Visualisatie van het Objectgeoriënteerde Paradigma. Arend Rensink Faculteit der Informatica, Universiteit Twente

Transcriptie

1 Visualisatie van het Objectgeoiënteede Paadigma. Aend Rensink Faculteit de Infomatica, Univesiteit Twente Samenvatting Pogammeeondewijs maakt een wezenlijk deel uit van elke infomatica-opleiding. Veel opleidingen kiezen evoo dit ondewijs te schoeien op objectgeoiënteede leest. Voo studenten die voo het eest met dit paadigma geconfonteed woden blijkt het vaak lastig te zijn zich een voostelling te maken van wat e bij de uitvoeing van een pogamma nu pecies gebeut. Deze bijdage beschijft een systematische gafische notatie, aangeduid als toestandkiekjes, die eop geicht is om de pincipes en de weking van objectgeoiënteede pogamma's zichtbaa te maken. Niet alleen kunnen toestandskiekjes objecten met hun ondelinge samenhang weegeven, maa ook de constuctie van objecten en lopende methoden binnen objecten. Deze vom van visualisatie is vooal bedoeld voo het initiële leetaject, waain studenten zich de concepten van objecten en hun samenhang en samenweking eigen moeten maken. Inleiding Pogammeeondewijs maakt een wezenlijk deel uit van elke infomatica-opleiding. Veel opleidingen kiezen evoo dit ondewijs te schoeien op objectgeoiënteede leest. Voo studenten die voo het eest met dit paadigma geconfonteed woden blijkt het vaak lastig te zijn zich een voostelling te maken van wat e bij de uitvoeing van een pogamma nu pecies gebeut. Dit wodt voo een goot deel veoozaakt doo het feit dat zo n objectgeoiënteed pogamma een samenspel is van veschillende klassen en hun instanties: vele studenten kunnen zich geen goed beeld vomen van de manie waaop deze instanties zich ten opzichte van elkaa vehouden en hoe ze doo het ondeling vedelen van veantwoodelijkheden tesamen tot een coect wekend pogamma kunnen leiden. In deze bijdage beschijven we een systematische gafische notatie, hie met toestandskiekjes aangeduid, die eop geicht is om de pincipes van de weking van objectgeoiënteede pogamma's zichtbaa te maken. Niet alleen kunnen objecten met hun ondelinge samenhang woden weegegeven, maa ook lopende methoden binnen die objecten. Toestandskiekjes zijn bedoeld om studenten een gedegen basis te geven voo de visualisatie van het objectgeoiënteede paadigma, zoals dit bijvoobeeld in Java geïmplementeed is. De notatie is uitgewekt in het kade van de ecente heziening van de cusus Visueel Pogammeen met Java van de Open Univesiteit (21), en is geïnspieed doo de zgn. geheugenmodellen in de daaaan vooafgaande editie. De vom van visualisatie die toestandskiekjes mogelijk maken is vooal bedoeld voo het initiële leetaject, waain studenten zich de concepten van objecten en hun samenhang en samenweking eigen moeten maken. Het is ondoenlijk om ealistische systemen op deze wijze volledig wee te geven. Objecten en efeenties Een toestandskiekje is, zoals de naam al aangeeft, een weegave van de toestand van een (deel van een) Java-pogamma. Dit kiekje bevat in eeste instantie vooal objecten met hun inhoud instanties dus van de klassen waauit het pogamma bestaat of van bibliotheekklassen die doo het pogamma gebuikt woden. Objecten woden geepesenteed doo afgeonde echthoeken

