RAT Java勉強会2004 第03回 オフジェクトの構成要素

オブジェクト指向といえば「継承」とか「ポリモーフィズム」と結び付けて説明されることが多々あります。
しかし、オブジェクト指向の利点はすべて「カプセル化」を行うという前提で得られるものです。
今回は「カプセル化」に必要な知識として、オブジェクトの構成要素を掘り下げて紹介します。

クラスとインスタンスの関係

設計図と製造物

• クラスはインスタンスの設計図である

• インスタンスはクラス(設計図)を元に作られる製造物である

• “設計図” もオブジェクトであると考えると、あとあと楽

  • 設計図 is-a Object

インスタンスの生成

• インスタンスは、クラスが持つ”コンストラクタ”を使って生成される
  • コンストラクタは、製造工場で行う作業

コンストラクタの記述

• 戻り値なしの、クラス名と同じのメソッドを定義する感じ

class CafeShop {
  public CafeShop() {
    // ...
  }
}

オブジェクトが持つべきもの

• オブジェクトの持つ特性は、次の２つで表現できる
  • 状態
  • 振る舞い

オブジェクトに属するメンバ

• オブジェクトからアクセスできるメンバは２種類ある
  • インスタンスフィールド
  • インスタンスメソッド

インスタンスフィールド

• オブジェクト自身が持つ変数
  • オブジェクトの状態を保持する

class Point {
  public int x;
  public int y;
  ...
}

インスタンスメソッド

• オブジェクトの振る舞いを表現する

class Point {
  public double getX() {
    // ...
  }
  ...
}

• メソッドが呼ばれると、自分自身のオブジェクトを保持するローカル変数 this が自動的にできる

オブジェクトに属するメンバへのアクセス

• インスタンスフィールド

  • (オブジェクト) . (フィールド名) でアクセス

• インスタンスメソッド

  • (オブジェクト) . (メソッド名) でアクセス

• オブジェクトが this 変数である場合は省略できる

クラスに属するメンバ

• Javaではインスタンスだけではなく、クラスにもメンバを持たせることができる。

  • クラスフィールド
  • クラスメソッド

• 基本的には、これらのメンバにはstatic修飾子がつけられる

  • インスタンスではなく、クラスに属する

クラスフィールド

• クラス自身が持つ変数
  • 設計図に何か書き込むというイメージが近い

class Main {
  public static final String MESSAGE = "Hello, world!";
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println(MESSAGE);
  }
}

• 特定のパターンでしかクラスフィールドは使用されない

  • クラスで使う定数を表現する場合
  • シリアルナンバーを持つインスタンスを生成
  • シングルトンパターン
  • その他、世界に1つしかないものを保持する場合

• 多用するとオブジェクト指向の利点が失われる

クラスメソッド

• クラス自身の振る舞い

class Main {
  public static void main(String[] args) {
    int i = Integer.parseInt(args[0]);
  }
}

• 特定のパターンでしかクラスメソッドは使用されない
  • mainメソッド
  • ユーティリティメソッド (SystemやMathなど)
  • ファクトリメソッド (valueOfなどの名前を持つ)
  • 世界に働きかけるためのメソッド (Logging系)

クラスに属するメンバへのアクセス

• クラスフィールド

  • (クラス名) . (フィールド名) でアクセス

• クラスメソッド

  • (クラス名) . (メソッド名) でアクセス

• 自クラスに属するメンバである場合は省略できる

クラスとインスタンスメンバ

• 以下のプログラムはエラーになる

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

• printHello()は次の省略形である

  • this.printHello();

• クラスメソッドはthisを持たない

• 次のようなイメージ

  • 設計図から製品は特定できない
  • 製品から設計図は特定できる

クラスとインスタンスの初期化

• 初期化を行うための機構がある
  • コンストラクタ
  • staticイニシャライザ

コンストラクタ

• クラスを元に、インスタンスを生成する
  • インスタンスの初期化処理を記述する

class Coffee {
  private double sizeInMl;
  public Coffee() {
    sizeInMl = 180.0;
  }
}

• 一つもコンストラクタを作らないと、引数無しの空コンストラクタが勝手に用意される

staticイニシャライザ

• 始めてこのクラスを使うときに、1度だけ呼び出される
  • クラスフィールドの初期化などに使用する

class Vault {
  private static final Random random;
  static {
    random = new Random(123456789L);
    random.nextLong();
    random.nextLong();
    random.nextLong();
  }
}

• 設計図を作るためのコンストラクタ、というイメージ

”has-a” 関係

複素数の構成要素

• “複素数”というオブジェクトの構成要素を考える

  • 複素数は実数部と虚数部からなる

• これは次のように言い換えられる

  • 複素数は実数部を持つ
  • 複素数は虚数部を持つ

• これらは複素数オブジェクトの振る舞いであるか？

“has-a” 関係

• A has-a B であるとき、BはAの”状態”とも考えられる

  • 複素数 has-a 実数部
  • 複素数 has-a 虚数部

• オブジェクトの状態を保持するには、インスタンスフィールドを持てばよい

複素数クラス

class Complex {
  // 複素数 has-a 実数部
  public double realPart;

  // 複素数 has-a 虚数部
  public double imaginaryPart;
  ...
}

カプセル化

複素数クラスの仕様変更

• 複素数クラスを次のように変更したい

  • 極座標表現にする

• どこをどのように変えればよいか

内部表現と公開仕様

• realPartとimaginaryPartは消せない

  • 公開仕様であるから変更できない
  • 変更したらComplexを使う全てのクラスを修正する

• 極座標が変わったら、位置座標も連動しなければならない

アクセシビリティ

• アクセス修飾子をメンバに付けることができる

  • private (クラス内からのみ)
  • [付けない] (同一パッケージ内からのみ)
  • protected (同一パッケージや子クラスからのみ)
  • public (どこからでも)

