アルゴリズムとプログラミング

アルゴリズムとプログラミング
(Algorithms and Programming)
第１０回：インスタンス変数、クラス変数
•インスタンス変数とクラス変数
•インスタンスメソッドとクラスメソッド
•ローカル変数とスコープ
•変数の寿命、ガーベージコレクション
講義資料等： http://www.pe.titech.ac.jp/~watanabe/lecture/ap/index-j.html
インスタンス変数
class Point { // 点クラス
double x; // x座標
double y; // y座標
}
Point p1 = new Point();
Point p2 = new Point();
p1とp2はクラスは同じだが、
別のインスタンスであり、それ
ぞれ個別に変数double x,
double yを持つ
これまで出てきた変数は、
インスタンスごとにメモリ領
域が個別に割り当てられ、
別々に読み書きができた
インスタンス変数
Point: p1
Point: p2
x: 1.5
y: 2.0
x: 0.2
y: 0.0
お互い無関係に
読み書き可能
クラス変数
同じクラスのどのインスタンスからでも、共
通の１つの変数(=メモリ領域)を読み書き
したい場合がある
p1からクラス変数の値を
変更すると、p2から見ても
値が変更されている！！
クラス変数
実体は１つ
Point: p1
Point: p2
x: 1.5
y: 2.0
count :
x: 0.2
y: 0.0
count :
count : 2.0
クラス変数
クラス全体で
共有する変数
クラス変数の宣言
class Point { // 点クラス
double x; // x座標
double y; // y座標
public static int count;
}
static修飾子
クラス変数へのアクセス方法：
オブジェクト変数名.クラス変数名
クラス名.クラス変数名
クラス変数の宣言と利用の例
class Point { // 点クラス
double x; // x座標
double y; // y座標
//クラス変数の定義と初期化(static修飾子の有無で出力結果を比較せよ)
public static int count = 0;
Point( double a, double b ){ コンストラクタ
x = a; y = b;
count++;
}
}
class SampleAP0801 {
public static void main(String[] args){
// インスタンスが生成される前からクラス変数は存在する！
System.out.println("count=" + Point.count);
count=0
Point p1 = new Point(1.0,2.0);
System.out.println("count=" + p1.count);
Point p2 = new Point(3.0,4.0);
count=1
System.out.println("count=" + p2.count);
count=2
}
}
クラスメソッド
クラス単位で共有されるメソッド
インスタンス変数にアクセス不可
インスタンスメソッドの呼び出し不可
クラスメソッドは、クラス内で定義されてい
るのでクラスのメンバーといえるが、実体
はインスタンスの外に存在する
オブジェクト（実体）
インスタンス１
インスタンス変数
インスタンスメソッド
クラス変数
クラスメソッド
クラス定義
インスタンス2
static
static
インスタンス3
クラスで共有
static
static
アクセス
class Point { // 点クラス
double x; // x座標
インスタンス変数
double y; // y座標
//クラス変数、クラスメソッドの定義
クラス変数 public static int count = 0;
クラスメソッド public static void printValue(){
System.out.println( "value:" + count );
}
クラスメソッド public static void printValue(int i){
System.out.println( "value:" + i );
}
クラスメソッドの中からインスタンス変数で
}
あるx,yを参照することはできない！
class SampleAP0802 {
public static void main(String[] args){
// インスタンスが生成される前からクラス変数、クラスメソッドは存在する！
Point.count = 5 ;
value:5
Point.printValue();
Point.printValue(6);
value:6
Point o = new Point();
o.printValue(7);
value:7
}
}
main()はクラスメソッドだった！
class ユーザ定義 {
public static void main(String[] args){
処理;
}
}
main()メソッドが実行される約束
になっている
どこで宣言された変数か？
変数の３つの分類
宣言される場所
•インスタンス変数
•クラス変数
•ローカル変数
クラス内
メソッド内
ローカル変数が見える
範囲（スコープ）と寿命
中カッコ｛｝で囲まれたブロックがスコープの目印
class SampleAP0803 {
public static void main(String[] args){
int x = 0;
for( int i = 1; i <= 10; i++) {
x = x + i;
}
System.out.println("total = " + x );
}
}
変数iの値をこのforブロックの外から参照することはできない
変数xの値はforブロック内からでも参照可能
変数の寿命
使い終わった変数は破棄され、使用
していたメモリが解放される
（ガベージコレクション）
ローカル変数の寿命：ブロックの最初にメモリが確保さ
れ、ブロックの終わりで破棄される
インスタンス変数の寿命：newで生成されてから、
