Rajapinta

Rajapinnan (engl. interface) avulla määritellään luokalta vaadittu käyttäytyminen, eli sen metodit. Rajapinnat määritellään kuten normaalit Javan luokat, mutta luokan alussa olevan määrittelyn "public class ..." sijaan käytetään määrittelyä "public interface ...". Rajapinnat määrittelevät käyttäytymisen metodien niminä ja palautusarvoina, mutta ne eivät aina sisällä metodien konkreettista toteutusta. Näkyvyysmäärettä rajapintoihin ei erikseen merkitä, sillä se on aina public. Tutkitaan luettavuutta kuvaavaa rajapintaa Luettava.

public interface Luettava {
    String lue();
}

Rajapinta Luettava määrittelee metodin lue(), joka palauttaa String-tyyppisen olion. Luettava kuvaa käyttäytymistä: esimerkiksi tekstiviesti tai sähköpostiviesti voi olla luettava.

Rajapinnan toteuttavat luokat päättävät miten rajapinnassa määritellyt metodit toteutetaan. Luokka toteuttaa rajapinnan lisäämällä luokan nimen jälkeen avainsanan implements, jota seuraa rajapinnan nimi. Luodaan luokka Tekstiviesti, joka toteuttaa rajapinnan Luettava.

public class Tekstiviesti implements Luettava {
    private String lahettaja;
    private String sisalto;

    public Tekstiviesti(String lahettaja, String sisalto) {
        this.lahettaja = lahettaja;
        this.sisalto = sisalto;
    }

    public String getLahettaja() {
        return this.lahettaja;
    }

    public String lue() {
        return this.sisalto;
    }
}

Koska luokka Tekstiviesti toteuttaa rajapinnan Luettava (public class Tekstiviesti implements Luettava), on luokassa Tekstiviesti pakko olla metodin public String lue() toteutus. Rajapinnassa määriteltyjen metodien toteutuksilla tulee aina olla näkyvyysmääre public.

Toteutetaan luokan Tekstiviesti lisäksi toinen Luettava rajapinnan toteuttava luokka. Luokka Sahkokirja on sähköinen toteutus kirjasta, joka sisältää kirjan nimen ja sivut. Sähkökirjaa luetaan sivu kerrallaan, metodin public String lue() kutsuminen palauttaa aina seuraavan sivun merkkijonona.

public class Sahkokirja implements Luettava {
    private String nimi;
    private ArrayList<String> sivut;
    private int sivunumero;

    public Sahkokirja(String nimi, ArrayList<String> sivut) {
        this.nimi = nimi;
        this.sivut = sivut;
        this.sivunumero = 0;
    }

    public String getNimi() {
        return this.nimi;
    }

    public int sivuja() {
        return this.sivut.size();
    }

    public String lue() {
        String sivu = this.sivut.get(this.sivunumero);
        seuraavaSivu();
        return sivu;
    }

    private void seuraavaSivu() {
        this.sivunumero = this.sivunumero + 1;
        if(this.sivunumero % this.sivut.size() == 0) {
            this.sivunumero = 0;
        }
    }
}

Rajapinnan toteuttavasta luokasta voi tehdä olioita aivan kuten normaaleistakin luokista, ja niitä voidaan käyttää myös esimerkiksi ArrayList-listojen tyyppinä.

Tekstiviesti viesti = new Tekstiviesti("ope", "Huikeaa menoa!");
System.out.println(viesti.lue());

ArrayList<Tekstiviesti> tekstiviestit = new ArrayList<>();
tekstiviestit.add(new Tekstiviesti("tuntematon numero", "I hid the body.");

Esimerkkitulostus

Huikeaa menoa!

