7.4 Methoden überschreiben
Wir haben gesehen, dass eine Unterklasse durch Vererbung die sichtbaren Eigenschaften ihrer Oberklasse erbt. Die Unterklasse kann nun wiederum Methoden hinzufügen. Dabei zählen überladene Methoden – also Methoden, die den gleichen Namen wie eine andere Methode aus einer Oberklasse tragen, aber eine andere Parameteranzahl oder andere Parametertypen haben – zu ganz normalen, hinzugefügten Methoden.
7.4.1 Methoden in Unterklassen mit neuem Verhalten ausstatten
Die Methoden sind das Angebot eines Objekts und die Schnittstelle nach außen. In erster Linie ist das ein Was, aber kein Wie. Unterklassen müssen bedingungslos das Gleiche können wie ihre Oberklasse, allerdings kann das Wie abweichen. In so einem Fall kann die Unterklasse eine Methode der Oberklasse überschreiben. Implementiert die Unterklasse die Methode neu, so sagt sie auf diese Weise: »Ich kann’s besser.« Die überschreibende Methode der Unterklasse kann demnach den Programmcode spezialisieren und Eigenschaften nutzen, die in der Oberklasse nicht bekannt sind. Die überschriebene Methode der Oberklasse ist dann erst einmal aus dem Rennen, und ein Methodenaufruf auf einem Objekt der Unterklasse würde sich in der überschriebenen Methode verfangen.
Damit eine Methode eine andere Methode überschreibt, muss die Unterklasse eine Methode mit dem gleichen Methodennamen und der exakt gleichen Parameterliste (also der gleichen Signatur) besitzen. Der Name der Parametervariablen ist irrelevant. Ist der Rückgabetyp void oder ein primitiver Typ, so muss er in der überschreibenden Methode der gleiche sein. Bei Referenztypen kann der Rückgabetyp etwas variieren, doch das werden wir in Abschnitt 7.4.4, »Kovariante Rückgabetypen«, genauer sehen.
[»] Hinweis
Wir sprechen nur von überschriebenen Methoden und nicht von überschriebenen Attributen, da Attribute nicht überschrieben, sondern nur überdeckt[ 164 ](Die JLS unterscheidet genau genommen »shadowing« und »hiding«. Interessierte Leser mögen das unter https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se14/html/jls-6.html#jls-6.4 nachlesen. ) werden. Attribute werden auch nicht dynamisch gebunden – eine Eigenschaft, die später in Abschnitt 7.5.5, »Eine letzte Spielerei mit Javas dynamischer Bindung und überdeckten Attributen *«, genauer erklärt wird.
Überschreiben von toString()
Aus der absoluten Basisklasse java.lang.Object bekommen alle Unterklassen eine Methode toString() vererbt, die, meist zu Debug-Zwecken, eine Objektkennung ausgibt:
public String toString() {
return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}
Die Methode liefert den Namen der Klasse, gefolgt von einem "@" und einer hexadezimalen Kennung. Die Klasse GameObject ohne eigenes toString() soll die Wirkung testen:
public class GameObject {
public String name;
}
Auf einem GameObject-Objekt liefert toString() eine etwas kryptische Kennung:
GameObject go = new GameObject();
System.out.println( go.toString() ); // com.tutego.insel.game.ve.GameObject@e48e1b
Es ist also eine gute Idee, toString() in den Unterklassen zu überschreiben. Eine String-Kennung sollte den Namen der Klasse und die Zustände eines Objekts beinhalten. Für einen Raum, der einen (geerbten) Namen und eine eigene Größe hat, kann dies wie folgt aussehen:
public class Room extends GameObject {
public int size;
@Override public String toString() {
return String.format( "%s[name=%s, size=%d]",
getClass().getSimpleName(), name, size ); }
}
Und der Test sieht so aus:
Room winterfield = new Room();
winterfield.name = "Winterfield";
winterfield.size = 2040000;
System.out.println( winterfield ); // Room[name=Winterfield, size=2040000]
Zur Erinnerung: Ein println(Object) auf einem beliebigen Objekt ruft die toString()-Methode von diesem Objekt auf.
