TIEP111 Ohjelmointi 2

Tämä on Jyväskylän yliopiston järjestämän TIEP111 Ohjelmointi 2 -opintojakson oppimateriaali.

Voit palauttaa tehtäviä vain, jos olet ilmoittautunut opintojaksolle Sisu- tai Ilpo-järjestelmässä. Oman etenemisesi tilanteen (harjoitustehtävien pisteet, harjoitustyön hyväksyminen, tenttitulokset) näet TIM-järjestelmästä.

Tietoja opintojaksosta

Opintojaksolla opit

• oliopohjaisen ohjelmoinnin perusteita ja periaatteita,
• tuottamaan pieniä ja keskisuuria oliopohjaisia ohjelmia,
• graafisen käyttöliittymän suunnittelua ja kehittämistä,
• ohjelman testaamista,
• erilaisia ohjelmoijan työkaluja ja tekniikoita.

Tarkemmat tiedot löydät opintojakson Sisu-esitteestä.

Uutiset

Ohjaukset ja tuki

Kevään 2026 on 12. tammikuuta – 24. huhtikuuta välisenä aikana tarjolla lähiohjausta Agoralla, etäohjausta Teamsin kautta, sekä sähköpostitukea.

Pääsiäistauon aikana (30.3.-6.4.) ei kuitenkaan ole ohjausta tarjolla.

Sisu vaatii ilmoittautumisen yhteydessä valitsemaan ohjausryhmän. Voit kuitenkin täysin vapaasti käyttää kaikkia ohjausaikoja ja -kanavia riippumatta siitä, mihin ohjausryhmään olet ilmoittautunut.

Ohjausajat 7.4. alkaen:

(Ke klo 8-10 ja to 8-10 pudotettu pois 30.3. alkaen.)

Ohjaukset ovat yhteisiä TIEP111 Ohjelmointi 2, ITKP102 Ohjelmointi 1- ja ITKA2004 Tietokannat ja tiedonhallinta -opintojaksojen kanssa. Ohjaajat auttavat kaikkien kolmen kurssin opiskelijoita.

Ohjausaikoja saatetaan lisätä tai poistaa kysynnän mukaan; kerro aikatoiveistasi opettajille sähköpostitse.

24.4. jälkeen ohjausta on saatavilla ajanvarauksella. Linkki ajanvaraukseen tulee myöhemmin saataville.

Ohjeet etäohjaukseen liittymiseksi

Hei,

opiskelen Ohjelmointi 2 -kurssilla ei-tutkintoon johtavassa koulutuksessa.
Pyydän liittämään minut opintojakson Teams-ryhmään vieraana. 
Teamsissa käyttämäni sähköpostiosoite on: [oma sähköposti tähän].

Terveisin, [oma nimi]

Navigointi tässä materiaalissa

Tässä muutama pikavinkki tässä materiaalissa navigoimiseen.

• Sisällysluettelon saat auki ja kiinni sivupalkki-kuvakkeesta .
• Voit selata materiaalia eteen- ja taaksepäin nuolikuvakkeista sivun vasemmassa ja oikeassa laidassa (tai ihan sivun alalaidassa, jos käytät mobiililaitetta) .
• Hakutoiminnon saat auki suurennuslasista oikeasta yläreunasta tai painamalla S-kirjainta näppäimistöltä .

Palaute ja kehittäminen

Olemme erittäin kiitollisia kaikesta palautteesta, joka auttaa meitä kehittämään opintojaksoa edelleen! Voit antaa palautetta ja kehitysehdotuksia opintojaksosta kolmella tavalla:

1. Jyväskylän yliopiston tutkinto-opiskelijat voivat antaa jatkuvaa palautetta opintojakson aikana Norppa-järjestelmässä. Nyt, kun olemme kehittämässä opintojakson sisältöjä ja toteutusta, tämä jatkuva palaute on erityisen tärkeää.

2. Kaikki opiskelijat voivat ilmoittaa havaitsemistaan virheistä, epäselvyyksistä, tai muista ongelmista tässä oppimateriaalissa. Raportoi havaintosi GitHubissa klikkaamalla kunkin sivun alareunassa olevia linkkejä. Voit myös ilmoittaa puutteista suoraan opettajille sähköpostitse osoitteeseen ohj2-opet@jyu.onmicrosoft.com.

3. Opintojakson lopuksi kaikki Sisussa (tai Ilpo-portaalissa) ilmoittautuneet (tutkinto, avoin, erilliset opinto-oikeudet, lukiolinjat) saavat henkilökohtaisen linkin kurssipalautekyselyyn, jossa voit antaa anonyymisti palautetta koko opintojaksosta.

Tekijät ja lisenssi

Ohjelmointi 2 oppimateriaali © 2025 by Denis Zhidkikh, Sami Sarsa, Antti-Jussi Lakanen, Rauli Ruokokoski, Karri Sormunen.

Kiitos Jonne Itkoselle palautteesta ja parannusehdotuksista.

Materiaali on julkaistu CC-BY-SA-4.0-lisenssillä. Tarkemmat tiedot löydät materiaalin GitHub-sivulta.

Suorittaminen

Voit valita kolmesta suoritustavasta itsellesi sopivimman. Kaikki suoritustavat sisältävät harjoitustyön tekemisen.

Suoritustapojen yksityiskohdat eroavat aikaisemmista toteutuksista jonkin verran, joten jos olet aiemmin yrittänyt suorittaa kurssia, lue tämä osio huolellisesti läpi.

Suoritustapa 1

Harjoitustehtävät, harjoitustyö aikataulussa sekä tentti

Suoritus koostuu seuraavista osasuorituksista (kaikista on saatava hyväksytty):

1. Keräät jokaisesta osasta vähintään 50% siitä pistemäärästä mitä harjoitustehtävien perustehtävistä voi saada¹
2. Teet harjoitustyön aikataulussa
3. Teet tentin hyväksytysti

¹ Harjoitustehtävät muodostuvat perustehtävistä ja lisätehtävistä. "100%" tarkoittaa tässä yhteydessä sitä pistemäärää, mitä perustehtävistä voi saada. Voit kuitenkin tehdä myös lisätehtäviä kartuttaaksesi prosenttiosuuttasi ja siten tehdä jopa >= 100% pisteistä.

Arvosana muodostuu harjoitustehtävien ja tentin painotettuna keskiarvona (40/60). Tarkempi kuvaus on alla.

