3.4    Neue Objekte erzeugen 

Eine Klasse beschreibt also, wie ein Objekt aussehen soll. In einer Mengen- bzw. Elementbeziehung ausgedrückt, entsprechen Objekte den Elementen und Klassen den Mengen, in denen die Objekte als Elemente enthalten sind. Diese Objekte haben Eigenschaften, die sich nutzen lassen. Wenn ein Punkt Koordinaten repräsentiert, wird es Möglichkeiten geben, diese Zustände zu erfragen und zu ändern.

Im Folgenden wollen wir untersuchen, wie sich von der Klasse Point zur Laufzeit Exemplare erzeugen lassen und wie der Zugriff auf die Eigenschaften der Point-Objekte aussieht.

 

3.4.1    Ein Exemplar einer Klasse mit dem Schlüsselwort new anlegen 

Objekte müssen in Java immer ausdrücklich erzeugt werden. Dazu definiert die Sprache das Schlüsselwort new.

new java.awt.Point();

Im Grunde ist new so etwas wie ein unärer Operator. Hinter dem Schlüsselwort new folgt der Name der Klasse, von der ein Exemplar erzeugt werden soll. Der Klassenname ist hier voll qualifiziert angegeben, da sich Point in einem Paket java.awt befindet. (Ein Paket ist eine Gruppe zusammengehöriger Klassen; wir werden in Abschnitt 3.6.3, »Volle Qualifizierung und import-Deklaration«, sehen, dass Entwickler diese Schreibweise auch abkürzen können.) Hinter dem Klassennamen folgt ein Paar runder Klammern für den Konstruktoraufruf. Dieser ist eine Art Methodenaufruf, über den sich Werte für die Initialisierung des frischen Objekts übergeben lassen.

Konnte die Speicherverwaltung von Java für das anzulegende Objekt freien Speicher reservieren und konnte der Konstruktor gültig durchlaufen werden, gibt der new-Ausdruck anschließend eine Referenz auf das frische Objekt an das Programm zurück. Merken wir uns diese Referenz nicht, kann die automatische Speicherbereinigung das Objekt wieder freigeben.

 

3.4.2    Deklarieren von Referenzvariablen 

Das Ergebnis eines new ist eine Referenz auf das neue Objekt. Die Referenz wird in der Regel in einer Referenzvariablen zwischengespeichert, um fortlaufende Eigenschaften vom Objekt nutzen zu können.

java.awt.Point p;

p = new java.awt.Point();

Die Deklaration und die Initialisierung einer Referenzvariablen lassen sich kombinieren (auch eine lokale Referenzvariable ist wie eine lokale Variable primitiven Typs zu Beginn uninitialisiert):

java.awt.Point p = new java.awt.Point();

Die Typen müssen natürlich kompatibel sein, und ein Punkt-Objekt geht nicht als String durch. Der Versuch, ein Punkt-Objekt einer int- oder String-Variablen zuzuweisen, ergibt somit einen Compilerfehler:

int    p = new java.awt.Point(); //  Type mismatch: cannot convert from

                                 // Point to int

String s = new java.awt.Point(); //  Type mismatch: cannot convert from

                                 // Point to String

Damit speichert eine Variable entweder einen einfachen Wert (Variable vom Typ int, boolean, double …) oder einen Verweis auf ein Objekt. Der Verweis ist letztendlich intern ein Pointer auf einen Speicherbereich, doch der ist für Java-Entwickler so nicht sichtbar.

Referenztypen gibt es in vier Ausführungen: Klassentypen, Schnittstellentypen (auch Interface-Typen genannt), Array-Typen (auch Feldtypen genannt) und Typvariablen (eine Spezialität von generischen Typen). In unserem Fall haben wir ein Beispiel für einen Klassentyp.

Abbildung 3.2    Die Tastenkombination (Strg)+(1) ermöglicht es, entweder eine neue lokale Variable oder eine Objektvariable für den Ausdruck anzulegen.