2 waain de naam van de klasse is gescheven. De inhoud van een object is gegeven doo de vezameling instantievaiabelen tesamen met hun actuele waaden; in de gaaf woden deze doo een 2-koloms waadentabel in het object weegegeven, waain de linkekolom de naam van de vaiabele bevat en de echtekolom de bijbehoende waade. Waaden van een pimitief type woden diect in de tabel gescheven; waaden van een efeentietype zijn pijlen naa een (ande of hetzelfde) object in de gaaf (of de speciale waade null). Een voobeeld waain al deze elementen te vinden zijn is figuu 1, waain we uitgaan van een Java-klasse met instantievaiabelen int numme Pesoon ; double saldo; en een klasse Pesoon met instantievaiabelen Sting naam; ening; Pesoon naam ening Pesoon naam ening null Sting Piet Sting Ans Figuu 1: Objecten met waadentabellen en efeenties In figuu 1 is te zien dat de klasse Sting en oveigens ook de vepakkingsklassen Intege, Chaacte etc. een uitzondeingspositie innemen: instanties van deze klassen bevatten geen vaiabelennaam, maa uitsluitend de Sting-waade. Dit omdat de naam van de instantievaiabele onbekend en bovendien van geen belang is. Mek oveigens op dat het onjuist zou zijn de Stingwaade diect in de waadentabel (in dit geval van Pesoon) te schijven: Sting is geen pimitief type maa een klasse, en Sting-waaden zijn dus instanties. (Dit komt bijvoobeeld tot uiting in het feit dat we Sting-waaden nooit vegelijken doo middel van de opeato ==, maa altijd doo middel van de methode equals.) Klassenvaiabelen en aays Tot zove weinig nieuws onde de zon: deze voostelling van zaken is in vele Java-leeboeken teug te vinden; zie bijvoobeeld Bishop (21) en Niño en Hosch (22). Iets inteessante wodt het zoda we de kiekjes uitbeiden met klassenvaiabelen (static vaiables) en aays. Een klassenvaiabele wodt weegegeven doo de beteffende klasse (waabinnen de vaiabele is gedeclaeed) als nieuw soot knoop in de gaaf op te nemen; in dit geval echte een gewone en geen afgeonde echthoek. De vaiabele zelf bevindt zich wee in een waadentabel binnen de klasse. Een aay is een instantie (dus een afgeonde echthoek waain bovenaan het type is vemeld) met daain een waadentabel, waavan de linkekolom ditmaal geen instantievaiabelen maa aay-indices bevat, plus het speciale attibuut length, dat het aantal aay-elementen aangeeft. Uitgaand van een klasse met instantievaiabelen static int MAX_AANT_REKS = 3; static double INLEGKADO = 7.5; [] ; int aantreks;

3 is een mogelijke toestand gegeven in figuu 2. bank2 n 15 aantreks INLEGKADO 7.5 MAX_AANT_REKS 3 [] null [] numme 111 null saldo. Pesoon naam ening Sting Piet Figuu 2: Toestandskiekje met klassenvaiabelen en aays Figuu 2 bevat bovendien een exta waadentabel (links boven) die niet in een object of klasse ingebed is. Dit soot losse tabellen dienen om in voobeelden eenvoudig te kunnen efeeen naa vaiabelen die in een gegeven context (bijvoobeeld een klasse of methode) gedeclaeed zijn, maa waavan het op dat moment niet van belang is die context nade wee te geven. In Figuu 2 is e bijvoobeeld kennelijk spake van twee vaiabelen van het type, een intvaiabele en een vaiabele van het type, met de in het kiekje vastgelegde waaden. Figuen 1 en 2 illusteen de volgende aspecten van het objectgeoiënteede paadigma: Het veschil tussen pimitieve en efeentiewaaden, en het feit dat efeentiewaaden pijlen naa objecten zijn, ofwel de speciale waade null die duidt op de afwezigheid van een efeentie. Het feit dat objecten zelf geen vaste naam hebben, maa alleen aangeduid kunnen woden doo middel van vaiabelennamen die in een bepaalde context gedeclaeed zijn. (We beschouwen in dit opzicht de UML [3], waain objecten in veel gevallen van een naam woden voozien, als gebkig.) Het feit dat aays zelf instanties zijn, en een vaiabele van een aay-type dus als waade null kan hebben hetgeen heel iets andes is dan een aay met elementen of een aayelement met de waade null. Het veschil tussen klassenvaiabelen en instantievaiabelen, en het feit dat de eeste globaal toegankelijk zijn tewijl de laatste altijd in de context van een object gedefinieed zijn. Lopende methoden en constuctoen De kacht van toestandskiekjes is echte vooal gelegen in het feit dat ook de fomele paametes en lokale vaiabelen van lopende methoden e pobleemloos in kunnen woden opgenomen. Zo n lopende methode wodt weegegeven binnen het uitvoeende object, doo middel van een nieuwe waadentabel met daaboven de naam van de methode. Heeft de klasse bijvoobeeld methoden om het eningnumme op te vagen en het saldo bij te stellen: int getnumme() { etun numme; void setsaldo(double saldo) { this.saldo = saldo;