[»] Exkurs zur Annotation
Wir haben schon oft mit unterschiedlichen Modifizierern gearbeitet, etwa static oder public. Das Besondere an diesen Modifizierern ist, dass sie die Programmsteuerung nicht beeinflussen, aber dennoch wichtige Zusatzinformationen darstellen, also Semantik einbringen. Diese Informationen nennen sich Metadaten. Die Modifizierer static, public sind Metadaten für den Compiler, doch mit etwas Fantasie lassen sich auch Metadaten vorstellen, die nicht vom Compiler, sondern von einer Java-Bibliothek ausgewertet werden. So wie public zum Beispiel dem Compiler sagt, dass ein Element für jeden sichtbar ist, kann auf der anderen Seite auch zum Beispiel ein besonderes Metadatum an einem Element hängen, um auszudrücken, dass es nur bestimmte Wertebereiche annehmen kann.
Java bietet eine eingebaute Fähigkeit für Metadaten: Annotationen. Die Annotationen lassen sich wie benutzerdefinierte Modifizierer erklären. Wir können zwar keine neue Sichtbarkeit erfinden, aber dennoch dem Compiler, bestimmten Werkzeugen oder der Laufzeitumgebung durch die Annotationen Zusatzinformationen geben. Dazu ein paar Beispiele für Annotationen und Anwendungsfälle:
Annotation | Erklärung |
---|---|
@WebService class Calculator { | Definiert einen Webservice mit einer Webservice-Methode. |
@Override public String toString() ... | Überschreibt eine Methode der Oberklasse. |
@XmlRoot class Person { ... | Ermöglicht die Abbildung eines Objekts auf eine XML-Datei. |
Annotationen werden wie zusätzliche Modifizierer gebraucht, doch unterscheiden sie sich durch ein vorangestelltes @-Zeichen (das @-Zeichen, at, ist auch eine gute Abkürzung für Annotation Type). Daher ist auch die Reihenfolge egal, sodass man zum Beispiel
@Override public String toString() oder
public @Override String toString()
schreiben kann. Es ist aber üblich, die Annotationen an den Anfang zu setzen. Und wenn Annotationen an Typen gesetzt werden, bekommen sie in der Regel eine eigene Zeile.
Die Annotationstypen sind die Deklarationen, wie etwa ein Klassentyp. Werden sie an ein Element gehängt, ist es eine konkrete Annotation. Während also Override selbst der Annotationstyp ist, ist @Override vor toString() die konkrete Annotation.
Die Annotation @Override
Unsere Beispielklasse Room nutzt die Annotation @Override an der Methode toString() und macht auf diese Weise deutlich, dass die Klasse eine Methode des Obertyps überschreibt. Die Annotation @Override bedeutet nicht, dass diese Methode in Unterklassen überschrieben werden muss, sondern nur, dass sie selbst eine Methode überschreibt. Annotationen sind zusätzliche Modifizierer, die entweder vom Compiler überprüft werden oder von uns nachträglich abgefragt werden können. Obwohl wir die Annotation @Override nicht nutzen müssen, hat dies zwei Vorteile:
Zwar weiß die Laufzeitumgebung, dass eine Methode überschrieben wird, allerdings sollte Code dem Leser auch alle Informationen darüber geben, was passiert. Wird eine Methode überschrieben, ist das etwas Bedeutsames, das im Code dokumentiert werden sollte.
Außerdem überprüft der Compiler, ob wir tatsächlich eine Methode aus der Oberklasse überschreiben. Haben wir uns zum Beispiel im Methodennamen verschrieben und somit der Unterklasse unbeabsichtigt eine neue Methode hinzugefügt, so würde das der Compiler aufgrund seiner Kenntnis von @Override als Fehler melden. Einfache Schreibfehler wie tostring() fallen schnell auf. Überladene Methoden und überschriebene Methoden sind etwas anderes, da eine überladene Methode mit der Ursprungsmethode nur »zufällig« den Namen teilt, aber sonst keinen Bezug zur Logik hat. Und so hilft @Override, dass Entwickler wirklich Methoden überschreiben und nicht aus Versehen Methoden mit falschen Parametern überladen.