 

3.4.3    Jetzt mach mal ’nen Punkt: Zugriff auf Objektattribute und -methoden 

Die in einer Klasse deklarierten Variablen heißen Objektvariablen bzw. Exemplar-, Instanz- oder Ausprägungsvariablen. Jedes erzeugte Objekt hat seinen eigenen Satz von Objektvariablen:[ 109 ](Es gibt auch den Fall, dass sich mehrere Objekte eine Variable teilen, sogenannte statische Variablen. Diesen Fall werden wir später in Kapitel 6, »Eigene Klassen schreiben«, genauer betrachten. ) Sie bilden den Zustand des Objekts.

Der Punkt-Operator . erlaubt auf Objekten den Zugriff auf die Zustände oder den Aufruf von Methoden. Der Punkt steht zwischen einem Ausdruck, der eine Referenz liefert, und der Objekteigenschaft. Welche Eigenschaften eine Klasse genau bietet, zeigt die API-Dokumentation – wenn ein Objekt eine Eigenschaft nicht hat, wird der Compiler eine Nutzung verbieten.

java.awt.Point p = new java.awt.Point();

p.x = 1;

p.y = 2 + p.x;

Ein Methodenaufruf gestaltet sich genauso einfach wie ein Attributzugriff. Hinter dem Ausdruck mit der Referenz folgt nach dem Punkt der Methodenname.

Abbildung 3.3    Die Tastenkombination (Strg) + Leertaste zeigt an, welche Eigenschaften eine Referenz ermöglicht. Eine Auswahl mit der (¢)-Taste wählt die Eigenschaft aus und setzt insbesondere bei Methoden den Cursor zwischen das Klammerpaar.

Tür und Spieler auf dem Spielbrett

Punkt-Objekte erscheinen auf den ersten Blick als mathematische Konstrukte, doch sie sind allgemein nutzbar. Alles, was eine Position im zweidimensionalen Raum hat, lässt sich gut durch ein Punkt-Objekt repräsentieren. Der Punkt speichert für uns ja x und y, und hätten wir keine Punkt-Objekte, so müssten wir x und y immer extra speichern.

Nehmen wir an, wir wollen einen Spieler und eine Tür auf ein Spielbrett setzen. Natürlich haben die beiden Objekte Positionen. Ohne Objekte würde eine Speicherung der Koordinaten vielleicht so aussehen:

int playerX;

int playerY;

int doorX;

int doorY;

Die Modellierung ist nicht optimal, da wir mit der Klasse Point eine viel bessere Abstraktion haben, die zudem hübsche Methoden anbietet.

Tabelle 3.2    Objekte kapseln Zustände.

Das folgende Beispiel erzeugt zwei Punkte, die die x/y-Koordinate eines Spielers und einer Tür auf einem Spielbrett repräsentieren. Nachdem die Punkte erzeugt wurden, werden die Koordinaten gesetzt, und es wird außerdem getestet, wie weit der Spieler und die Tür voneinander entfernt sind:

Listing 3.1    PlayerAndDoorAsPoints.java

class PlayerAndDoorAsPoints {



  public static void main( String[] args ) {

    java.awt.Point player = new java.awt.Point();

    player.x = player.y = 10;



    java.awt.Point door = new java.awt.Point();

    door.setLocation( 10, 100 );



    System.out.println( player.distance( door ) );  // 90.0

  }

}

Im ersten Fall belegen wir die Variablen x, y des Spiels explizit. Im zweiten Fall setzen wir nicht direkt die Objektzustände über die Variablen, sondern verändern die Zustände über die Methode setLocation(…). Die beiden Objekte besitzen eigene Koordinaten und kommen sich nicht in die Quere.

Abbildung 3.4    Die Abhängigkeit zwischen einer Klasse und dem »java.awt.Point« zeigt das UML-Diagramm mit einer gestrichelten Linie an. Attribute und Operationen von »Point« sind nicht dargestellt.

toString()

Die Methode toString() liefert als Ergebnis ein String-Objekt, das den Zustand des Punktes preisgibt. Sie ist insofern besonders, als es immer auf jedem Objekt eine toString()-Methode gibt – nicht in jedem Fall ist die Ausgabe allerdings sinnvoll.

