Schlagwort: Informatik

…die sich als aufwändiger und lehrreicher herausgestellt hat, als ich dachte.

Es begann damit, dass ein Kollege mir von dem Computerspiel erzählte, das ihn gerade beschäftigte: Als Schiffbrüchiger auf einer Insel sammelt man unter anderem Gegenstände ein und erntet Pflanzen, jagt Tiere und arbeitet mit Werkzeugen. Zum Beispiel kann man mit einem Messer und einer Kokosnuss man Trinkwasser erzeugen (wobei die Kokosnuss verbraucht wird), und mit einem Schwein und einem Messer erzeugt man Haut und Fleisch, und aus der Haut kann man Leder machen, und aus dem Leder Riemen, und so weiter.

Ha, dachte ich mir, das ist nett, das sieht objektorientiert aus, das könnte ich doch auch mal mit Schülern machen. Erster Gedanke:

Das Messer kriegt folgende Methoden:

1. eine Methode anwendenAuf(Kokosnuss)
2. eine Methode anwendenAuf(Schwein)
3. eine Methode anwendenAuf(Spielobjekt)
   (eventuell verzichtbar, da ererbt, aber siehe weiter unten)

Diese drei Methoden heißen zwar alle gleich, sind aber trotzdem verschiedene Methoden und machen verschiedene Sachen – dieses Konzept heißt overloading. – Ein anderes Konzept ist das des overriding, wenn eine Unterklasse die gleichnamige Methode der Oberklasse überschreibt. Das ist der Fall, wenn Methode (3) die ererbte gleichnamige Methode überschreibt. Siehe weiter unten. – Wenn man die Methode anwendenAuf mit einem Kokosnuss-Objekt als Parameter aufruft, wird Methode (1) ausgewählt und ausgeführt, wenn man sie mit einem Schwein-Objekt aufruft, wird (2) ausgeführt, wenn man sie mit irgendeinem anderen Spielobjekt-Objekt als Parameter aufruft, wird die Methode (3) ausgeführt.

Dann würde jede Schülerin, jeder Schüler eine eigene Klasse erzeugen (Messer, Kokosnuss, Hammer, Feuerstein, Zange….) und würde für jede interessante Interaktion mit einem anderen Objekttyp eine eigene anwendenAuf-Methode schreiben – und die Catch-all-Methode für die restlichen Objekttypen übernehmen. Das fände ich ordentlich.

Das funktioniert auch wie gedacht, aber leider nur erst einmal, und dann doch nicht: In der Regel wird man eine Liste oder ein Array von Spielobjekten haben, und der Spieler wählt eins davon aus und wendet sein Messer darauf an. Und dann wird automatisch und stets die Methode (3) aufgerufen, auch wenn sich hinter dem Spielobjekt eine Kokosnuss verbirgt. Will heißen, wenn ich folgenden Code ausführe:

Spielobjekt o = new Kokosnuss();
Spielobjekt k = new Kokosnuss();
Spielobjekt m = new Messer();
m.anwendenAuf(o);
m.anwendenAuf(k);

Dann wird bei m.anwendenAuf(o) die Methode (3) aufgerufen, und nur bei m.anwendenAuf(k) wird die Methode (1). Denn wenn die ausführbaren Java-Klassen erzeugt werden, also beim Compilieren, also Übersetzen des Quellcodes, dann gilt: Die Kokosnuss o ist vom Typ Spielobjekt, basta. Das heißt static binding. Bei diesem Überstzen wird dann festgelegt, dass bei m.anwendenAuf(o) eben die Methode (3) ausgeführt wird. Und das geschieht dann auch, wenn das Programm tatsächlich ausgeführt wird.

