5.1.1 Datenkapselung

Das erste Konzept, die Datenkapselung, kann man als eine technische Weiterentwicklung der abstrakten Datentypen sehen.

  1. Primitive Datentypen (z.Bsp. int x = 10;)
  2. Strukturierte Datentypen wie Felder oder struct in der Programmiersprache C erlauben mehrere Typen in einer Struktur zusammenzufassen.
  3. Klassen, die es erlauben mehrere Datentypen (diese werden Attribute genannt) mit den dazugehörigen Methoden zusammenzufassen und zu kapseln.
    • Beispiel: Eine Linie, die aus zwei Punkten besteht und den Zugriff auf die Punkte nur nach bestimmten Vorschriften in Methoden kapselt.

Datenkapselung ist das Verbergen von Attributen und Methoden durch Einschränkung des Zugriffs von Ausserhalb der Klasse.

Durch dieses Prinzip ergeben sich beim Entwurf und bei der Wartung von Anwendungen eine Reihe von Vorteilen:

  • Divide et impera (Teile und herrsche): Benutzer und Implementierer einer Klasse können unabhängig von einander entwickeln. Der Entwickler muss nur darauf achten die externen Schnittstellen (öffentliche Methoden und Attribute) stabil zu halten.
  • Integrität: Unbeabsichtigte Zustandsänderungen werden unterbunden. Beim Setzen eines Attributs müssen eventuell noch andere Operationen durchgeführt werden.

Datenkapselung ist die Voraussetzung zur Implementierung von Schnittstellen:

Schnittstelle
Die Gesamtheit der öffentlichen Strukturen einer Datenstruktur(Klasse) mit der Konsumenten(Verwender) einer Datenstruktur interagieren können. Schnittstellen stellen die Funktionalität einer Datenstruktur(Klasse) nach außen zur Verfügung.

 Entwickler sollten beim Anwendungsentwurf eine:

  • maximale Datenkapselung und
  • minimale Schnittstelle

einplanen. Klassen sollten möglichst autark sein und auf möglichst wenig andere Schnittstellen und Klassen zugreifen.

Sichtbarkeitssteuerung in Java mit Hilfe der Schlüsselwörter public und private

Java erlaubt den Zugriff auf Methoden und Attribute mit Hilfe der Schlüsselwörter private und public vor dem Namen des Attributs oder Methode zu steuern:

  • public: Methoden und Attribute einer Klasse können
    • von Methoden der Klasse selbst genutzt werden
    • von Methoden andere Klassen genutzt werden (externe Benutzung)
  • private: Methoden und Attribute einer Klasse können
    • von Methoden der Klasse selbst genutzt werden
    • nicht von Methoden ausserhalb der Klasse genutzt werden

Diese Zugriffssteuerung erlaubt die Implementierung der folgenden Empfehlung

  • Eine Klasse sollte nur die Attribute und Methoden veröffentlichen die externe Konsumenten unbedingt brauchen
  • Man sollte als Standard alle Attribute als private deklarieren
  • Man sollte als Standard Zugriff auf Attribute immer nur indirekt über öffentliche Methoden (public) gewährleisten

 Attribute und Methoden ohne ein Schlüsselwort werden in Java als public Attribute und Methoden behandelt um den Zugriff im gleichen Paket zu erlauben.

Java verfügt auch über das Schlüsselwort protected welches den Zugriff nur innerhalb eines Pakets erlaubt. Pakete werden erst in der weiterführenden Vorlesung eingeführt werden.

Zugriffssteuerung mit Get- und Set- Methoden

Es ist eine Konvention (und guter Programmierstil) in Java den Zugriff auf private Attribute mit Methoden zu gewähren denen man vor dem Attributnamen get- bzw. set- voranstellt:

class Person() {
   private String name;
   public void setName(String n) { name = n;}
   public String getName() { return name;}
}
 getter und setter Methoden

Dieser Programmierstil bietet eine Reihe von Vorteilen:

  • zukünftige Wartungsaufwände und Erweiterungen können leichter implementiert werden, da externe Benutzer ihre Implementierung nicht ändern müssen
    • Die interne Implementierung kann vollständig geändert werden solange die Signatur der öffentlichen Methoden unverändert bleibt.
  • get-, set- Methoden erlauben das Implementieren weitergehender Konsistenzprüfungen.

Anmerkung: Laufzeiteinbußen durch solche Trivialmethoden sind in der Regel nicht zu befürchten. Der Java "Just in Time" (JIT) Übersetzer des Laufzeitsystems wird mit hoher Wahrscheinlichkeit solche Methoden zur Laufzeit durch Methoden-inlining wegoptimieren.