ArrayList<String> sivut = new ArrayList<>();
sivut.add("Pilko metodisi lyhyiksi luettaviksi kokonaisuuksiksi.");
sivut.add("Erota käyttöliittymälogiikka sovelluksen logiikasta.");
sivut.add("Ohjelmoi aina ensin pieni osa, jolla ratkaiset osan ongelmasta.");
sivut.add("Harjoittelu tekee mestarin. Keksi ja tee omia kokeiluja ja projekteja.");

Sahkokirja kirja = new Sahkokirja("Vinkkejä ohjelmointiin.", sivut);

int sivu = 0;
while (sivu < kirja.sivuja()) {
    System.out.println(kirja.lue());
    sivu = sivu + 1;
}

Esimerkkitulostus

Pilko metodisi lyhyiksi luettaviksi kokonaisuuksiksi. Erota käyttöliittymälogiikka sovelluksen logiikasta. Ohjelmoi aina ensin pieni osa, jolla ratkaiset osan ongelmasta. Harjoittelu tekee mestarin. Keksi ja tee omia kokeiluja ja projekteja.

Rajapinta muuttujan tyyppinä

Uutta muuttujaa esitellessä kerrotaan aina muuttujan tyyppi. Tyyppejä on kahdenlaisia, alkeistyyppiset muuttujat (int, double, ...) ja viittaustyyppiset muuttujat (kaikki oliot). Olemme tähän mennessä käyttäneet viittaustyyppisten muuttujien tyyppinä olion luokkaa.

String merkkijono = "merkkijono-olio";
Tekstiviesti viesti = new Tekstiviesti("ope", "samalla oliolla monta tyyppiä");

Olion tyyppi voi olla muutakin kuin sen luokka. Esimerkiksi rajapinnan Luettava toteuttavan luokan Sahkokirja tyyppi on sekä Sahkokirja että Luettava. Samalla tavalla myös tekstiviestillä on monta tyyppiä. Koska luokka Tekstiviesti toteuttaa rajapinnan Luettava, on sillä tyypin Tekstiviesti lisäksi myös tyyppi Luettava.

Tekstiviesti viesti = new Tekstiviesti("ope", "Kohta tapahtuu huikeita");
Luettava luettava = new Tekstiviesti("ope", "Tekstiviesti on Luettava!");

ArrayList<String> sivut = new ArrayList<>();
sivut.add("Metodi voi kutsua itse itseään.");

Luettava kirja = new Sahkokirja("Rekursion alkeet.", sivut);

int sivu = 0;
while (sivu < kirja.sivuja()) {
    System.out.println(kirja.lue());
    sivu = sivu + 1;
}

Koska rajapintaa voidaan käyttää tyyppinä, on mahdollista luoda rajapintaluokan tyyppisiä olioita sisältävä lista.

ArrayList<Luettava> lukulista = new ArrayList<>();

lukulista.add(new Tekstiviesti("ope", "never been programming before..."));
lukulista.add(new Tekstiviesti("ope", "gonna love it i think!"));
lukulista.add(new Tekstiviesti("ope", "give me something more challenging! :)"));
lukulista.add(new Tekstiviesti("ope", "you think i can do it?"));
lukulista.add(new Tekstiviesti("ope", "up here we send several messages each day"));


ArrayList<String> sivut = new ArrayList<>();
sivut.add("Metodi voi kutsua itse itseään.");

lukulista.add(new Sahkokirja("Rekursion alkeet.", sivut));

for (Luettava luettava: lukulista) {
    System.out.println(luettava.lue());
}

Huomaa että vaikka rajapinnan Luettava toteuttava luokka Sahkokirja on aina rajapinnan tyyppinen, eivät kaikki Luettava-rajapinnan toteuttavat luokat ole tyyppiä Sahkokirja. Luokasta Sahkokirja tehdyn olion asettaminen Luettava-tyyppiseen muuttujaan onnistuu, mutta toiseen suuntaan asetus ei ole sallittua ilman erillistä tyyppimuunnosta.

Luettava luettava = new Tekstiviesti("ope", "Tekstiviesti on Luettava!"); // toimii
Tekstiviesti viesti = luettava; // ei toimi

Tekstiviesti muunnettuViesti = (Tekstiviesti) luettava; // toimii jos ja vain jos
                                                        // luettava on tyyppiä Tekstiviesti

Tyyppimuunnos onnistuu jos ja vain jos muuttuja on oikeastikin sitä tyyppiä johon sitä yritetään muuntaa. Tyyppimuunnoksen käyttöä ei yleisesti suositella, ja lähes ainut sallittu paikka sen käyttöön on equals-metodin toteutuksessa.