Zwar hat beim Ausführen des Programms das Objekt o dann den Typ Kokosnuss, wie man herausfinden kann durch einen Aufruf von System.out.println( o.getClass() ). Aber das bringt nichts mehr, da ist die Wahl bereits getroffen. Etwas anders ist es bei ererbten und überschriebenen Methoden. Hier noch einmal die Zeilen von oben:

Spielobjekt o = new Kokosnuss();
Spielobjekt m = new Messer();
m.anwendenAuf(o);

In der letzten Zeile wird immer noch die Methode (3) anwendenAuf(Spielobjekt) aufgerufen. Aber es ist die Methode, die in der Klasse Messer definiert ist, und nicht die gleichnamige in der übergeordneten Klasse Spielobjekt. Das ist das overriding von vorhin, und dabei wird erst zur Laufzeit entschieden, also wenn das Programm tatsächlich läuft, welche der beiden Methoden aufgerufen wird. Die Maschine schaut zur Laufzeit, von welchem Typ m wirklich ist (nämlich Messer, und nicht Spielobjekt), und wählt dann die entsprechende Methode. Das heißt dann dynamic binding.

Kurz gesagt:

1. Wenn ein Objekt eine ererbte Methode mit einer eigenen überschreibt, wird stets letztere ausgeführt. In der Unterklasse entscheidet man also selber, ob die ererbte Methode benutzt werden soll oder ob es stattdessen eine eigene Methode geben wird.
2. Wenn ein Objekt allerdings als Parameter einer Methode übergeben wird, hat die Klasse, die diese Methode zur Verfügung stellt, keine Auswahlmöglichkeit und kann den Objekttyp des Parameters nicht als Auswahlkriterium heranziehen. Der wird vorher festgelegt auf das, was da steht, egal welche Klasse wirklich dahinter steckt.

Fazit: Die Klasse Messer braucht nur eine einzige Methode anwendenAuf(Spielobjekt). Man muss das ganze so machen:

void anwendenAuf(Spielobjekt o) {
  if (o instanceof Kokosnuss) {
    // ...
  }
  else if (o instanceof Schwein) {
    // ...
  }
  else {
    // ...
  }
}

Ich finde das ein bisschen weniger übersichtlich, als für jedes Objekt eine eigene Methode zu haben. Außerdem stört mich der instanceof-Operator. Mit dem kann man herausfinden, ob ein Objekt zu einer bestimmten Klasse (oder: Oberklasse davon) gehört. Er hat aber einen schlechten Ruf, weil er oft ein Anzeichen dafür ist, dass man nicht wirklich objektorientiert programmiert, weil sich seine Verwendung oft ersetzen lässt durch ordentliche Vererbung und überschriebene Methoden. Hier gibt es aber keine andere Lösung. Zugegeben: Man kann für Spielobjekt-Klassen ein eigenes Typ-Attribut einführen und es sich mit getTyp() geben lassen, und das als Entscheidungskriterium hernehmen. Dann hat jedes Kokosnussobjekt ein Attribut String typ = "kokosnuss", was mir aber auch nicht gefällt. Aber immerhin käme ich so um das Erklären von instanceof herum.

So oder so habe ich ein Problem. Nehmen wir an, ich habe Patronen, mit einem Attribut int anzahl, und Pistolen mit einem Attribut boolean geladen. Es könnte auch ein Zauberstab mit Ladungen sein, oder Goldmünzen:

class Patrone extends Spielobjekt {
 
  void anwendenAuf(Spielobjekt o) {
    if (o instanceof Pistole) {
      if (((Pistole) o).geladen == true) {
        // nichts, Pistole ist bereits geladen
      }
      else {
        ((Pistole) o).geladen = true; // Pistole ist jetzt geladen
        anzahl = anzahl-1;  // der Patronenhaufen wird um 1 reduziert
        if (anzahl == 0 ) { 
          entfernenAusInventar(this); // Patronenhaufen wird evtl. geloescht
        }
      }
    }
  }
 
}

Wenn ich in anwendenAuf auf das übergebene Objekt zugreifen möchte, muss ich einen Cast machen, also das Objekt manuell einer Unterklasse zuweisen. Das kann zu einem Fehler während des Ausführens führen, wenn das Objekt gar nicht zu dieser manuell zugewiesenen Klasse gehört. Wenn es gar nicht zu dieser manuell zugewiesenen Klasse gehören kann, wird bereits beim Compilieren/Übersetzen ein Fehler gemeldet. Dieses Casten ist für Schüler auch nicht leicht nachzuvollziehen, und auch eher schlechter Stil, wenn es denn anders geht. Aber: Es geht wohl nicht.