Listing 3.2    PointToStringDemo.java

class PointToStringDemo {



  public static void main( String[] args ) {

    java.awt.Point player = new java.awt.Point();

    java.awt.Point door   = new java.awt.Point();

    door.setLocation( 10, 100 );



    System.out.println( player.toString() ); // java.awt.Point[x=0,y=0]

    System.out.println( door );              // java.awt.Point[x=10,y=100]

  }

}

Nach dem Punkt geht’s weiter

Die Methode toString() liefert, wie wir gesehen haben, als Ergebnis ein String-Objekt:

java.awt.Point  p = new java.awt.Point();

String          s = p.toString();

System.out.println( s );                       // java.awt.Point[x=0,y=0]

Das String-Objekt besitzt selbst wieder Methoden. Eine davon ist length(), die die Länge der Zeichenkette liefert:

System.out.println( s.length() );              // 23

Das Erfragen des String-Objekts und seiner Länge können wir zu einer Anweisung verbinden; wir sprechen von kaskadierten Aufrufen.

java.awt.Point  p = new java.awt.Point();

System.out.println( p.toString().length() );  // 23

Objekterzeugung ohne Variablenzuweisung

Bei der Nutzung von Objekteigenschaften muss der Typ links vom Punkt immer eine Referenz sein. Ob die Referenz nun aus einer Variablen kommt oder on-the-fly erzeugt wird, ist egal. Damit folgt, dass

java.awt.Point  p = new java.awt.Point();

System.out.println( p.toString().length() );                    // 23

genau das Gleiche bewirkt wie:

System.out.println( new java.awt.Point().toString().length() ); // 23

Abbildung 3.5    Jede Schachtelung ergibt einen neuen Typ.

Im Prinzip funktioniert auch Folgendes:

new java.awt.Point().x = 1;

Dies ist hier allerdings unsinnig, da zwar das Objekt erzeugt und ein Attribut gesetzt wird, anschließend das Objekt aber für die automatische Speicherbereinigung wieder Freiwild ist.

long size = new java.io.File( "file.txt" ).length();

 

3.4.4    Der Zusammenhang von new, Heap und Garbage-Collector 

Bekommt das Laufzeitsystem die Anfrage, ein Objekt mit new zu erzeugen, so reserviert es so viel Speicher, dass alle Objekteigenschaften und Verwaltungsinformationen dort Platz finden. Ein Point-Objekt speichert die Koordinaten in zwei int-Werten, also sind mindestens 2 mal 4 Byte nötig. Den Speicherplatz nimmt die Laufzeitumgebung vom Heap. Der Heap wächst von einer Startgröße bis hin zu einer erlaubten Maximalgröße, damit ein Java-Programm nicht beliebig viel Speicher vom Betriebssystem abgreifen kann, was die Maschine möglicherweise in den Ruin treibt. In der HotSpot JVM ist der Heap zum Start ¹/₆₄ des Hauptspeichers groß und wächst dann bis zur maximalen Größe von ¼ des Hautspeichers.[ 110 ](http://docs.oracle.com/en/java/javase/14/gctuning/ergonomics.html)

Ist das System nicht in der Lage, genügend Speicher für ein neues Objekt bereitzustellen, versucht die automatische Speicherbereinigung in einer letzten Rettungsaktion, alles Ungebrauchte wegzuräumen. Ist dann immer noch nicht ausreichend Speicher frei, generiert die Laufzeitumgebung einen OutOfMemoryError und beendet das gesamte Programm.[ 111 ](Diese besondere Ausnahme kann aber auch abgefangen werden. Das ist für den Serverbetrieb wichtig, denn wenn ein Puffer zum Beispiel nicht erzeugt werden kann, soll nicht gleich die ganze JVM stoppen. )

Heap und Stack

Die JVM-Spezifikation sieht für Daten fünf verschiedene Speicherbereiche (engl. runtime data areas) vor.[ 112 ](§ 2.5 der JVM-Spezifikation, http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se14/html/jvms-2.html#jvms-2.5) Neben dem Heap-Speicher wollen wir uns den Stack-Speicher (Stapelspeicher) kurz anschauen. Den nutzt die Java-Laufzeitumgebung zum Beispiel für lokale Variablen. Auch verwendet Java den Stack beim Methodenaufruf mit Parametern. Die Argumente kommen vor dem Methodenaufruf auf den Stapel, und die aufgerufene Methode kann über den Stack auf die Werte lesend oder schreibend zugreifen. Bei endlosen rekursiven Methodenaufrufen ist irgendwann die maximale Stack-Größe erreicht, und es kommt zu einer Exception vom Typ java.lang.StackOverflowError. Da mit jedem Thread ein JVM-Stack assoziiert ist, bedeutet das das Ende des Threads, wobei andere Threads unbeeindruckt weiterlaufen.