Rajapinta metodin parametrina

Rajapintojen todelliset hyödyt tulevat esille kun niitä käytetään metodille annettavan parametrin tyyppinä. Koska rajapintaa voidaan käyttää muuttujan tyyppinä, voidaan sitä käyttää metodikutsuissa parametrin tyyppinä. Esimerkiksi seuraavan luokan Tulostin metodi tulosta saa parametrina Luettava-tyyppisen muuttujan.

public class Tulostin {
    public void tulosta(Luettava luettava) {
        System.out.println(luettava.lue());
    }
}

Luokan Tulostin tarjoaman metodin tulosta huikeus piilee siinä, että sille voi antaa parametrina minkä tahansa Luettava-rajapinnan toteuttavan luokan ilmentymän. Kutsummepa metodia millä tahansa Luettava-luokan toteuttaneen luokan oliolla, metodi osaa toimia oikein.

Tekstiviesti viesti = new Tekstiviesti("ope", "Huhhuh, tää tulostinkin osaa tulostaa näitä!");

ArrayList<String> sivut = new ArrayList<>();
sivut.add("Lukujen {1, 3, 5} ja {2, 3, 4, 5} yhteisiä lukuja ovat {3, 5}.");
Sahkokirja kirja = new Sahkokirja("Yliopistomatematiikan perusteet.", sivut);

Tulostin tulostin = new Tulostin();
tulostin.tulosta(viesti);
tulostin.tulosta(kirja);

Esimerkkitulostus

Huhhuh, tää tulostinkin osaa tulostaa näitä! Lukujen {1, 3, 5} ja {2, 3, 4, 5} yhteisiä lukuja ovat {3, 5}.

Toteutetaan toinen luokka Lukulista, johon voidaan lisätä mielenkiintoisia luettavia asioita. Luokalla on oliomuuttujana ArrayList-luokan ilmentymä, johon luettavia asioita tallennetaan. Lukulistaan lisääminen tapahtuu lisaa-metodilla, joka saa parametrikseen Luettava-tyyppisen olion.

public class Lukulista {
    private ArrayList<Luettava> luettavat;

    public Lukulista() {
        this.luettavat = new ArrayList<>();
    }

    public void lisaa(Luettava luettava) {
        this.luettavat.add(luettava);
    }

    public int luettavia() {
        return this.luettavat.size();
    }
}

Lukulistat ovat yleensä luettavia, joten toteutetaan luokalle Lukulista rajapinta Luettava. Lukulistan lue-metodi lukee kaikki luettavat-listalla olevat oliot läpi, ja lisää yksitellen niiden lue()-metodin palauttaman merkkijonoon.

public class Lukulista implements Luettava {
    private ArrayList<Luettava> luettavat;

    public Lukulista() {
        this.luettavat = new ArrayList<>();
    }

    public void lisaa(Luettava luettava) {
        this.luettavat.add(luettava);
    }

    public int luettavia() {
        return this.luettavat.size();
    }

    public String lue() {
        String luettu = "";

        for (Luettava luettava: this.luettavat) {
            luettu = luettu + luettava.lue() + "\n";
        }

        // kun lukulista on luettu, tyhjennetään se
        this.luettavat.clear();
        return luettu;
    }
}

Lukulista joninLista = new Lukulista();
joninLista.lisaa(new Tekstiviesti("arto", "teitkö jo testit?"));
joninLista.lisaa(new Tekstiviesti("arto", "katsoitko jo palautukset?"));

System.out.println("Jonilla luettavia: " + joninLista.luettavia());

Esimerkkitulostus

Jonilla luettavia: 2

Koska Lukulista on tyyppiä Luettava, voi lukulistalle lisätä Lukulista-olioita. Alla olevassa esimerkissä Jonilla on paljon luettavaa. Onneksi Verna tulee hätiin ja lukee viestit Jonin puolesta.

