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Vererbung

In dieser Sequenz werden die wichtigsten Spielarten der Vererbung anhand dreier Projekte vorgestellt. Den Anfang macht das Projekt Schneemannsimulation, in dem die Vererbung als Spezialisierung im Sinne einer einfachen Erweiterung einer Oberklasse vorgestellt wird.

Darauf folgt das Projekt Flummisimulation, welches das Verständnis von Vererbung um den Aspekt der späten Bindung erweitert. Es werden also Dienste der Oberklasse überschrieben.

Zum Abschluss wird am Beispiel Tannenbaumsimulation das Prinzip der abstrakten Klasse eingeführt.  

Materialien:

 

Sequenzszene

Der Einstieg in dieses Modul erfolgt mit Hilfe der Simulation eines einzelnen Schneemanns. Dieser kann entweder als Übung von den Schülerinnen und Schülern selbst erstellt oder aber als Prototyp vorgegeben werden.

Das Projekt Schneemannsimulation
Von der Modellierung her ist entscheidend, dass der Schneemann als eigene Klasse realisiert wird, so dass ggf. auch mehrere Schneemänner in einer Szene erstellt werden können. Der Schneemann selbst besteht aus drei Kugeln, zwei Augen und einer Nase und hat ggf. Knöpfe auf der Brust. Die Abbildung 1 zeigt einen einfachen Schneemann ohne Knöpfe.

 

Abbildung 1: Ein einfacher Schneemann als Oberklasse

Abbildung 1: Ein einfacher Schneemann als Oberklasse

 

Da der Schneemann über einen Konstruktor verfügt, der ihn an unterschiedliche Stellen in der Szene positionieren kann, ist es ohne Probleme möglich, auch mehrere Schneemänner zu realisieren.

Sinn dieses Projektes ist es nun, eine solche Gruppe von Schneemännern zu erstellen, die jedoch nicht alle ganz identisch aussehen. Vielmehr soll eine internationale Schneemanngruppe erstellt werden, wobei sich die Schneemänner aus unterschiedlichen Erdeilen durch ihre Kopfbedeckung unterscheiden.

 

Abbildung 2: Internationale Schneemänner durch Vererbung

Abbildung 2: Internationale Schneemänner durch Vererbung

 

Die Realisierung dieser Schneemänner kann nun mit Hilfe der Vererbung geschehen, indem im Konstruktor der Unterklasse die jeweilige Kopfbedeckung ergänzt wird. Es wird die folgende Modellierung vorausgesetzt.

 

Abbildung 3: Modellierung der Schneemänner

Abbildung 3: Modellierung der Schneemänner

 

Möchte man diese Modellierung mit den Schülerinnen und Schülern zusammen erarbeiten, so bietet es sich an, diese Aufgabe zunächst ohne den Mechanismus der Vererbung zu planen. Man kommt dann zu dem Ergebnis, dass verschiedene Schneemanntypen verschiedene Klassen mit großen Redundanzen sind oder aber, dass eine Kopfbedeckung eine eigene Klasse sein sollte. Eine andere Realisierung stellt die oben gegebene Modellierung dar. Jeder Schneemann verfügt über ein Feld von Typ GLObjekt, in dem seine Elemente gespeichert werden. Jede Unterklasse von Schneemann hat ein weiteres Feld, das seine Kopfbedeckung beinhaltet. Da das Feld elemente der Oberklasse Schneemann privat ist und zumindest für den Chinesenschneemann ein Zugriff auf die Augen möglich sein muss, hat die Klasse Schneemann eine Methode gibElemente, die das Feld zurückliefert und es somit manipulierbar macht. Der Chinesenschneemann kann so seine Augen zu Schlitzen skalieren.