Harjoitustehtävien pisterajat:

Ensimmäisen kuuden osan kohdalla on mahdollista saada myös ns. DL-BONUS-pisteitä: Jos teet osasta vähintään 50%² osan takarajaan mennessä, lisätään kyseisen osan harjoitustehtävien pistemäärään 0,5 pistettä. Niinpä DL-BONUS-pisteitä voi saada maksimissaan 6 * 0,5 = 3 pistettä. Karkeasti ottaen, kun teet yhden osan takarajaan mennessä, se vaikuttaa noin 1%-yksikön verran kokonaisprosenttiisi.

² Edelleen, "50%" tarkoittaa tässä yhteydessä puolet siitä pistemäärästä, mitä kyseisen osan perustehtävistä voi saada.

Osien takarajat DL-BONUS-pisteiden saamiseksi ovat seuraavat:

Näet etenemissivulla kerättyjen tehtäväpisteidän määrän ja prosenttiosuuden sekä DL-BONUS-pisteet erikseen.

Lopullinen arvosana muodostuu harjoitustehtävien arvosanan ja tentin arvosanan painotettuna keskiarvona, pyöristäen lähimpään kokonaislukuun. Harjoitustehtävistä saatua arvosanaa painotetaan 40% ja tentistä saatua arvosanaa painotetaan 60%. Sekä harjoitustehtävistä että tentistä täytyy saada vähintään arvosana 1, jotta kurssista voi saada hyväksytyn arvosanan.

Harjoitustehtävistä saatu arvosana otetaan lukuun kolmeen ensimmäiseen tenttiin, jotka opiskelija suorittaa, ja enintään yhden vuoden sisällä opintojakson viimeisestä suorituspäivästä.

Suoritustapa 2

105% harjoitustehtävistä, suullinen kuulustelu harjoitustyöstä, harjoitustyö aikataulussa

1. Keräät vähintään 100% pistettä harjoitustehtävistä (kaikista osista yhteensä) JA keräät kaikki DL-BONUS-pisteet (6 * 0.5 = 3 pistettä)
2. Teet harjoitustyön aikataulussa
3. Osallistut suulliseen kuulusteluun, jossa ohjaaja arvioi harjoitustyösi

Arvosanasi on tällöin 1, jota voit vapaaehtoisesti korottaa tentillä.

Suoritustapa 3

Harjoitustyö ja loppukoe.

1. Teet harjoitustyön
2. Teet tasokokeen tapaisen loppukokeen (tämä on eri asia kuin tentti)

Arvosana muodostuu loppukokeen arvosanasta.

Eettiset ohjeet

Olet vastuussa kaikista palauttamistasi töistä. Kopioiminen tai toisen henkilön työn esittäminen omanaan on kiellettyä. Ryhmätyö on sallittua, mutta jokaisen ryhmän jäsenen tulee antaa panoksensa työhön, ymmärtää tekemänsä asiat ja osata selittää ne tarvittaessa. Ryhmätyönä tehty osa tulee aina merkitä selvästi palautettuun työhön, esimerkiksi koodin kommenttien avulla.

Noudatamme Jyväskylän yliopiston ohjeita ja linjauksia tekoälypohjaisten sovellusten käytössä opiskelussa. Lue nämä ohjeet ja linjaukset huolellisesti, jos aiot käyttää tekoälytyökaluja opiskelussasi. Alla olevat ohjeet täydentävät näitä linjauksia.

Generatiivisten tekoälytyökalujen käyttö valmiiden vastausten luomiseksi on kiellettyä.

Generatiivista tekoälyä voi käyttää apuvälineenä esimerkiksi käsitteiden selittämiseen, tehtävänantojen ymmärtämiseen, virheilmoitusten tulkintaan, materiaalissa annettujen esimerkkien selittämiseen tai uusien esimerkkien luomiseen. Tekoälytyökalulle annettavassa kehotteessa tulee huomioida, että työkalut ovat hyvin herkkiä tuottamaan suoria vastauksia tehtäviin. Tästä syystä kehotteessa tulee tyypillisesti ilmaista selkeästi, että haluat ymmärtää asian etkä halua suoraa ratkaisua.

Jos käytät tekoälyä, Microsoft 365 Copilot lienee tässä suositeltavin työkalu, koska JY:llä on sopimus sen käyttämiseksi. Toinen mahdollinen työkalu on GitHub Copilot, joka kuuluu GitHub Education -pakettiin, jota opiskelijat voivat anoa ilmaiseksi.

Tentissä, näyttökokeessa, suullisessa kuulustelussa ja vastaavissa näyttötilanteissa kaikenlaisten tekoälytyökalujen käyttö on ehdottomasti kiellettyä.

Menettely vilppiepäilytilanteessa on kuvattu Jyväskylän yliopiston opintoja ohjaavissa säädöksissä ja määräyksissä.

Työkaluohjeet

Ohjelmointi 2 -opintojaksolla käytämme seuraavia työkaluja:

• Java Development Kit (JDK) - ohjelmistokehityspaketti, joka sisältää muun muassa Java-kääntäjän sekä virtuaalikoneen Java-ohjelmien ajamista varten.

• Git - versiohallintaohjelma (engl. Version Control Software, VCS), joka mahdollistaa koodin versioinnin ja yhteistyön koodaajien välillä.

• IntelliJ IDEA - integroitu kehitysympäristö (engl. Integrated Development Environment, IDE), jolla voi kehittää ja debugata muun muassa Java-ohjelmia. Käytämme IntelliJ IDEAn ilmaista Community Edition -versiota.

• SceneBuilder - aputyökalu JavaFX-käyttöliittymien luomiseksi.

• ComTest - työkalu dokumentaatiotestien kirjoittamiselle ja ajamiselle.

Yllä olevat ohjelmat löytyvät valmiiksi asennettuna Agoran mikroluokissa (Alban puoleinen pääty, 1. ja

1. kerros). Jos sinulla on oma tietokone, suosittelemme vahvasti, että asennat ohjelmat myös siihen. Erityisesti harjoitustyön tekeminen on helpompaa, kun kaikki tarvittavat ohjelmat on myös omalla tietokoneella.

Kurssilla virallisesti tuettuja käyttöjärjestelmiä ovat Windows, macOS ja Linux. Työkalujen asentaminen ChromeOS:ään saattaa olla mahdollista, mutta emme valitettavasti voi tarjota tukea kyseiseen käyttöjärjestelmään. Tästä syystä emme suosittele ChromeOS:n käyttöä.