Finale Parameter in der Vererbung *
Wird eine Methode überschrieben, dann sind die Typen der Parameterliste bestimmend, nicht die Namen. Auch spielt es keine Rolle, ob die Parametervariablen final sind oder nicht. Wir können es als zusätzliche Information für die jeweilige Methode betrachten. Eine Unterklasse kann demnach beliebig das final hinzufügen oder auch wegnehmen. Alte Bibliotheken lassen sich so leicht weiterverwenden.
7.4.2 Mit super an die Eltern
Wenn wir eine Methode überschreiben, dann entscheiden wir uns für eine gänzlich neue Implementierung. Was ist aber, wenn die Funktionalität im Großen und Ganzen gut war und nur eine Kleinigkeit fehlte? Im Fall der überschriebenen toString()-Methode realisiert die Unterklasse eine völlig neue Implementierung und bezieht sich dabei nicht auf die Logik der Oberklasse.
Möchte eine Unterklasse sagen: »Was meine Eltern können, ist doch gar nicht so schlecht«, kann mit der speziellen Referenz super auf die Eigenschaften im Namensraum der Oberklasse zugegriffen werden. (Natürlich ist das Objekt hinter super und this das gleiche, nur der Namensraum ist ein anderer.) Auf diese Weise können Unterklassen immer noch etwas Eigenes machen, aber die Realisierung aus der Elternklasse ist weiterhin verfügbar.
In unserem Spiel hatte GameObject kein toString(). Ändern wir dies:
public class GameObject {
public String name;
@Override public String toString() {
return String.format( "%s[name=%s]", getClass().getSimpleName(), name );
}
}
Die Unterklasse Room erweitert GameObject und sollte toString() neu realisieren, da ein Raum ein zusätzliches Attribut hat, nämlich die Größe. Wird toString() allerdings in Room überschrieben, muss sich toString() auch um die geerbten Eigenschaften kümmern, sprich: um den Namen. Das ist ungünstig, denn kommt etwa in der Oberklasse GameObject ein Attribut hinzu, müssen alle toString()-Methoden von allen Unterklassen geändert werden, wenn die Unterklassen alle Attributbelegungen mit in die String-Kennung einbinden möchte.
Eine Lösung für das Problem ist, in toString() einer Unterklasse wie Room einfach auf die toString()-Methode der Oberklasse GameObject zuzugreifen und dann das zusätzliche Attribut mit aufzunehmen.
public class Room extends GameObject {
public int size;
@Override public String toString() {
return super.toString() + "[size=" + size+ "]";
}
}
Stünde statt super.toString() nur toString() im Rumpf, würde der Methodenaufruf in die Endlosrekursion führen. Daher funktioniert es ohne super-Referenz nicht.
Room enterprise = new Room();
enterprise.name = "Enterprise";
enterprise.size = 725;
System.out.println( enterprise ); // Room[name=Enterprise][size=725]
Eigenschaften der super-Referenz *
Nicht nur in überschriebenen Methoden kann die super-Referenz sinnvoll eingesetzt werden: Sie ist auch interessant, wenn Methoden der Oberklasse aufgerufen werden sollen und nicht eigene überschriebene. So macht das folgende Beispiel klar, dass auf jeden Fall toString() der Oberklasse Object aufgerufen werden soll und nicht die eigene überschriebene Variante:
public class ToStringFromSuper {
public ToStringFromSuper() {
System.out.println( super.toString() ); // Aufruf von Object toString()
}
@Override
public String toString() {
return "Nein";
}
public static void main( String[] args ) {
new ToStringFromSuper(); // ToStringFromSuper@3e25a5
}
}
Natürlich kann super nur dann eingesetzt werden, wenn in der Oberklasse die Methode eine gültige Sichtbarkeit hat. Es ist also nicht möglich, mit diesem Konstrukt das Geheimnisprinzip zu durchbrechen.
