Generizitätin Java und C#

Riad Djemili (djemili@inf.fu-berlin.de)

Seminar Objektorientierte Programmiersprachen

Prof. Dr.-Ing. Klaus-Peter Löhr

FU-Berlin WS 03/04

Übersicht

1. Motivation1. Polymorphie

2. Probleme

2. Generizität1. Grundlagen (Eiffel, C++)

2. Java

3. C#

Motivation

Polymorphie

PolymorphieEigenschaft von Variablen, Objekte unterschiedlichen Typs speichern zu können. Variablen können Objekte zugewiesen werden, die vom gleichen Typen wie diese Variable oder von einem abgeleiteten Typen sind.

List list = new LinkedList();

Statischer TypIn der Variablendeklaration festgelegter Datentyp.

Dynamischer TypBeim Erzeugen des Objekts festgelegter Typ.

Probleme

Mächtiges Paradigma, aber nicht perfekt! Statischer Datentyp ist fest und kann für eigene

Anwendungen nicht leicht angepasst werden. Klassische Lösung:

Nutzung des niedrigsten gemeinsamen Typen der Klassenhiarchie.

Spezialiserte Implementationen mit unterschiedlichen Typen.

Ansatz 1:Nutzung von Vaterobjekten

Beispiel Java: Liste

class MyList { boolean add(Object o) {..} Object get(int index) {..}}

..

//associates Integer-Objects

MyList ints = new MyList();

ints.add(new Integer(4));

Integer foo = (String)ints.get(0);

• Unsichere Konvention, statt expliziter Sprachunterstützung.

• Typwandlungs-Laufzeitfehler, statt Übersetzungsfehler.

• Teure Typwandlungen zu Basisklasse und zurück.

• Nicht alle Programmiersprachen kennen gemeinsame Vaterobjekte.

Ansatz 2:Spezialisierte Implementationen

Beispiel Java: Math-Methoden

public static double abs(double a) {..}public static float abs(float a) {..} public static int abs(int a) {..}public static long abs(long a) {..}

Methodenüberladen (gleiche Methodennamen mit unterschiedlichen Signaturen), um verschiedene Datentypen zu unterstützen. Effizient, aber aufgeblähter und unübersichtlicher Code!

Lösung: Generizität (I)

Möglichkeit nicht nur dynamischen Typ, sondern auch statischen Typ zu variieren.

Universelle Polymorphie

Polymorphie

Inklusions-Polymorphie

(überschreiben)

Ad hoc – Polymorphie(überladen)

Parametrische Polymorphie(Generizität)

Lösung: Generizität (II)

ZieleHöhere Typsicherheit, durch Vermeidung von

unsicheren Typumwandlungs-Laufzeitfehlern.Wiederverwendbarer Code.Bessere Lesbarkeit, durch expliziter Syntax,

statt impliziter Konvention.Effizienz, da keine unnötigen Typwandlungen.

Klassische Generizitätin Eiffel und C++

Klassen Generizität

class STACK [T] ..feature

push ( elem: T ) isdo .. end

top: T isdo .. end

end

Anwendung:

intstack : STACK[INTEGER];intstack.push(3);

•Klassen werden mit formalen Typparametern deklariert.•Tatsächliche Datentypen werden als Parameter übergeben.

Ungenerischer Stack in Eiffel Generischer Stack in Eiffel

class STACK ..feature

push ( elem: INTEGER ) isdo .. end

top: INTEGER isdo .. end

end

Anwendung:

intstack : STACK;intstack.push(3);

Mehrere Parametertypen

Ausserdem mehrere generische Parametertypen möglich.

Beispiel: Ein generisches Paar in Eiffel

class PAIR[T, U] feature {NONE} // private first : T; second : U; end

Anwendung:

birthdate : PAIR[STRING,DATE];

Methoden Generizität

Generische Typen existieren auch für Funktionen!

Beispiel: Vertausche-Operation in C++

template<class T> void swap(T& x, T& y) { T temp = x; x = y; y = temp; }

Anwendung

int    i,j;  swap<int> (i,j); //a swap for int char   i,j;  swap<char>(i,j); //a swap for char

Methoden Generizität (II)

Im Gegensatz zu generischen Klassen können Typparameter bei Methoden implizit aus Argumenten abgeleitet werden!

Beispiel in C++:

int    i,j;  swap(i,j); // a swap for int float  i,j;  swap(i,j); // a swap for float

Ohne explizite Datentypangabe.

Eingeschränkte Generizität

Typeinschränkungen mittels klassischer Polymorphie:

bool pos(Comparable foo) {return foo.compareTo(x);}

Problem: Wie können wir ähnlich sichere Annahmen für generische Typen machen?

Lösung: Constrained Genericty.

class SORTED_LIST [T->COMPARABLE] ..

end

Erzwingt in Eiffel, dass T Unterklasse von Comparable sein muss, ansonsten Übersetzungsfehler.