Valitse käyttöjärjestelmäsi alta:

winver

Esivalmistelut

Git

IntelliJ IDEA

Java Development Kit (JDK)

1. Avaa IntelliJ IDEA ja odota, kunnes pääset Welcome to IntelliJ IDEA -näkymään.

2. Klikkaa ikkunan keskellä tai ylädassa olevaa New Project -painiketta:

   

3. Avautuneesta ikkunasta klikkaa JDK-alasvetolaatikkoa ja valitse Download JDK... -painike:

   

4. Aseta avautuneessa ikkunassa asetukset seuraavasti:

   • Version: 25
   • Vendor: Oracle OpenJDK Älä muuta Location-kohdassa olevaa polkua! Paina lopuksi Select-painiketta.

5. Jätä muut projektin asetukset sellaiseksi kuin ne ovat. Paina oikeassa alalaidassa olevaa Create-painiketta ja anna projektin latautua.

   Tämä avaa IntelliJ IDEA -kehitysympäristön käyttöliittymän.

   JDK:n lataamisessa voi mennä aikaa. Odota rauhassa, kunnes kaikki virheet ja punaiset tekstit häviää.

6. Kun projekti on latautunut eikä virheitä näy, kokeile ajaa projekti painamalla oikeassa ylälaidassa olevaa Play-painiketta:

   

7. Odota, kunnes ohjelma kääntyy. Jos kaikki toimii, ikkunan alapuolelle pitäisi ilmestyä konsoli-ikkuna, jossa näet seuraavan tekstin:

   Hello and welcome!
   i = 1
   i = 2
   i = 3
   i = 4
   i = 5
   

8. Voit nyt sulkea IntelliJ IDEA:n.

SceneBuilder

ComTest

1. Avaa IntelliJ IDEA ja odota, kunnes pääset Welcome to IntelliJ IDEA -näkymään.

   Jos sinulle avautui jokin vanha projekti, klikkaa yläpalkista tai hampurilaisvalikosta File Close project. Tämä vie sinut takaisin Welcome to IntelliJ IDEA -näkymään.

2. Klikkaa ikkunan vasemmassa alalaidassa oleva Configure (Ratas-ikoni) Settings.

3. Valitse vasemmalla puolella olevista asetusnäkymistä Plugins

4. Valitse Marketplace-välilehti ja hae hakusanalla ComTest

5. Valitse Comtest Runner -pluginin kohdalta Install

   

6. Paina Save

7. Sulje IntelliJ IDEA

Mitä seuraavaksi?

Onneksi olkoon! Sinulla on seuraavaksi kaikki tarvittavat kurssityökalut. Voit jatkaa tästä varsinaisiin materiaaleihin.

Yleiset ongelmat ja ratkaisut

Harjoitustyö

Opintojaksoon kuuluu harjoitustyö, jossa toteutat graafisen Java-käyttöliittymäsovelluksen käyttäen JavaFX-kirjastoa. Löydät alta harjoitustyön tarkat arvioitavat vaatimukset.

Voit tehdä harjoitustyön joko valmiin vaatimusmäärittelyn perusteella tai keksiä oman aiheen. Löydät kaikki aiheiden kuvaukset ja vaatimukset alla.

Harjoitustyö toteutetaan vaiheittain osissa 9–12. Jokainen osa sisältää ohjeita, joiden tarkoituksena on auttaa sinua etenemään, mutta voit toteuttaa vaatimukset myös muulla tavoin, kunhan ne täyttyvät.

Suosittelemme, että ennen harjoitustyön tekemistä tutustut ja teet osissa 7-8 tehdyn Todo-sovelluksen. Saat siitä merkittävästi apua harjoitustyön toteutukseen.

Näytä lopullinen, kaikkia vaatimuksia täyttävä harjoitustyösi kurssin tuntiopettajalle ennen osan 12 palautusta etä- tai lähiohjauksessa. Kun tuntiopettaja on hyväksynyt työsi, hän tekee siitä merkinnän TIMissä.

Parityöt

Harjoitustyön voi tehdä yksin tai parin kanssa. Sovelluksessa tulee olla vähintään kolme mallinnettavaa kohdetta (yksilötöissä kaksi; vaatimus 1.1), sekä kolme näkymää (yksilötöissä kaksi; vaatimus 4.1). Muut vaatimukset ovat samat kuin yksilötyössäkin.

Parityössä kummankin tulee osallistua mahdollisimman tasapuolisesti työn edistämiseen. Harjoitustyön palauttamisen yhteydessä kummankin tekijän tulee pystyä osoittamaan ohjaajalle, että pystyy itse toteuttamaan harjoitustyön vaatimukset. Ei voi siis olla esimerkiksi niin, että toinen tekijä keskittyy yhteen osa-alueeseen, esimerkiksi käyttöliittymään, ja toinen tekijä hoitaa koodin ja tietomallin toteutuksen.

Yli kahden hengen ryhmiä ei sallita.

Aihe

Voit valita valmiin aiheen alla olevista vaihtoehdoista, tai keksiä oman aiheen, joka täyttää vaatimukset. Näet kunkin aiheen tarkemmat vaatimukset klikkaamalla.

Bonus-merkinnällä () olevia vaatimuksia ei ole pakko toteuttaa.

Tekniset vaatimukset ja arviointi

Alla olevia vaatimuksia käytetään harjoitustyön arvioinnissa. Harjoitustyö arvioidaan asteikolla hylätty/hyväksytty. Hylätyn harjoitustyön voi täydentää tuntiopettajan antaman palautteen perusteella.

Lähtökohtaisesti työn on täytettävä kaikki alla olevat vaatimukset. Yksittäisten vaatimusten kohdalla voidaan joustaa, mikäli työ on muilta osin tavanomaista laajempi tai ansiokkaampi, tai jos työn aihe sitä vaatii. Tuntiopettaja tekee lopullisen arvion työn hyväksymisestä tapauskohtaisesti.

Tentti

Lukuvuonna 2025-2026 tenttejä järjestetään seuraavasti

Voit osallistua tenttiin joko Agoran luentosalissa tai etänä Zoomin kautta.

Tenttiin tulee ilmoittautua viimeistään 72 tuntia ennen tentin alkuhetkeä. Ilmoittautumisen yhteydessä opiskelija valitsee tentin suoritustavan (salitentti tai etätentti) ja hyväksyy tentin säännöt (kuvattu alla).

Ilmoita ilmoittautumisen yhteydessä, mikäli sinulle on myönnetty lisäaikaa tentteihin yksilöllisenä järjestelynä.

Ennen kuin ilmoittaudut tenttiin, lue huolellisesti (i) Jyväskylän yliopiston ohjeet verkkotenttien suorittamiseen ja (ii) Tarkentavat ohjeet opintojakson Ohjelmointi 2 (TIEP111) -tenttiin ennen tenttiin ilmoittautumista. Jos yliopiston ohjeiden ja opintojakson tarkentavien ohjeiden välillä on ristiriita, opintojakson ohjeet pätevät.