Automatische Speicherbereinigung/Garbage-Collector (GC) – es ist dann mal weg

Nehmen wir folgendes Szenario an:

java.awt.Point binariumLocation;

binariumLocation = new java.awt.Point( 50, 9 );

binariumLocation = new java.awt.Point( 51, 7 );

Wir deklarieren eine Point-Variable, bauen ein Exemplar auf und belegten die Variable. Dann bauen wir ein neues Point-Objekt auf und überschreiben die Variable. Doch was ist mit dem ersten Punkt?

Wird das Objekt nicht mehr vom Programm referenziert, so bemerkt dies die automatische Speicherbereinigung alias der Garbage-Collector (GC) und gibt den reservierten Speicher wieder frei.[ 113 ](Mit dem gesetzten java-Schalter -verbose:gc gibt es immer Konsolenausgaben, wenn der GC nicht mehr referenzierte Objekte erkennt und wegräumt. ) Die automatische Speicherbereinigung testet dazu regelmäßig, ob die Objekte auf dem Heap noch benötigt werden. Werden sie nicht benötigt, löscht der Objektjäger sie. Es weht also immer ein Hauch von Friedhof über dem Heap, und nachdem die letzte Referenz vom Objekt genommen wird, ist es auch schon tot. Es gibt verschiedene GC-Algorithmen, und jeder Hersteller einer JVM hat eigene Verfahren.

 

3.4.5    Überblick über Point-Methoden 

Ein paar Methoden der Klasse Point kamen schon vor, und die API-Dokumentation zählt selbstverständlich alle Methoden auf. Die interessanteren sind:

class java.awt.Point

• double getX()

• double getY()
  
  Liefert die x- bzw. y-Koordinate.

• void setLocation(double x, double y)
  
  Setzt gleichzeitig die x- und die y-Koordinate.

• boolean equals(Object obj)
  
  Prüft, ob ein anderer Punkt die gleichen Koordinaten besitzt. Dann ist die Rückgabe true, sonst false. Wird etwas anderes als ein Point übergeben, so wird der Compiler das nicht bemäkeln, nur wird das Ergebnis dann immer false sein.

Ein paar Worte über Vererbung und die API-Dokumentation *

Eine Klasse besitzt nicht nur eigene Eigenschaften, sondern erbt auch immer welche von ihren Eltern. Im Fall von Point ist die Oberklasse Point2D – so sagt es die API-Dokumentation. Selbst Point2D erbt von Object, einer magischen Klasse, die alle Java-Klassen als Oberklasse haben. Der Vererbung widmen wir später ein sehr ausführliches Kapitel 7, »Objektorientierte Beziehungsfragen«, aber es ist jetzt schon wichtig zu verstehen, dass die Oberklasse Attribute und Methoden an Unterklassen weitergibt. Sie sind in der API-Dokumentation einer Klasse nur kurz im Block »Methods inherited from…« aufgeführt und gehen schnell unter. Für Entwickler ist es unabdingbar, nicht nur bei den Methoden der Klasse selbst zu schauen, sondern auch bei den geerbten Methoden. Bei Point sind es also nicht nur die Methoden dort selbst, sondern auch die Methoden aus Point2D und Object.

Abbildung 3.6    Vererbungshierarchie bei Point2D

Nehmen wir uns einige Methoden der Oberklasse vor. Die Klassendeklaration von Point enthält ein extends Point2D, was explizit klarmacht, dass es eine Oberklasse gibt:[ 114 ](Damit ist die Klassendeklaration noch nicht vollständig, da ein implements Serializable fehlt, doch das soll uns jetzt erst einmal egal sein. )

class java.awt.Point

extends Point2D

• static double distance(double x1, double y1, double x2, double y2)
  
  Berechnet den Abstand zwischen den gegebenen Punkten nach der euklidischen Distanz.

• double distance(double x, double y)
  
  Berechnet den Abstand des aktuellen Punktes zu angegebenen Koordinaten.