Java

Übersicht

Seit 1995 von Sun Microsystems entwickelt. Stark objektorientiert. Umfangreiche Klassenbibliothek. Automatische Speicherverwaltung. Plattformunabhängig. Aus „Generic Java“ entwickelt und offiziell ab Java

1.5 (Sommer 2004, Codename: Tiger) unterstützt.

Ziele der Java-Implementation

Vollständige Ersetzung der aktuellen Java API durch generische Version.„Retrofitting“ alten Codes.

Vollständige Rückwärtskompabilität.Alter Code soll ohne Änderung ausführbar

bleiben.

Parametertypen

Erlaubte Typarten: Klassen sind als Parametertypen erlaubt. Primitive Typen sind nicht erlaubt. Unteranderem da für sie kein

einheitliches Typsystem existiert.

Sie müssen jeweils (uneffizient) in ihre Wrapper-Klassen gekapselt werden.

z.B. int → Integer, boolean → Boolean

Übrigens automatisches „Casting“ (Autoboxing) auch ab Java 1.5.

Ausserdem mehrere Typparameter erlaubt.

Klassen Generizität

Beispiel: Die neue java.util.Stack Klasse

class Stack<E> extends Vector<E> { public E push(E item) {..} public synchronized E pop() {..} public synchronized E peek() {..} public boolean empty() {..} public synchronized int search(Object o) {..}}

Anwendung:

Stack<String> foo = new Stack<String>();

Methoden Generizität

Methoden-Generics unterstützt. Typangabe (unintuitiverweise) vor Methodenname! Begründung ist

leichteres Parsing.

Beispiel: Eine vertausche-Operation

static <Elem> void swap(Elem[] array, int x, int y) { Elem  temp = array[x]; array[x]  = array[y]; array[y]  = temp;}

Aufrufe auch mit impliziter Typangabe.

swap(ints, 1, 3)sort(strings)

<Integer>swap(ints, 1, 3)<String>sort(strings)

Bounds

Einschränkung (bounding) der Typen durch maximal eine Oberklasse und/oder beliebiger Anzahl von Interfaces.

Beispiel: Sortierte Liste

class SortedList<T

extends Entry implements Comparable> {..}

Übersetzung (I)

Java

Übersetzung(Bytecode)

Ausführung(JVM)

Linux Windows .. Mobile

Plattformen

Implementierung von Generizitäts-Erweiterungen auf Ebene der Übersetzung.

Übersetzung (II)

Oberster Grundsatz:Die Java Virtual Machine wird nicht verändert!

Homogener Vorgang (für jeden generischen Typen wird einmalig neuer Code generiert)

1. Generische Datentypen werden durch untere Grenze ersetzt (Erasures).

2. Casting geschieht bei Attributzugriffen und Methodenrückgaben.

3. Einsetzung von Bückenmethoden bei kovarianter Vererbung. (siehe später)

Vorgang fast analog zum „manuellen“ Vorgang bisher.

Übersetzung (III)

class Cell<A> { A value; A getValue();}

..

String f(Cell<String> cell){ return cell.value;}

class Cell { Object value; Object getValue();}

..

String f(Cell cell){ return (String)cell.value;}

Übersetzung in JVM – konformen Code.

Klasse Cell wird nur einmal generiert und kann für alle Parametertypen wiederverwendet werden.

Legacy-Code (I)

Java API soll mit generischen Typen aktualisiert werden.

Stack s = new Stack();

geht aber immernoch (sogenannte „Raw Classes“)! Ohne Angabe eines Typparameters wird implizit niedrigste Typschranke angenommen. Hier also:

Stack<Object> s = new Stack<Object>();

Ermöglicht „Rückwärts-Kompabilität“, dh. alter Code kann ohne Änderung weiter mit „retrofitted“ API Klassen arbeiten.

Evtl. auch „Vorwärts-Kompabilität“ denkbar.

Legacy-Code (II)

Zuweisungen Erlaubt

Stack s = new Stack<Integer>();

Übersetzer-Warnungen, bei Methodenaufrufem mit veränderten Argumenttypen. Attributzugriffe mit veränderten Typen.

s.push(new Integer(5)); //compile-warning

Erlaubt, aber „deprecation“-Warnung, da unsicher.

Stack<Integer> s = new Stack();

Kovarianz (I)

Bisher: Invariante Rückgabetypen Rückgabetyp einer Methode muss identisch sein mit der

überschriebenen Methode.

Jetzt: Kovariante Rückgabetypen Rückgabetyp einer Methode muss Untertyp sein für alle

Methoden, die sie überschreibt.

Kovarianz wird durch Brückenmethoden realisiert.