Zu berücksichtigen ist, dass an dieser Stelle die Vererbung gleich in zweifacher Hinsicht verwendet wird. Zum einen erben die speziellen Schneemänner von ihrer Oberklasse und zum anderen wird die Klasse GLObjekt als Oberklasse für alle in der Szene zu sehenden Elemente verwendet. Sowohl Kugeln als auch Zylinder, Kegel oder Toren können also in einem gemeinsamen Feld verwaltet werden.

Hat man die Vererbung auf diese Weise thematisiert, kann ein komplexeres Projekt in Angriff genommen werden, bei dem es notwendig wird, eine Methode zu überschreiben. Das Prinzip des late-bindings lässt sich gut am Projekt Flummisimulation verdeutlichen.

 

Das Projekt Flummisimulation
Das Projekt beginnt mit einem einfachen Prototyp. Dieser Prototyp lässt einen einzelnen Ball zwischen zwei Hindernissen hin- und herticken. Er folgt der in Abbildung 4 gezeigten Modellierung.

 

Abbildung 4: Modellierung der  Flummisimulation (Prototyp)

Abbildung 4: Modellierung der Flummisimulation (Prototyp)

 

Dieser Prototyp kann nun erweitert werden, indem spezielle Varianten des Balls ergänzt werden. Dazu wird jeweils eine Unterklasse von Ball erstellt. Da die unterschiedlichen Ballvarianten sich nicht nur im Aussehen unterscheiden sollen, muss auch die Bewegung des Balls variiert werden. Um den jeweiligen Ball zu bewegen, wird die Methode bewegeDich in einer Animationsschleife der Klasse Ballsimulation aufgerufen. Je nachdem wie diese Methode realisiert ist, können unterschiedliche Bewegungsvarianten realisiert werden. Folgende Modellierung setzt verschiedene Ballvarianten um.

 

Abbildung 5: Modellierung der Flummisimulation (Modelllösung)

Abbildung 5: Modellierung der Flummisimulation (Modelllösung)

 

Die Klasse Gravball steht für einen Ball, der durch die Gravitation angezogen wird und vom Boden der Szene abtickt. Ein Farbball hat eine Zufallsfarbe und ein Reibball wird mit der Zeit langsamer, so dass er liegen bleibt. Der Pulsball verändert während der Animation seine Größe, er pulsiert. Alle Attribute der Klasse Ball werden als protected deklariert, damit ein Zugriff aus den Unterklassen möglich ist.

 

Abbildung 5: Flummisimulation mit verschiedenen Bällen

Abbildung 5: Flummisimulation mit verschiedenen Bällen

 

Alle Bälle können mit Hilfe eines Feldes vom Typ Ball in der Klasse Ballsimulation verwaltet werde. Da die Methode bewegeDich zum Teil überschrieben wird, sind sie nicht nur in ihrem Aussehen, sondern auch in ihrem Verhalten unterschiedlich.

Die hier aufgeführten Unterklassen von Ball sind exemplarisch zu verstehen. Natürlich sind noch weitere Varianten möglich. Darüber hinaus könnten unterschiedliche Arten von Hindernissen erstellt werden, die sich bei einer Kollision mit einem Ball unterschiedlich verhalten.

 

Vertiefung

Um tiefer in das Prinzip der Vererbung einzusteigen, wenden wir uns einer Simulation eines Weihnachtsbaums zu. Dabei soll ein Tannenbaum mit verschiedenen Arten von Schmuckstücken versehen werden, die durch unterschiedliche geometrische Objekte dargestellt werden. Es gibt Kugeln, Päckchen in der Form von Würfeln und Zuckerringe in Form von Toren.

Wir beginnen mit einem Prototyp, der bereits mit Kugeln geschmückt werden kann. Die Klasse Kugel hat dabei zwei Methoden.

 

Abbildung 6: Modellierung I der Weihnachtsbaumsimulation (Prototyp)

Abbildung 6: Modellierung I der Weihnachtsbaumsimulation (Prototyp)

 

Die Methode abschmuecken setzt die Y-Koordinate der Kugel auf 0, so dass die Kugel nicht mehr am Baum ist, sondern auf dem Boden liegt. Die Kugel wird also abgeschmückt. Die Methode aufschmuecken positioniert die Kugel wieder an einer zufälligen Stelle auf den Baum. Sie wird also aufgeschmückt.

