Olio-ohjelmoinnin perusteet luento 1: Oliopohjaisuus ja oliopohjainen suunnittelu

1. Olio-ohjelmoinnin perusteetluento 1: Oliopohjaisuus ja oliopohjainen suunnittelu Jani Rönkkönen LTY/Tietotekniikan osasto Kalvot on Muokattu Sami Jantusen luentokalvoista viime vuodelta. Lähteitä: Timothy Budd: Introduction to Object-Oriented Programming Juha Sorva (Helsinki University of Technology)

2. Käytännön asiat

3. Käytännön asiat • Kurssilla on oma IRC kanava #lutooper • Kannattaa pitää kirjaa käytetyistä tunneista, koska kurssin lopuksi näistä tulee kysely • Kurssin kotisivu toimii ensisijaisena tiedostuskanavana • Harjoitustyö julkaistaan tammikuun aikana • Harjoitukset alkavat jo tällä viikolla!

4. Kurssin tavoitteista  Tavoite Oppia ymmärtämään oliopohjainen ajattelutapa ja sen käsitteet ja soveltaa näitä käytännössä (esim. C++ avulla) Ei! Oppia sujuvaksi C++:n syntaksissa, jotta voin jatkaa vanhaan tyyliin ohjelmoimista uudella kielellä.

5. Sisältö • Johdanto oliomaailmaan • Historiaa • Oliopohjaisia käsitteitä • Olio • Luokka • Perintä • Toiminnon korvaaminen • Abstraktio (Abstraction) • Tiedon piilottaminen (Information hiding) • Kotelointi (Encapsulation) • Oliopohjainen suunnittelu • Mallintamisesta • Suunnitteluprosessi • Notaatio • Kertaus

6. Historiaa…. Ohjelmointitekniikoiden evoluutio: jäsentelemätön ohjelmointi prosedulaarinen ohjelmointi modulaarinen ohjelmointi olio-ohjelmointi

7. Jäsentelemätön ohjelmointi Sarja komentoja, jotka manipuloivat globaalia tietoa - Esim. Assemblerilla tehty ohjelmointi Ongelmia(?): • Ei skaalaudu • Sotkuista koodia

8. Prosedulaarinen ohjelmointi • Tehtävät, joita tarvitaan toistuvasti eriytetään omiksi aliohjelmiksi (procedures) • Tietty toiminnallisuus kirjoitetaan vain yhteen paikkaan  ylläpidettävyys helpottuu • Aliohjelmat tarjoavat mahdollisuuden tiedon piilottamiseen (information hiding) • Riittää kun käyttää hyväksi aliohjelman funktiokutsua. Ei tarvetta ymmärtää aliohjelman sisälmyksiä

9. Prosedulaarinen ohjelmointi Ohjelma voidaan nyt käsittää sarjana aliohjelmakutsuja. Pääohjelma välittää aina tarvittavan tiedon aliohjelmille • Esim: C ja Pascal tukevat proseduraalista ohjelmointia Ongelmia (?): • Aliohjelmien uudelleenkäyttö vaikeaa muissa ohjelmissa • Kaikki tieto pääohjelmassanimikonfliktit • Muuttujia pääsee käsittelemään suoraan mistä tahansa

10. Modulaarinen ohjelmointi • Yleiskäyttöinen toiminnallisuus ryhmitelty omiin moduuleihin ja Ohjelma koostuu nyt useasta moduulista • Kukin moduuli voi ylläpitää omia tietoja ja tarjoaa rajapinnat näiden käsittelyyn. • Esimerkiksi C:n funktiokirjastot ovat moduleita.