Kovarianz (II)class A<T> {

T something() { .. }}

class B<T implements Comparable> extends A<T> {T something() { .. }

}

class A {Object something() { .. }

}

class B extends A {Comparable something() { .. }

Object something/*2*/() { return something() }

}

JVM unterstützt intern auch Methoden mit Signaturen, die sich nur im Rückgabetypen unterscheiden.

Vererbung (I)

Unintuitive TypbeziehungLinkedList<String> ist Untertyp von

List<String>.List<String> ist aber nicht Untertyp von

List<Object>.

Vererbung (II)

Naive generische Implementation von Interface Collection:

interface Collection<E> {boolean addAll(Collection<E> c);boolean containsAll(Collection<E> c);

}

Nachteil: Aufgrund von fehlerender Typbeziehung kann die generische

Methode nur eigenen Typen aufnehmen.

Collection<Number> = new Collection<Number> col;Collection<Integer> = new Collection<Integer> ints;

col.addAll(ints); Typfehler!

Vererbung (III)

Bessere generische Implementation erlaubt kovariante Argumente:

interface Collection<E> { <T extends E> boolean addAll(Collection<T> c);

<T> boolean containsAll(Collection<T> c); }

Auch wenn aktueller Typparameter bei Methodenaufruf implizit übergeben werden kann:

Unleserliche und umständliche Notation für häufiges Programmierziel.

Vererbung (IV)

Vorangetrieben durch „Variant Generic Java” WildCard-Syntax.1. Ermöglicht bessere Lesbarkeit durch anonyme Typparameter.

interface Collection<E> {boolean addAll(Collection<? extends E> c);boolean containsAll(Collection<?> c);

}

2. Ermöglicht auch Kontravarianz.

interface Collection<E> {boolean addAll(Collection<? super E> c);boolean containsAll(Collection<?> c);

}

Aber, was trotzdem nicht geht:

List<? extends Number> = new List<Integer>;

Exceptions

Nicht vollständig unterstützt.Generics dürfen nicht von java.lang.Throwable ableiten.

Typvariablen sind erlaubt in throws – Anweisung. nicht erlaubt in catch – Anweisung.

Instanziieren von Parametertypen

Aufgrund von Erasures ist es nicht möglich Parametertypen zu instanziieren.

class Singleton<T> {private T instance;

public T getInstance() {if (instance == null)

instance = new T();

return instance;}

}

Nicht erlaubt!

Reflection

Generische Klassen als Typen bekannt, allerdings keine Kenntnis über aktuelle Typparameter zur Laufzeit, da diese beim Übersetzen entfernt werden (erasures).

class SortedSet<T extends Comparable<T>> { public SortedSet() { if (T.class == Date.class) {

.. } else if (T.class == Integer.class) {

.. } }}

Kann nicht funktionieren, da T.class hier immer vom Typ Comparable ist.

Schwächen von Erasures

Unerwartete Fehler aufgrund von gleichen Erasures class Tool {

public void do(Collection<Integer>) {..} public void do(Collection<String>) {..}}

class C<A> { A id(A x) {..}}

interface I<A> { A id(A x);}

class D extends C<String> implements I<Integer> { String id(String x) {..} Integer id(Integer x) {..}}

Zusammenfassung

Vorteil Leichter Übergang zwischen generischem und ungenerischem

Code. Keine neue konkurrierende Java API. Anonyme Typparameter (Wildcards).

Nachteil Keine primitiven Datentypen erlaubt. Uneffizient, da up/down - casting intern immernoch nötig. Kein Wissen über aktuelle generische Typparameter. Typparameter können nicht instanziiert werden. Verschiedene Restriktionen im Zusammenhang mit Erasures

C#

Übersicht

Seit Februar 2001 von Microsoft entwickelt.Stark objektorientiert.Umfangreiche Klassenbibliothek.Automatische Speicherverwaltung.Teil des .NET FrameworksBald (Mitte/Ende 2004!?) auch Generics.

Ziel der .Net Implementation

Saubere vollständige Implementation von Generics. Einführung neuer Intermediate Language Typen.

Einführung neuer generischer Klassen in das .NET Framework. Aktuelles nicht-generisches .NET Framework bleibt

erhalten.

Parametertypen

Typarten:Klassen sind als Parametertypen erlaubt.Primitive Typen sind erlaubt, da alle Typen

(Referenz- und Datentypen) einen gemeinsamen Obertypen haben.

Auch mehrere generische Typen erlaubt.

Klassen Generizität

Beispiel: Eine sortierte Liste

class SortedList<EntryType> where EntryType : IComparable{

public void insert(EntryType item) {..} public void remove(EntryType item) {..} public bool contains(EntryType item) {..} public bool empty() {..}}

Anwendung:

SortedList<int> ss = new SortedList<int>();

Ausserdem Unterstützung für Structs und Delegates.