Ongelmat tentin aikana

Jos tentin aikana ilmenee ongelmia, käytä jotakin seuraavista yhteydenottotavoista:

• Salissa: Nosta kätesi ylös ja odota, että valvoja tulee luoksesi.
• Etänä: Jätä avunpyyntö lomakkeella: Avunpyyntö etätentissä (linkki tulee tähän hyvissä ajoin ennen tenttiä)
  • Vaihtoehtoisesti laita sähköpostia osoitteeseen ohj2-opet@jyu.onmicrosoft.com.
  • Vaihtoehtoisesti soita numeroon 040 805 3276 (Antti-Jussi Lakanen). Ei tekstiviestejä.
  • Muista, että ongelman sattuessa ei ole kiirettä tai syytä paniikkiin. Vastuuopettaja voi tarvittaessa myöntää lisäaikaa tenttiin.

Tyyliopas

Tämä dokumentti on kesken.

Usein kysyttyä

Olen aloittanut Ohjelmointi 2 -kurssin aiemmin. Voinko jatkaa siitä, mihin jäin?

Jos sinulta puuttuu aiemmalta toteutukselta vain harjoitustyö, ja muut osasuoritukset ovat enintään 3 vuotta vanhoja, voit viimeistellä harjoitustyön.

Jos sinulta puuttuu jotain tai joitain muita osasuorituksia, sinun tulee suorittaa opintojakso uudelleen. Tämä johtuu siitä, että opintojakson materiaaleja päivitettiin merkittävästi keväällä 2026.

Voinko korottaa aiempaa suoritustani?

Hyväksyttyä arvosanaa voi korottaa enintään kolmen vuoden kuluessa hyväksytyn arvosanan saamisesta. Korottaminen tapahtuu tekemällä kuluvan toteutuksen harjoitustehtävät ja tentti. Arvosana lasketaan Suoritustavan 1 mukaisesti. Aiemmin (enintään kolme vuotta sitten hyväksytty) tehty harjoitustyö merkitään hyväksytyksi kuluvalle toteutukselle, eikä sitä tarvitse tehdä uudestaan.

Tenttiohjeet

Tämä sivu sisältää Jyväskylän yliopiston ohjeet verkkotenttien suorittamiseen sekä tarkentavat ohjeet opintojakson Ohjelmointi 2 (TIEP111) -tenttiin.

1. Jyväskylän yliopiston ohjeet verkkotenttien suorittamiseen

Verkkotentin suorittaminen

• Verkkotenttiin ilmoittaudutaan tentin järjestäjän ohjeiden mukaisesti.
• Verkkotentti on yksilökoe, ellei tentin järjestäjä ole muuta ohjeistanut. Se suoritetaan ilman ulkopuolisten henkilöiden suoraa tai välillistä apua.
• Järjestelmään, jossa verkkotentti järjestetään, kirjaudutaan Jyväskylän yliopiston käyttäjätunnuksella ja salasanalla. Käyttäjätunnus on henkilökohtainen, eikä omaa tunnusta saa luovuttaa eteenpäin muille henkilöille.
• Verkkotentti suoritetaan sille varattuna aikana.
• Verkkotentin saa suorittaa tietokoneella, tabletilla tai puhelimella. Tentti suositellaan suoritettavaksi tietokoneella.
• Verkkotentin suorittamisen aikainen yhteydenpito ja viestintä ulkopuolisten henkilöiden kanssa on kielletty.
• Tentin järjestäjä antaa ennen tenttiä tarkentavat ohjeet mahdollisista aineistoista, materiaaleista ja välineistä, joita tentin suorittamiseen saa käyttää. (Katso seuraavassa alaluvussa olevat kurssin tenttisäännöt.)
• Verkkotentin suorittamisen aikana saa tarvittaessa käyttää Jyväskylän yliopiston VPN-yhteyttä, mutta ei muita VPN-yhteyksiä.
• Jos yhteytesi verkkotenttijärjestelmään katkeaa tentin suorittamisen aikana, ilmoita siitä tentin jälkeen tentin järjestäjälle.

Verkkotentin valvonta ja henkilötietojen käsittely

• Yliopisto valvoo verkkotenttien suorittamista käytettävissä olevin keinoin. Yliopisto voi käyttää valvonnassa ensisijaisesti tietojärjestelmien keräämiä lokitietoja tai live-kuvaa ja toissijaisesti video- ja äänitallenteita.
• Yliopisto voi tarkistaa opiskelijan henkilöllisyyden tentin aikana.
• Arkaluonteisia henkilötietoja ei käsitellä verkkotenttien valvonnan yhteydessä.
• Henkilötietojen käsittelyssä noudatetaan yliopiston tietosuoja- ja tietoturvaohjeita.

Verkkotenttiohjeiden noudattaminen ja vilppi verkkotentissä

• Opiskelijalla on ehdoton velvollisuus perehtyä ennen tenttiä annettuihin ohjeisiin ja noudattaa niitä yksityiskohtaisesti.
• Tenttiin osallistuva opiskelija tiedostaa, että Jyväskylän yliopisto valvoo verkkotentin suorittamista ja verkkotenttiohjeiden noudattamista käytettävissä olevin keinoin.
• Tenttivastaukset voidaan opiskelijan suostumuksella käsitellä plagiaatintunnistusohjelmalla.
• Vilppi ja vilpin yritys tentissä on kielletty. Vilppiepäilytapauksissa noudatetaan rehtorin päätöstä opiskelun eettisistä ohjeista ja vilppitapausten käsittelystä Jyväskylän yliopistossa. Vilppi johtaa aina opintosuorituksen hylkäämiseen ja voi johtaa kirjalliseen huomautukseen, kirjalliseen varoitukseen tai määräaikaiseen erottamiseen.

2. Tarkentavat ohjeet opintojakson Ohjelmointi 2 (TIEP111) -tenttiin

Lisäohjeet salitenttiin

• Tentti suoritetaan paikan päällä valvotussa luentosalissa Jyväskylän yliopiston Agora-rakennuksessa.
• Tentti suoritetaan ensisijaisesti omalla henkilökohtaisella laitteella. Ilmoita ilmoittautumisen yhteydessä, mikäli sinulla ei ole omaa tietokonetta, niin järjestämme sinulle lainakoneen tenttipäiväksi.
• Tentti alkaa salissa, kun valvoja antaa luvan aloittaa tentin.
• Tenttisuorituksen päätteeksi opiskelijan on todistettava henkilöllisyytensä ennen salista poistumista.