Eine Aneinanderreihung von super-Schlüsselwörtern bei einer tieferen Vererbungshierarchie ist nicht möglich. Hinter einem super muss eine Objekteigenschaft stehen; sie gilt also für eine überschriebene Methode oder ein überdecktes Attribut. Anweisungen wie super. super.lol() sind somit immer ungültig. Eine Unterklasse empfängt alle Eigenschaften ihrer Oberklassen als Einheit und unterscheidet nicht, aus welcher Hierarchie etwas kommt.
7.4.3 Finale Klassen und finale Methoden
Soll eine Klasse keine Unterklassen bilden, werden Klassen mit dem Modifizierer final versehen. Dadurch lässt sich vermeiden, dass Unterklassen Eigenschaften nachträglich verändern können. Ein Versuch, von einer finalen Klasse zu erben, führt zu einem Compilerfehler. Dies schränkt zwar die objektorientierte Wiederverwendung ein, wird aber aufgrund von Sicherheitsaspekten in Kauf genommen. Eine Passwortüberprüfung soll zum Beispiel nicht einfach überschrieben werden können.
In der Java-Bibliothek gibt es eine Reihe finaler Klassen, von denen wir einige bereits kennen:
String, StringBuilder
Integer, Double … (Wrapper-Klassen)
Math
System, Locale
Color
[+] Tipp
Eine protected-Eigenschaft in einer als final deklarierten Klasse ergibt wenig Sinn, da ja keine Unterklasse möglich ist, die diese Methode oder Variable nutzen kann. Daher sollte die Eigenschaft dann paketsichtbar sein (protected enthält ja »paketsichtbar«) oder gleich private oder public.
Nicht überschreibbare (finale) Methoden
In der Vererbungshierarchie möchte ein Designer in manchen Fällen verhindern, dass Unterklassen eine Methode überschreiben und mit neuer Logik implementieren. Das verhindert der zusätzliche Modifizierer final an der Methodendeklaration. Da Methodenaufrufe immer dynamisch gebunden werden, könnte ein Aufrufer unbeabsichtigt in der Unterklasse landen, was finale Methoden vermeiden.
Dazu ein Beispiel: Das GameObject speichert einen Namen intern im protected-Attribut name und erlaubt Zugriff nur über einen Setter/Getter. Die Methode setName(String) testet, ob der Name ungleich null ist und mindestens ein Zeichen enthält. Diese Methode soll final sein, denn eine Unterklasse könnte diese Zugriffsbeschränkungen leicht aushebeln und selbst mit einer überschriebenen setName(String)-Methode die protected-Variable name beschreiben, auf die jede Unterklasse Zugriff hat:
public class GameObject {
protected String name;
public String getName() {
return name;
}
public final void setName( String name ) {
if ( name != null && ! name.isEmpty() )
this.name = name;
}
}
Bei dem Versuch, in einer Unterklasse die Methode zu überschreiben, meldet der Compiler einen Fehler:
public class Player extends GameObject {
@Override
public void setName( String name ) {
// ^ Cannot override the final method from GameObject
this.name = name;
}
}
Wir belassen es in dem Beispiel bei einer protected-Variablen, denn Unterklassen möchten vielleicht die Variable verändern, aber eben nicht über setName(String). Die Unterklassen können zum Beispiel die Variable name auf den Leer-String "" zurücksetzen, was ein Aufruf über setName(String) nicht vermag.
[»] Hinweis
Auch private Methoden können final sein, aber private Methoden lassen sich ohnehin nicht überschreiben (sie werden überdeckt), sodass final überflüssig ist.
7.4.4 Kovariante Rückgabetypen
Überschreibt eine Methode mit einem Referenztyp als Rückgabe eine andere, so kann die überschreibende Methode einen Untertyp des Rückgabetyps der überschriebenen Methode als Rückgabetyp besitzen. Das nennt sich kovarianter Rückgabetyp und ist sehr praktisch, da sich auf diese Weise Entwickler oft explizite Typumwandlung sparen können.
Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Die Klasse Loudspeaker deklariert eine Methode getThis(), die lediglich die this-Referenz zurückgibt. Eine Unterklasse überschreibt die Methode und liefert den spezielleren Untertyp:
class Loudspeaker {
Loudspeaker getThis() {
return this;
}
}
class BigBassLoudspeaker extends Loudspeaker {
@Override BigBassLoudspeaker getThis() { // statt "Loudspeaker getThis()"
return this;
}
}
Die Unterklasse BigBassLoudspeaker überschreibt die Methode getThis(), auch wenn der Rückgabetyp nicht Loudspeaker, sondern BigBassLoudspeaker heißt (siehe Abbildung 7.10).
Der Rückgabetyp muss auch nicht zwingend der Typ der eigenen Klasse sein. Gäbe es zum Beispiel mit Plasmatweeter eine zweite Unterklasse von Loudspeaker, so könnte getThis() von BigBassLoudspeaker auch den Rückgabetyp Plasmatweeter deklarieren. Hauptsache, der Rückgabetyp der überschreibenden Methode ist eine Unterklasse des Rückgabetyps der überschriebenen Methode der Basisklasse.
[»] Hinweis
Merkwürdig ist in diesem Zusammenhang, dass es in Java schon immer veränderte Zugriffsrechte gegeben hat. Eine Unterklasse kann die Sichtbarkeit erweitern. Auch bei Ausnahmen kann eine Unterklasse speziellere Ausnahmen bzw. ganz andere Ausnahmen als die Methode der Oberklasse erzeugen.
7.4.5 Array-Typen und Kovarianz *
Die Aussage »Wer wenig will, kann viel bekommen« gilt auch für Arrays, denn wenn eine Klasse U eine Unterklasse einer Klasse O ist, ist auch U[] ein Untertyp von O[]. Diese Eigenschaft nennt sich Kovarianz. Da Object die Basisklasse aller Objekte ist, kann ein Object-Array auch alle anderen Objekte aufnehmen.
Bauen wir uns eine statische Methode set(…), die einfach ein Element an die erste Stelle ins Array setzt:
public static void set( Object[] array, Object element ) {
array[ 0 ] = element;
}
Die Kovarianz ist beim Lesen von Eigenschaften nicht problematisch, beim Schreiben jedoch potenziell gefährlich. Schauen wir, was mit unterschiedlichen Array- und Elementtypen passiert:
Object[] objectArray = new Object[ 1 ];
String[] stringArray = new String[ 1 ];
System.out.println( "It's time for change" instanceof Object ); // true
set( stringArray, "It's time for change" );
set( objectArray, "It's time for change" );
set( stringArray, new StringBuilder("It's time for change") ); //
Der String lässt sich in einem String-Array abspeichern. Der zweite Aufruf funktioniert ebenfalls, denn ein String lässt sich auch in einem Object-Array speichern, da ein Object ja ein Basistyp ist. Vor einem Dilemma stehen wir dann, wenn das Array eine Referenz speichern soll, die nicht typkompatibel ist. Das zeigt der dritte set(…)-Aufruf: Zur Compilezeit ist alles noch in Ordnung, aber zur Laufzeit kommt es zu einer ArrayStoreException:
Exception in thread "main" java.lang.ArrayStoreException: java.lang.StringBuilder
at com.tutego.insel.oop.ArrayCovariance.set(ArrayCovariance.java:5)
at com.tutego.insel.oop.ArrayCovariance.main(ArrayCovariance.java:17)
Das haben wir aber auch verdient, denn ein StringBuilder-Objekt lässt sich nicht in einem String-Array speichern. Selbst ein new Object() hätte zu einem Problem geführt.
Das Typsystem von Java kann diese Spitzfindigkeit nicht zur Übersetzungszeit prüfen. Erst zur Laufzeit ist ein Test mit dem bitteren Ergebnis einer ArrayStoreException möglich. Bei Generics ist dies etwas anders, denn hier sind vergleichbare Konstrukte bei Vererbungsbeziehungen verboten.