Praktische Informatik

Objektorientierte Modellierung: Klasse, Objekt, Attribut, Methode

Wie man einen Ausschnitt der Welt so beschreibt, dass ein Rechner damit arbeiten kann, und warum Vektorgrafik genau so aufgebaut ist.

Benötigte Grundlagen

Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.

Einführung

Zeichne einen Kreis in einem Grafikprogramm, ziehe ihn größer, färbe ihn blau. Speichere die Datei und öffne sie eine Woche später: Der Kreis lässt sich immer noch verschieben, vergrößern, umfärben. Bei einem Foto geht das nicht. Dort sind nur Bildpunkte gespeichert, und ein Bildpunkt weiß nicht, dass er zu einem Kreis gehört. Der Unterschied ist kein Trick des Programms, sondern eine Entscheidung darüber, was gespeichert wird . Und diese Entscheidung folgt einem Denkmuster, das weit über Grafik hinausreicht: Es steckt in jeder App, jedem Spiel und jeder Verwaltungssoftware.

Das kannst du nach diesem Kapitel

$die Begriffe Klasse, Objekt, Attribut, Attributwert und Methode erklären und sauber auseinanderhalten.$
$für einen gegebenen Sachverhalt ein einfaches objektorientiertes Modell entwerfen.$
$ein Modell als Klassendiagramm darstellen.$
$beschreiben, wie sich das Ändern eines Attributwerts auswirkt.$
$Vektorgrafik und Rastergrafik unterscheiden und die Wahl begründen.$

Wir fangen bei einer einzelnen Figur an

Auf dem Bildschirm liegt ein Kreis. Was muss ein Programm über ihn wissen, um ihn jederzeit neu zeichnen zu können? wo sein Mittelpunkt liegt wie groß sein Radius ist welche Farbe seine Fläche hat wie dick und in welcher Farbe sein Rand ist Mehr nicht. Diese Angaben heißen Attribute, die konkreten Eintragungen heißen Attributwerte . Der Kreis selbst, also dieses eine Ding mit diesen Werten, heißt Objekt . Attribut Attributwert mittelpunktX 120 mittelpunktY 80 radius 45 fuellfarbe blau randdicke 2 Jetzt kommt ein zweiter Kreis dazu, größer und rot. Er hat dieselben Attribute, nur andere Werte. Und ein dritter, und ein vierter.

Attribut	Attributwert
mittelpunktX	120
mittelpunktY	80
radius	45
fuellfarbe	blau
randdicke	2

Warum man den Bauplan vom Ding trennt

Es wäre unsinnig, für jeden Kreis neu aufzuschreiben, dass ein Kreis einen Radius hat. Der Bauplan ist immer derselbe; verschieden sind nur die Eintragungen. Diesen Bauplan nennt man Klasse . Sie legt fest, welche Attribute es gibt und was man mit den Dingen machen kann. Jedes einzelne Ding, das nach diesem Bauplan entsteht, ist ein Objekt dieser Klasse. Klasse = Bauplan. Objekt = ein Ding nach diesem Bauplan. Der Vergleich, der fast immer trägt: Der Bauplan eines Hauses ist keine Wohnung. Nach demselben Bauplan können zwanzig Häuser entstehen, jedes mit anderer Farbe und anderen Bewohnern. Man kann im Bauplan nicht wohnen, und man kann ein Haus nicht kopieren, indem man den Bauplan kopiert.

Bauplan und die Dinge daraus

Oben der Bauplan, unten zwei Dinge . Der Unterschied steckt in den Zeilen: In der Klasse steht punkte: Ganzzahl, was es gibt und welcher Art. In den Objekten steht punkte = 120 beziehungsweise punkte = 45, was gerade ist. Deshalb ist die Klasse gestrichelt gezeichnet: Sie ist nichts, was im Speicher liegt, sondern die Vorschrift, nach der Objekte entstehen.

Was Objekte können: Methoden

\texttt{verschieben}

Das Klassendiagramm

Ein Klassendiagramm stellt eine Klasse als Kasten mit drei Feldern dar: oben der Name, in der Mitte die Attribute, unten die Methoden. +---------------------------+ | Kreis | +---------------------------+ | mittelpunktX: Ganzzahl | | mittelpunktY: Ganzzahl | | radius: Ganzzahl | | fuellfarbe: Farbe | +---------------------------+ | zeichnen() | | verschieben(dx, dy) | | skalieren(faktor) | +---------------------------+ Beachte, dass im Diagramm keine Werte stehen. Es beschreibt die Klasse, nicht ein einzelnes Objekt. Wer dort 45 als Radius einträgt, hat Bauplan und Haus verwechselt.