Lisäohjeet etätenttiin

• Tentti suoritetaan etävalvotusti Zoom-ohjelman välityksellä.
• Tentin aikana opiskelijan tulee jakaa kaikkien näyttöjen ruutukuvat sekä videokuvan itsestään. Tarvittavan laitteiston hankinta on opiskelijan vastuulla. Videokamerana on sallittua käyttää oman puhelimen kameraa.
• Tentti alkaa, kun valvoja antaa luvan aloittaa tentin.
• Valvojalla on oikeus pyytää näyttämään videokuvaa ympäristöstä tai pyytää laittamaan mikrofonin päälle.
• Valvojalla on oikeus pyytää suorittamaan toimintoja tietokoneella, kuten avaamaan tehtävienhallintaa.
• Valvojalla on oikeus pyytää opiskelijaa todistamaan henkilöllisyytensä tentin aikana.
• Zoom-puhelusta saa poistua vain valvojan luvalla.

Tentissä sallitut aineistot ja materiaalit

• Tenttivastausten antamiseen saa käyttää vain tietokonetta. Mobiililaitteiden käyttö on kielletty.
• Tentin aikana saa käyttää tekstiin ja videoon perustuvia verkkosivuja, mukaan lukien opintojakson materiaaleja, harjoitustehtäviä, ohje- ja dokumentaatiosivuja.
• Tentin aikana ainoa sallittu hakukone on DuckDuckGo, jonka tekoälyominaisuudet tulee kytkeä pois päältä.
• Tentin aikana saa käyttää Rideria, Visual Studiota, tai vastaavaa kehitysympäristöä.
• Tentin aikana saa käyttää Visual Studio Codea, Sublime Textia, tai vastaavaa tekstieditoria.
• Tentin aikana saa käyttää itse tehtyjä sähköisiä tai paperille kirjoitettuja muistiinpanoja.

Tentissä kielletyt välineet ja menetelmät

• ChatGPT:n, Geminin, Copilotin tai vastaavien generatiivisten tekoälyteknologioiden käyttö on kielletty. Kielto koskee myös kehitysympäristöjen tekoälylisäkkeitä/-avustimia jne.
• Tentin aikana ainoa sallittu hakukone on DuckDuckGo, jonka tekoälyominaisuudet tulee kytkeä pois päältä. Muiden hakukoneiden (kuten Google, Bing tai Yahoo) käyttö on kielletty, koska niiden tekoälyominaisuuksia ei voi tällä hetkellä kytkeä pois päältä.
• Verkkotentti on yksilökoe. Kommunikointi muiden kanssa verkkotentin suorittamisen aikana on ehdottomasti kielletty.

Henkilötietojen käsittely tentissä

• TIM-järjestelmän keräämiä toimintalokeja voidaan käyttää vilppiepäilytapausten tutkimiseen. Järjestelmän tiedot kerätään ja käsitellään järjestelmän oman tietosuojaselosteen mukaisesti.
• Live-kuvaa, video- tai äänitallenteita ei tallenneta.

Muita ohjeita

• Tallenna vastauksesi ennen palautusajan päättymistä, mielellään muutamia minuutteja ennakkoon. Mikäli et ole tallentanut vastaustasi ennen palautusajan päättymistä, menetät viimeisimmät muutoksesi.
• Vastausten lukumäärää ei ole tentin aikana rajoitettu. Viimeisin tallennettu vastaus arvioidaan. Voit vielä tarkistaa tentin lopussa olevalla painikkeella, että vastasit kaikkiin kysymyksiin.
• Tentin arvioinnista, arvosanoista ja hyvityspisteistä on kerrottu tarkemmin kurssin suoritusohjeissa.

Luennot

Keväällä 2026 luennot järjestetään paikan päällä Agoralla. Luennot samanaikaisesti striimataan YouTube-palveluun. Luentonauhoitteet julkaistaan YouTubessa ja Moniviestimessä.

Kyselytunnit

Kyselytunti järjestetään joka viikko luentojen jälkeen klo 16.00–17.00 alkaen maanantaista 19.1.2026. Kyselytunteja pidetään viimeiseen luentoon asti.

Kyselytunnilla vastuuopettajat päivystävät luentosalissa ja opintojakson Teams-kanavalla ja vastaavat opiskelijoiden kysymyksiin. Tilaisuus on luonteeltaan vapaamuotoinen, eli ennalta määrättyä ohjelmaa ei ole, eikä tilaisuutta nauhoiteta. Voit tulla paikalle kysyäksesi mieltäsi askarruttavista asioista liittyen luentoihin, harjoitustehtäviin tai harjoitustyöhön. Kyselytunti ei ole kuitenkaan tarkoitettu harjoitustyön hyväksymiseen tai harjoitustehtävien pistekorjauksiin. Näissä kysymyksissä ota yhteyttä opettajiin sähköpostitse.

Java-kielen perusteet

Materiaalin käytöstä

Materiaali on jaettu 12 osaan, jotka sisältävät tekstiä, esimerkkejä ja tehtäviä.

Yläpalkista löydät seuraavat toiminnot:

• Sisällysluettelo: Avaa ja sulkee vasemman laidan sisällysluettelon.
• Haku (tai paina s-painiketta): Etsi sisältöä koko materiaalista hakusanalla.
• Teema: Vaihda ulkoasua (vaalea, tumma, automaattinen).
• Tulosta: Tulosta koko materiaali.

Koodiesimerkit

Ajettavissa koodiesimerkeissä on käytössä seuraavat painikkeet:

• Aja koodi: Suorittaa koodiesimerkin ja näyttää tulosteen.
• Näytä koko koodi: Paljastaa piilotetut rivit, jotka eivät ole esimerkin ymmärtämisen kannalta keskeisiä, mutta vaaditaan koodin suorittamiseen.

Jotkin koodiesimerkit saattavat olla muokattavia. Voit tarvittaessa palauttaa esimerkin alkuperäiseen tilaan Peruuta muutokset-painikkeella ().

Tehtävät

Jokainen osa sisältää joukon harjoitustehtäviä. Löydät kuhunkin alalukuun liittyvät tehtävät alaluvun lopusta. Löydät kaikki osan tehtävät koostettuna myös "Osan kaikki tehtävät" -alaluvusta.

Tehtävät palautetaan TIM-järjestelmään. Linkki kunkin tehtävän palautuslaatikkoon löytyy aina tehtävänannon yhteydessä. Voit seurata edistymistäsi kurssin TIM-kotisivulla. Kirjaudu sisään TIM-järjestelmään Haka-kirjautumisella käyttäen yliopistotunnuksesi. Ohjeet Haka-kirjautumiselle löytyvät TIM-ohjeista.

Hei, Java!