11. Perinteinen ohjelmointi • Perinteisessä ohjelmoinnissa ihminen pyrkii muokkaamaan ajatuksensa sellaiseksi käskysarjaksi, jonka kone osaa suorittaa. Program PaintScene { while (exists()) { draw_this(); draw_that(); } } lääh lääh

12. Plant grow() Bee wings sting Flower Tree flyAbout() blossom pollen leaves Olio-ohjelmointi Voidaan myös lähteä liikkeelle siitä, miten ihminen hahmottaa ongelman, ja antaa jotain tämän hahmotelman kaltaista koneen käsiteltäväksi. • Käytetään siis kieltä, joka on koneen käsiteltävissä, mutta muistuttaa ainakin osin ihmisen tapaa jäsentää maailmaa. class Bee { Coordinates location; Wing[] wings; flyAbout() { ... } }

13. Missä mennään? • Johdanto oliomaailmaan • Historiaa • Oliopohjaisia käsitteitä • Olio • Luokka • Perintä • Toiminnon korvaaminen • Abstraktio (Abstraction) • Tiedon piilottaminen (Information hiding) • Kotelointi (Encapsulation) • Oliopohjainen suunnittelu • Mallintamisesta • Suunnitteluprosessi • Notaatio • Kertaus

14. Olio-ohjelmointi Mikä on yhteistä kalalle, trumpetille ja piipulle? Entäpä mitä on hyvyys ja kampela? Asioitapa tietenkin ovat ne. [...] Maailma on asioita pullollaan! - Ultra Bra

15. Olio-ohjelmointi

16. Kukkakauppaesimerkki Haluan lähettää kukkia ystävälleni (Miss Wang) Pekingiin Miten toimia? • Ratkaisutapa 1: Kerään kukat ja vien ne itse (huomaavaista, mutta epäkäytännöllistä) • Ratkaisutapa 2: Menen paikalliseen kukkakauppaan, kerron kukkien tyypit ja lukumäärät ja pyydän toimittamaan Ms. Wangin osoitteeseen

17. Kukkakauppaesimerkki jatkuu… • Ratkaisin ongelman löytämällä asiamiehen (paikallinen kukkakauppias) ja välitin hänelle pyynnön • Kukkakauppiaan tehtävä on suorittaa pyytöni • Pyynnön suorittamiseen liittyy joku toimintatapa (algoritmi).

18. Kukkakauppaesimerkki jatkuu… • Minun ei tarvitse tietää miten kukkakauppias suorittaa tehtävänsä.  Tiedon piilotus (Information hiding) • Jos tutkisin kukkakauppiaan suoriutumista tehtävästään, huomaisin, että hän lähettää hieman erilaisen viestin toiselle kukkakauppiaalle Ms. Wangin kotikaupunkiin Pekingiin.

19. Kukkakauppaesimerkki jatkuu… • Pekingin kukkakauppias puolestaan ottaa yhteyttä lähettiin, joka suorittaa varsinaisen kukkien toimituksen • Ms. Wangin kukkakauppias on saanut kukkansa tukkumyyjältä, joka puolestaan on asioinut kasvattajien kanssa.

20. Kukkakauppaesimerkki jatkuu… • Ongelmani siis ratkaistiin usean asiamiehen avulla. Ilman heidän apuaan ongelma ei olisi ratkennut helposti Puutarhuri Minä Ms. Wang Kukkakimpun kokoaja Kukkien kasvattaja Lappeenrannan kukkakauppias Juoksupoika Tukkumyyjä Pekingin Kukkakauppias

21. Viestejä välittävät oliot • Lappeenrannan kukkakauppiaalle esittämäni pyyntöni aiheutti ketjureaktion viestejä. Tämän lopputuloksena Ms. Wang sai lopulta kukat • Näemme siis, että tämän yhteisön jäsenet kommunikoivat keskenään lähettämällä pyyntöjä toisilleen • Toiminto aloitettiin lähettämällä viesti sille asiamiehelle joka on vastuussa halutusta toiminnallisuudesta