Der Prototyp soll auf dem Hintergrund des Prinzips der Vererbung so erweitert werden, dass die anderen Arten der Schmuckstücke ebenfalls eingebaut werden.

 

Abbildung 7: Weihnachtsbaumsimulation mit verschiedenen Schmuckstücken

Abbildung 7: Weihnachtsbaumsimulation mit verschiedenen Schmuckstücken

 

Da alle Schmuckstücke über die Funktion des Auf- und Abschmückens verfügen sollen, liegt es nahe, dass diese Methoden in einer gemeinsamen Oberklasse realisiert werden.

 

Abbildung 8: Modellierung der Weihnachtsbaumsimulation mit abstrakter Klasse

Abbildung 8: Modellierung der Weihnachtsbaumsimulation mit abstrakter Klasse

 

Abbildung 8 zeigt eine Modellierung, in der die Klasse Schmuck bereits als abstrakt gekennzeichnet ist. Kursteilnehmer, die diese Aufgabe bearbeiten, werden das zunächst nicht so modellieren, sicherlich aber feststellen können, dass es keinen Sinn macht, die Klasse Schmuck zu instanziieren, da im Konstruktor der Klasse noch nicht entschieden werden kann, welches Objekt zur Repräsentation des Schmuckstücks erstellt werden soll. Sie beinhaltet also den Quellcode zum Auf- und Abschmücken, hat aber kein optisches Erscheinungsbild, so dass ein Objekt keinen Sinn macht. Die Referenz objekt der Klasse Schmuck kann als protected deklariert werden, damit in den Unterklassen ein Zugriff möglich ist. Alternativ kann eine Methode zum Setzen dieser Referenz hinzugefügt werden.

Der nächste Schritt besteht darin, dass den Schmuckstücken eine zusätzliche Animation hinzugefügt wird, die durch einen Mausklick angestoßen werden kann. Hierzu wird eine neue Methode in die (abstrakte) Klasse Schmuck eingeführt, die erst in den Unterklassen realisiert werden soll. Diese Methode ist abstrakt, da in der Klasse Schmuck lediglich die Signatur definiert werden kann. Die Modellierung sieht dann wie in Abbildung 9 gezeigt aus. 5

 

Abbildung 9: Modellierung der Weihnachtsbaumsimulation mit abstrakter Methode

Abbildung 9: Modellierung der Weihnachtsbaumsimulation mit abstrakter Methode

 

In der Animationsschleife der Klasse Weihnachtsbaumszene wird mittels der GLOOP-Objektselektion das von der Maus angeklickte GLObjekt ermittelt und im Parameter der Methode spezialAktion an jedes Schmuckstück übergeben. In dieser Methode entscheidet jedes Schmuckstück, ob das übergebene GLObjekt jenes ist, mit dem es sich selbst optisch repräsentiert. Ist das der Fall, muss die jeweilige Spezialaktion in Form einer Animation durchgeführt werden. Die Hauptschleife der Klasse Weihnachtsbaumszene sieht dann wie folgt aus:

Quellcode

Quellcode

Welche Animation die jeweiligen Schmuckstücke beim Anklicken durchführen, ist für die Modellierung nicht von Relevanz. Ein Ring könnte sich einmal um sich selbst drehen, ein Päckchen die Farbe wechseln oder auch pulsieren. Eine Kugel könnte vom Baum fallen.

 

 



5 Abstrakte Methoden sind im Kernlehrplan Informatik erst in der Qualifikationsphase vorgesehen. Daher kann hier die Klasse Schmuck auch als nicht-abstrakte Klasse mit der leeren Methode spezialAktion() realisiert werden.

 

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