Methoden Generizität

Methoden-Generics unterstützt. Typangabe intuitiverweise hinter Methodenname!

Beispiel: swap

static void swap<Elem>(Elem[] array, int x, int y) { Elem  temp = array[x]; array[x]  = array[y]; array[y]  = temp; }

Aufrufe auch mit impliziter Typangabe.

swap(ints, 1, 3)sort(strings)

swap<int>(ints, 1, 3)sort<string>(strings)

Constraining

Einschränkung (analog zu Java) der Typen durch maximal eine Oberklasse und/oder beliebiger Anzahl von Interfaces.

Beispiel: Zwei eingeschränkte Typparameter.

pulic class MyList<K,T> where K : Icomparable<K>, IEnumerable

where T : Customer { .. }

Notation umständlicher als bei Java!?

Übersetzung (I)

C#

Übersetzung(MIL)

Ausführung(CLR)

(Linux) Windows .. Mobile

Plattformen

Implementierung von Generizitäts-Erweiterungen auf Ebene der Ausführung.

Java#VB .NET ..

Sprachen

Übersetzung (II)

Typabhängige Übersetzung:Für ReferenceTypes (Klassen)

wird einmal generierter gemeinsamer Code wiederverwendet (homogener Vorgang).

Für ValueTypes (primitive Typen)wird bei jeder ersten Benutzung spezieller Code generiert (heterogener Vorgang).

Legacy-Code (I)

.NET API erhält zusätzliche generische Klassen. Ausmass abgesehen von Collections Namespace

noch unbekannt.

„Rückwärts-Kompabilität“ wird durch Beibehaltung der alten Klassen gewährleistet.

Mischung von generischem und ungenerischem Code nur schwer.

Legacy-Code (II)

System.Collections System.Collections.GenericsComparer Comparer<T>

HashTable Dictionary<K,T>

ArrayList List<T>

Queue Queue<T>

SortedList SortedDictionary<K,T>

Stack Stack<T>

ICollection ICollection<T>

System.Comparable IComparable<T>

IComparer IComparer<T>

Idictionary IDictionary<K,T>

Ienumerable IEnumerable<T>

IEnumerator IEnumerator<T>

IKeyComparer IKeyComparer<T>

IList IList<T>

Typenvarianz

Nur Invariante RückgabetypenRückgabetyp einer Methode muss identisch

sein mit der überschriebenen Methode.

Keine Wildcard-Syntax.Keine Kontravarianz.

Exceptions

Vollständige Unterstützung.Generics dürfen von System.Exception

ableiten.Typvariablen sind

erlaubt in throws – Anweisung. erlaubt in catch – Anweisung, wenn sie vom Typ System.Exception ableiten.

Instanziieren von Parametertypen

Parametertypen können instanziiert werden, wenn sie einen Konstruktor ohne Argumente bieten. Garantie muss als zusätzliches Constraint „new()“ angegeben werden.

Beispiel:

class Singleton<T> where T : new() { private T instance;

public T getInstance() {if (instance == null) instance = new T();

return instance; }}

Reflection

Volle Reflectionunterstützung von generischen Typen.

Type type = typeof(List<int>);

Type-Klasse wird erweitert mit speziellen Eigenschaften von generischen Typen:

int GenericParameterPosition{virtual get;} bool HasGenericParameters{get;} bool HasUnboundGenericParameters{virtual get;} bool IsGenericParameter{virtual get;} bool IsGenericTypeDefinition{virtual get;} virtual Type BindGenericParameters(Type[] typeArgs); virtual Type[] GetGenericParameters(); virtual Type GetGenericTypeDefinition();

Erlaubt auch Zugriff auf aktuelle Typparameter.

Zusammenfassung

Vorteil Intuitive und vollständige Umsetzung von generischen Typen. Effizienz. Vollständige Typkenntnis zur Laufzeit (Reflection).

Nachteil Absolute Trennung zwischen generischen und nicht

generischem Code. API kann nicht rückwärtskompatibel umgeschrieben werden. Keine Kontravarianz. Umständlichere Notation.

Konklusion

Fazit

Generizität Sinnvoll und allgemein anerkannt. Birgt aber auch zusätzliche Komplexität. Nicht immer

klar, wann angebracht. Implementationen

Java Rückwärts-Kompabilität positiv, allerdings grosse

Einschränkungen bei Nutzung von generischen Typen. C#

Gute Unterstützung für generische Typen, aber unklare Konsequenz für .NET Framework.

Referenzen

Adding Generics to the Java Programming Language: Public Draft Specification, Version 2.0Bracha, Cohen, Kemper, Odersky, Stoutamire, Thorup, Wadler

Variant Generic Types Sun Microsystems

Design an Implementation of Generics forthe .NET Common Language RuntimeAndrew Kennedy, Don Syme

MSDN Article: Introduction to C# GenericsJuval Lowy