22. Olioista • Oliopohjainen tietokoneohjelma rakentuu vuorovaikutteisten olioiden varaan • Oliot “tietävät” kuinka selviytyä tehtävistään • Oliot suorittavat tehtäviään vain jos joku toinen olio pyytää sitä • Kullakin oliolla on oma roolinsa. Kukin olio tarjoaa palveluja, suorittaa toimenpiteitä

23. Olioiden väliset viestit • Lähetettävään viestiin sisältyy pyydettävä toiminnallisuus ja sen suorittamiseen tarvittava tieto (argumentit) • Jos viestin vastaanottava olio hyväksyy viestin, se myös hyväksyy vastuun suoriutua kyseisestä tehtävästä • Viestin seurauksena, vastaanottaja suorittaa toiminnallisuutta, mikä toteuttaa viestin mukana tulleen pyynnön

24. Olioiden väliset viestit jatkuu… • Viestillä on nimetty vastaanottaja • Viestin tulkinta saattaa olla erilainen riippuen viestin vastaanottajastaMonimuotoisuus (Polymorphism) • Jos pyytäisin hammaslääkäriäni lähettämään kukkia Ms. Wangille, hänellä ei luultavasti ole keinoa ratkaista ongelmaa ja luultavasti kieltäytyisi tehtävästä

25. 1. OK, onnistuin. T. Teekkari, ilmoittaudu kurssille X-123.456. 9. Hyvä, lisäänpä kurssilistaani. 8. 2. X-123.456, ilmoita T. Teekkari (itseesi). OK, onnistui. 7. Mahtuukohan se opetuspaikkaani? 3. 4. Sali A23, kerro paikkojesi määrä. 50. 5. 6. Hmm, 31<50, joten mahtuu. Lisätään listaan. Esimerkki: Viestivät oliot object opiskelijaolio#1 { String nimi = ”T. Teekkari”; String ammatti = ”opiskelija”; String koulutusohjelma = ”S”; int opiskelijanumero = 12345; Kurssi[] kurssit = ...; ilmoittaudu { ... } } object kurssiolio#1 { String koodi = ”X-123.456”; int opintoviikot = 3; Opiskelija[] ilmoittautuneet = ...; Sali opetuspaikka = saliolio#1; ilmoitaOpiskelija { ... } } object saliolio#1 { String nimi = ”Sali A23”; int paikkojenMaara = 50; kerroPaikkojenMaara { ... } }

26. Olioiden rakenne • Oliot sisältävät • Tilatietoja, joita olio käyttää toiminnallisuudessaan hyväksi • Toiminnallisuutta, mitkä toteuttavat oliolle annetut vastuut/tehtävät

27. Olioiden toiminnallisuudesta • Olion toiminnallisuutta on yleensä: • konstruktiot: -olioiden luonti • käskyt: -olion tilan muutos • kyselyt: -vastauksen antaminen olion tilatietojen perusteella

28. Esimerkki olion toiminnallisuudesta Mitä toiminnallisuutta roskakori voisi sisältää? Konstruktio: Roskakorin luonti Käskyt: Lisää roskia, tyhjennä roskakori Onko kansi auki? Onko roskakori täynnä? Kyselyt:

29. Olion sisältämistä tiedoista • Olion sisältämät tiedot voivat olla: • attribuutteja: asioita, mitkä kuvaavat oliota • komponentteja: asioita, jotka ovat osa oliota • assosiaatioita: asioita, joista olio on tietoinen, mutta mitkä eivät ole osa oliota

30. Esimerkki olion tiedoista Mitä tietoa roskakori voisi sisältää? Attribuutit: väri, materiaali, haju Komponentit: kansi, roskapussi, roskat roskakori voi olla assosioitu huoneeseen missä se sijaitsee Assosiaatiot:

31. Löydä olioita luentosalista • Mitä toiminnallisuutta niissä on? • Mitä tietoa ne sisältävät?

32. Luokista • Ymmärrän minkälaista toiminnallisuutta voin odottaa kun kävelen kukkakauppaan esittämään pyyntöni • Pystyn tekemään oletuksia, sillä tiedän kukkakauppiaista yleisellä tasolla ja oletan että Lappeenrannan kukkakauppias toimii samalla tavalla • Voimme käyttää “Kukkakauppias” –luokkaa kuvaamaan kaikkia kukkakauppiaita. • Lappeenrannan kukkakauppias on yksi ilmentymä (olio) kukkakauppias-luokasta

33. Luokat ja oliot IHMINEN #A03 NIMI: Joonatan IKÄ: 17v. SILMÄT:ruskeat KOTI: asunto #B01 ASUNTO KATUOS.: ______ POSTIOS.: _____ KOKO: ___m2 ASUKKAAT: IHMINEN NIMI: __________ IKÄ: __v. SILMÄT:________ KOTI: asunto #___ ASUNTO #B01 KATUOS.: Rosvokuja 1 POSTIOS.: 010 KDM KOKO: 70 m2 ASUKKAAT: ihminen #A02, ihminen #A03 ASUNTO #B02 KATUOS.: Kaitapolku 7 POSTIOS.: 012 KDM KOKO: 25 m2 ASUKKAAT: ihminen #A01 IHMINEN #A01 NIMI: Kasper IKÄ: 21v. SILMÄT:siniset KOTI: asunto #B02 IHMINEN #A02 NIMI: Jesper IKÄ: 19v. SILMÄT:vihreät KOTI: asunto #B01

34. Perintä (Inheritance) • Kukkakauppias on myös kauppias • Tiedän siis, että hän todennäköiseti pyytää rahaa pyyntöni toteutuksesta ja että rahan vastaanoton yhteydessä hän todennäköisesti antaa minulle kuitin. Näin toimivat myös muunkin alan kauppiaat • Kukkakauppias on siis erikoistuneempi muoto kauppiaasta. Kukkakauppiaalla pitää olla kaikki ne toiminnat mitä kauppiaalla yleisesti ottaen kuuluu olla.

35. Perintä jatkuu… • Eräs tapa ajatella perintää on organisoida tietoni kukkakauppiaasta hierarkiseksi rakenteeksi: • Kukkakauppias on erikoistunut kauppias • Kauppias on ihminen

36. Perintä jatkuu…. • Perintä tarkoittaa periaatetta siitä, että yleisempi määrittely on myös voimassa erikoistuneissa olioissa • Sanomme, että kukkakauppias perii myös kauppiaan ja ihmisen toiminnallisuuden Ihminen Kauppias Kukkakauppias

37. Perintä jatkuu…. Perinnän idea: • Luokat voidaan organisoida hierarkkisiin perintäpuihin • Lapsiluokka perii vanhempiensa tiedon ja toiminnallisuuden • Abstrakti isäluokka on sellainen, mistä ei voidan tehdä omaa oliota, mutta mitä käytetään lapsiluokkien määrittelyssä

38. Perintä • Perintärelaatioiden määrittely on ihmisajattelulle luontevaa ja tekee malleista selkeämpiä ja vähemmän toisteisia. • Perintä on luokkien välinen suhde, mutta ei olioiden: aliluokan ilmentymä on samaan aikaan myös yliluokan ilmentymä. • Esim. opiskelija onmyös henkilö. • Toisin sanoen: perintä on ns. is-a -relaatio. • Piirteiden yleistämisen lisäksi perintää voidaan käyttää käänteisesti luokan tarkentamiseen. • Esim. opiskelijaluokasta voidaan johtaa jatko-opiskelijaluokka.

