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13. Polimorfismo de subtipos; Análise, desenho e implementação – Fundamentos de Programação

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Fundamentos da Programação 13:
• Polimorfismo de subtipos
• Análise, desenho e implementação

Apresentação 13 da unidade curricular de Fundamentos de Programação da Universidade Europeia. Alterações de Manuel Menezes de Sequeira sobre versão original por vários autores do DCTI do ISCTE-IUL, incluindo Luís Nunes, Ricardo Ribeiro, André Santos e o próprio Manuel Menezes de Sequeira.

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13. Polimorfismo de subtipos; Análise, desenho e implementação – Fundamentos de Programação

  1. 1. Polimorfismo de subtipos Análise, desenho e implementação
  2. 2.  Paradigmas da programação  Programação orientada por objectos  Modularização em pacotes 2013/2014 Fundamentos de Programação 2
  3. 3. public class Employee { private String name; private String ssn; public Employee(final String name, final String ssn) { this.name = name; this.ssn = ssn; } public String getName() { return name; } public String getSsn() { return ssn; } @Override public String toString() { return "(" + getName() + ", " + getSsn() + ")"; } } 2013/2014 Fundamentos de Programação 3 Que é isto?Veremos à frente…
  4. 4. 2013/2014 Fundamentos de Programação 4 Employee Supervisor Relação de generalização Especialização Generalização • Um Supervisor é um Employee. • Um Employee pode ser um Supervisor.
  5. 5. public class Supervisor extends Employee { private int level; public Supervisor(final String name, final String ssn, final int level) { … } public int getLevel() { return level; } @Override public String toString() { return "(" + getName() + ", " + getSsn() + ", " + getLevel() + ")"; } } 2013/2014 Fundamentos de Programação 5 Um Supervisor é um Employee. Sobrepõe-se ao método com a mesma assinatura na classe base Employee. Novo método específico da classe Supervisor.
  6. 6. 2013/2014 Fundamentos de Programação 6 Employee Supervisor Especialização Generalização Classe base ou superclasse. Classe derivada ou subclasse.
  7. 7.  Classe derivada deriva da classe base (subclasse deriva da superclasse)  Membros são herdados e mantêm categoria de acesso  Relação é um – Referências do tipo da classe base podem referir-se a objectos de classes derivadas  Exemplo Supervisor supervisor = new Supervisor("Guilhermina", "123456789", 3); Employee employee = new Supervisor("Felisberto", "987654321", 5); 2013/2014 Fundamentos de Programação 7
  8. 8.  Método de classe derivada pode sobrepor-se a método de classe base  Sobreposição é especialização  Regras  Mesma assinatura e tipo de devolução compatível  Método na classe base não privado e não final  Método na classe derivada com acessibilidade igual ou superior 2013/2014 Fundamentos de Programação 8 Na realidade tem de ser co-variante, ou seja, o tipo de devolução do método na classe derivada deriva de (ou é igual a) o tipo de devolução na classe base. Um método final não pode ser especializado.
  9. 9.  Características ou membros podem ser  private – acesso apenas por outros membros da mesma classe  package-private (sem qualificador) – adicionalmente, acesso por membros de classes do mesmo pacote  protected – adicionalmente, acesso por membros de classes derivadas  public – acesso universal 2013/2014 Fundamentos de Programação 9 Acessibilidadecrescente O Java promove a promisquidade entre objectos…
  10. 10.  Própria classe  Membros da classe e membros não privados de classes base  Classe do mesmo pacote  Membros não privados da classe ou suas bases  Classe derivada  Membros protegidos ou públicos da classe ou suas bases  Outra classe  Membros públicos da classe ou suas bases 2013/2014 Fundamentos de Programação 10
  11. 11. ArrayList<Employee> employees = new ArrayList<Employee>(); employees.add(new Employee("João Maria", "123456789")); employees.add(new Supervisor("Ana Maria", "987654321", 4)); … for (Employee employee : employees) out.println(employee.toString()); 2013/2014 Fundamentos de Programação 11 Qual o método toString() executado? Invocação da operação toString().
  12. 12. 2013/2014 Fundamentos de Programação 12 employees : «ref» ArrayList<Employee> : ArrayList<Employee> : «ref» Employee 0 : «ref» Employee 1 : Employee name = “João Maria” ssn = “123456789” : Supervisor name = “Ana Maria” ssn = “987654321” level = 4 Possível porque a classe Supervisor deriva da classe Employee, ou seja, possível porque um Supervisor é (sempre também) um Employee.
