isomman rakenteen operaatio tehdään myös sen lapsille 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 20) Composite Esimerkki Tekstinkäsittelyohjelma, jossa kappaleet koostuvat alikappaleista ja tekstistä, jotka molemmat täyttävät rajapinnan TekstiRakenne TekstiRakenne-luokassa on metodi oikolue() Kappale-luokan oikolue kutsuu metodia oikolue() sisältämilleen Kappale-olioille ja sisältämälleen Teksti-oliolle Teksti-olio suorittaa oikoluvun normaalisti. Etuja: Koko tekstin tai osan siitä voi oikolukea kutsumalla metodia oikolue vain kerran. Muun osan koodia ei tarvitse toimia eri tavalla riippuen siitä, millaista tekstirakennetta käsitellään, koska toiminta on ulospäin samanlaista. 12:22

(ei-laajan kurssin kalvo: luento 10 sivu 21) Composite UML-kaavio Huomaa että toteutuksessa erilaisia Komponentti-rajapinnan täyttäviä rakenteita voi olla paljon erilaisia, tai jopa vain yksi Käyttävä Luokka <<interface>> Komponentti +operaatio( ) lapset Alkio +operaatio() Komposiitti +operaatio() Suorittaa kaikille lapsille metodin operaatio() 12:22