最後に参照された後、Java VM が判断したタイミ
ング
クラス変数の寿命：プログラムの開始から終了まで
バッティングしても有効
ローカル変数
SampleAP0804.java
class X {
static int i = 100; クラス変数
int j = 200; インスタンス変数
void printValue(){
System.out.println("i=
System.out.println("j=
int i = 123;
ローカル変数
int j = 456;
System.out.println("i=
System.out.println("j=
}
}
" + i );
" + j );
" + i );
" + j );
SampleAP0804.java続き
class SampleAP0804 {
public static void main(String[] args){
X o = new X();
o.printValue();
}
}
実行結果
i=
j=
i=
j=
100
200
123
456
ローカル変数
クラス変数・インスタンス変数
変数名がバッティングした場合は
ローカル変数が優先される
バッティングしないように名前を付けるのが望ましい
値を変更しない変数（定数）の宣言
final修飾子
class X {
static final int MAX = 100;
final static int MIN = -100;
final int DEFAULT = 10; 値を変更しないのなら、インスタンスご
とにこの定数のためにメモリを確保す
}
るのは無駄といえる→普通はクラス変
数にする(static)
class SampleAP0805 {
public static void main(String[] args){
System.out.println("value= " + X.MAX);
System.out.println("value= " + X.MIN);
X o = new X();
System.out.println(
"value= " + o.DEFAULT);
}
}
まとめ
•インスタンス変数とクラス変数
•インスタンスメソッドとクラスメソッド
•ローカル変数とスコープ
•変数の寿命、ガーベージコレクション
•final修飾子
アルゴリズムとプログラミング
(Algorithms and Programming)
第１１回：継承の実装
•継承の実装： extends キーワード
コンストラクタ
•継承とメソッドのオーバーライド，可視性
•抽象クラス (abstractキーワード)
講義資料等： http://www.pe.titech.ac.jp/~watanabe/lecture/ap/index-j.html
スーパークラス
継承の実装
Vehicle(乗り物)
- speed: double
# changeSpeed(s:double)
# getSpeed(): double
サブクラス
Plane
- altitude: double
# takeOff ()
# land ()
サブクラスは、スーパークラス
の全てのフィールドとメソッドを
含んでいる。
（実際にアクセスできるかは、
アクセス修飾子に従う）
継承の実装：extendsキーワード
スーパークラス
Vehicle(乗り物)
- speed: double
# changeSpeed(s:double)
# getSpeed(): double
サブクラス
Plane
- altitude: double
# takeOff ()
# land ()
class Plane extends Vehicle {
private double altitude;
protected void takeOff() {
処理(スーパークラスのメソッドも呼べる);
}
protected void land() {
処理;
}
}
スーパークラスへのアクセス
スーパークラス
Vehicle(乗り物)
- speed: double
# changeSpeed(s:double)
# getSpeed(): double
サブクラス
Plane
- altitude: double
# takeOff ()
# land ()
public static void main(略) {
Plane o = new Plane();
o.changeSpeed(0.0);
for(int i=0;i<=300;i+=50){
o.changeSpeed(i);
o.takeOff();
}
System.out.println("離陸！");
}
}
全てのクラスのスーパークラス
Objectクラス
extendsキーワードが
無い全てのクラスは、自
動的にObjectクラスの
サブクラスとなる。従って、
全てのクラスはObject
クラスのフィールドとメ
ソッドを暗黙的に継承し
ている。
Objectクラス
Vehicle(乗り物)
- speed: double
# changeSpeed(s:double)
# getSpeed(): double
Plane
- altitude: double
# takeOff ()
# land ()
継承とコンストラクタ
サブクラスのコンストラクタを呼び出すと．．
1. まずスーパクラスのコンストラクタが実行される
（何も指定しなければデフォルトコンストラクタが呼ばれる．引数は無し）
2. 次にサブクラスのコンストラクタが実行される
サブクラスのコンストラクタ(例)
SampleAP0901.java
class
int
X()
x
}
}
class
int
Y()
y
}
}
X {
x;
{
= 100;
Y extends X {
y;
ここにsuper();が省略
{
= 200;
されていると考える
サンプルプログラム(続き)
SampleAP0901.java続き
class SampleAP0901 {
public static void main(String[] args) {
Y o = new Y();
System.out.println("x= " + o.x );
System.out.println("y= " + o.y );