Lukulista joninLista = new Lukulista();
int i = 0;
while (i < 1000) {
    joninLista.lisaa(new Tekstiviesti("arto", "teitkö jo testit?"));
    i = i + 1;
}

System.out.println("Jonilla luettavia: " + joninLista.luettavia());
System.out.println("Delegoidaan lukeminen Vernalle");

Lukulista vernanLista = new Lukulista();
vernanLista.lisaa(joninLista);
vernanLista.lue();

System.out.println();
System.out.println("Jonilla luettavia: " + joninLista.luettavia());

Esimerkkitulostus

Jonilla luettavia: 1000 Delegoidaan lukeminen Vernalle

Jonilla luettavia: 0

Ohjelmassa Vernan listalle kutsuttu lue-metodi käy kaikki sen sisältämät Luettava-oliot läpi, ja kutsuu niiden lue-metodia. Kutsuttaessa lue-metodia Vernan listalle käydään myös Vernan lukulistalla oleva Jonin lukulista läpi. Jonin lukulista käydään läpi kutsumalla sen lue-metodia. Jokaisen lue-metodin kutsun lopussa tyhjennetään juuri luettu lista. Eli Jonin lukulista tyhjenee kun Verna lukee sen.

Kuten huomaat, ohjelmassa on jo hyvin paljon viitteitä. Kannattaa piirtää ohjelman tilaa askeleittain paperille, ja hahmotella miten vernanLista-oliolle tapahtuva metodikutsu lue etenee!

Rajapinta metodin paluuarvona

Kuten mitä tahansa muuttujan tyyppiä, myös rajapintaa voi käyttää metodin paluuarvona. Seuraavassa Tehdas, jota voi pyytää valmistamaan erilaisia Talletettava-rajapinnan toteuttavia oliota. Tehdas valmistaa aluksi satunnaisesti kirjoja ja levyjä.

import java.util.Random;

public class Tehdas {

    public Tehdas() {
        // HUOM: parametritonta tyhjää konstruktoria ei ole pakko kirjoittaa,
        // jos luokalla ei ole muita konstruktoreja
        // Java tekee automaattisesti tälläisissä tilanteissa luokalle oletuskonstruktorin
        // eli parametrittoman tyhjän konstruktorin
    }

    public Talletettava valmistaUusi() {
        // Tässä käytettyä Random-oliota voi käyttää satunnaisten lukujen arpomiseen
        Random arpa = new Random();
        // arpoo luvun väliltä [0, 4[. Luvuksi tulee 0, 1, 2 tai 3.
        int luku = arpa.nextInt(4);

        if (luku == 0) {
            return new CDLevy("Pink Floyd", "Dark Side of the Moon", 1973);
        } else if (luku == 1) {
            return new CDLevy("Wigwam", "Nuclear Nightclub", 1975);
        } else if (luku == 2) {
            return new Kirja("Robert Martin", "Clean Code", 1);
        } else {
            return new Kirja("Kent Beck", "Test Driven Development", 0.7);
        }
    }
}

Tehdasta on mahdollista käyttää tuntematta tarkalleen mitä erityyppisiä Talletettava-rajapinnan luokkia on olemassa. Seuraavassa luokka Pakkaaja, jolta voi pyytää laatikollisen esineitä. Pakkaaja tuntee tehtaan, jota se pyytää luomaan esineet:

public class Pakkaaja {
    private Tehdas tehdas;

    public Pakkaaja() {
        this.tehdas = new Tehdas();
    }

    public Laatikko annaLaatikollinen() {
         Laatikko laatikko = new Laatikko(100);

         int i = 0;
         while (i < 10) {
             Talletettava uusiTavara = tehdas.valmistaUusi();
             laatikko.lisaa(uusiTavara);

             i = i + 1;
         }

         return laatikko;
    }
}

Koska pakkaaja ei tunne rajapinnan Talletettava toteuttavia luokkia, on ohjelmaan mahdollisuus lisätä uusia luokkia jotka toteuttavat rajapinnan ilman tarvetta muuttaa pakkaajaa. Seuraavassa on luotu uusi Talletettava-rajapinnan toteuttava luokka, Suklaalevy. Tehdasta on muutettu siten, että se luo kirjojen ja cd-levyjen lisäksi suklaalevyjä. Luokka Pakkaaja toimii muuttamatta tehtaan laajennetun version kanssa.

