7. diel - Dedičnosť a polymorfizmus v Kotlin

V minulej lekcii, Aréna s bojovníkmi v Kotlin , sme dokončili našu arénu, simulujúce zápas dvoch bojovníkov. Dnes si opäť rozšírime znalosti o objektovo orientovanom programovaní. V úvodnom tutoriále do OOP sme si hovorili, že OOP stojí na troch základných pilieroch: zapuzdrenie, dedičnosti a polymorfizmu. Zapuzdrenie a používanie modifikátora private nám je už dobre známe. Dnes sa pozrieme na zvyšné dva piliere.

Dedičnosť

Dedičnosť je jedna zo základných vlastností OOP a slúži k tvoreniu nových dátových štruktúr na základe starých. Vysvetlime si to na jednoduchom príklade:

Budeme programovať informačný systém. To je celkom reálny príklad, aby sme si však učenie spríjemnili, bude to informačný systém pre správu zvierat v ZOO Náš systém budú používať dva typy užívateľov: užívateľ a administrátor. Užívateľ je bežný ošetrovateľ zvierat, ktorý bude môcť upravovať informácie o zvieratách, napr. Ich váhy alebo rozpätie krídel. Administrátor bude môcť tiež upravovať údaje o zvieratách a navyše zvieratá pridávať a mazať z databázy. Z atribútov bude mať navyše telefónne číslo, aby ho bolo možné kontaktovať v prípade výpadku systému. Bolo by určite zbytočné a neprehľadné, keby sme si museli definovať obe triedy úplne celé, pretože mnoho vlastností týchto 2 objektov je spoločných. Užívateľ aj administrátor budú mať určite meno, vek a budú sa môcť prihlásiť a odhlásiť. Nadefinujeme si teda iba triedu Uzivatel (nepôjde o funkčné ukážku, dnes to bude len teória, programovať budeme nabudúce):

class Uzivatel {
    private val jmeno: String = ""
    private val heslo: String = ""
    private val vek: Int = 0

    fun prihlasit(heslo: String): Boolean {
        // ...
    }

    fun odhlasit(): Boolean {
        // ...
    }

    fun nastavVahu() {
        // ...
    }

    // ...
}

Triedu som len naznačil, ale iste si ju dokážeme dobre predstaviť. Bez znalosti dedičnosti by sme triedu Administrator definovali asi takto:

class Administrator {
    private val jmeno: String = ""
    private val heslo: String = ""
    private val vek: Int = 0
    private val telefonniCislo: String = ""

    fun prihlasit(heslo: String): Boolean {
        // ...
    }

    fun odhlasit(): Boolean {
        // ...
    }

    fun nastavVahu(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    fun pridejZvire(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    fun vymazZvire(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    // ...
}

Vidíme, že máme v triede veľa redundantného (duplikovaného) kódu. Akékoľvek zmeny musíme teraz vykonávať v oboch triedach, kód sa nám veľmi komplikuje. Teraz použijeme dedičnosť, najprv povieme Kotlinu, že trieda Uzivatel môže byť dedenie. Ďalej definujeme triedu Administrator tak, aby z triedy Uzivatel dedila. Atribúty a metódy užívateľa teda už nemusíme v administrátorovi znovu definovať, Kotlin nám ich do triedy sám dodá.

V Kotlinu sú triedy v predvolenom stave tzv. Zapečatené, nemožno z nich teda dediť. Ak prechádzate z Javy, môžeme situáciu prirovnať k tomu, ako by u tried bol napísaný modifikátor final.

Triedu Uzivatel tzv. Otvoríme a tým zabezpečíme, že z nej pôjde dediť. To vykonáme kľúčovým slovom open:

open class Uzivatel {
    // ... zbytek metod a atributů ...

Ďalej definujeme triedu Administrator tak, že bude dediť z triedy Uzivatel:

class Administrator: Uzivatel {
    private val telefonniCislo: String = "";

    fun pridejZvire(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    fun vymazZvire(zvire: Zvire) {
        // ...
    }

    // ...
}

Vidíme, že ku zdedenie sme použili operátor :. V anglickej literatúre nájdete dedičnosť pod slovom inheritance.

V príklade vyššie nebudú v potomkovi prístupné privátnej atribúty, ale iba atribúty a metódy s modifikátorom public. private atribúty a metódy sú chápané ako špeciálne logika konkrétnej triedy, ktorá je potomkovi utajená, aj keď ju vlastne používa, nemôže ju meniť. Aby sme dosiahli požadovaného výsledku, použijeme nový modifikátor prístupu protected, ktorý funguje rovnako, ako private, ale dovoľuje tieto atribúty alebo metódy dediť.

Začiatok triedy Uzivatel by teda vyzeral takto:

class Uzivatel {
    protected val jmeno: String = ""
    protected val heslo: String = ""
    protected val vek: Int = 0
    // ...

Keď si teraz vytvoríme inštanciu užívateľa a administrátora, obaja budú mať napr. Atribút jmeno a metódu prihlasit(). Kotlín triedu Uzivatel zdedí a doplní nám automaticky všetky jej atribúty.

