RAT Java勉強会2004 第04回 クラスの継承とポリモーフィズム

Javaの利点を説明する際に「継承」や「ポリモーフィズム」の説明は避けて通れません。
また、Javaの継承機能はかなりの制限があるため、それを解消するために「インターフェース」が存在します。
今回は、「継承」「ポリモーフィズム」「インターフェース」などの意味や使い方を紹介します。

継承

• タクシーの特徴を挙げてください

タクシーの特徴 (1)

• 料金メーターを持つ
• 客を乗せられる
• 客を降ろせる
• お金を取って運転できる
• 無線で他のタクシーと通信できる

タクシーの特徴 (2)

• 車である
  • 人が乗れる
  • エンジンを持っている
  • ハンドルを持っている
  • アクセルを持っている
  • ブレーキを持っている
  • ハンドルを操作すると進行方向を変えられる
  • アクセルを踏むと加速する
  • ブレーキを踏むと減速する

タクシーの特徴抽出

• 料金メーターを持つ - has-a 関係
• 客を乗せられる - 振る舞い
• 客を降ろせる - 振る舞い
• 賃送できる - 振る舞い
• 無線をもつ - has-a 関係
• 車である - is-a 関係

継承

• “is-a関係”にあるクラスは、継承によって特性を引き継げる

  • Taxi is-a Car
  • TaxiはCarの特徴を持つ

• 特性とは、具体的には以下

  • インスタンスフィールド
  • インスタンスメソッド

継承の記述

class Car {
  // Carの一般的特性
  ...
}

class Taxi extends Car {
  // Taxiだけが持つ一般的特性
  ...
}

その他の例

• Tanaka is-a Human
  • TanakaはHumanである(Humanの特性を持ち合わせる)
• Suzuki is-a Human
  • SuzukiはHumanである(Humanの特性を持ち合わせる)
• Coffee is-a Drink
  • CoffeeはDrinkである(Drinkの特性を持ち合わせる)
• Juice is-a Drink
  • JuiceはDrinkである(Drinkの特性を持ち合わせる)

Objectクラス

• Human is-a Object

• Drink is-a Object

• 全てのクラスは”java.lang.Objectクラス”を継承している

  • 必ず祖先にObjectがいる

単一継承

• Javaでは、２つのクラスを同時に継承できない

  • １つのクラスしか継承できないので”単一継承”と言う

• 次の例は、単一継承だと実装が困難である

  • 携帯電話は電話機であり、メーラーでもある
    • 携帯電話 is-a 電話機
    • 携帯電話 is-a メーラー

振る舞いの上書き

同じ名前の違う振る舞い

• Taxi is-a Car だけど…

  • Taxiが走る(Taxi#drive)のは賃送
  • Carが走る(Car#drive)のは賃送ではない

• 同じ”走る”でも、振る舞いは違う

名前の選択

• Taxi extends Car

  • Carからdriveは受け継いでいる

• driveじゃなくて違う名前にするべきか？

  • オブジェクト指向っぽくない

振る舞いの上書き

• Javaでは、継承した振る舞いを上書きできる

  • Taxiでdriveを”再定義する”ともいえる

• 振る舞いの上書きを「メソッドのオーバーライド」とも言う

  • 同じ名前でいいので、仕様を覚える手間が省ける
  • 実はオブジェクト指向の最高の機能(個人的意見)

キャスト

is-a関係と型

• Taxi is-a Car という関係より

  • TaxiオブジェクトをCarオブジェクトとして使える

• Taxi特有の機能ではなく、Carとして扱えば十分という場面で役に立つ

public void wideningCast() {
  // Taxi is-a Car
  Car car = new Taxi();
  car.shiftGears();
  ...
}

ワイドニング変換

• あるインスタンスを、親クラスの型として扱う変換をワイドニング変換と呼ぶ
• 全てのクラスの基底であるObjectクラスへはなんでも代入できる
  • プリミティブ型はだめ

public void wideningObject() {
  // Taxi is-a Object
  Object obj = new Taxi();
  // Array is-a Object
  Object aobj = new int[5];
}

