Core Java. Лекция 3

Классы. Интерфейсы. Класс Object и его стандартные методы

ponomarev@corchestra.ru

@inponomarev

Иван Пономарёв, КУРС/МФТИ

Всё есть класс

Любой код — метод некоторого класса
Любые данные хранятся в полях некоторого класса
Любые типы данных (исключая примитивные, но включая массивы) — наследники класса Object

Классы помещаются в пакеты

edu.phystech.foo
edu.phystech.foo.bar
Каждый .java-файл начинается с объявления пакета:
package edu.phystech.hello;
В корне пакета может быть package-info.java, не содержащий классы, а только JavaDoc над ключевым словом package.
<Имя пакета>.<имя класса> задаёт полный идентификатор любого класса, доступного в исходном коде или через библиотеки (например, edu.phystech.hello.App)
Вложенные пакеты — это разные пакеты с точки зрения Java (package-private классы одного пакета не будут видны в другом)

Структура класса: переменные, конструкторы и методы

class ClassName
{
   field1
   field2
   . . .
   constructor1
   constructor2
   . . .
   method1
   method2
   . . .
}

Определяем класс

package org.megacompany.staff;
class Employee {
  // instance fields
  private String name;
  private double salary;
  private LocalDate hireDay;
  // constructor
  public Employee(String n, double s, int year, int month, int day) {
    name = n;
    salary = s;
    hireDay = LocalDate.of(year, month, day);
  }
  // a method
  public String getName() {
    return name;
  }
  // more methods
  . . .
}

Создаём и используем экземпляры класса

//При необходимости, импортируем
import org.megacompany.staff.Employee;

//где-то в теле метода
. . .
Employee hacker = new Employee("Harry Hacker", 50000, 1989, 10, 1);
Employee tester = new Employee("Tommy Tester", 40000, 1990, 3, 15);

hacker.getName(); //returns "Harry Hacker"

Про инициализацию полей

В отличие от локальных переменных, поля можно не инициализировать явно.
В этом случае примитивные типы получают значение по умолчанию (0, false), а поля со ссылками — значение null.
Проинициализировать поле по месту его определения не возбраняется:
int a = 42 или даже int a = getValue().

Поле this

{ ...

  int value;

  setValue(int value) {
    //поле перекрыто аргументом
    this.value = value;
  }

  registerMe(Registrator r) {
    //нужна ссылка на себя
    r.register(this);
  }
}

Объект передаётся по ссылке!

public class Employee {
    int age = 18;

    public static void main(String[] args) {
        Employee e = new Employee();
        int a = 1;
        foo(e, a);
        System.out.printf("%d - %d", e.age, a);
        //prints 42 - 1
    }

    static void foo(Employee e, int a) {
        //e passed by reference, a passed by value
        e.age = 42;
        a = 5;
    }
}

Рождение, жизнь и смерть объекта

new Employee("Bob")

Присвоение ссылки

Employee hacker = new Employee("Bob");

Присвоение ссылки

Employee junior = hacker;

Потеря ссылки

hacker = null;
junior = new Employee("Charlie");

Сборка мусора

Области видимости

Область видимости

Кому доступно

private

только классу

package-private

только пакету (по умолчанию)

protected

классу, пакету, и классам-наследникам

public

всем

Файлы с исходным кодом и классы

В одном .java файле может быть один публичный класс, названный так же, как и .java-файл (public class Foo в файле Foo.java).
Может быть сколько угодно package-private-классов, но это скорее плохая практика.

Наследование

public class Manager extends Employee {
  private double bonus;
  . . .
  public void setBonus(double bonus) {
    this.bonus = bonus;
  }
}

Наследование

// construct a Manager object
Manager boss = new Manager("Carl Cracker", 80000, 1987, 12, 15);
boss.setBonus(5000);
Employee[] staff = new Employee[3];
staff[0] = boss;
staff[1] = new Employee("Harry Hacker", 50000, 1989, 10, 1);
staff[2] = new Employee("Tommy Tester", 40000, 1990, 3, 15);

for (Employee e : staff)
  System.out.println("name=" + e.getName() + ",salary=" + e.getSalary());

Наследование: единственный родительский класс

Тип ссылки и тип объекта

  Executive ex = new Executive (...);
  //для ex доступны члены, объявленные в Manager, Employee и Executive
  Manager m = ex;
  //для m доступны члены, объявленные в Employee и Manager
  Employee e = m;
  //для e доступны члены, объявленные только в Employee