• privateでフィールドを宣言すると、内部表現を公開しないで済む

getterとsetter

• フィールドへのアクセスを「振る舞い」とする方法

class Complex {
  private double radius;
  private double angle;
  public double getRadius() {
    return radius;
  }
  public void setRadius(double r) {
    this.radius = r;
  }
}

• 位置座標値を取得したい場合は、振る舞いの中で極座標値から算出すればよい

カプセル化

• 内部表現を隠蔽し、振る舞いのみを提供することを「カプセル化」という

  • 使用者は内部表現を気にすることなく、機能だけを使える

• 内部表現の隠蔽によって、先の例では両座標系が混在

• 個人的なルール

  • publicなフィールドはstatic finalのみ
  • static finalでもmutableなオブジェクトはprivate
  • immutableなオブジェクト内でmutableなオブジェクトのgetterはguarded copy必須

続・オブジェクト指向プログラミング

• 次の文章をプログラムに変換してみましょう “Tanakaは5000円持った状態でタクシーに乗った。タクシーは乗客が乗ると料金メーターをリセットし、1km走るごとに200円ずつ課金する。その車で10km走り、その後に降りた。タクシーは乗客が降りる際に課金された金額を乗客に請求する。“

オブジェクトになるもの

• Tanaka

• 5000円 (5000という数値)

• タクシー

• 乗客

• 料金メーター

• その車

• 課金された金額 (数値)

• この世界では Tanaka = 乗客、タクシー = その車

  • “Tanaka is-a 乗客” という一般化は、次回以降に説明する

振る舞いになるもの

• 乗る
• リセットする
• 走る
• 課金する
• 降りる
• 請求する

オブジェクトが持つ振る舞い

• タクシー

  • 乗せる (void takeOn(Tanaka tanaka))
  • リセットする (→リセットされる)
  • 走る (void drive(int km))
  • 課金する (→課金される)
  • 降ろす (void putDown())
  • 乗客に請求 (→支払う)

• 料金メーター

  • リセットされる (void reset())
  • 課金される (void fare(int yen))

• Tanaka

  • 請求される (void pay(int yen))

状態を表すもの

• タクシーに乗っている乗客
• 5000円持った状態
• 課金された金額

オブジェクトが持つ状態

• Tanaka has-a 5000円
• タクシー has-a 乗客(Tanaka)
• タクシー has-a 料金メーター
• 料金メーター has-a 課金された金額

状態の取得(getter)

• タクシーは乗客が降りる際に(料金メーターに)課金された金額を…

• 料金メーター

  • 課金情報を取得 (int getFared())

クラスの記述 (Tanaka)

class Tanaka {
  // Tanaka has-a 5000yen
  private int money = 5000;

  // 請求される (支払う)
  public void pay(int yen) {
    this.money = this.money - yen;
  }
}

クラスの記述 (Taxi)

class Taxi {
  // Taxi has-a FareMeter
  private FareMeter meter = new FareMeter();

  // Taxi has-a 乗客
  private Tanaka tanaka;

  // 乗る
  public void takeOn(Tanaka tanaka) { ... }

  // 走る
  public void drive(int km) { ... }

  // 降りる
  public void putDown() { ... }
}

メソッドの記述 (Taxi#takeOn(Tanaka))

public void takeOn(Tanaka tanaka) {
  // タクシーは乗客が乗ると…
  this.tanaka = tanaka;

  // …料金メーターをリセット
  this.meter.reset();
}

メソッドの記述 (Taxi#drive(int))

public void drive(int km) {
  // 1km走るごとに200円ずつ課金する
  this.meter.fare(km * 200);
}

メソッドの記述 (Taxi#putDown())

public void putDown() {
  // 課金された金額を…
  int fare = this.meter.getFared();

  // …(その金額を)乗客に請求する(乗客が支払う)
  this.tanaka.pay(fare);

  // (乗客情報をクリア)
  this.tanaka = null;
}

クラスの記述 (FareMeter)

class FareMeter {
  // FareMeter has-a fared
  private int fared;

  // リセットされる
  public void reset() {
    this.fared = 0;
  }

  // 課金される
  public void fare(int yen) {
    this.fared = this.fared + yen;
  }

  // getter of fared
  public int getFared() {
    return this.fared;
  }
}

世界の記述

class World {
  public static void main(String[] args) {
    // Tanakaとタクシーを創造
    Tanaka tanaka = new Tanaka();
    Taxi taxi = new Taxi();

    // Tanakaは(5000円持った状態で)タクシーに乗った。
    taxi.takeOn(tanaka);

    // その車で10km走り、
    taxi.drive(10);

    // その後に降りた
    taxi.putDown();
  }
}

課題

課題1 - 物体の状態

• 第1週のサンプルプログラムに次の機能を追加しなさい

• コーヒーは残量という状態がある

• 喫茶店が出すコーヒーは、出した直後には200cc入っている

• Tanakaがコーヒーを飲むと、コーヒーは60cc減る

• Tanakaが60ccに満たないコーヒーを飲もうとすると、飲めない

課題2 - 設計図の状態

• 課題1にさらに次の機能を追加しなさい

• クラスCafeShopから作成された喫茶店は、200ccのコーヒーを出す

• ただし、クラスCafeShopから初めて作成された喫茶店は、サービスで250ccのコーヒーを出す