Ein Klassendiagramm

Drei Felder übereinander: Name, Attribute, Methoden . Achte auf die Zeichen davor, - heißt privat, + heißt öffentlich . Die Attribute sind privat, die Methoden öffentlich, und das ist keine Willkür: Von außen soll niemand punkte einfach überschreiben können; wer Punkte hinzufügen will, muss sammle(...) benutzen. So kann die Klasse selbst dafür sorgen, dass ihre Werte sinnvoll bleiben.

Attributwerte ändern

\texttt{radius}

Was eine Methode ändert

120

Vektorgrafik und Rastergrafik

Damit ist der Unterschied aus der Einführung erklärt: Vektorgrafik Rastergrafik gespeichert wird Objekte mit Attributen Farbwert je Bildpunkt Vergrößern beliebig scharf wird unscharf oder klotzig nachträglich änderbar ja, jedes Objekt einzeln nur die Bildpunkte Speicherbedarf hängt von der Zahl der Objekte ab hängt von Breite mal Höhe ab geeignet für Logo, Schrift, Diagramm, Bauplan Foto Warum nimmt man dann nicht immer Vektorgrafik? Weil sich ein Foto nicht sinnvoll in Objekte zerlegen lässt. Ein Baum im Gegenlicht besteht aus Millionen unregelmäßiger Farbübergänge; ihn als Sammlung von Kreisen und Linien zu beschreiben bräuchte mehr Platz als die Bildpunkte selbst. Die Regel lautet deshalb: Was aus klaren Formen besteht, wird Vektorgrafik. Was aus Licht und Zufall besteht, wird Rastergrafik.

	Vektorgrafik	Rastergrafik
gespeichert wird	Objekte mit Attributen	Farbwert je Bildpunkt
Vergrößern	beliebig scharf	wird unscharf oder klotzig
nachträglich änderbar	ja, jedes Objekt einzeln	nur die Bildpunkte
Speicherbedarf	hängt von der Zahl der Objekte ab	hängt von Breite mal Höhe ab
geeignet für	Logo, Schrift, Diagramm, Bauplan	Foto

Modellieren heißt weglassen

Ein letzter Punkt, der über die Grafik hinausgeht. Ein Modell bildet nie die ganze Wirklichkeit ab, sondern nur das, was für den Zweck gebraucht wird. Für ein Zeichenprogramm hat ein Kreis Radius und Farbe. Für ein Physikprogramm hätte er Masse und Geschwindigkeit, für eine Bäckerei Preis und Backzeit. Alle drei Modelle beschreiben Kreise, und alle drei sind richtig, weil sie verschiedene Fragen beantworten. Die erste Frage beim Modellieren ist deshalb nie „Was ist ein Kreis?“, sondern: „Wozu brauche ich ihn?“ Erst danach entscheidet sich, welche Attribute hineingehören und welche nicht.

Von der Wirklichkeit zum Modell

Die zweite Station ist die eigentliche Arbeit, und sie ist die einzige, die niemand für dich erledigen kann. Eine echte Spielfigur hat eine Farbe, eine Größe, eine Vorgeschichte, ein Lieblingsessen, ein Modell hat drei Attribute. Was wegfällt, entscheidet sich am Zweck : Für ein Punktespiel ist die Farbe egal, für ein Malprogramm wäre sie das Wichtigste. Deshalb gibt es kein „richtiges“ Modell, nur ein für diesen Zweck brauchbares.

Ein Modell für die Schulbibliothek

Entwirf eine Klasse für die Bücher einer Schulbibliothek. Welche Attribute und Methoden braucht sie?

1 $Zuerst der Zweck: Die Bibliothek will Bücher finden, ausleihen und zurücknehmen. Alles, was dafür nicht gebraucht wird, gehört nicht ins Modell.$
2 $Attribute daraus: titel, autor, isbn, standort, istAusgeliehen, rueckgabeDatum. Die Papiersorte und das Gewicht bleiben draußen, denn niemand sucht danach.$
3 $Methoden daraus: ausleihen(bis), zurueckgeben(), istVerfuegbar(). Das sind genau die drei Tätigkeiten aus dem Zweck.$
4 $Klasse und Objekt trennen: Die Klasse heißt „Buch“. Ein Objekt wäre das eine Exemplar mit titel = „Emil und die Detektive“, istAusgeliehen = wahr.$
5 $Gegenprobe: Hat die Bibliothek zwei Exemplare desselben Titels, sind das zwei Objekte mit gleichen Werten für titel und autor, aber verschiedenen für standort und istAusgeliehen. Genau deshalb reicht es nicht, den Titel zu speichern.$

Klasse Buch mit den sechs genannten Attributen und drei Methoden. Zwei Exemplare sind zwei Objekte, nicht eines.