Переопределение (overriding) методов

class Employee {
  private int salary;
  public int getSalary() {
    return salary;
  }
  public int getTotalPayout(){
    return getSalary();
  }
}

class Manager extends Employee {
  private int bonus;
  @Override //не обязательная, но крайне желательная штука
  public int getTotalPayout() {
    return getSalary() + bonus;
  }
}

Использование `super`

class Manager extends Employee {
  private int bonus;
  @Override
  public int getTotalPayout() {
    return super.getTotalPayout() + bonus;
  }
}

В отличие от this, super не указывает ни на какой объект (и его нельзя никуда передать). Это лишь указание компилитору вызвать метод суперкласса.

Ковариантность возвращаемых типов

Возвращаемый тип может быть того же типа или субтипа
Типы аргументов обязаны совпадать

`final`-классы и методы

Ключевое слово final:
- на уровне класса запрещает наследование класса
- на уровне метода запрещает наследование метода
Зачем это нужно?
- Паттерн "Шаблонный метод"
- J. Bloch: 'Design and document for inheritance, or else prohibit it'

`sealed`-типы (Java 15+)

Наследоваться можно, но только тем, кому разрешено:

public sealed class Pet
        permits
        //никакие другие не могут наследоваться от него
        Cat, Dog, Fish {
}

public final Cat {...}

public sealed Dog permits Hound, Terrier, Toy {...}

public non-sealed Fish {...}

Важный пример: `sealed`-интерфейсы и record-ы

Пока не знаем ни что такое interface, ни что такое record, но просто запомним:

public sealed interface Expr
        permits Add, Subtract, Multiply, Divide, Literal {}

//implicitly final!
public record Add(Expr left, Expr right) implements Expr {}
public record Subtract(Expr left, Expr right) implements Expr {}
public record Multiply(Expr left, Expr right) implements Expr {}
public record Divide(Expr left, Expr right) implements Expr {}
public record Literal(int value) implements Expr {}

Перегрузка (overloading) методов

Сигнатура метода определяется его названием и типами аргументов:

//org.junit.jupiter.api.Assertions
void assertEquals(short expected, short actual)
void assertEquals(short expected, short actual, String message)
void assertEquals(short expected, short actual, Supplier<String> messageSupplier)
void assertEquals(byte expected, byte actual)
void assertEquals(byte expected, byte actual, String message)
void assertEquals(byte expected, byte actual, Supplier<String> messageSupplier)
void assertEquals(int expected, int actual)
void assertEquals(int expected, int actual, String message)
void assertEquals(int expected, int actual, Supplier<String> messageSupplier)
. . .

Статические поля и методы

Данные, общие для всех экземпляров класса:

class Employee {
  /*WARNING: данный пример
  не работает при многопоточном исполнении*/
  private static int nextId = 1;
  private int id;
  . . .
  public void setId() {
    id = nextId;
    nextId++;
  }
}

Статические константы

Выделяем память один раз

public class Math {
   . . .
   public static final double PI = 3.14159265358979323846;
   . . .
}


. . .

Math.PI // возвращает 3.14...

Статические методы

Статическим методам доступны только статические переменные и вызовы других статических методов

class Employee {

  private static int nextId = 1;
  private int id;
  . . .
  public static int getNextId() {
    return nextId; // returns static field
  }
}

. . .
Employee.nextId() //имя класса вместо объекта

psvm

Теперь мы понимаем: метод main доступен всем и не требует инстанцирования объекта:

public class App {
  public static void main(String... args) {
     System.out.println("Hello, world!");
  }
}

Конструктор

public class Person {
    //public-конструктор без аргументов
    public Person() {
       ....
    }

    //package-private конструктор с аргументом
    Person(String  name) {
        ....
    }
}

Конструкторы

Конструктор обязан быть.
Если мы 1) явно не написали конструктор, 2) родительский класс имеет конструктор без аргументов — то неявным образом у класса появляется публичный конструктор без аргументов по умолчанию.
Если мы явно написали хотя бы один конструктор, конструктор по умолчанию исчезает.
Если в родительском классе нет конструктора без аргументов, конструктор по умолчанию не создаётся.
Конструктор не обязан быть публичным.