Ohjelmointi 2 -kurssilla käytämme Java-ohjelmointikieltä. Java on yleiskäyttöinen olio-ohjelmointia tukeva kieli, joka on tarkoitettu alustasta riippumattomien ohjelmien kirjoittamiseen. Java on suosittujen ohjelmointikielten kärkilistoilla (ks. esim. TIOBE index, StackOverflow 2025 developer survey, suosituimmat kielet GitHub-palvelussa). Javan syntaksi muistuttaa paljon Ohjelmointi 1 -kurssilla käytettyä C#-kieltä.

Java-kielen perusteet

Lähdetään liikkeelle perinteisellä 'Hei, maailma' -esimerkillä Javalla:

/* 1 */ void main() {
/* 2 */     IO.println("Hei, maailma!");
/* 3 */ }

Käydään läpi ohjelma rivi riviltä:

1. Java-ohjelman suoritus alkaa main-nimisestä aliohjelmasta. void tarkoittaa, että aliohjelma ei palauta mitään arvoja. Koska pääohjelma ei ota parametreja, main-sanan perässä olevat kaarisulkeet voidaan jättää tyhjäksi. Aliohjelman runko alkaa avaavalla aaltosululla {.

2. Tekstin tulostaminen komentorivi-ikkunaan onnistuu IO.println-metodilla. Javassa lause loppuu yleensä puolipisteeseen ;, kuten tässäkin.

3. Aliohjelman runko lopetetaan aaltosululla }. Ohjelman suoritus päättyy automaattisesti, kun main-aliohjelma on suoritettu loppuun.

Vaikka ohjelma on hyvin yksinkertainen, se on silti aivan toimiva Java-ohjelma. Opintojakson aikana teemme paljon juuri komentorivi-ikkunaan kirjoittavia ja sieltä lukevia ohjelmia. Opintojakson loppupuoliskolla painopiste siirtyy graafisten käyttöliittymien parissa työskentelyyn.

Javan koodauskäytänteistä

Monesti ohjelmointikielessä on joukko kyseiseen kieleen vakiintuneita koodauskäytänteitä. Näin on myös Javassa. Tutustumme erilaisiin käytänteisiin tämän materiaalin edetessä. Mainittakoon, että Javan koodauskäytänteet poikkeavat hieman C#-kielen käytänteistä muun muassa nimeämisessä ja koodin muotoilussa.

Tässä olennaisimmat Javan koodauskäytänteet, joita on tässä vaiheessa hyvä pitää mielessä:

• Aliohjelman runkoa aloittava aaltosulku { laitetaan yleensä samalle riville kuin aliohjelman määrittely. Sama pätee muihin rakenteisiin, joissa käytetään aaltosulkuja, kuten if-, for-, while- ja do-while-rakenteille.

• Muuttujien ja aliohjelmien nimeämisessä käytetään camelCasing-tyyliä, eli ensimmäinen kirjain on pienaakkonen ja seuraavat sanat aloitetaan suuraakkosella. Esimerkiksi tamaOnFunktionNimi.

• Tiedostojen ja luokkien nimeämisessä käytetään PascalCasing-tyyliä, eli ensimmäinen kirjain on suuraakkonen ja seuraavat sanat aloitetaan isolla kirjaimella: HeiMaailma.java, public class Opiskelija, jne. Samoin monissa muissa myöhemmin opittavissa rakenteissa, kuten rajapinnoissa ja enumeraatioissa käytetään PascalCasing-tyyliä.

Opas: Java-ohjelmien kääntäminen ja ajaminen

Vaikka monet yllä olevan tapaiset pienet ohjelmat voidaan periaatteessa tehdä nettiselaimessa, on ohjelmia kehittäessä varsin käytännöllistä käyttää erillistä kehitysympäristöä. Tässä materiaalissa käytämme IntelliJ IDEA -kehitysympäristöä Java-ohjelmien luomiseen, ajamiseen ja virheenjäljitykseen.

Luo uusi projekti

Luodaan seuraavaksi yksinkertainen projekti IDEAssa. Projekti on IDEA-kehitysympäristön tapa koostaa lähdekooditiedostoja, testejä, kirjastoja ja muita lisätiedostoja yhteen kokonaisuuteen.

Tee seuraavasti:

1. Avaa IntelliJ IDEA ja avaa uuden projektin dialogi.

   Jos sinulle avautui Welcome to IntelliJ IDEA, valitse New Project.

   Jos sinulle avautui jokin valmis Java-projekti, valitse yläpalkissa File New Project.

   

   Yläpalkin valinnat saattavat olla hampurilaisvalikkopainikkeen () takana.

2. Uuden projektin dialogissa aseta seuraavat tiedot:

   • Valitse vasemmalla puolella olevasta listasta projektityypiksi Empty Project.

   • Aseta projektin nimeksi Name-kenttään HelloWorld. Projektien nimet kirjoitetaan yleensä ilman välilyöntejä.

   • Aseta projektin sijainti Location-kenttään. Klikkaa kentän oikealla puolella olevaa kansiokuvaketta () ja valitse projektille sopiva kansio. Valitse sellainen kansio, jonka löydät tulevaisuudessakin helposti omalta tietokoneelta.

   • Laita ruksi Create Git repository pois päältä. Emme tarvitse versiohallintaa vielä tässä vaiheessa.

   Yllä olevien valintojen jälkeen tuloksen pitäisi näyttää seuraavalta (Location-kenttä voi olla erilainen riippuen käyttöjärjestelmästäsi):

   

3. Paina Create. Tämän jälkeen IDEA luo uuden projektin valitsemaasi kansioon.

   Käydään pikaisesti läpi IDEAn olennaisimmat osat:

   
   1. Koodialue: projektissa olevien tiedostojen sisällöt näkyvät tässä, kun ne avataan. Kukin avattu tiedosto avautuu omaan välilehteen.
   2. Projektiselain: projektissa olevat kansiot ja tiedostot näkyvät tässä. Selaimen kautta voidaan lisätä, poistaa, siirtää tai uudelleennimetä tiedostoja ja kansioita.
   3. Projektin ajaminen ja debuggaus: tässä näkyy ajettavan Java-ohjelman nimi, ohjelman ajopainike () ja debuggauspainike ().
   4. Valikot ja näkymät: IDEAssa on erilaisia näkymiä, jotka ovat oletuksella piilossa. Sivupalkin avulla voidaan avata ja piilottaa näkymät tarpeen mukaan. Esimerkiksi projektiselaimen voi piilottaa painamalla sivupalkissa olevasta kansiokuvakkeesta ().