public class Suklaalevy implements Talletettava {
    // koska Javan generoima oletuskonstruktori riittää, emme tarvitse konstruktoria!

    public double paino() {
        return 0.2;
    }
}

import java.util.Random;

public class Tehdas {
    // koska Javan generoima oletuskonstruktori riittää, emme tarvitse konstruktoria!

    public Talletettava valmistaUusi() {

        Random arpa = new Random();
        int luku = arpa.nextInt(5);

        if (luku == 0) {
            return new CDLevy("Pink Floyd", "Dark Side of the Moon", 1973);
        } else if (luku == 1) {
            return new CDLevy("Wigwam", "Nuclear Nightclub", 1975);
        } else if (luku == 2) {
            return new Kirja("Robert Martin", "Clean Code", 1 );
        } else if (luku == 3) {
            return new Kirja("Kent Beck", "Test Driven Development", 0.7);
        } else {
            return new Suklaalevy();
        }
    }
}

Valmiit rajapinnat

Javan API tarjoaa huomattavan määrän valmiita rajapintoja. Tutustutaan tässä neljään usein käytettyyn rajapintaan: List, Map, Set ja Collection.

List-rajapinta

Rajapinta List määrittelee listoihin liittyvän peruskäyttäytymisen. Koska ArrayList-luokka toteuttaa List-rajapinnan, voi sitä käyttää myös List-rajapinnan kautta.

List<String> merkkijonot = new ArrayList<>();
merkkijonot.add("merkkijono-olio arraylist-oliossa!");

Kuten huomaamme List-rajapinnan Java API:sta, rajapinnan List toteuttavia luokkia on useita. Eräs tietojenkäsittelijöille tuttu listarakenne on linkitetty lista (linked list). Linkitettyä listaa voi käyttää rajapinnan List-kautta täysin samoin kuin ArrayLististä luotua oliota.

List<String> merkkijonot = new LinkedList<>();
merkkijonot.add("merkkijono-olio linkedlist-oliossa!");

Molemmat rajapinnan List toteutukset toimivat käyttäjän näkökulmasta samoin. Rajapinta siis abstrahoi niiden sisäisen toiminnallisuuden. ArrayListin ja LinkedListin sisäinen rakenne on kuitenkin huomattavan erilainen. ArrayList tallentaa alkioita taulukkoon, josta tietyllä indeksillä hakeminen on nopeaa. LinkedList taas rakentaa listan, jossa jokaisessa listan alkiossa on viite seuraavan listan alkioon. Kun linkitetyssä listassa haetaan alkiota tietyllä indeksillä, tulee listaa käydä läpi alusta indeksiin asti.

Isoilla listoille voimme nähdä huomattaviakin suorituskykyeroja. Linkitetyn listan vahvuutena on se, että listaan lisääminen on aina nopeaa. ArrayListillä taas taustalla on taulukko, jota täytyy kasvattaa aina kun se täyttyy. Taulukon kasvattaminen vaatii uuden taulukon luonnin ja vanhan taulukon tietojen kopioinnin uuteen taulukkoon. Toisaalta, indeksin perusteella hakeminen on Arraylististä erittäin nopeaa, kun taas linkitetyssä listassa joudutaan käymään listan alkioita yksitellen läpi tiettyyn indeksiin pääsemiseksi.

Tällä ohjelmointikurssilla eteen tulevissa tilanteissa kannattanee käytännössä valita aina ArrayList. "Rajapintoihin ohjelmointi" kuitenkin kannattaa: toteuta ohjelmasi siten, että käytät tietorakenteita rajapintojen kautta.