Später sieht das dann so aus:

Wenn man zuerst auf das Schwert und dann auf eine Kuh klickt, verschwindet die Kuh aus dem Inventar und drei Rindfleisch tauchen auf.

Hmmm… wenn man eine Methode anwendenAuf (Spielobjekt []) einführt, kann man auch das Durchlaufen von Arrays üben. Mal sehen, wie ich das einbauen kann.

Fußnote:

Eine verlockende Sackgasse ist folgender Gedanke, mit dem der ursprüngliche Plan, verschiedene anwendenAuf-Methoden zu haben, doch noch verwirklicht werden könnte, wenn es den ginge.

Class c = o.getClass(); // wird zur Laufzeit bestimmt
c oNeu = (c) o; // müsste beim Compilieren überprüft werden können
anwendenAuf(c)

Man lässt sich von dem Spielobjekt o die Klasse geben, und castet dann o auf seine tatsächliche Klasse. Aber das geht nun einmal nicht, compiliert nicht einmal. Kurz: Ich kann nicht auf eine Klassentyp casten, der in einer Variablen gespeichert ist, weil dann bei der Compilierung nicht überprüft werden kann, ob das überhaupt ein grundsätzlich möglicher Cast wäre. Denn in einer Variablen kann ja alles stecken. Das weiß man erst zur Laufzeit.

Weitere Designfragen:

(1) Diese Regeln, was geschehen soll, wenn man das Messer auf die Kokosnuss anwendet – wo sollen die hin? Man kann es machen wie oben beschrieben, dann ist jede Klasse zuständig für sich selber. Wenn eine neue Klasse (etwa: Hühnchen) eingeführt werden soll, muss man in allen Klassen, deren Objekte etwas mit den Objekten der neuen Klasse anfangen können sollen, den Code ändern. Das ist umständlich. Stattdessen könnte man eine einzige Klasse haben, die alle möglichen Kombinationen von anwendenAuf(Spielobjekt o1, Spielobjekt o2) behandelt. Großer Vorteil: Führe ich neue Klassen ein, muss ich nur in einer Klasse Code ändern. Nachteil: Diese Methode wird ziemlich groß, da die Kombinationsmöglichkeiten mit der Anzahl der Klassen schnell steigen, auch wenn, zugegeben, nur die potentiell möglichen Kombinationen implmenetiert werden müssen. Bei 5 Typen gibt es maximal 25 Kombinationen, bei 10 Typen schon 100, das wächst geradezu… nein, nicht exponentiell, noch lange nicht, aber polynomiell/quadratisch. Und vor allem kann ich es dann nicht mehr so machen, dass jede Schülerin und jeder Schüler ihre eigenen Anwendungsregeln in eigenen Klassen erstellen.

(2) Richtig viel Arbeit kann ich mir machen, wenn ich Verb-Objekte einführe, also etwa eine Klasse Schneiden, die enthält, was geschieht, wenn ich ein Objekt des Interface-Typs „KannSchneiden“ auf ein Objekt des Interface-Typs „KannGeschnittenWerden“ anwende. So ähnlich ist das zwar bei Sprachen für Textadventures, aber so gründlich will ich gar nicht sein.

(3) Wenn ich vorher weiß, welche Unterklassen von Spielobjekt es geben soll, dann kann ich in die Spielobjekt-Oberklasse 30 leere, gegebenenfalls zu überschreibende Methoden platziere: anwendenAuf(Kokosnuss k) {}, anwendenAuf(Palme p) {} und so weiter. Dazu kommt dann eine zentrale Methode:

void anwendenAuf(Spielobjekt o) { 
  if (o instanceof Messer) anwendenAuf( (Kokosnuss) o); 
  else if (o instanceof Messer) anwendenAuf( (Palme) o); 
}

Diese Methode verteilt die Aufrufe dann auf die glechnamigen Methoden mit den korrekten Argumenten. Dann greift wieder das overriding und damit dynamic binding. Dann kann ich wieder meine ursprüngliche Idee umsetzen – separate Methoden für jeden Spielobjekttyp. Allerdings muss ich halt jedesmal den Code in dieser einen Klasse anpassen, wenn eine neue Unterklasse von Spielobjekt eingeführt wird.