Переопределение конструкторов при наследовании классов

Если у суперкласса нет конструктора без аргументов, первым вызовом должен быть super(…).

public class Person {
    Person(String  name){
        ...
    }
}

class Employee extends Person{
    Employee(String name) {
        super(name);
        ...
    }
}

Перегрузка конструкторов

Вызов this(…)

public class Person {
    Person(String  name){
        ...
    }

    Person(){
        this("unknown");
    }
}

Секции инициализации

class Employee {
  private static int nextId;
  private int id;

  // static initialization block
  static {
    nextId = ThreadLocalRandom.current().nextInt(10000);
  }

  // object initialization block
  {
    id = nextId;
    nextId++;
  }
}

А как же деструктор?

А его нет!
Даже не пытайтесь переопределять finalize
Почему метод finalize оказался плохой идеей

Абстрактные классы и методы

public abstract class Person
{
  public Person(String name) {
    this.name = name;
  }
  public String getName() {
    return name;
  }
  public abstract String getDescription();
}

Реализация абстрактного класса

public class Student extends Person
{
  private String major;
  public Student(String name, String major) {
    super(name);
    this.major = major;
  }
  @Override
  public String getDescription() {
    return "a student majoring in " + major;
  }
}

Правила

Класс, в котором хотя бы один из методов не реализован, должен быть помечен как abstract
Нереализованные методы в классе возникают двумя способами:
- явно объявлены как abstract
- унаследованы из абстрактных классов или интерфейсов и не переопределены.
Абстрактные классы нельзя инстанцировать через new.
- new Person("John Doe"); — ошибка компиляции: 'Person is abstract, cannot be instantiated'.

Интерфейсы

//его нельзя инстацировать!
public interface Prism
{
   //это --- final-переменная!
   double PI = 3.14;

   //это --- публичные абстрактные методы!
   double getArea();
   double getHeight();

   //этот метод может вызывать другие и читать final-поля
   default double getVolume() {
      return getArea() * getHeight();
   }
}

Реализация интерфейса

public class Parallelepiped implements Prism {
    private double a;
    private double b;
    private double h;
    @Override
    public double getArea() {
        return a * b;
    }

    @Override
    public double getHeight() {
        return h;
    }
}

Если какой-то из методов интерфейса не будет переопределён, класс нужно пометить как abstract.

Чем интерфейсы отличаются от абстрактных классов?

Нет внутреннего состояния и конструкторов
Можно наследоваться (extends) только от одного класса, но реализовывать (implements) сколько угодно интерфейсов — множественное наследование.
Поэтому как абстракция, интерфейс предпочтительнее.

Оператор instanceof

C1 c1; C2 c2; C3 c3; I1 i1;

x instanceof A //  false, если x == null
c1 instanceof С2 // true или false
i1 instanceof C2 // true или false
c2 instanceof C1 // всегда возвращает true
с3 instanceof C2 // не скомпилируется

Приведение типов (до Java 14)

Person p = . . .;
if (p instanceof Student) {
    //если не защитить instanceof, возможен ClassCastException
    Student s = (Student) p;
    . . .
}

Pattern Matching for instanceof (Java 14+, JEP305)

Person p = . . .;
if (p instanceof Student s) {
   //здесь доступна переменная Student s
    . . .
} else {
   //здесь недоступна переменная Student s
}

//Скомпилируется
if (obj instanceof String s && s.length() > 5) {
   . . .
   s.contains(..)
}

//НЕ скомпилируется
if (obj instanceof String s || s.length() > 5) {...}

Все меньше избыточного кода

//Before Java 10
if (obj instanceof Number) {
  Number n = (Number) obj;
  System.out.println(n.longValue());
}

//Java 10+
if (obj instanceof Number) {
  var n = (Number) obj;
  System.out.println(n.longValue());
}

//Java 14+
if (obj instanceof Number n) {
  System.out.println(n.longValue());
}

Pattern matching for switch (JEP406, preview feature in Java 17)

public int calculate(Expr expr) {
  return switch (expr) {
    //Не скомпилируется, если мы забудем что-то из реализаций Expr!
    case Literal l -> l.value();
    case Divide d -> calculate(d.left()) / calculate(d.right());
    case Multiply m -> calculate(m.left()) * calculate(m.right());
    case Add a -> calculate(a.left()) + calculate(a.right());
    case Subtract s -> calculate(s.left()) - calculate(s.right());
  };
}

Вложенные классы

class Outer {
   int field = 42;
   class Inner {
      public void show() {
           //есть доступ к состоянию внешнего класса!
           System.out.println(field);
           //печатает 42
      }
   }
   void initInner(){
     //инициализация вложенного класса внутри
     new Inner();
   }
}

//инициализация вложенного класса извне
Outer.Inner in = new Outer().new Inner();

Вложенные классы

Каждый экземпляр Inner имеет неявную ссылку на Outer.