Attributwert ändern und die Folgen

Ein Rechteck-Objekt hat breite = 60, hoehe = 40, fuellfarbe = grün. Was passiert bei den Änderungen a) breite auf 120, b) fuellfarbe auf rot, c) Löschen des Attributs hoehe?

1 $a) Das Objekt wird mit den neuen Werten neu gezeichnet: doppelt so breit, gleich hoch. Es entsteht kein neues Objekt, es ist dasselbe mit geändertem Wert.$
2 $b) Ebenso: dasselbe Rechteck, andere Füllfarbe. Position und Maße bleiben unberührt, weil nur ein Attributwert geändert wurde.$
3 $c) Das ist etwas völlig anderes. Ein Attribut zu entfernen ändert nicht ein Objekt, sondern die Klasse, also den Bauplan.$
4 $Die Folge trifft alle Rechtecke: Keines hätte mehr eine Höhe, und die Methode zeichnen() könnte gar nicht mehr arbeiten.$
5 $Merke den Unterschied: Werte ändert man am Objekt, Attribute und Methoden am Bauplan. Der zweite Eingriff ist der viel größere.$

a) und b) ändern ein Objekt. c) ändert die Klasse und damit alle ihre Objekte.

Typischer Fehler

„Die Klasse Kreis hat den Radius 45.“

Hier werden Bauplan und Ding vermischt. Die Klasse legt fest, dass es ein Attribut radius gibt; welchen Wert es hat, entscheidet jedes Objekt für sich. Die Gegenprobe macht es sofort deutlich: Wären 45 Teil der Klasse, müsste jeder Kreis den Radius 45 haben. Dann könnte man nie zwei verschieden große Kreise zeichnen, und die ganze Konstruktion wäre nutzlos. Ein zuverlässiger Sprachtest hilft beim Aufschreiben: „Ein Kreis hat einen Radius.“ \to Aussage über die Klasse. Richtig. „ Dieser Kreis hat den Radius 45.“ \to Aussage über ein Objekt. Auch richtig. „Die Klasse hat den Radius 45.“ \to vermischt beides. Falsch. Dieselbe Verwechslung passiert im Klassendiagramm. Dort stehen Attributnamen und ihre Datentypen, niemals konkrete Werte.

Übung 1

leicht

Ordne zu: Klasse, Objekt, Attribut oder Methode? a) „Auto“ b) „farbe“ c) „hupen()“ d) der rote Golf mit dem Kennzeichen EF-AB 123 e) „baujahr“

Tipp anzeigen

Frage bei jedem: Bauplan, einzelnes Ding, Eigenschaft oder Tätigkeit?

Lösung anzeigen

a) Klasse (Bauplan für alle Autos) b) Attribut (Eigenschaft) c) Methode (Tätigkeit) d) Objekt (ein einzelnes Auto) e) Attribut

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
Zwei Fragen nacheinander stellen, nicht eine
$Die vier Begriffe liegen auf zwei Ebenen. Erste Frage: Geht es um ein Ding (Klasse oder Objekt) oder um einen Bestandteil eines Dings (Attribut oder Methode)? Zweite Frage: Beim Ding: Bauplan oder Einzelstück? Beim Bestandteil: Eigenschaft oder Tätigkeit?$
2
a) und d): Bauplan gegen Einzelstück
$„Auto“ bezeichnet keine bestimmte Sache, sondern den Bauplan für alle Autos: welche Eigenschaften sie haben und was sie können. Das ist die Klasse . Der rote Golf mit dem Kennzeichen EF-AB 123 ist dagegen ein einzelnes, existierendes Auto, ein Objekt .$
3
b) und e): Attribute sind Eigenschaften mit Werten
$„farbe“ und „baujahr“ beschreiben, wie ein Auto beschaffen ist. Beide haben je Objekt einen eigenen Wert (rot, 2018) und tun nichts von sich aus. Das sind Attribute .$
4
c) Methoden sind Tätigkeiten, die Klammern verraten es
$„hupen()“ beschreibt kein Merkmal, sondern eine Tätigkeit, die ein Auto ausführen kann. Das ist eine Methode . Die leeren Klammern sind das Erkennungszeichen: Sie stehen für die Angaben, die man beim Aufruf mitgeben könnte.$

Übung 2

mittel

Eine Schule will ihre Räume verwalten: Wer belegt wann welchen Raum, und wie viele Plätze hat er? a) Entwirf die Klasse „Raum“ mit passenden Attributen und Methoden. b) Zeichne das Klassendiagramm. c) Gib zwei Objekte dieser Klasse mit Werten an. d) Begründe, warum die Raumnummer ein Attribut ist, die Anzahl der Räume dagegen nicht.