  13. 13. 2013/2014 Fundamentos de Programação 13 O resultado depende do tipo do objecto e não do tipo da referência! Isso acontece porque o método toString é polimórfico ou virtual. _(João Maria, 123456789) _ (João Maria, 123456789) (Ana Maria, 987654321, 4) _
  14. 14.  Capacidade de um objecto tomar várias formas  A forma descrita pela classe a que pertence  As formas descritas pelas classes acima na hierarquia a que pertence  Objecto pode ser referenciado por referências do tipo da classe a que pertence ou de classes acima na hierarquia (mais genéricas) 2013/2014 Fundamentos de Programação 14
  15. 15. Seja p(x) uma propriedade demonstrável acerca de objectos x do tipo B. Então, p(y) também deve verificar-se para objectos y do tipo D onde D é um subtipo de B. Barbara H. Liskov e Jeannette M.Wing, «A Behavioral Notion of Subtyping», ACMTransactions m Programming Languages and Systems,Volume 16, N.º 6, Novembro de 1994, pp. 1811-1841. Ver http://en.wikipedia.org/wiki/Liskov_substitution_principle. 2013/2014 Fundamentos de Programação 15 Tem de ser o programador a garantir que este princípio se verifica!
  16. 16. Supervisor supervisor = new Supervisor("Guilhermina", "123456789", 3); Employee anEmployee = new Supervisor("Felisberto", "987654321", 5); Employee anotherEmployee = new Employee("Elvira", "111111111"); out.println(supervisor.toString()); out.println(anEmployee.toString()); out.println(anotherEmployee.toString()); 2013/2014 Fundamentos de Programação 16 _(Guilhermina, 123456789, 3) _ (Guilhermina, 123456789, 3) (Felisberto, 987654321, 5) _ (Guilhermina, 123456789, 3) (Felisberto, 987654321, 5) (Elvira, 111111111) _
  17. 17.  Uma operação polimórfica ou virtual pode ter várias implementações  A uma implementação de uma operação chama-se método  A uma operação polimórfica podem corresponder diferentes métodos, cada um em sua classe  Todas as operações em Java são polimórficas, com excepção das qualificadas com private  Uma classe é polimórfica se tiver pelo menos uma operação polimórfica 2013/2014 Fundamentos de Programação 17
  18. 18.  Invoca-se uma operação sobre um objecto de uma classe para atingir um objectivo  Invocação de uma operação leva à execução do método apropriado, ou seja, leva à execução da implementação apropriada da operação  Polimorfismo  Invocação de uma operação pode levar à execução de diferentes métodos  Método efectivamente executado depende da classe do objecto sobre o qual a operação é invocada  Método executado não depende do tipo da referência para o objecto utilizado 2013/2014 Fundamentos de Programação 18 Simplificação… invocações internas podem levar à execução de métodos privados directamente.
  19. 19. public class Employee extends Object { private String name; private String ssn; public Employee(final String name, final String ssn) { this.name = name; this.ssn = ssn; } public String getName() { return name; } public String getSsn() { return ssn; } @Override public String toString() { return "(" + getName() + ", " + getSsn() + ")"; } } 2013/2014 Fundamentos de Programação 19 Agora percebe-se!A classe Object declara a operação toString() e define imediatamente um correspondente método. Esta é uma sua especialização. Se uma classe não derivar explicitamente de outra, derivará implicitamente da classe Object, que está no topo da hierarquia de classes do Java.
  20. 20.  Ligação (binding)  Associação entre a invocação de uma operação e a execução de um método  Ligação estática  Operações não polimórficas, invocações através de super  Associação estabelecida em tempo de compilação  Ligação dinâmica  Operações polimórficas  Associação estabelecida apenas em tempo de execução 2013/2014 Fundamentos de Programação 20 Que é isto?Veremos à frente…
  21. 21.  Classe derivada não é obrigada a fornecer método para operação da classe base  Classe base pode proibir às classes derivadas a sobreposição de um seu método, que se dirá ser um método final  Razão para um método ser final:  Programador que forneceu o método na classe base entendeu que classes derivadas não deveriam poder especializar o modo de funcionamento desse método 2013/2014 Fundamentos de Programação 21
  22. 22. public class Base { public String className() { return "Base"; } } public class Derived extends Base { @Override public String className() { return "Derived"; } public void testCalls() { final Base base = (Base)this; out.println("Through this: " + this.className()); out.println("Through base: " + base.className()); out.println("Through super: " + super.className()); } } 2013/2014 Fundamentos de Programação 22 _Through this: Derived _ Through this: Derived Through base: Derived _ Through this: Derived Through base: Derived Through super: Base _
  23. 23.  Veículo  Motociclo  Automóvel  Honda NX 650  AudiTT 2013/2014 Fundamentos de Programação 23 Vehicle Car Motorcycle AudiTt HondaNx650 Análise inicial pode resultar num dicionário ou glossário do domínio.