}
}
実行結果
x= 100
y= 200
親のコンストラクタを指定する場合
Superキーワード
SampleAP0902.java
class X {
int x;
X(int a) {
x = a;
}
}
class Y extends X {
int y;
Y(int a, int b) {
super(a);
y = b;
}
}
（thisキーワードとの併用は不可）
コンストラクタでsuperを使うときは
最初の行でしか使えない！
SampleAP0902.java続き
class SampleAP0902 {
public static void main(String[] args) {
Y o = new Y( 1, 2 );
System.out.println("x= " + o.x );
System.out.println("y= " + o.y );
}
}
実行結果
x= 1
y= 2
暗黙の親コンストラクタ呼び出し
SampleAP0901.java（再）
class
int
X()
x
}
}
class
int
Y()
y
}
}
X {
x;
{
= 100;
Y extends X {
y;
ここにsuper();が省略
{
= 200;
されていると考える
継承を禁止するfinalキーワード
final class X {
int x;
サブクラスの宣言を禁止！
}
class Y extends X {
int y;
}
コンパイルエラー！
final宣言したクラスは、extendsで
サブクラスを作ることが禁止される
メソッドのオーバーライド
オーバーライド(override)
親クラスと子クラスのそれぞれに、
メソッド名、引数、戻り値が全て同一で
内容が異なるメソッドを定義すること
既出
オーバーロード (overload)
混同注
意！
ひとつのクラス内に、メソッド名が同じ
で、引数の型及び数が異なるメソッドを
定義すること
オーバーライドの目的
Vehicle(エンジン付き乗り物)
- speed: double
# getSpeed(): double
# startEngine ()
Plane
- altitude: double
# takeOff ()
# startEngine ()
もともと、サブクラスにはスー
パークラスのフィールドとメ
ソッドが全て自動的に引き継
がれている。
しかし、引き継がれているメ
ソッドの処理内容を、サブク
ラスで再定義(変更)したい場
合がある。
オーバーライドの必要性
オーバーライドと可視性
子クラスでオーバーライドするメソッドの可視性は、
親クラスのメソッドの可視性により制限される
オーバーライドされる
スーパークラスのメソッド
に指定されている修飾子
オーバーライドするサブクラスのメソッド
public
public指定が必要
protected
protectedかpublicが必要
private
アクセス不可につき、オーバーライド不可
無指定
private指定は不可
親クラスでprotectedが指定されているメソッドを子クラスでオーバーライドするにはprotectedかpublic指定が必要
親・子クラスにおける
オブジェクト参照型変数の互換性
Javaのきまり：
型の違いに厳しいJavaですが．．
•子クラスのインスタンスを指すオブジェ
クト参照型変数を、親クラスの参照変数
に代入することができる。
•代入後も、インスタンスの出身が子クラ
スであることを忘れずに記憶しておく仕
組みになっている。
１つのオブジェクトが、あたかも複数の型を持
つかのように見せることができる。
オブジェクト指向３原則：ポリモーフィズム
（メソッドのオーバーライドと参照型変数の
互換性によって実現される）
乗り物
飛行機
ジェット機
ジェット機クラスのインスタン
スを、乗り物オブジェクトとして
扱うことができる。
自動車
プロペラ機
ジェット機は飛行機でも
あり、乗り物でもある
ジェット機クラスのインスタン
スに対する操作を、乗り物に
対する操作として記述できる
このような記述の仕方に
どんなメリットがあるの？
乗り物
#動力を始動する()
飛行機
自動車
#動力を始動する()
ジェット機
#動力を始動する()
#動力を始動する()
プロペラ機
#動力を始動する()
操作名は同じだ
が、実際の操作
内容はそれぞれ
異なる
メソッドのオーバーライド
ジェット機クラスのインスタンスを生成する
：ジェット機
new ジェット機();
このインスタンスを乗り物オブジェクトと見なす
（乗り物オブジェクト変数 v1 に格納する）
乗り物 v1 ＝ new ジェット機();
乗り物クラス
ジェット機クラスのインスタンスへの参照
動力を始動する()メッセージを送る
v1.動力を始動する()
乗り物オブジェクトの操作が呼び出
されるように記述されているが、自動
的にジェット機オブジェクトに対する
操作が呼び出される
この記法は、ジェット機に限ら
ず、プロペラ機にも自動車にも、
将来的に追加される乗り物に
もそのまま変更なく使える。
上位概念（スーパークラス）オブジェクトに対する操作と
して記述しておくと、サブクラスの細かい修正や追加な
どに対して強いプログラムになる（保守性が高い）
ジェット機クラスのインスタンスを生成する
：ジェット機
new ジェット機();
このインスタンスをジェット機オブジェクト変数 j1 に格納する
ジェット機 j1 ＝ new ジェット機();
ジェット機クラス
ジェット機クラスのインスタンスへの参照
動力を始動する()メッセージを送る
j１.動力を始動する()
この記法では、プロペラ機や自動車に変更したり、さらに
は将来的に追加される乗り物に対しては、そのままでは
使えない。プログラムの記述を変更する必要がある！
ポリモーフィズムの意味と効果
ポリモーフィズム(polymorphism)の意味：
１つのオブジェクトが複数の型を持つ ← 継承により実現
ポリモーフィズムの活用の仕方：
上位概念（スーパークラス）への操作としてプログラ
ムを記述する
その効果：
サブクラスの細かい修正や追加などに対して強い
（保守性が高い）プログラムになる
オブジェクト指向プログラミングの有効性！
参照型変数への代入 (例)