Вложенные классы

class Outer {
   int field = 42;
   class Inner {
      //поле вложенного класса перекрывает поле внешнего класса
      int field = 18;
      public void show() {
           System.out.println(field);
           //печатает 18
      }
   }
}

Вложенные классы

class Outer {
   int field = 42;
   class Inner {
      //поле вложенного класса перекрывает поле внешнего класса
      int field = 18;
      public void show() {
           System.out.println(Outer.this.field);
           //печатает 42!
      }
   }
}

Локальные вложенные классы

class Outer {
   void outerMethod() {
      //final (или effectively final) тут существенно
      final int x = 98;
      System.out.println("inside outerMethod");
      class Inner {
         void innerMethod() {
            System.out.println("x = " + x);
         }
      }
      Inner y = new Inner();
      y.innerMethod();
   }
}

Java 15: локальные record-ы, enum-ы и интерфейсы

class Outer {
   void outerMethod() {
      //они не захватывают внешнее состояние
      record Foo (int a, int b) {};
      enum Bar {A, B};
      interface Baz {};

      //NB:
      //static not allowed here!
      static class X {};
   }
}

Вложенные статические классы

По сути, ничем не отличаются от просто классов:

class Outer {
   private static void outerMethod() {
     System.out.println("inside outerMethod");
   }
   static class Inner {
     public static void main(String[] args) {
        System.out.println("inside inner class Method");
        outerMethod();
     }
   }
}
. . .
Outer.Inner x = new Outer.Inner();
// в отличие от не статического: new Outer().new Inner();

Анонимные классы

class Demo {
    void show() {
        System.out.println("superclass");
    }
}
class Flavor1Demo {
    public static void main(String[] args){
        Demo d = new Demo() {
            void show() {
                super.show();
                System.out.println("subclass");
            }
        };
        d.show();
    }
}

Использование анонимных классов

Чаще всего — как реализация абстрактных классов и интерфейсов «по месту»
Анонимный класс — вложенный класс, поэтому до появления лямбд и ссылок на методы это был единственный способ организовать коллбэк

. . .
button.onMouseClick(new EventListener(){
  void onClick(Event e) {
     //здесь у нас доступ ко всем внешним полям
     //и effectively final-переменным
  }
});

Object: the Cosmic Superclass

Любой класс в Java является наследником Object
Писать class Employee extends Object не надо
В этом классе определены важные методы
- equals и hashCode
- toString

`equals()` и `hashCode()`

boolean equals(Object other) возвращает true т. и т. т., когда внутреннее состояние совпадает
int hashCode() возвращает целое значение, которое обязано совпадать для объектов с одинаковым внутренним состоянием
Это нужно для хеш-таблиц (и, пожалуй, является протекшей абстракцией)

Формальный контракт `equals`

Рефлексивность:
\(\forall x \ne \mathrm{null} (x.equals(x))\)
Симметричность:
\(\forall x \ne \mathrm{null} \, \forall y \ne \mathrm{null} (x.equals(y) \iff y.equals(x))\)
Транзитивность:
\(\forall x \ne \mathrm{null} \, \forall y \ne \mathrm{null} \, \forall z \ne \mathrm{null} (x.equals(y) \& y.equals(z) \Rightarrow x.equals(z))\)
Консистентность: если сравниваемые объекты не изменялись, повторный вызов equals должен возвращать одно и то же значение.
\(\forall x \ne \mathrm{null} (x.equals(\mathrm{null}) = \mathrm{false})\)

Формальный контракт `hashCode`

Консистентность: если объект не изменялся, повторный вызов hashCode должен возвращать одно и то же значение (но не обязательно одно и то же между разными запусками приложения)
Связь с equals:
\(\forall x \forall y (x.equals(y) \Rightarrow x.hashCode() = y.hashCode())\)
Хотя
\(x.hashCode() = y.hashCode() \Rightarrow x.equals(y)\)
и не обязательно, но желательно для большинства случаев.