ワイドニング変換のイメージ

Car car = new Taxi();

• 設計図”Taxi”を工場に送って作ってもらう
• 作ってもらった製品を世界のどこかに置く
• 置いた場所と型(Taxi)を記録した紙を作成する
• その紙の型を”Car”に書き換える
  • Taxi is-a Carなので書き換え可能
• “Car型”の箱”car”へ作成した紙を入れる

ナローイング変換

• ワイドニング変換の逆向きに型を変換しようとすることを、ナローイング変換という
• 普通、これは禁止されている
  • タクシーは車であるが、車はタクシーであるとは限らない

public void narrowingCoversion() {
  // o Taxi is-a Car
  Car car = new Taxi();
  // x Car is-a Taxi
  Taxi taxi = car;
}

暗黙ナローイング変換失敗のイメージ

Taxi taxi = car;

• “Car型”の箱”car”から紙を取り出す
• その紙の型を”Taxi”に書き換える
  • ここで、Car is-a Taxi が成り立たないので失敗

Explicitな型キャスト

• ナローイング変換は明示的に型のキャストを行うことで可能になる。
• 型キャストに失敗すると、ClassCastExceptionがスローされる

public void downCast() {
  // Taxi is-a Car
  Car car = new Taxi();
  // Car can be a Taxi
  Taxi taxi = (Taxi) car;
}

Explicitな型キャストのイメージ

Taxi taxi = (Taxi) car;

• “Car型”の箱”car”から紙をコピーしてくる
• その紙の型が”Taxi”に変換できるか調べに行く
  • Explicitなキャストは、実際に現地へ調べにいく
• その紙の型を”Taxi”に書き換える
• “Taxi型”の箱”taxi”へその紙を入れる

instanceof式

• インスタンスがそのクラスから生成されたかどうか調べられる
  • これを多用するプログラムはオブジェクト指向らしくない

public void isInstanceOf() {
  // Taxi is-a Object
  Object obj = new Taxi();

  // print this obj is instanceof Taxi?
  System.out.println(obj instanceof Taxi);
}

Polymorphism

犬も猫も動物 (1)

• 動物は鳴く

class Animal {
  public void sing() {
  }
}

犬も猫も動物 (2)

• 犬は動物である
• 犬はBowwowと鳴く(表示する)

class Dog extends Animal {
  public void sing() {
    System.out.println("Bowwow");
  }
}

犬も猫も動物 (3)

• 猫は動物である
• 猫はMewと鳴く(表示する)

class Cat extends Animal {
  public void sing() {
    System.out.println("Mew");
  }
}

動物の振る舞い？ (1)

• 次の文章をプログラムに変換してみましょう

“犬という動物がいる。その動物は鳴いた。”

“猫という動物がいる。その動物は鳴いた。“

動物の振る舞い？ (2)

class MainDog {
  public static void main(String[] args) {
    // 犬という動物がいる。…
    Animal animal = new Dog();

    // …その動物は鳴いた。
    animal.sing();
  }
}

動物の振る舞い？ (3)

class MainCat {
  public static void main(String[] args) {
    // 猫という動物がいる。…
    Animal animal = new Cat();

    // …その動物は鳴いた。
    animal.sing();
  }
}

動物の振る舞い？ (4)

• それぞれのanimal.sing()の挙動を考えてみましょう

Polymorphism

• 同じメソッド呼び出しに対して、異なるオブジェクトが異なる操作をすること

  • 対象の振る舞いの詳細を気にせず、名前だけで呼べばよい

• “その動物は鳴いた” とだけあって、動物が何かを気にしない

  • 犬ならば勝手に “Bowwow” と鳴く振る舞いをする
  • 猫ならば勝手に “Mew” と鳴く振る舞いをする

Polymorphismを使った例

“犬が２匹、猫が１匹いる。３匹の動物達はそれぞれ鳴いた。“

class AnimalEnsemble {
  public static void main(String[] args) {
    // ３匹の動物達
    Animal[] animals = new Animal[] {
      // 犬が２匹
      new Dog(), new Dog(),
      // 猫が１匹
      new Cat()
    };
    // ３匹の動物達はそれぞれ…
    for (int i = 0; i < animals.length; i++) {
      // 鳴いた
      animals[i].sing();
    }
  }
}