4 en een methode om een ening toe te voegen: boolean ( ) { fo (int i = ; i < aantreks; i++) if ([i].getnumme() ==.getnumme()) etun false; if (aantalrek < MAX_AANT_REKS) {.setsaldo(inlegkado); [aantreks] = ; aantreks++; etun tue; else etun false; dan is Figuu 3 een voobeeld van een toestand die (uitgaand van Figuu 2) beeikt wodt bij een aanoep gelukt =.(), voodat de fo-lus in is begonnen: i?? etun?? [] numme 111 null saldo. Figuu 3: Toestand aan het begin van de uitvoeing van gelukt =.() Aan het -object is hie geïllusteed hoe een lopende methode wodt weegegeven. De fomele paamete heeft een kopie van de waade van de actuele paamete gekegen; omdat het om een efeentiewaade gaat is zo n kopie een pijl naa hetzelfde object. De lokale vaiabele i is al wel in de tabel van opgenomen maa heeft nog geen geldige waade (in Java moeten lokale vaiabelen expliciet geïnitialiseed woden); dit is weegegeven doo de aanduiding??. Bovendien bevat de tabel van een pseudo-vaiabele etun; deze wodt gebuikt om de teugkeewaade in aan te geven. Mek op dat de instantievaiabele van het bovenste -object in Figuu 3 leeg is gelaten: e staat een pijl noch null. Hiemee wodt aangegeven dat de waade van deze vaiabele voo de doel van het voobeeld oninteessant is en buiten beschouwing wodt gelaten. We kunnen nu de weking van simuleen doo de toestand na elke pogammastap in een nieuw kiekje wee te geven. Een paa voobeelden volgen. Bij de test in de fo-lus of het numme van de nieuwe ening nog niet bestaat wodt de methode getnumme op [] aangeoepen (figuu 4). Nadat de nieuwe ening de unieke numme -test heeft doostaan wodt het standaad inlegkado e als beginsaldo op gestot, doo een aanoep van setsaldo (figuu 5). Voo de duidelijkheid hebben we in dit kiekje aan de beteffende -instantie de pseudovaiabele this toegevoegd, die in de code van setsaldo wodt gebuikt om veschil te maken tussen de lokale vaiabele saldo en de instantievaiabele van dezelfde naam. Vevolgens woden de aay en de telle aantreks aangepast (figuu 6). De teugkeewaade wodt op tue gezet.

5 i etun?? [] getnumme etun 11 numme 111 null saldo. Figuu 4: Toestand bij het testen op oveeenkomstige eningnummes i?? etun?? INLEGKADO 7.5 MAX_AANT_REKS 3 [] this numme 111 null saldo. setsaldo saldo 7.5 Figuu 5: Toestand bij het toewijzen van het INLEGKADO aan de nieuwe aantreks 2 i?? etun tue [] 1 numme 111 null saldo 7.5 Figuu 6: Toestand vlak voo teugkee van Uiteindelijk is de methode klaa en levet de waade tue op, die aan de vaiabele gelukt wodt toegewezen; de waadentabel van vedwijnt uit de -instantie. Lopende constuctoen woden in pincipe net zo weegegeven als lopende methoden, met dien vestande dat in dat geval het uitvoeende object (waabinnen de constucto met zijn waadentabel wodt geplaatst) vooafgaand aan de uitvoeing van de constucto eest geceëed wodt. Ook klassenmethoden kunnen op sootgelijke manie woden weegegeven: de uitvoede is dan niet een instantie, maa de klasse zelf, weegegeven doo een gewone echthoek. Bovenstaande kiekjes illusteen de volgende aspecten van het objectgeoiënteede paadigma: Het feit dat lokale vaiabelen, inclusief fomele paametes, in hun initialisatie en levensduu veschillen van instantievaiabelen, maa oveigens op dezelfde manie gebuikt woden.