  24. 24.  Um Automóvel é umVeículo  Um Motociclo é umVeículo  Uma Honda NX 650 é um Motociclo  Um AudiTT é um Automóvel 2013/2014 Fundamentos de Programação 24 Vehicle Car Motorcycle AudiTt HondaNx650 Pode refinar-se o dicionário ou glossário do domínio, acrescentando as relações entre conceitos.
  25. 25. 2013/2014 Fundamentos de Programação 25 Vehicle Car Motorcycle AudiTt HondaNx650 … … Propriedades Operações … … … … … … … …
  26. 26. public class Vehicle { … } public class Car extends Vehicle { … } public class Motorcycle extends Vehicle { … } public class HondaNx650 extends Motorcycle { … } public class AudiTt extends Car { … } 2013/2014 Fundamentos de Programação 26
  27. 27.  Conceito abstracto – Sem instâncias no domínio em causa  Conceito concreto – Com instâncias no domínio em causa  Conceitos identificados são abstractos ou concretos?  Dependendo do domínio e seu modelo…  Veículo abstracto; Automóvel concreto;AudiTT caso particular de Automóvel  Veículo e Automóvel abstractos; AudiTT concreto 2013/2014 Fundamentos de Programação 27
  28. 28. HIPÓTESE 1 HIPÓTESE 2 2013/2014 Fundamentos de Programação 28 Vehicle Car Motorcycle Vehicle Car Motorcycle AudiTt HondaNx650 As classes abstractas, correspondentes aos conceitos abstractos, têm o nome em itálico. É boa prática que as classes concretas sejam folhas na hierarquia.
  29. 29. public abstract class Vehicle { … } public class Car extends Vehicle { … } public class Motorcycle extends Vehicle { … } 2013/2014 Fundamentos de Programação 29
  30. 30. public abstract class Vehicle { … } public abstract class Car extends Vehicle { … } public abstract class Motorcycle extends Vehicle { … } public class HondaNx650 extends Motorcycle { … } public class AudiTt extends Car { … } 2013/2014 Fundamentos de Programação 30
  31. 31. public class Position { private final double x; private final double y; public Position(final double x, final double y) { this.x = x; this.y = y; } public final double getX() { return x; } public final double getY() { return y; } … } 2013/2014 Fundamentos de Programação 31 Tipo de referência, pois é uma classe. Mas classe de valor, pois o que conta é a igualdade, e não a identidade.
  32. 32. public class Size { private final double width; private final double height; public Size(final double width, final double height) { this.width = width; this.height = height; } public final double getWidth() { return width; } public final double getHeight () { return height; } … } 2013/2014 Fundamentos de Programação 32 Apesar de ter também dois atributos do tipo double, um Size não é uma Position. Tipo de referência, pois é uma classe. Mas classe de valor, pois o que conta é a igualdade, e não a identidade.
  33. 33. public class Box { private final Position topLeftCornerPosition; private final Size size; public Box(final Position topLeftCornerPosition, final Size size) { this.topLeftCornerPosition = topLeftCornerPosition; this.size = size; } public final Position getTopLeftCornerPosition() { return topLeftCornerPosition; } public final Size getSize() { return size; } … } 2013/2014 Fundamentos de Programação 33 Uma Box não é nem uma Position, nem um Size, mas é representada por uma Position e por um Size. Tipo de referência, pois é uma classe. Mas classe de valor, pois o que conta é a igualdade, e não a identidade.
  34. 34.  Figura  Forma (abstrato)  Círculo  Quadrado 2013/2014 Fundamentos de Programação 34 Figure Circle Shape Square
  35. 35.  Uma Figura é composta de Formas  Um Círculo é uma Forma  Um Quadrado é uma Forma 2013/2014 Fundamentos de Programação 35 Shape Circle Square Figure Relação de composição.
  36. 36. 2013/2014 Fundamentos de Programação 36 Shape Circle Square … … … … … … Figure … …
  37. 37. public class Figure { private ArrayList<Shape> shapes; … } public abstract class Shape { … } public class Circle extends Shape { … } public class Square extends Shape { … } 2013/2014 Fundamentos de Programação 37 Tipos de referência, pois são classes.Classes de referência, pois o que conta é a identidade, e não a igualdade.