Tipp anzeigen

Zu d): Zu wem gehört die Angabe „es gibt 34 Räume“?

Lösung anzeigen

a) Attribute: nummer, gebaeude, platzzahl, hatBeamer, istBelegt. Methoden: belegen(stunde, klasse), freigeben(stunde), istFreiIn(stunde). b) Klassendiagramm: +-----------------------------+ | Raum | +-----------------------------+ | nummer: Zeichenkette | | gebaeude: Zeichenkette | | platzzahl: Ganzzahl | | hatBeamer: Wahrheitswert | +-----------------------------+ | belegen(stunde, klasse) | | freigeben(stunde) | | istFreiIn(stunde) | +-----------------------------+ c) Objekt 1: nummer = „A104“, gebaeude = „Altbau“, platzzahl = 30, hatBeamer = wahr. Objekt 2: nummer = „N012“, gebaeude = „Neubau“, platzzahl = 18, hatBeamer = falsch. d) Die Raumnummer beschreibt einen einzelnen Raum, jeder Raum hat seine eigene. Die Anzahl der Räume beschreibt dagegen die Sammlung aller Räume; sie gehört zu keinem einzelnen. Ein Raum, den man nach seiner „Anzahl der Räume“ fragt, kann darauf nicht antworten. Solche Angaben gehören zur Verwaltung der Objektmenge, nicht in die Klasse selbst.

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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
Erst den Zweck festhalten
$Bevor ein einziges Attribut aufgeschrieben wird, muss klar sein, wofür das Modell gebraucht wird. Hier steht es in der Aufgabe: Belegung planen und Plätze kennen. Alles, was dafür nicht gebraucht wird, bleibt draußen.$
Zwischenergebnis
$Zweck: Wer belegt wann welchen Raum, und wie viele Plätze hat er?$
$Wandfarbe, Baujahr und Fensterzahl wären ebenfalls Eigenschaften eines Raumes. Sie gehören trotzdem nicht ins Modell, weil sie zum Zweck nichts beitragen.$
2
Attribute aus dem Zweck ableiten
$Man geht den Zweck Wort für Wort durch und fragt bei jeder Angabe: Beschreibt sie einen einzelnen Raum? „Wie viele Plätze“ ergibt platzzahl, „welcher Raum“ ergibt nummer und gebaeude.$
Zwischenergebnis
$nummer, gebaeude, platzzahl, hatBeamer$
3
Methoden sind die Tätigkeiten
$Im Zweck stecken auch Handlungen: belegen und freigeben. Sie werden zu Methoden, weil sie etwas tun und dabei die Attributwerte des Raumes verändern oder auswerten.$
$\text{belegen(stunde, klasse)} \qquad \text{freigeben(stunde)} \qquad \text{istFreiIn(stunde)}$
Zwischenergebnis
$Drei Methoden, jede mit den Angaben, die sie zum Arbeiten braucht.$
4
Teil d): Wem gehört die Angabe?
$Der Test lautet immer: Kann ein einzelnes Objekt diese Frage beantworten? Ein Raum kennt seine Nummer. Nach der Gesamtzahl aller Räume gefragt, müsste er über andere Räume Bescheid wissen, und das tut er nicht.$
Zwischenergebnis
$nummer gehört zum Objekt, die Raumanzahl zur Sammlung aller Objekte.$
$Dieselbe Frage klärt viele Zweifelsfälle: „Durchschnittsnote der Klasse“ gehört nicht zum Schüler, „eigene Note“ schon.$

Übung 3

schwer

Ein Schullogo soll gedruckt werden, einmal auf einem Kugelschreiber (1 cm breit) und einmal auf einem Banner (3 m breit). a) Welches Grafikformat wählst du und warum? b) Beschreibe das Logo aus einem Kreis, einem Dreieck und einem Schriftzug als objektorientiertes Modell. c) Der Schulname ändert sich. Welcher Aufwand entsteht bei Vektorgrafik, welcher bei Rastergrafik? d) Ein Mitschüler schlägt vor, das Foto der Schule ebenfalls als Vektorgrafik zu speichern, damit es beliebig groß wird. Widerlege den Vorschlag.