Polymorphismのイメージ

• 実際に絵を描いてみると分かりやすい
  • 第02回のメソッド呼び出しを参照

Polymorphismの利点

• オブジェクトの実装を気にせずに使用できる

  • 相手の振る舞いは相手に任せる
  • 相手が変わると振舞いも変わる

• 処理を一般化できる

  • 覚えることが少なくてすむ
  • “動物は鳴く”というカテゴリの振る舞いのみを知っていれば良い

動物クラス

• 先ほどのプログラムを考えてみる

  • 犬という実体は世界に存在した
  • 猫という実体は世界に存在した
  • 動物という実体は？

• 犬も猫も動物だが、“動物”そのものはいない

抽象的な存在

• 犬や猫は存在する

  • 具体的なオブジェクトを表している

• 動物そのものは存在していない

  • 犬や猫というカテゴリを階層化するための”概念”
  • 抽象的な存在 (動物はいないが、動物である犬はいる)

概念の実体化

• 動物は抽象的なクラス(存在ではなく概念)であるといえる
• しかし、このままでは具象化した存在になれる

public void concretise() {
  // 動物を作成
  Animal animal = new Animal();
  ...
}

抽象クラスの定義

• Javaでは抽象的なクラスをプログラムで表現できる
  • インスタンス化できない
  • 継承されて始めて意味を持つ

abstract class Animal {
  public void sing() {
  }
}

抽象メソッド

• 振る舞いを実際に持たない、名前だけのメソッド
• 抽象クラスは抽象メソッドを持つことができる
  • サブクラスで必ずオーバーライドしなければならない
  • Animalでsingという振る舞いを定義することはできない
    • DogやCatで定義することはできる
    • Animalが持っていないと、Animal型から使えない

abstract class Animal {
  abstract public void sing();
}

抽象クラスと骨格実装

• 抽象クラスは通常のメソッドと抽象メソッドを混在させられる

  • カテゴリに共通の処理を抽象クラス内で記述
  • サブクラス特有の処理を抽象メソッドにする

• サブクラスで特有の処理だけを書くことによって、オブジェクトを定義できる

  • このような実装を”骨格実装”という

• オブジェクト指向プログラムの美しさは、ここに掛かっている

オブジェクトの関連性

• 喫茶店とコーヒーメーカーの関連性はなんでしょうか

  • 喫茶店 is-a 店
  • コーヒーメーカー is-a 機械

• 現実世界のカテゴリで考えると、関連性はなさそうに見える

共通する振る舞い

• 喫茶店とコーヒーメーカーで共通する関連性はなんでしょうか

  • 喫茶店はコーヒーを出す
  • コーヒーメーカーはコーヒーを出す

• 振る舞いだけ見ると”コーヒーを出す”という共通点がある

インターフェース

• いくつかのクラスが共通の振る舞いを持つ場合、それらは共通のインターフェースを持つ

  • “コーヒーを出すもの” というインターフェース

• このインターフェースをJavaで記述することができる

インターフェースの記述

• “コーヒーを出すもの”というインターフェース

interface CoffeeProvider {
  // コーヒーを出す作業を持っている
  Coffee getCoffee();
}

インターフェースの使用 (CoffeeMaker)

• CoffeeMakerはCoffeeProviderを実際に”実装している” (コーヒーを出すものとして振る舞える)

class CoffeeMaker implements CoffeeProvider {
  ...
  public Coffee getCoffee() {
    return new Coffee();
  }
}

インターフェースの使用 (CafeShop)

• CafeShopはCoffeeProviderを実際に”実装している” (コーヒーを出すものとして振る舞える)

class CafeShop implements CoffeeProvider {
  // CafeShop has-a コーヒーを作る手段
  private CoffeeProvider coffeeMaker = ...