6 Het feit dat een methode (of constucto) geacht wodt lokaal binnen een object te weken, en dat de ene methode geduende executie een andee kan aanoepen. De ol van de teugkeewaade van een methode. Oveeving Een belangijk aspect dat in bovenstaande voobeelden nog niet aan bod is gekomen is oveeving. Dit vegt een uitbeiding van de notatie, echte geen wezenlijke: de doo oveeving aangebachte abstactielagen in een object kunnen we eenvoudig weegeven doo e voo de supeklasse een eigen waadentabel in op te nemen. Als we bijvoobeeld een klasse Spaa definiëen die eft uit en daaaan een attibuut ente toevoegt (een geboken getal), dan kan een object van Spaa weegegeven woden doo het kiekje in figuu 7. Dit figuu bevat twee epesentaties van hetzelfde object. In de echte epesentatie hebben we ook pseudo-vaiabelen this en supe opgenomen: this wijst altijd naa het gehele object, supe naa het deel van het object dat de supeklasse epesenteet. Spaa ente 1.5 Spaa this supe ente 1.5 this Figuu 7: Instantie van de subklasse Spaa; echts met pseudo-vaiabelen this en supe Conclusie De hie gepesenteede toestandskiekjes kunnen in het initiële pogammeeondewijs een bijdage leveen aan een bete begip van het objectgeoiënteede paadigma, doodat ze studenten de mogelijkheid bieden zich een beeld te vomen van wat e (op een zeke niveau van abstactie) gebeut bij de veweking van een objectgeoiënteed pogamma. Toestandskiekjes zijn ontwikkeld voo de pogammeetaal Java in het kade van de heziening van de cusus Visueel Pogammeen met Java van de Open Univesiteit (zie [4]), maa kunnen ook voo andee pogammeetalen gebuikt woden. Het zij opgemekt dat e geen gafische standaadnotatie bestaat die het hie nagesteefde doel dient. In het bijzonde vooziet de standaad diagamtaal UML (zie [3]) niet in een diagamsoot waamee een degelijke visualisatie mogelijk is. Weliswaa kunnen in klassendiagammen eventueel objecten woden opgenomen, maa hun ondelinge samenhang kan niet woden aangegeven en hun betekenis in het kade van zo n diagam is vee van duidelijk. Andezijds biedt UML de mogelijkheid toestandsovegangen te modelleen (doo middel van zgn. state diagams); echte, de weegave van de toestanden zelf, die in onze toestandskiekjes centaal staat, blijft vijwel geheel buiten beschouwing. Voo wat beteft de epesentatie van Java claimen we dat de weegave in toestandskiekjes coect is ze vomen een gafische epesentatie van een fomeel model voo de weking van de Java vituele machine en bovendien volledig alle aspecten van Java-pogamma s

7 kunnen ein woden uitgedukt, inclusief klassenattibuten (static vaiables), fomele paametes en lokale vaiabelen van constuctoen en methoden, aays, en oveeving. De paktijk zal moeten uitwijzen of de visualisatiemogelijkheden die toestandskiekjes bieden in de paktijk indedaad leiden tot een heldede begip van het objectgeoiënteede paadigma. De cususevaluatie van de Open Univesiteit zal hieove uitsluitsel kunnen geven. Refeenties J. Bishop (21), Java gently, Addison Wesley, dede editie. J. Niño en F.A. Hosch (22), An Intoduction to Pogamming and Object-Oiented Design using Java, John Wiley & Sons. Open Univesiteit (21), Visueel Pogammeen met Java, cusus T , Open Univesiteit Nedeland, (dede, gewijzigde duk). J. Rumbaugh, I. Jacobson en G. Booch (1998), The Unified Modeling Language Refeence Manual, Addison-Wesley Pub Co.