Teória 10: Zapuzdrenie¶

Dnes začíname preberať hlavné koncepty objektovo orientovaného programovania. Začneme pri zapuzdrení.

Zapuzdrenie¶

Zapuzdrenie je zabalenie dát (atribútov) a metód do jednej komponenty - objektu.

Zapuzdrenie (anglicky encapsulation) je jeden zo základných princípov objektovo orientovaného programovania. V Jave sa zapuzdrenie používa na skrytie interných detailov objektu a ochranu jeho dát pred neoprávneným prístupom alebo modifikáciou.

Zapuzdrenie umožňuje:

Zvýšiť bezpečnosť
Zlepšiť modularitu
Jednoduchšiu udržiavateľnosť kódu

Hlavné ciele zapuzdrenia:

Ochrana dát: Zamedzenie priameho prístupu k interným premenným triedy.
Abstrakcia: Vonkajší kód nemusí poznať vnútornú štruktúru triedy, iba jej verejné rozhranie (verejné metódy).
Flexibilita: Zmena internej implementácie bez ovplyvnenia vonkajšieho kódu.

Príklad zapuzdrenia

public class Osoba {
    private String meno; // súkromný atribút

    // Getter
    public String getMeno() {
        return meno;
    }

    // Setter
    public void setMeno(String meno) {
        if(meno != null && !meno.isEmpty()) // validácia vstupu
            this.meno = meno;
    }
}

Použitie:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Osoba osoba = new Osoba();
        osoba.setMeno("Jano");
        System.out.println("Meno: " + osoba.getMeno());
    }
}

Techniky zapuzdrenia¶

Zapuzdrenie v Jave sa dosahuje kombináciou:

Prístupových modifikátorov (private, protected, public, prípadne defaultný prístup).
Getterov a setterov (metódy na čítanie a zápis dát).
Skrytím implementačných detailov (interné dáta triedy sú prístupné iba cez definované rozhranie - verejné metódy)

Pokročilejšie zapuzdrenie a väčšiu kontrolu nad stavom objektov vieme dosiahnuť tiež použitím privátnych konštruktorov a továrenských metód.

Invarianty¶

Zapuzdrenie nám umožňuje vykonávať validáciu vstupných hodnôt a udržiavať invarianty objektu.

Invariant (alebo triedny invariant) je podmienka alebo vlastnosť, ktorá musí byť pravdivá pre objekt počas jeho celého života.

Triedny invariant:

platí po každom skončení konštruktora
platí pred aj po každom verejnom volaní metódy
môže byť dočasne porušený vo vnútri metódy, ale musí byť obnovený pred jej ukončením

Medzi príklady invariantov patrí napr. že meno osoby musí byť neprázdne alebo dĺžka strany obdlžníka musí byť kladná.

V nasledujúcom príklade si zadefinujme invariant ako podmienku, že bankový účet musí mať nenulový zostatok. Všetky verejné metódy musia zaručiť, že sa invariant neporuší.

Zapuzdrenie udržiava invarianty objektu

public class BankovyUcet {
    private double zostatok;
    private String cisloUctu;

    public BankovyUcet(String cisloUctu, double pociatocnyZostatok) {
        this.cisloUctu = cisloUctu;
        if (pociatocnyZostatok >= 0) {
            this.zostatok = pociatocnyZostatok;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Zostatok nemôže byť záporný!");
        }
    }

    public void vloz(double suma) {
        if (suma > 0) {
            zostatok += suma;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Suma musí byť kladná!");
        }
    }

    public void vyber(double suma) {
        if (suma > 0 && suma <= zostatok) {
            zostatok -= suma;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Neplatná suma/malý zostatok!");
        }
    }

    public double getZostatok() {
        return zostatok;
    }

    public String getCisloUctu() {
        return cisloUctu;
    }
}

Zapuzdrenie chráni invariant pred porušením zvonka. Objekt tak zostáva v konzistentnom stave. Vďaka zapuzdreniu ho nikto nemôže porušiť priamym prístupom k atribútom.

Nemennosť¶

Zapuzdrenie umožňuje vytvárať nemenné (immutable) triedy, kde po vytvorení objektu nemožno meniť jeho stav.

Nemenný objekt je objekt, ktorého stav sa po vytvorení už nikdy nezmení.

všetky jeho polia sú nastavené len raz (v konštruktore),
a potom už žiadna metóda nemôže tieto hodnoty zmeni

Takýto objekt je bezpečný na zdieľanie a vždy ostáva v konzistentnom stave, teda jeho invarianty sa nikdy neporušia.

