Hempel: Informatik 12 GK/LK - E Objektorientierte Softwareentwicklung
Kursthemen
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Herzlich Willkommen im Kurs Informatik 12 E zum Thema Objektorientierte Softwareentwicklung!Sie werden in diesem Kurs lernen, wie komplexe Softwareprojekte geplant, entwickelt und realisiert werden. Die dabei notwendigen Handlungsschritte ermöglichen Ihnen einen Zugang zu Problemlösetechniken der Informatik. Grundlagen sind die in Klasse 10 und im vorherigen Kapitel "Algorithmen und Daten" wiederholten algorithmischen Strukturen und Konzepte.
Der Moodle-Kurs begleitet den Unterricht. Sie finden hier Tafelbilder, Aufgaben, Dateien, Arbeitsblätter sowie Lösungen. Die Unterlagen werden schrittweise und i. d. R nach dem Unterricht veröffentlicht.
Hinweis: 2023-10-02 Der Kurs wird aktuell gepflegt und bearbeitet.
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BlueJ-Buch Teil 1 Datei
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Unabhängig von den Softwareprojekten gibt es hier allgemeine Aktivitäten.
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Wahl der Plakatthemen Abstimmung
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Abgabesystem Lernplakate Aufgabe
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"Was ist ein Einbruch in eine Bank gegen die Gründung einer Bank?"
Mackie Messer in Brechts "Die Dreigroschenoper"Die Entwicklung einer Software zur Verwaltung von Kunden und deren Geldtransaktionen über deren Konten unsere Wossi-Bank ist unser erstes komplexes Softwareprojekt. Es wird deutlich über die bisherigen algorithmischen Ansätze hinausgehen. Für die Analyse der Geschäftsvorgänge und die Abbildung dieser in ein informatisches Modell nutzen wir konsequent die sogenannte objektorientierte Modellierung und anschließend die objektorientierte Implementierung, die uns bereits ansatzweise in den Projekten mit dem Turtlezeichner bzw. Turtlerechner joe begegnet ist.
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- Reflektieren Sie die Schrittfolge für das Abheben von Bargeld von Ihrem Konto mit Ihrer Kundenkarte an einem Geldautomaten. Erfassen Sie in einer Übersicht weitere Transaktionen, die Sie am Bankautomaten bzw. am Bankschalter durchführen könnten. Geben Sie Details der Tätigkeiten an (z. B. Karte einstecken, PIN eingeben, ...) an.
- Führen Sie beispielhaft Transaktionen mit der Bankingsoftware durch. Vergleichen Sie mit Ihren Aufzeichnungen. Ergänzen und korrigieren Sie. Seien Sie kreativ und versuchen Sie, die Sicherheitsmaßnahmen der Bankingsoftware zu umgehen (hier dürfen Sie das
).
Hinweis: Die Daten der Kunden befinden sich in der zugehörigen Text-Datei. - Erfassen Sie alle Aspekte, die in der Bankingsoftware nicht korrekt laufen bzw. die verbesserungswürdig sind.
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Spielen Sie das Bankwesen an der Wossi-Bank durch. In den Dateien finden Sie Karten für Kunden und Konten sowie mögliche Szenarien. Beobachten Sie alle Transaktionen und das Verhalten der Kunden/Bankangestellten.
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Analyse eines Kunden - Klasse Kunde
Zur Darstellung des Grundmodells nutzen wir in der objektorientierten Modellierung das Klassendiagramm. Es funktioniert ähnlich dem ER-Diagramm in der Datenbankentwicklung.
Eine Klasse beschreibt den Aufbau und die Funktionalität von gleichartigen Objekten. Sie ist ein Bauplan für die Erzeugung solcher Objekte. In der ER-Modellierung kennen wir den Entitätstyp dafür. Die neue Qualität der objektorientieren Modellierung liegt in der Angabe von Fähigkeiten (sog. Methoden), die ein Objekt hat. Diese werden nach Auftrag und Anfrage unterschieden. Eine besondere Fähigkeit ist die Erzeugung und Initialisierung eines Objekts. Dafür wird ein Konstruktor benötigt.
Beispiel: Kunde
Den Entitätstyp Kunde kennen wir aus der Datenbankmodellierung. Er kann mithilfe der Eigenschaften Kundennummer, Name, Vorname und Geburtsdatum beschrieben werden.
ER-Diagramm des Entitätstyps KundeErst in der physischen Phase der Datenbankentwicklung erfolgt die Festlegung der Datentypen der einzelnen Attribute.
In der objektorientierten Softwareentwicklung beschreiben wir im Klassendiagramm die Attribute und die Fähigkeiten (Methoden) und überlegen uns gleich geeignete Datentypen zur Speicherung der Daten. Wie bei Variablen können wir dabei primitive Datentypen (GANZZAHL, GLEITKOMMAZAHL, ZEICHEN, WAHRHEITSWERT) oder Objekttypen (in Java z. B. ZEICHENKETTE) verwenden.