39. Käytännön etuja perinnästä • Perintärelaation mielekkyys voidaan perustella luontevuudella ja luokkamallien selkeytymisellä. • Se myös helpottaa ohjelmien kirjoittamista. Miten luokat ohjelmoitaisiin, jos käytössä ei olisi perintää? Jouduttaisiin joko: • Määrittelemään samoja asioita moneen kertaan eri luokkiin. Näistä luokista ei voisi myöskään kätevästi puhua ”yleisesti”. • Tai laatimaan suuria luokkia, jotka edustavat kaikenlaisia mahdollisia ”aliluokkiaan” samaan aikaan. Tämä johtaisi hyvin monimutkaisiin ja hankalasti ymmärrettäviin ja ylläpidettäviin luokkiin. • Perintä helpottaa yleiskäyttöisten luokkien laatimista ja ohjelman osien uudelleenkäyttöä muissa yhteyksissä.

40. Eliöiden luokittelu

41. Eläin ... Niveljalkainen Selkäjänteinen ... ... Hämähäkkieläin Hyönteinen Matelija Nisäkäs Lintu ... ... ... ... ... Leppäkerttu Kissa Ihminen Perintä

42. Selkäjänteinen Toiminnallisuuden korvaaminen • Nisäkkäät synnyttävät eläviä poikasia • Linnut munivat munia • The Australian Platypus (vesinokkaeläin?) on nisäkäs, mutta luo munia Eläin Synnytä() Luo munia Synnytä elävä poikanen Nisäkäs Lintu Synnytä() Synnytä()

43. Selkäjänteinen Toiminnallisuuden korvaaminen jatkuu…. Eläin • On mahdollista korvata (override) isäluokassa määritelty toiminnallisuus toteuttamalla lapsiluokkaan saman niminen toiminnallisuus • Sopivan metodin etsintä aloitetaan aina lapsiluokasta. Jos lapsiluokassa ei ole toteutettuna haluttua toiminnallisuutta, siirrytään etsimään sitä isäluokasta Synnytä elävä poikanen Synnytä() Luo munia Nisäkäs Lintu Synnytä() Synnytä() Luo munia Vesinokkaeläin Synnytä()

44. Abstraktio

45. Abstraktio jatkuu…. • Ihminen voi käsittellä 7±2 yksityiskohtaa kerrallaan • Yleensä ei ole mahdollista, eikä järkevää esitää kokonaisuutta kaikkine yksityiskohtineen.

46. Abstraktioon liittyviä määritelmiä • Abstraktio on tarkoituksellista yksityiskohtien piilottamista, jotta muut suunnittelutyön kannalta oleellisemmat piirteet tulevat paremmin esille • Tiedon piilottaminen (Information hiding) koteloimalla (Encapsulation) käytön kannalta turha tieto olion sisälle on abstrahoinnin tärkeimpiä työkaluja ohjelmoinnissa

47. “is-a” ja “has-a” abstraktiot • Asian pilkkominen osiin käyttää hyväkseen “has-a” abstraktiota. Esimerkki: Auto koostuu moottorista, renkaista, korista,…. • Erikoistuminen kuvaa “is-a” abstraktiota. Esimerkki: Polkupyörä on pyörällinen kulkuneuvo

48. Pilkkominen(Division into parts) & kotelointi (Encapsulation) esimerkki • Auto voidaan pilkkoa useisiin aliyksiköihin • Aliyksiköiden välille määritetään selkeä rajapinta, jotta eri ryhmät voivat kehittää itsenäisesti eri aliyksiköitäKotelointi (Encapsulation)

49. Missä mennään? • Johdanto oliomaailmaan • Historiaa • Oliopohjaisia käsitteitä • Olio • Luokka • Perintä • Toiminnon korvaaminen • Abstraktio (Abstraction) • Tiedon piilottaminen (Information hiding) • Kotelointi (Encapsulation) • Oliopohjainen suunnittelu • Mallintamisesta • Suunnitteluprosessi • Notaatio • Kertaus

50. Mallintamisesta • Malli on todellisuuden yksinkertaistus • Mallinnamme, jotta ymmärrämme paremmin järjestelmän mitä kehitämme • Ongelman ratkaisuun tarvitaan yleensä useita eri malleja • Mallintaminen voi tapahtua usealla tarkkuustasolla • 7±2 sääntö