Luo Java-moduuli

Oletuksella uusi projekti on tyhjä. IDEA:ssa ohjelmakoodi kirjoitetaan moduuleihin (engl. module). Samaan projektiin voi lisätä useita moduuleita, joita voi kehittää ja ajaa erikseen. Esimerkiksi, voit näin tehdä yhden projektin tietyn viikon tehtäville (esim. Viikko1 tai Viikon1Tehtavat) ja lisätä kunkin tehtävän omana moduulina.

Luodaan seuraavaksi alimoduuli nimeltään HelloProgram, lisätään siihen uusi ohjelma ja kokeillaan ajaa se.

Tee seuraavasti:

1. Klikkaa hiiren toissijaisella painikkeella projektin nimeä projektinäkymässä (HelloWorld) ja valitse New Module.

2. Avautuvassa New Module -dialogissa aseta seuraavat tiedot:

   • Valitse vasemmalla puolella olevasta listasta projektityypiksi Java.

   • Aseta projektin nimeksi Name-kenttään HelloProgram. Projektien nimet kirjoitetaan yleensä ilman välilyöntejä.

   • Jätä Location-kenttä sellaisenaan. IDEA automaattisesti valitsee moduulille oikean sijainnin.

   • Valitse Build system-rivillä IntelliJ. Tutustumme muihin projektien rakennusjärjestelmiin myöhemmissä osissa.

   • Varmista, että JDK-kentässä on sama JDK-versio kuin minkä olet asentanut Työkaluohjeissa.

   • Laita ruksi Add sample code pois päältä. Lisäämme kooditiedoston itse.

   Yllä olevien valintojen jälkeen tuloksen pitäisi näyttää seuraavalta (Location-kenttä voi olla erilainen riippuen käyttöjärjestelmästäsi):

   

   Paina lopuksi Create. Tämä luo uuden HelloProgram-kansion, joka sisältää src-kansion.

Luo lähdekooditiedosto

IntelliJ-projektissa moduuliin kuuluva koodi laitetaan src-kansioon. Jos projektissa on useampi moduuli, jokaisella moduulilla on oma src-kansio.

Luodaan seuraavaksi yksinkertainen Java-lähdekooditiedosto, johon voidaan kirjoittaa koodi.

1. Klikkaa projektiselaimessa olevaa HelloProgram-moduulin alasvetopainiketta. Sen jälkeen klikkaa toissijaisella hiiren painikkeella src-kansiosta ja valitse New Java Compact File.

2. Anna lähdekooditiedoston nimeksi Ohjelma ja paina Enter.

IDEA luo uuden Ohjelma.java-nimisen tiedoston src-kansioon. IDEA myös lisää automaattisesti main-aliohjelman määrittelyn lähdekooditiedostoon. Samalla IDEA avaa lähdekooditiedoston koodialueelle. Voit jatkossa avata tiedoston myös tuplaklikkaamalla sitä.

Kirjoita ohjelma

Kirjoitetaan seuraavaksi yksinkertainen "Hei, maailma"-ohjelma alusta alkaen juuri luotuun Ohjelma.java-tiedostoon.

Tee seuraavasti:

1. Poista kaikki koodi Ohjelma.java-tiedostosta.

   IDEA lisää yleensä valmista pohjakoodia uusiin lähdekooditiedostoihin. Tätä harjoitusta varten kirjoitamme kuitenkin koodia itse.

2. Kirjoita seuraava koodi Ohjelma.java -tiedostoon:

   void main() {
       IO.println("Hei, maailma!");
   }
   

   Vältä kopioimasta koodia, vaan kirjoita se itse. Kirjoittaminen itse usein auttaa muistamaan, mistä eri ohjelmoinnissa käytettävät merkit, kuten aaltosulut, kaarisulut ja puolipiste löytyvät.

Ohjelman ajaminen

Kooditiedostoja, jotka sisältävät main-aliohjelman, voidaan suorittaa. Suorittaminen onnistuu ajopainikkeella (), joka sijaitsee main-aliohjelman vieressä sekä IDEA:n yläpalkissa.

Tee seuraavasti:

1. Klikkaa main-aliohjelman vasemmalla puolella olevaa ajopainiketta ().

   IDEA ensin kääntää ohjelmasi. Kun ohjelma on käännetty, IDEA ajaa ohjelmasi, ja editorin alapuolelle avautuu Run-ikkuna, jossa näkyy tekstiä. Ensimmäinen rivi on se komento, jota IDEA käytti käännetyn tiedoston ajamiseksi. Seuraavalla rivillä on oman ohjelmamme tuottama tuloste Hei, maailma!. Viimeinen rivi kertoo, että ohjelman suoritus päättyi ilman virheitä.

2. Kokeile vielä ohjelman ajamista luodulla ajokonfiguraatiolla.

   Kun ajat kooditiedoston ensimmäistä kertaa, IDEA luo ajokonfiguraation. Ajokonfiguraatio on pieni tiedosto, johon tallentuu koodin suorittamiseen liittyviä asetuksia, kuten käytettävä JDK-versio, mahdolliset komentoriviparametrit ja työhakemisto. Oletusarvoisesti tämä tiedosto syntyy projektin juurikansioon .idea workspace.xml.

   Kun ajokonfiguraatio on luotu ensimmäisen ajon jälkeen, voit jatkossa ajaa koodin aina IDEA:n yläpalkissa olevalla ajopainikkeella. Tällä tavoin voit helposti ajaa ohjelmia ilman, että kooditiedostoa tarvitsee erikseen avata.

   IDEAn yläpalkissa pitäisi nyt näkyä Ohjelma-ajokonfiguraation nimi, jonka vieressä on ajopainike (). Kokeile sulkea Ohjelma.java ja suorittaa ohjelma yläpalkin kautta.

   Ajokonfiguraatioiden avulla voit ajaa eri moduuleissa kirjoitettuja ohjelmia. Myöhemmin materiaalissa tutustumme lisäksi Gradle-hallintatyökaluun, jonka avulla teemme muun muassa erillisiä ajokonfiguraatioita projektin ajamiselle, testaamiselle ja kääntämiselle.

vinkki

Tutustu yleisimpiin pikanäppäinkomentoihin

Näppäinkomennot nopeuttavat kehitysympäristön käyttöä, ja pienellä harjoittelulla ohjelmointi voi sujua kokonaan hiirtä käyttämättä. Näppäinkomennot riippuvat käyttöjärjestelmästä ja valituista näppäinasetuksista. IDEA kuitenkin näyttää näppäinkomennot valikoissa sekä vihjeteksteissä, mikä helpottaa komentojen oppimista.