Attribute:
- kundennummer: GANZZAHL
- name, vorname, geburtsdatum: ZEICHENKETTE
Auch für Methoden werden Datentypen verwendet, die die Rückgabe beschreiben. Da ein Auftrag keine Rückgabe hat, lautet in Java die Typangabe void. Konstruktoren haben keine Typangabe. Für jeden Parameter einer Methode muss ebenfalls der Datentyp festgelegt werden. Somit ist die Klasse Kunde beschrieben mit:
- Erzeugen und Initialisieren eines Objekts mithilfe von Parameter für Kundennummer, Name, Vorname und Geburtsdatum → Konstruktor Kunde
- Abfrage der Eigenschaften → Anfrage getKundennummer, getName, getVorname und getGeburtsdatum
Die Datentypen entsprechen den Typen der angefragten Eigenschaften. - Änderungen ausgewählter Eigenschaften, beispielsweise des Namens nach Heirat → Auftrag setName
Da sich in der Regel Vorname, Kundennummer und Geburtsdatum nicht ändern, gibt es dafür auch keine Aufträge. - Ausdruck aller Kundeninformationen (Recht auf Dateneinsicht) → Auftrag druckeDaten
Klassendiagramm (Klassenkarte) der Klasse Kunde mit Datentypen für JavaDas Klassendiagramm gibt die obige Beschreibung kompakt wieder. Oberer Kasten - Klassenname, mittlerer Kasten - Eigenschaften nebst Datentyp, unterer Kasten: Konstruktor und Fähigkeiten/Methoden.
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Entwurf 1 für Konto und Kunde
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Öffnen Sie das Projekt in BlueJ. Sie finden einen Entwurf der Klassen Kunde und Konto vor, der sich jedoch von unseren Überlegungen unterscheidet. Die Unterschiede gibt es zu finden und zu beheben. Außerdem sind einige Funktionalitäten noch nicht oder fehlerhaft implementiert. Daher ist es notwendig, die Klassen gründlich zu prüfen.
- Erzeugen Sie die Klassenkarten der Klassen Kunde und Konto über das Kontextmenü der jeweiligen Klasse. Vergleichen Sie mit der Vorgabe. Notieren Sie sich Unterschiede.
- Öffnen Sie den Quelltext der Klassen. Betrachten Sie die Realisierung von Attributen und Methoden. Ergänzen Sie die fehlenden Attribute und Methodenköpfe mit leerem Rumpf. Beachten Sie dabei, dass Anfragemethoden stets eine Rückgabe erwarten. Dies kann vorläufig auch ein fester Wert sein.
- Wenn die Klassendiagramme identisch sind, dann erzeugen Sie Objekte der Klasse und testen Sie die Funktionalität der Methoden. Beheben Sie alle Probleme.
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Fügen Sie in BlueJ über "Bearbeiten - Klasse aus Datei hinzufügen..." die Klasse Dieb ins Projekt ein. Legen Sie mindestens zwei Konten an und einen Dieb an. Dieser benötigt natürlich auch ein Konto, daher müssen Sie eines der beiden Konten dem Dieb zuordnen. Versuchen Sie nun, mithilfe der Methoden des Diebs das andere Konto zu "erleichtern". Was geht, was nicht?
Ändern Sie die Klasse Konto so ab, dass jedes Attribut mit der Sichtbarkeit private deklariert wird. Testen Sie anschließend erneut.
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Die Schlüsselwörter public und private legen kontrollierte Zugriffsoptionen auf Attribute und Methoden fest. Dies bezeichnet man als Kapselung. Damit können Klassen den internen Zustand anderer Klassen nicht unkontrolliert lesen oder ändern. Der Zugriff auf die Eigenschaften und Methoden erfolgt über wohldefinierte Schnittstellen. Der innere Aufbau einer Klasse und der darin implementierten Algorithmen soll den Anwender nicht interessieren (Geheimnisprinzip). Durch die Kapselung werden nur Angaben über die Funktionsweise einer Klasse nach außen sichtbar, nicht aber die interne Darstellung.
Veranschaulichung der Datenkapselung an einem Beispiel
Das folgende Bild veranschaulicht das Prinzip. Nur über definierte Methoden ist ein Zugriff auf die Eigenschaften möglich. So gibt es z. B. keine Möglichkeit, auf die PIN direkt zuzugreifen.
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Beziehungen zwischen Objekten
Wieso gab es eigentlich eine Linie zwischen Dieb und Konto? Wo kommen überhaupt die ganzen Linien her?
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Analyse
Erforschen Sie die Realisierung der Beziehung zwischen Dieb und Konto. Geben Sie Gründe und Ursachen für die Beziehung an.
Realisierung/Transfer
Erzeugen Sie im aktuellen Arbeitsstand des Projekts eine Beziehung zwischen Kunde und Konto in dem Sinne, dass ein Konto genau einem Kunde gehört. Stellen Sie eine Analogie zur Umwandlung einer 1:n-Beziehung im ER-Modell zu dieser Beziehung her. Erweitern Sie die Klasse so, dass der Kontoinhaber im Konstruktor festgelegt wird und es eine Methode zum Abfragen des Inhabers gibt. Testen Sie Ihr Szenario.
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Eine Assoziation ist eine Beziehung zwischen Objekten. Wir können Sie mit einer 1:1- oder 1:n-Beziehung aus der Datenbankentwicklung vergleichen. In unserem Fall besitzt das Konto genau einen Inhaber, daher gibt es ein der Klasse Konto einen Verweis (Referenz) auf ein Objekt der Klasse Kunde. Dies wird in der Klasse durch das Referenzattribut inhaber deutlich.
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3-Schicht-Architektur
Unser bisheriges Modell bildet das Banksystem ab. Als echte Nutzersoftware geht es aber noch nicht durch, da stören mehrere Aspekte:
- Alle Objekte (Kunden und Konten) existieren nur zur Laufzeit des Programms. Es gibt keine Möglichkeit der Datenspeicherung etwa in einer Datenbank.
- Es gibt keine grafische Benutzeroberfläche. Selbst ein Bankautomat hat wenigstens Eingabefelder, Schaltflächen und Informationselemente.
Diese beiden Erweiterungen werden durch die 3-Schicht-Architektur realisiert.
Die Grafik- und die Fachkonzeptschicht wird in der Literatur auch als Model-View-Controller-Prinzip bezeichnet.