(4) Keine Lösung habe ich bisher für das Folgende: Wenn ich ein Messer auf eine Kokosnuss anwende, geschieht dann das gleiche, wie wenn ich eine Kokosnuss auf ein Messer anwende? Wenn ich die Patronen anwende auf die Pistole, soll das gleiche passieren wie bei der Anwendung der Pistole auf die Patronen? Wenn nein, kein Problem, dann passt alles. Wenn ja… die Messerklasse entscheidet nur, wenn das Messer angewendet wird. In welcher Klasse soll stehen, was geschieht, wenn ich die Kokosnuss anwende? Wenn das in Kokosnuss ist, führt das zu Code-Dopplung, und wo sonst? Hier fällt mir nur ein, doch Lösung (1) zu wählen.

Links, die zeigen, dass viele Leute schon vor dem gleichen Problem standen:

• https://stackoverflow.com/questions/2768748/using-inheritance-and-polymorphism-to-solve-a-common-game-problem
• https://stackoverflow.com/questions/36722057/polymorphism-doesnt-work-in-method-arguments-in-java
• https://stackoverflow.com/questions/1572322/overloaded-method-selection-based-on-the-parameters-real-type
• https://stackoverflow.com/questions/2790144/avoiding-instanceof-in-java
• https://sites.google.com/site/steveyegge2/when-polymorphism-fails
• https://stackoverflow.com/questions/19017258/static-vs-dynamic-binding-in-java

(Und die Linksammlung erklärt, warum es nervig ist, wenn der Webfilter der Schule stackoverflow.com sperrt.)

Nachtrag: aktualisierte Fassung des Programms ist am Ende des Beitrags

Das mit dem Verstehen ist ja schön und gut, aber bei Sprachen – Programmiersprachen wie anderen – reicht es nicht, wenn man die grammatischen Kategorien kennt, man muss die Sprache auch anwenden können. In Bayern lernen die Schüler in Informatik in der 10. Klasse Gymnasium (im naturwissenschaftlich-technologischen Zweig) die Grundprinzipien es objektorientierten Modellierens und Programmierens. Mit den Prinzipien haben sie auch wenig Schwierigkeiten; Klassendiagramme kriegen sie einigermaßen hin – aber das Umsetzen der Diagramme in Programmcode macht vielen mehr Probleme.

Also habe ich mir vorgenommen, im nächsten Durchgang mehr zu pauken. Eine Doppelstunde nur Klassendiagramme implementieren. Und dann nochmal, wenn es nötig ist. Das kriegt man nämlich nur durch Übung rein. – Ob ich das dann wirklich so mache, hängt natürlich von der konkreten Klasse ab. Aber ich habe mir schon etwas vorbereitet, und zwar den Java-Klassendiagramm-Implementierungs-Aufgaben-Generator. So sieht er aus:

Wenn man auf den weißen Knopf kriegt, erzeugt und speichert das Programm zwei Textdateien. Die eine ist ein Klassendiagramm für eine zufällig erstellte Klasse, mit 1 zufällig ausgewählten Attribut, einem Standardkonstruktor und je einer getter- und setter-Methode für das Attribut:

|--------------------
| Raumschiff
|--------------------
| alter: int
|--------------------
| Raumschiff()
| getAlter(): int
| setAlter(int): void
|--------------------

Wenn man sparsam mit den Leerzeilen ist, kann man das in sechs kurzen Zeilen programmieren. Wenn die Schülerin das getan hat, importiert sie die zweite Datei, die das Programm erzeugt hat, in ihr Projekt. Diese Datei enthält den Code für eine weitere Java-Klasse, und zwar eine Testklasse, die überprüft, ob die Klasse auch semantisch richtig implementiert worden ist, also ob die Methoden auch das tun, was sie sollen, und ob das Attribut da ist, und ob die Datentypen und die Schreibung exakt mit dem Klassendiagramm übereinstimmen. Die Testklasse sieht so aus, auch wenn die Schülerin sich den Code nie anschauen muss:

import static org.junit.Assert.*;
import org.junit.After;
import org.junit.Before;
import org.junit.Test;
 
public class RaumschiffTest {
 
  Raumschiff testObject;
 
  public RaumschiffTest() {
  }
 
  @Before
  public void setUp() {
    testObject = new Raumschiff();
  }
 
  @After
  public void tearDown() {
    testObject=null;
  }
 
  @Test
  public void attributeUeberpruefen() {
    testObject.alter = 8;
  }
 
  @Test
  public void setAlterTest() {
    testObject.setAlter(40);
    assertEquals(40, testObject.alter);
    testObject.setAlter(11);
    assertEquals(11, testObject.alter);
    testObject.setAlter(31);
    assertEquals(31, testObject.alter);
  }
 