SampleAP1001.java
class X { // スーパー（親）クラス
int x;
}
class Y extends X { // サブ（子）クラス
int y;
}
class SampleAP1001 {
public static void main(String[] args){
X o = new Y();//サブクラスYのインスタンスを親クラスX
}
//の参照型変数へ代入できる！
}
メソッドのオーバーライド(例)
SampleAP1002.java
class Shape { //２次元図形の面積を表現するクラス
double a; //一般に、面積を計算するには、縦×横や底辺×高さ／２など、
double b; //２つの辺の長さを与える必要があると考え、変数を２つ用意する
Shape(double x, double y) {
a = x;
b = y;
}
double getArea() { //ここでは具体的な定義を与えないことにする。
return 0.0;
//具体的な定義はサブクラスで与える。
}
}
SampleAP1002.java続き
class Triangle extends Shape { //三角形
Triangle(double x, double y);
super(x,y); // x,yとしては底辺と高さを与える
}
double getArea() {
オーバーライド
return ( a * b / 2 );
}
}
class Rectangle extends Shape { //四角形
Rectangle (double x, double y){
super(x,y); //x,yとしては各辺の長さを与える
}
double getArea() {
オーバーライド
return ( a * b );
}
}
SampleAP1002.java続き
class SampleAP1002 {
public static void main(String[] args) {
Shape o1 = new Shape( 10.0, 10.0 );
Shape o2 = new Triangle( 10.0, 10.0 );
Shape o3 = new Rectangle( 10.0, 10.0 );
System.out.println("o1の面積は" +
o1.getArea() );
System.out.println("o2の面積は" +
o2.getArea() );
System.out.println("o3の面積は" +
o3.getArea() );
}
}
実行結果
o1の面積は0.0
o2の面積は50.0
o3の面積は100.0
引数に与えた数値はo1～o2まで
全て同じだが、それぞれオーバー
ライドされたgetArea()メソッドが、
異なる処理を実行している。
抽象クラス：抽象メソッドを持つためオブジェ
クト生成できないクラス
乗り物
-スピード
#スピードを変える()
#スピードを表示する()
飛行機
-高度
#離陸する()
#着陸する()
#高度を表示する()
クラス名をイタリックにすると
抽象クラス
乗り物クラスのインスタンスは
存在しないことが保証される
飛行機クラスでは、依然として
スピードを表示する()操作は必須
であり、乗り物クラスは使われる。
抽象クラスの実装
親クラスではメソッド名だけ定義して、子ク
ラスにおいて、オーバーライドにより具体的
な処理内容を記述する
抽象メソッド： abstractキーワード
具体的な処理内容が与えられていな
いため、インスタンスの作成は不可
抽象クラスの使用例
SampleAP1003.java
abstract class Shape { //抽象クラス
double a;
double b;
Shape(double x, double y) {
a = x;
b = y;
}
//抽象メソッドとして定義（この方が自然）
abstract double getArea();
}
•抽象メソッドが１つでもあるとそのクラスは抽象クラス
→サブクラスで具体的な処理内容を与えて使用する
•抽象クラスだからといって、全てが抽象クラスである必要は無い
SampleAP1003.java続き
この部分はSampleAP1002.javaと同じ
class Triangle extends Shape { //三角形
Triangle(double x, double y);
super(x,y); // x,yとしては底辺と高さを与える
}
double getArea() {
return ( a * b / 2 );
}
}
class Rectangle extends Shape { //四角形
Rectangle (double x, double y){
super(x,y); //x,yとしては各辺の長さを与える
}
double getArea() {
return ( a * b );
}
}
SampleAP1003.java続き
class SampleAP1003 {
public static void main(String[] args) {
Shape o2 = new Triangle( 10.0, 10.0 );
Shape o3 = new Rectangle( 10.0, 10.0 );
System.out.println("o2の面積は" +
o2.getArea() );
System.out.println("o3の面積は" +
o3.getArea() );
}
}
抽象クラスのインスタンス化を削除
まとめ
•継承の実装： extends キーワード
•継承とコンストラクタ: superキーワード
•継承の禁止： finalキーワード
•継承とメソッドのオーバーライド
•抽象メソッド、抽象クラス
より保守性の高いプログラムの実現
世の中で既に作成され公開されている各種のJavaクラ
スライブラリはこのような考え方で作成されている。適当
なクラスを継承してカスタマイズすることにより、極めて
簡単に自分独自の問題を解決することができる。

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