Map-rajapinta

Rajapinta Map määrittelee hajautustauluihin liittyvän peruskäyttäytymisen. Koska HashMap-luokka toteuttaa Map-rajapinnan, voi sitä käyttää myös Map-rajapinnan kautta.

Map<String, String> kaannokset = new HashMap<>();
kaannokset.put("ganbatte", "tsemppiä");
kaannokset.put("hai", "kyllä");

Hajautustaulun avaimet saa hajautustaulusta keySet-metodin avulla.

Map<String, String> kaannokset = new HashMap<>();
kaannokset.put("ganbatte", "tsemppiä");
kaannokset.put("hai", "kyllä");

for (String avain: kaannokset.keySet()) {
    System.out.println(avain + ": " + kaannokset.get(avain));
}

Esimerkkitulostus

ganbatte: tsemppiä hai: kyllä

Metodi keySet palauttaa Set-rajapinnan toteuttavan joukon alkioita. Set-rajapinnan toteuttavan joukon voi käydä läpi for-each-lauseella. Hajautustaulusta saa talletetut arvot metodin values-avulla. Metodi values palauttaa Collection rajapinnan toteuttavan joukon alkioita. Tutustutaan vielä pikaisesti Set- ja Collection-rajapintoihin.

Set-rajapinta

Rajapinta Set kuvaa joukkoihin liittyvää toiminnallisuutta. Javassa joukot sisältävät aina joko 0 tai 1 kappaletta tiettyä oliota. Set-rajapinnan toteuttaa muun muassa HashSet. Joukon alkioita pystyy käymään läpi seuraavasti.

Set<String> joukko = new HashSet<>();
joukko.add("yksi");
joukko.add("yksi");
joukko.add("kaksi");

for (String alkio: joukko) {
    System.out.println(alkio);
}

Esimerkkitulostus

yksi kaksi

Huomaa että HashSet ei ota millään tavalla kantaa joukon alkioiden järjestykseen. Mikäli HashSet-olioon lisätään omista luokista tehtyjä olioita, tulee niille olla määriteltynä metodit equals ja hashCode.

Collection-rajapinta

Rajapinta Collection kuvaa kokoelmiin liittyvää toiminnallisuutta. Javassa muun muassa listat ja joukot ovat kokoelmia — rajapinnat List ja Set toteuttavat rajapinnan Collection. Kokoelmarajapinta tarjoaa metodit muun muassa alkioiden olemassaolon tarkistamiseen (metodi contains) ja kokoelman koon tarkistamiseen (metodi size).

Collection-rajapinta määrää myös läpikäynnin toteuttamisesta. Jokaisella luokalla, joka toteuttaa Collection-rajapinnan joko välillisesti tai suoraan, on myös for-each-toistolauseessa tarvittava toiminnallisuus.

Luodaan vielä hajautustaulu ja käydään erikseen läpi siihen liittyvät avaimet ja arvot.

Map<String, String> kaannokset = new HashMap<>();
kaannokset.put("ganbatte", "tsemppiä");
kaannokset.put("hai", "kyllä");

Set<String> avaimet = kaannokset.keySet();
Collection<String> avainKokoelma = avaimet;

System.out.println("Avaimet:");
for (String avain: avainKokoelma) {
    System.out.println(avain);
}

System.out.println();
System.out.println("Arvot:");
Collection<String> arvot = kaannokset.values();

for (String arvo: arvot) {
    System.out.println(arvo);
}

Esimerkkitulostus

Avaimet: ganbatte hai

Arvot: kyllä tsemppiä

Seuraavassa tehtävässä rakennetaan verkkokauppaan liittyvää toiminnallisuutta ja harjoitellaan luokkien käyttämistä niiden tarjoamien rajapintojen kautta.

Pääsit aliluvun loppuun! Jatka tästä seuraavaan osaan:

3. Olioiden monimuotoisuus

Muistathan tarkistaa pistetilanteesi materiaalin oikeassa alareunassa olevasta pallosta!