Выводы

Переопределять equals и hashCode нужно только вместе и согласованно, чтобы выполнить контракт \(x.equals(y) \Rightarrow x.hashCode() = y.hashCode()\)
Грамотно реализовать equals и hashCode трудно, но, к счастью, самостоятельно это делать не нужно.
Для тестирования есть специальная библиотка EqualsVerifier.
Для генерации equals и hashCode можно использовать возможности IDE или библиотеки Lombok.

Генерация `equals` и `hashCode`

Генерация `equals` и `hashCode`

public class Person {
    private String name;
    private int age;
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
       // никогда, НИКОГДА не пишите это сами
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        Person person = (Person) o;
        return age == person.age &&
                Objects.equals(name, person.name);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }
}

Или, если у нас Lombok

import lombok.EqualsAndHashCode;

@EqualsAndHashCode
public class Person {
    private  int age;
    private  String name;
}

Переопределение toString

public class Person {
    private String name;
    private int age;
    . . .
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}
. . .
Person person = . . .
System.out.println(person);

Или, если у нас Lombok

import lombok.ToString;

@ToString
public class Person {
    private  int age;
    private  String name;
}

Полный «обвес» класса

public class Point {
  private final int x;
  private final int y;

  /*Подождите! Нам нужны:
   * конструктор
   * getX() и getY()
   * equals и hashCode
   * toString
   * 40 строчек кода из ничего!
   */

  public double distance(Point other) {
    ...
  }
}

Или, если у нас Lombok

import lombok.Data;

@Data
public class Point {
  private final int x;
  private final int y;
  public double distance(Point other) {
    ...
  }
}

Или, если у нас Java 14+

record Point(int x, int y) {
  public double distance(Point other) {
    ...
  }
}

private final поля
конструктор
доступ через x() и y()
equals, hashCode и toString
невозможно наследование от класса и от рекорда, но возможна реализация интерфейсов

Core Java. Лекция 3

Классы. Интерфейсы. Класс Object и его стандартные методы

Всё есть класс

Классы помещаются в пакеты

Структура класса: переменные, конструкторы и методы

Определяем класс

Создаём и используем экземпляры класса

Про инициализацию полей

Поле this

Объект передаётся по ссылке!

Рождение, жизнь и смерть объекта

Присвоение ссылки

Присвоение ссылки

Потеря ссылки

Сборка мусора

Области видимости

Файлы с исходным кодом и классы

Наследование

Наследование

​Наследование: единственный родительский класс​

Тип ссылки и тип объекта

Переопределение (overriding) методов

Использование super

Ковариантность возвращаемых типов

final-классы и методы

sealed-типы (Java 15+)

Важный пример: sealed-интерфейсы и record-ы

Перегрузка (overloading) методов

Статические поля и методы

Статические константы

Статические методы

psvm

Конструктор

​Конструкторы​

Переопределение конструкторов при наследовании классов

Перегрузка конструкторов

Секции инициализации

А как же деструктор?

Абстрактные классы и методы

Реализация абстрактного класса

Правила

Интерфейсы

Реализация интерфейса

Чем интерфейсы отличаются от абстрактных классов?

Оператор instanceof

Приведение типов (до Java 14)

Pattern Matching for instanceof (Java 14+, JEP305)

Все меньше избыточного кода

Pattern matching for switch (JEP406, preview feature in Java 17)

Вложенные классы

Вложенные классы

Вложенные классы

Вложенные классы

Локальные вложенные классы

Java 15: локальные record-ы, enum-ы и интерфейсы

Вложенные статические классы

Анонимные классы

Использование анонимных классов

Object: the Cosmic Superclass

equals() и hashCode()

Формальный контракт equals

Формальный контракт hashCode

Выводы

Генерация equals и hashCode

Генерация equals и hashCode

Или, если у нас Lombok

Переопределение toString

Или, если у нас Lombok

Полный «обвес» класса

Или, если у нас Lombok

Или, если у нас Java 14+

Наследование: единственный родительский класс

Использование `super`

`final`-классы и методы

`sealed`-типы (Java 15+)

Важный пример: `sealed`-интерфейсы и record-ы

Конструкторы

`equals()` и `hashCode()`

Формальный контракт `equals`

Формальный контракт `hashCode`

Генерация `equals` и `hashCode`

Генерация `equals` и `hashCode`