Výhody dedenie sú jasné, nemusíme opisovať obom triedam tie isté atribúty, ale stačí dopísať len to, v čom sa líšia. Zvyšok sa zdedí. Prínos je obrovský, môžeme rozširovať existujúce komponenty o nové metódy a tým je znovu využívať. Nemusíme písať hŕbu redundantného (duplikovaného) kódu. A hlavne - keď zmeníme jediný atribút v materskej triede, automaticky sa táto zmena všade zdedí. Nedôjde teda k tomu, že by sme to museli meniť ručne u 20tich tried a niekde na to zabudli a spôsobili chybu. Sme ľudia a chybovať budeme vždy, musíme teda používať také programátorské postupy, aby sme mali možnosť chybovať čo najmenej.

O materskej triede sa niekedy hovorí ako o predkovi (tu Uzivatel) ao triede, ktorá z nej dedí, ako o potomkovi (tu Administrator). Potomok môže pridávať nové metódy alebo si prispôsobovať metódy z materskej triedy (viď ďalej). Môžete sa stretnúť aj s pojmami nadtřída a podtrieda.

Ďalšou možnosťou, ako objektový model navrhnúť, by bolo zaviesť materskú triedu Uzivatel, ktorá by slúžila len k dedenie. Z Uzivatel by potom totiž dedili Osetrovatel az neho Administrator. To by sa však oplatilo pri väčšom počte typov používateľov. V takomto prípade hovoríme o hierarchii tried, budeme sa tým zaoberať ku koncu tohto kurzu. Náš príklad bol jednoduchý a preto nám stačili iba 2 triedy. Existujú tzv. Návrhové vzory, ktoré obsahujú osvedčená schémy objektových štruktúr pre známe prípady použitia. Záujemcovia je nájdu popísané v sekcii Návrhové vzory, je to však už pokročilejšie problematika a tiež veľmi zaujímavá. V objektovom modelovania sa dedičnosť znázorňuje graficky ako prázdna šípka smerujúca k predkovi. V našom prípade by grafická notácie vyzerala takto:

Dátový typ pri dedičnosti

Obrovskou výhodou dedičnosti je, že keď si vytvoríme premennú s dátovým typom materskej triedy, môžeme do nej bez problémov ukladať aj jej potomkov. Je to dané tým, že potomok obsahuje všetko, čo obsahuje materská trieda, spĺňa teda "požiadavky" (presnejšie obsahuje rozhranie) dátového typu. A k tomu má oproti materskej triede niečo navyše. Môžeme si teda vytvoriť pole typu Uzivatel a v ňom mať ako užívateľa, tak administrátorov. S premennou to teda funguje takto:

val u = Uzivatel("Jan Novák", 33);
val a = Administrator("Josef Nový", 25);
// Nyní do uživatele uložíme administrátora:
u = a
// Vše je v pořádku, protože uživatel je předek
// Zkusíme to opačně a dostaneme chybu:
a = u

V Kotlinu je veľa konštrukcií, ako operovať s typmi inštanciou pri dedičnosti. Podrobne sa na ne pozrieme počas kurzu, teraz si ukážme len to, ako môžeme overiť typ inštancie v premennej:

val u = Administrator("Josef Nový", 25)
if (u is Administrator) {
    println("Je to administrátor")
} else {
    println("Je to uživatel")
}

Pomocou operátora is sa môžeme spýtať, či je objekt daného typu. Kód vyššie otestuje, či je v premennej u užívateľ alebo jeho potomok administrátor.

Jazyky, ktoré dedičnosť podporujú, buď vie dedičnosť jednoduchú, kde trieda dedí len z jednej triedy, alebo viacnásobnú, kde trieda dedí hneď z niekoľkých tried naraz. Viacnásobná dedičnosť sa v praxi príliš neosvedčila, časom si povieme prečo a ukážeme si aj ako ju obísť. Kotlín podporuje len jednoduchú dedičnosť, s viacnásobnou dedičnosťou sa môžete stretnúť napr. V C ++.

Polymorfizmus

Nenechajte sa vystrašiť príšerným názvom tejto techniky, pretože je v jadre veľmi jednoduchá. Polymorfizmus umožňuje používať jednotné rozhranie pre prácu s rôznymi typmi objektov. Majme napríklad veľa objektov, ktoré reprezentujú nejaké geometrické útvary (kruh, štvorec, trojuholník). Bolo by určite prínosné a prehľadné, keby sme s nimi mohli komunikovať jednotne, hoci sa líšia. Môžeme zaviesť triedu GeometrickyUtvar, ktorá by obsahovala atribút barva a metódu vykresli(). Všetky geometrické tvary by potom dedili z tejto triedy jej interface (rozhranie). Objekty kruh a štvorec sa ale iste vykresľujú inak. Polymorfizmus nám umožňuje prepísať si metódu vykresli() pri každej podtriedy tak, aby robila, čo chceme. Rozhranie tak zostane zachované a my nebudeme musieť premýšľať, ako sa to u onoho objekte volá.

Polymorfizmus býva často vysvetľovaný na obrázku so zvieratami, ktoré majú všetky v rozhraní metódu speak(), ale každé si ju vykonáva po svojom.

Podstatou polymorfizmu je teda metóda alebo metódy, ktoré majú všetci potomkovia definované s rovnakou hlavičkou, ale iným telom. Polymorfizmus si spolu s dedičnosťou vyskúšame v nasledujúcej lekcii, Aréna s mágom - Dedičnosť a polymorfizmus v Kotlin , na bojovníkoch v našej aréne. Pridáme mága, ktorý si bude metódu utoc() vykonávať po svojom pomocou many, ale inak zdedí správanie a atribúty bojovníka. Zvonku teda vôbec nespoznáme, že to nie je bojovník, pretože bude mať rovnaké rozhranie. Bude to zábava