  38. 38. public abstract class Shape { private Position position; public Shape(final Position position) { this.position = position; } public final Position getPosition() { return position; } public abstract double getArea(); public abstract double getPerimeter(); public abstract Box getBoundingBox(); public void moveTo(final Position newPosition) { position = newPosition; } } 2013/2014 Fundamentos de Programação 38 Operações abstractas, ou seja, operações sem qualquer implementação disponível até este nível da hierarquia. Qual a área de uma “forma”?? Tipo de referência, pois é uma classe. Classe de referência, pois o que conta é a identidade, e não a igualdade.
  39. 39. public class Circle extends Shape { private double radius; public Circle(final Position position, final double radius) { super(position); this.radius = radius; } public final double getRadius() { return radius; } … 2013/2014 Fundamentos de Programação 39 Um Circle é uma Shape e a classe Circle herda a implementação da classe Shape. É necessário apenas um atributo adicional, correspondente a uma das duas propriedades de um círculo (o raio), já que a posição do centro é herdada da classe Shape. Uma ajudinha da classe base… Tipo de referência, pois é uma classe. Classe de referência, pois o que conta é a identidade, e não a igualdade.
  40. 40. … @Override public double getArea() { return Math.PI * getRadius() * getRadius(); } @Override public double getPerimeter() { return 2.0 * Math.PI * getRadius(); } @Override public Box getBoundingBox() { return new Box( new Position(getPosition().getX() - getRadius(), getPosition().getY() - getRadius()), new Size(2.0 * getRadius(), 2.0 * getRadius()) ); } } 2013/2014 Fundamentos de Programação 40 Fornece-se implementações, ou seja, métodos, para cada uma das operações abstractas da classe Shape. Qual a área de um círculo? Fácil, π × r2.
  41. 41. 2013/2014 Fundamentos de Programação 41 Shape Circle Square - position : Position + Shape(position : Position) + getPosition() : Position + getArea() : double + getPerimeter() : double + getBoundingBox() : Box + moveTo(newPosition : Position) - radius : double + Circle(position : Position, radius : double) + getRadius() : double + getArea() : double + getPerimeter() : double + getBoundingBox() : Box Figure Símbolo Categoria de acesso - private ~ package-private # protected + public
  42. 42. 2013/2014 Fundamentos de Programação 42 Shape Circle Square - position : Position «constructors» + Shape(position : Position) - radius : double «constructors» + Circle(position : Position, radius : double) Figure «inspectors» + getPosition() : Position + getArea() : double + getPerimeter() : double + getBoundingBox() : Box «modifiers» + moveTo(newPosition : Position) «inspectors» + getRadius() : double + getArea() : double + getPerimeter() : double + getBoundingBox() : Box
  43. 43.  Uma operação com qualificador abstract é uma simples declaração da operação  Uma operação sem qualificador abstract inclui também a definição de um método correspondente, que a implementa  Uma classe com uma operação abstracta tem de ser uma classe abstracta  Uma classe é abstracta se tiver o qualificador abstract 2013/2014 Fundamentos de Programação 43
  44. 44.  Uma classe não abstracta diz-se uma classe concreta  Uma classe abstracta não pode ser instanciada, i.e., não se podem construir objectos de uma classe abstracta  Uma classe derivada directamente de uma classe abstracta só poderá ser concreta se implementar cada uma das operações abstractas da classe abstracta 2013/2014 Fundamentos de Programação 44
  45. 45.  Generalização – Relação entre duas classes, base e derivada, em que a derivada especializa a base, que por sua vez generaliza a derivada  Polimorfismo – Um mesmo objecto pode ser visto de formas diferentes consoante o tipo da referência usada para o referenciar: uma mesma referência pode referenciar objectos de diferentes classes  Operação abstracta – Uma operações declarada numa dada classe mas não implementada nessa classe  Classe abstracta – Uma classe que não pode ser instanciada, i.e., da qual não existem objectos; usualmente as classes abstractas têm pelo menos uma operação abstracta 2013/2014 Fundamentos de Programação 45
  46. 46.  Polimorfismo de subtipos  Classes e operações polimórficas  Herança  Ligação estática e ligação dinâmica  Classes abstractas e classes concretas  Operações abstractas  Análise, desenho e implementação  Dicionário do domínio  Conceitos  Conceitos concretos e conceitos abstractos 2013/2014 Fundamentos de Programação 46

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