  @Test
  public void getAlterTest() {
    testObject.alter = -5;
    assertEquals(-5, testObject.getAlter());
    testObject.alter = 64;
    assertEquals(64, testObject.getAlter());
    testObject.alter = -17;
    assertEquals(-17, testObject.getAlter());
  }
 
}

Mit einem Mausklick startet man den Test, und herauskommt eine Anzeige, welche Tests bestanden wurde:

Dazu muss die von der Schülerin erstellte Klasse erst existieren, und war grammatisch fehlerfrei. Die Tests überprüfen nur, ob das Programm auch das tut, was es soll, nicht ob es überhaupt läuft – das sagt einem schon der Compiler eine Stufe zuvor.

Man kann sich auch Klassen mit zwei, drei oder vier Attributen erzeugen lassen. Wenn die Attribute nicht als private markiert sind, werden die Attribute überprüft und die getter/setter-Methoden anhand dieser Attribute überprüft – ansonsten wird die getter-Methode anhand der setter-Methode auf Richtigkeit getestet, und umgekehrt. Man auch auswählen, dass ein zweiter Konstruktor mit zu den Attributen passenden Argumenten erzeugt werden soll. Außerdem kann man noch ankreuzen, ob die neuen Objekte der Klasse bestimmte Startwerte für die Attribute haben sollen, die dann im Konstruktor festgelegt werden. Dann heißt es unter dem Klassendiagramm:

Der Wert des Attributs 'alter' soll am Anfang sein: 32

Die Werte für die Attribute werden ebenfalls zufällig ausgewählt. Attribute können vorerst nur vom Typ String, boolean, char, double, int sein. Die Testklasse wird jeweils unter Berücksichtigung all dieser Entscheidungen erstellt.

Das könnte man jetzt ausweiten und die Schüler selber Klassenbezeichner und Attribute auswählen lassen. Oder mit Referenzattributen arbeiten, dass also – für den Anfang – zwei Klassendiagramme erstellt werden, wobei das eine ein Referenz auf das zweite enthält.

Wen es stört, dass das so eine Art Liegestützen für Java sind, also eher sinnlose, wiederholende Übungen, der kann sich vielleicht daran erfreuen, dass die Schüler so an den Umgang mit Testklassen und Testverfahren herangeführt werden.

• Download des .jar-Archivs. Vorsicht: Erzeugt im selben Verzeichnis die Textdateien im Format <Klasse>Test.java und <Klasse>Diagramm.txt und überschreibt vorhandene Dateien mit gleichem Namen ohne Rückfrage.
  • Erste Bugs gefunden, verbesserte Version von 2017-08-06, 19:50 Uhr
  • Neue Version vom 2017-08-07, 09:00 Uhr, etwas aufgeräumt im Code und assertEquals bei double verbessert
  • Neue Version vom 2017-08-31: Code aufgeräumt, die Varianten bei privaten Attributen etwas eingeschränkt, und jetzt kann man auch noch optional eine zufällige Methode schreiben lassen, die kein Getter oder Setter ist. Im Moment sind das aber nur istGerade, verdoppeln, hoch3 und betrag, das wäre aber leicht zu erweitern. Hintergrund: Jetzt gibt es doch für jeden Pseudo-Datentyp eine eigene Klasse (und damit Postleitzahlen im Bereich 10000-99999 statt mit beliebigen int-Werten), und für jede Pseudo-Methode ebenfalls (die für ihren eigenen Testcode verantwortlich ist).
  • Neue Version vom 2017-09-02. Nach außen unverändert, aber viel innen umbenannt und neu gebastelt, unter anderem zusätzliche Pseudo-Methoden.
  • Neue Version vom 2018-10-21. Postleitzahlen funktionieren jetzt als String.