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Zu d): Woraus besteht ein Foto, und was müsste man daraus als Objekte beschreiben?

Lösung anzeigen

a) Vektorgrafik. Gespeichert werden Formen mit Maßen, nicht Bildpunkte; beim Zeichnen wird die Größe eingesetzt. Dadurch ist dasselbe Logo bei 1 cm und bei 3 m gleich scharf. Eine Rastergrafik müsste für das Banner so viele Bildpunkte enthalten, dass sie auf dem Kugelschreiber gigantisch überdimensioniert wäre, und wäre umgekehrt beim Vergrößern klotzig. b) Drei Objekte: Kreis: mittelpunktX, mittelpunktY, radius, fuellfarbe. Dreieck: die drei Eckpunkte, fuellfarbe, randdicke. Text: inhalt, positionX, positionY, schriftart, schriftgroesse, farbe. Alle drei bieten die Methode zeichnen(); zusätzlich sinnvoll sind verschieben() und skalieren(). c) Vektorgrafik: Der Attributwert inhalt des Text-Objekts wird geändert, fertig. Die Form bleibt scharf, alles andere unberührt. Rastergrafik: Der alte Schriftzug muss aus den Bildpunkten entfernt und der neue eingesetzt werden; der Hintergrund darunter existiert nicht mehr und muss nachgemalt werden. Bei mehreren Größen fällt diese Arbeit für jede Datei erneut an. d) Ein Foto besteht nicht aus benennbaren Formen, sondern aus Millionen unregelmäßiger Helligkeits- und Farbübergänge. Um es als Vektorgrafik zu beschreiben, müsste man diese Übergänge in Objekte zerlegen; im Grenzfall wäre jeder Bildpunkt ein eigenes Objekt, und jedes Objekt braucht mehr Speicher als der eine Farbwert, den die Rastergrafik dafür ablegt. Die Datei würde also größer statt kleiner, und schärfer würde sie auch nicht: Beim Fotografieren wurden die Details nie erfasst, und was nicht aufgenommen wurde, kann kein Format zurückholen.

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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
a) Die Entscheidung fällt an der Spannweite der Größen
$Vektorgrafik. Gespeichert werden Formen mit Maßen, nicht Bildpunkte; die Größe wird erst beim Zeichnen eingesetzt. Dadurch ist dasselbe Logo bei 1 cm und bei 3 m gleich scharf, ein Größenverhältnis von 1 zu 300.$
2
b) Das Logo als Objekte beschreiben: Attribute und Methoden
$\texttt{zeichnen()}$
3
c) Den Änderungsaufwand beider Formate vergleichen
$\texttt{inhalt}$
4
d) Den Vorschlag widerlegen: warum ein Foto keine Vektorgrafik wird
$Ein Foto besteht nicht aus benennbaren Formen, sondern aus Millionen unregelmäßiger Helligkeits- und Farbübergänge. Um es als Vektorgrafik zu beschreiben, müsste man diese in Objekte zerlegen, im Grenzfall wäre jeder Bildpunkt ein eigenes Objekt, und jedes Objekt braucht mehr Speicher als der eine Farbwert, den die Rastergrafik dafür ablegt. Die Datei würde also größer statt kleiner.$

Zusammenfassung

Objektorientierte Modellierung beschreibt einen Ausschnitt der Welt durch Objekte. Ein Objekt hat Attribute mit Attributwerten und Methoden, mit denen es etwas tun kann; Attribute beantworten „Wie ist es?“, Methoden „Was tut es?“. Die Klasse ist der gemeinsame Bauplan aller gleichartigen Objekte und enthält deshalb Attributnamen, aber keine Werte. Ein Klassendiagramm zeigt Name, Attribute und Methoden in drei Feldern. Weil ein Modell die Beschreibung speichert und nicht das fertige Ergebnis, lässt sich jeder Attributwert ändern und das Ergebnis neu herstellen; genau darauf beruht die Vektorgrafik, die im Gegensatz zur Rastergrafik beliebig skalierbar und nachträglich änderbar bleibt. Und schließlich: Modellieren heißt weglassen. Welche Attribute hineingehören, entscheidet nicht die Wirklichkeit, sondern der Zweck des Modells.