• double distance(Point2D pt)
  
  Berechnet den Abstand des aktuellen Punktes zu den Koordinaten des übergebenen Punktes.

Sind zwei Punkte gleich?

Ob zwei Punkte gleich sind, sagt uns die equals(…)-Methode. Die Anwendung ist einfach. Stellen wir uns vor, wir wollen Koordinaten für einen Spieler, eine Tür und eine Schlange verwalten und dann testen, ob der Spieler »auf« der Tür steht und die Schlange auf der Position des Spielers:

Listing 3.3    PointEqualsDemo.java

class PointEqualsDemo {



  public static void main( String[] args ) {

    java.awt.Point player = new java.awt.Point();

    player.x = player.y = 10;



    java.awt.Point door = new java.awt.Point();

    door.setLocation( 10, 10 );



    System.out.println( player.equals( door ) );   // true

    System.out.println( door.equals( player ) );   // true



    java.awt.Point snake = new java.awt.Point();

    snake.setLocation( 20, 22 );



    System.out.println( snake.equals( door ) );   // false

  }

}

Da Spieler und Tür die gleichen Koordinaten besitzen, liefert equals(…) die Rückgabe true. Dabei ist es egal, ob wir den Spieler mit der Tür oder die Tür mit dem Spieler vergleichen – das Ergebnis bei equals(…) sollte immer symmetrisch sein.

Eine andere Testmöglichkeit ergibt sich durch distance(…), denn ist der Abstand der Punkte null, so liegen die Punkte natürlich aufeinander und haben keinen Abstand.

Listing 3.4    Distances.java

class Distances {



  public static void main( String[] args ) {

    java.awt.Point player = new java.awt.Point();

    player.setLocation( 10, 10 );

    java.awt.Point door = new java.awt.Point();

    door.setLocation( 10, 10 );

    java.awt.Point snake = new java.awt.Point();

    snake.setLocation( 20, 10 );



    System.out.println( player.distance( door ) );             // 0.0

    System.out.println( player.distance( snake ) );            // 10.0

    System.out.println( player.distance( snake.x, snake.y ) ); // 10.0

  }

}

Spieler, Tür und Schlange sind wieder als Point-Objekte repräsentiert und mit Positionen vorbelegt. Beim player rufen wir die Methode distance(…) auf und übergeben den Verweis auf die Tür und die Schlange. Ob wir den Abstand vom Spieler zur Tür berechnen lassen oder den Abstand von der Tür zum Spieler, kommt wie bei equals(…) auf dasselbe heraus.

 

3.4.6    Konstruktoren nutzen 

Werden Objekte mit new angelegt, so wird ein Konstruktor aufgerufen. Ein Konstruktor hat die Aufgabe, ein Objekt in einen Startzustand zu versetzen, zum Beispiel die Objektvariablen zu initialisieren. Ein Konstruktor ist dazu ein guter Weg, denn er wird immer als Erstes aufgerufen, noch bevor eine andere Methode aufgerufen wird. Die Initialisierung im Konstruktor stellt sicher, dass das neue Objekt einen sinnvollen Anfangszustand aufweist.

Aus der API-Dokumentation von Point sind drei Konstruktoren abzulesen:

class java.awt.Point

extends Point2D

• Point()
  
  Legt einen Punkt mit den Koordinaten (0, 0) an.

• Point(int x, int y)
  
  Legt einen neuen Punkt an und initialisiert ihn mit den Werten aus x und y.

• Point(Point p)
  
  Legt einen neuen Punkt an und initialisiert ihn mit den gleichen Koordinaten, die der übergebene Punkt hat. Wir nennen so einen Konstruktor auch Copy-Konstruktor.

Ein Konstruktor ohne Argumente ist der parameterlose Konstruktor, selten auch No-Arg-Konstruktor genannt. Jede Klasse kann höchstens einen parameterlosen Konstruktor besitzen, es kann aber auch sein, dass eine Klasse keinen parameterlosen Konstruktor deklariert, sondern nur Konstruktoren mit Parametern, also parametrisierte Konstruktoren.

Point p = new Point(); p.setLocation( 1, 2 );

Point q = new Point( 1, 2 );

Point r = new Point( q );