  public Coffee getCoffee() {
    return coffeeMaker.getCoffee();
  }
}

インターフェースのis-a関係

• “コーヒーを入れるもの”という機能でカテゴライズしたが、is-a関係が成り立っている

  • CafeShop is-a CoffeeProvider
  • CoffeeMaker is-a CoffeeProvider

• あとは、普通の親クラスのようにワイドニング変換して使える

インターフェースの使用例

class Caffine {
  public static void main(String[] args) {
    // コーヒーを提供できる何か
    CoffeeProvider cc = new CafeShop();

    // 実際に生成
    Coffee coffee = cc.getCoffee();
  }
}

インターフェースの意味

• インターフェースを持っているということ

  • 「最低限、この機能だけは使える」という指標

• 違うカテゴリにいるけど、共通する”界面”を持つということ

  • ここで、界面とは振る舞いのことである

抽象クラス vs. インターフェース

• 抽象クラス

  • １つしか継承できない
  • 骨格実装ができる

• インターフェース

  • いくつでも継承できる
  • 具象メソッドを持てない

• 状況によって使い分けることが大切

続々・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してみましょう

“喫茶店でコーヒーを注文し、Tanakaはそれを飲んだ。喫茶店でジュースを注文し、Suzukiはそれを飲んだ”

オブジェクトの抽出

• 喫茶店
• コーヒー
• Tanaka
• ジュース
• Suzuki

オブジェクトの階層化

• カテゴリが近いと思われるオブジェクトを探す

• 喫茶店

• コーヒー、ジュース

• Tanaka、Suzuki

上位クラスの作成

• 共通点を洗い出して上位クラスを作る

• 喫茶店 (“店”を上位に持ってきても良い)

• 飲み物

  • コーヒー (Coffee is-a Drink)
  • ジュース (Juice is-a Drink)

• 人

  • Tanaka (Tanaka is-a Human)
  • Suzuki (Suzuki is-a Human)

振る舞いの抽出

• 階層を考えずに、オブジェクトに振る舞いを結びつける

• 喫茶店

  • コーヒーを注文される (getCoffee())
  • ジュースを注文される (getJuice())

• Tanaka

  • コーヒーを飲む (drink(Coffee))

• Suzuki

  • ジュースを飲む (drink(Juice))

振る舞いの一般化

• 振る舞いの引数を一般化する

  • コーヒーを飲む → 飲み物を飲む
  • ジュースを飲む → 飲み物を飲む

• Tanaka

  • 飲み物を飲む (drink(Drink))

• Suzuki

  • 飲み物を飲む (drink(Drink))

振る舞いの引き上げ

• 親クラスに引き上げられる振る舞いを探す

• Human#drink(Drink)

  • Tanaka#drink(Drink)
  • Suzuki#drink(Drink)

• ここで、TanakaやSuzukiが特殊な飲み方をするなら、オーバーライドすればよい

残りのプログラム

• あとは今までの流れと同様にすればよい

課題

課題1 - 継承による一般化

• 次の文章は第3回で使用した例題である。 “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。Tanakaはその車で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。”

• 継承を使って再利用可能にせよ

  • Tanaka is-a 乗客
    • 「“Tanaka”という名前を持つ5000円持った状態にある乗客」としても良い
  • タクシー is-a 車

• どのクラスにどの振る舞いがあるか注意せよ

課題2 - プログラムの再利用

• 課題1で作成したプログラムを流用し、次の文章をプログラムに変換せよ
  • ただし、課題1のプログラムを変更してはならない

“Satoは10000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。Satoはその車で18km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。“

課題3 - Composite

• 多重継承ができないJavaでは”携帯電話”は表現しにくかった
• 次のように考えてみてはどうか
  • 電話機は電話できるというインターフェースを持つ
  • メーラーはメールできるというインターフェースを持つ
  • 携帯電話は電話機を内部に持っている (has-a)
  • 携帯電話はメーラーを内部に持っている (has-a)
  • 携帯電話は電話できるというインターフェースを持つ
  • 携帯電話はメールできるというインターフェースを持つ
• これらのオブジェクトの関連性を説明せよ