Nemenný objekt môžeme dosiahnuť nasledovne:

Atribúty nemenného objektu budú konštanty (použitím kľúčového slova final)
Trieda nebude poskytovať žiadne setter metódy, ani metódy, ktoré menia stav objektu

Nemenná trieda je veľmi užitočná vec a uľahčuje návrh architektúry programu. Jednoduchšie sa testuje a používa. V Jave poznáme veľa nemenných tried, napr. java.lang.String, java.time.LocalDate atď.

Učím sa s pomocou umelej inteligencie

Som študent strednej školy, učím sa programovanie v Jave. Uveď príklady nemenných tried v knižniciach Javy

Príklad nemennej triedy

public final class Auto {
    private final String znacka;
    private final int rok;

    public Auto(String znacka, int rok) {
        this.znacka = znacka;
        this.rok = rok;
    }

    public String getZnacka() {
        return znacka;
    }

    public int getRok() {
        return rok;
    }
}

Defenzívne kopírovanie¶

Defenzívne kopírovanie je technika, ktorá rieši problém s únikom referencií z rozhrania triedy, napr. z jej getter metód.

Ak getter vracia referenciu na mutable objekt (napr. pole), vonkajší kód ho môže zmeniť.

Únik referencie

public class Trieda {
    private String[] ziaci = new String[30];

    // Konštruktor
    public Trieda(String... ziaci) {
        // Invariant triedy
        for (var ziak: ziaci)
            Objects.requireNonNull(ziak, "Ziak je null!");
        this.ziaci = ziaci;
    }

    // Zlý getter - vracia priamu referenciu
    public String[] getZiaci() {
        return ziaci;
    }
}

V tomto prípade getter metóda vrátila referenciu na vnútorný objekt, ktorý je meniteľný a vonkajší kód tak vie zmeniť jeho hodnoty a porušiť invarianty triedy.

Zmena vnútorného atribútu objektu

Trieda trieda = new Trieda("Fero", "Jano", "Beatka");
String ziaci = trieda.getZiaci();
ziaci[0] = null; // invariant porušený

Riešením je defenzívne kopírovanie, kde vraciame vždy kópiu vnútornej hodnoty objektu

Defenzívne kopírovanie v getter metóde

public String[] getZiaci() {
    return ziaci.clone();
}

Problém s únikom referencií sa dá riešiť aj použitím nemenných objektov. Ak aj v nejakej metóde vrátime vnútorný objekt, ak je nemenný, vonkajší kód nemôže nijako zmeniť jeho hodnoty a porušiť tak invarianty našej triedy.

Učím sa s pomocou umelej inteligencie

Som študent strednej školy, učím sa programovanie v Jave. Uveď príklady defenzívneho kopírovania

Zhrnutie teórie¶

Poznámky do zošita

V zošite je potrebné mať napísané aspoň tieto poznámky:

ZAPUZDRENIE

Zabalenie dát (atribútov) a metód do jednej komponenty - objektu

- Zvyšuje bezpečnosť
- Zlepšuje modularitu
- Jednoduchšie sa udržiava kód

Hlavné ciele zapuzdrenia sú ochrana dát, abstrakcia a flexibilita

Techniky zapuzdrenia
- Modifikátory prístupu
- Getter a setter metódy
- Skrytie implementačných detailov do súkromných metód

Invariant - podmienka alebo vlastnosť, ktorá je pravdivá pre objekt počas jeho celého života
- Platí po každom skončení konštruktora
- Platí pred aj po každom verejnom volaní metódy
- Môže byť dočasne porušený vo vnútri metódy, ale musí byť obnovený pred jej ukončením

Nemenný - immutable - objekt, ktorého stav sa po vytvorení už nikdy nezmení
V nemennej triede sa používajú konštanty alebo sa neposkytnú setter metódy

Defenzívne kopírovanie
- Getter metóda môže spôsobiť únik vnútorného objektu
- Riešením je vrátiť vždy kópiu vnútornej hodnoty objektu

Skúšanie a kontrola vedomostí

Na ďalšej hodine budeme kontrolovať nasledovné veci:

Zapísané poznámky z hodiny vo vašom zošite

Okruhy otázok na test:

Zapuzdrenie - čo to je
Techniky zapuzdrenia
Invariant
Nemenný objekt
Defenzívne kopírovanie