Voit myös muokata näppäinkomentoja asetuksista kohdassa File Settings Keymap. Voit myös ladata muiden kehitysympäristöjen, kuten Visual Studio Coden, näppäinasetuksia laajennoskaupasta kohdassa File Plugins.

Kääntäminen ja ajaminen komentoriviltä

Ennen kuin IDEA varsinaisesti ajaa ohjelman, se käännetään ajettavaan muotoon. IDEAssa tämä tapahtuu taustalla automaattisesti klikkaamalla ajopainiketta, debuggauspainiketta tai Build-valikon kautta. Java-lähdekoodin voi kuitenkin tarvittaessa myös kääntää ja ajaa itse komentoriviltä. On hyvä tietää, miten tämä tapahtuu, jotta ymmärrät paremmin, mitä IDEA taustalla tekee.

Tutkitaan nyt, miten ohjelma käännetään ja ajetaan komentoriviltä.

Get-ChildItem -Path "$env:USERPROFILE\.jdks" -Directory | Sort-Object Name -Descending | Select-Object -First 1 | ForEach-Object { $env:JAVA_HOME = $_.FullName; $env:PATH = "$_.FullName\bin;$env:PATH" }

export JAVA_HOME=$(/usr/libexec/java_home) && export PATH="$JAVA_HOME/bin:$PATH"

export JAVA_HOME=$(printf "%s\n" ~/.jdks/* | sort -V | tail -n 1) && export PATH="$JAVA_HOME/bin:$PATH"

Avataan nyt komentorivi ja siirrytään alkuun projektikansioon. Tarkastellaan vielä, mitä tiedostoja projektista löytyy:

Koska käytössämme on IntelliJ-projekti, sieltä löytyy vain muutama olennainen tiedosto ja kansio:

• HelloWorld.iml on projektin asetustiedosto, jolla IDEA tunnistaa kansion olevan Java-projekti
• HelloProgram on lähdekoodikansio, jossa kaikki lähdekooditiedostot sijaitsevat
• out on kansio, joka sisältää käännetyt ohjelmat

Siirrytään nyt kansioon HelloProgram ja tarkastellaan sen sisältö:

Yksittäisestä moduulista löytyvät vastaavasti seuraavat tiedostot ja kansiot:

• HelloProgram.iml on moduulin asetustiedosto, jolla IDEA tunnistaa kansion olevan Java-moduuli
• src on lähdekoodikansio, joka sisältää ohjelman lähdekoodin

Siirrytään vastaavasti kansioon src ja tarkastellaan sen sisältö:

.java-tiedostopäätettä käytettävät tiedostot ovat Javan lähdekooditiedostoja. Ne sisältävät ohjelman lähdekoodia tekstinä eivätkä ne ole vielä suoraan ajettavissa.

Jotta ohjelma voidaan ajaa, se pitää kääntää. Kuten mainitsimme, IDEA tekee tämän automaattisesti kun käynnistämme tekemämme ohjelman, mutta lähdekoodin kääntäminen onnistuu myös komentoriviltä käyttäen Java-kehitysympäristön mukana tullutta javac-kääntäjäohjelmaa. Kokeillaan kääntää Ohjelma.java:

Jos kääntäminen onnistui, javac-komento ei tulosta oletuksena mitään. Tutkitaan vielä kansion rakenne ls-komennolla:

Kääntämisen seurauksena syntyy .class-päätteinen tiedosto. Tämä tiedosto sisältää niin sanottua tavukoodia (engl. bytecode), joka on tiedoston käännetty muoto. Tavukoodi ei ole suoraan prosessorilla ajettava ohjelma, vaan eräänlainen välivaihe. Tavukoodia voidaan kuitenkin suorittaa Javan virtuaalikoneella (JVM, Java Virtual Machine), joka on erillinen ohjelma, joka osaa tulkita ja suorittaa tavukoodia. Vaikka tämä voi kuulostaa turhan monimutkaiselta, hyöty on siinä, että ohjelma joka on käännetty Java-tavukoodiksi voidaan nyt ajaa eri alustoilla (Windows, macOS, Linux, jne.), kunhan JVM on toteutettu kyseisellä alustalla. JVM voi puolestaan optimoida tavukoodia juuri alustalle ja prosessorille sopivaan muotoon. Javalla onkin iskulause: "Write Once, Run Anywhere", jolla viitataan tähän periaatteeseen.

JDK:n kanssa tulee myös valmiiksi Java-virtuaalikone sekä Javan ajoympäristö (JRE, Java Runtime Environment), joka sisältää yleisempiä toimintoja, joita Java-ohjelma saattaa käyttää. Tavukooditiedosto voidaan ajaa JVM:llä käyttäen java-komentoa:

Huomaa, että java-komentoa antaessa kirjoitetaan tavukooditiedoston nimi ilman .class-päätettä. Myöhemmin materiaalissa tutustumme Gradle-projektinhallintaohjelmaan, jolla pystyy kääntämään useita lähdekooditiedostoja yhteen .jar-tiedostoon, johon voidaan pakata kaikki ohjelman ajamiseen tarvittavat tiedostot. Myös .jar-tiedostot voidaan suorittaa java-komennolla.

Tekstin tulostaminen ja syötteen lukeminen komentorivi-ikkunassa

Jatkossa voi olla hyödyllistä tulostaa erilaisia asioita komentorivin avulla ja toisaalta lukea tietoa sieltä. Javan IO-luokka tarjoaa kolme perustoimintoa tekstin tulostamiseen ja lukemiseen komentorivillä:

Katsotaan vielä näiden yhteistoimintaa. Voit muokata alla olevaa esimerkkiä vapaasti ja kokeilla, miten erilainen tulostus toimii.

void main() {
    String nimi = IO.readln("Anna nimesi: > ");
    IO.println();
    IO.println("Moi, " + nimi + "!");

    IO.print("Tämä teksti");
    IO.print(" menee samalle");
    IO.print(" riville");
    
    IO.println(); // Kokeile ottaa tämä pois ja katso, mitä tapahtuu

    IO.println("Tervetuloa Ohjelmointi 2 -kurssille!");
}

Muuttujat ja tietotyypit

Ohjelmat käsittelevät muistiin tallennettua tietoa. Korkean tason kielissä, kuten Javassa käytetään selkokielisiä nimiä viitattaessa muistiin tallennettuun tietoon. Tällaista nimeä, joka viittaa muistissa olevaan tietoon, kutsutaan muuttujaksi (engl. variable). Ohjelmoijan tarvitsee muistaa vain nimi; käyttöjärjestelmä ja tietokoneen sisäinen logiikka huolehtivat tiedon todellisesta sijainnista muistissa.

Ennen käyttämistä muuttuja tulee määritellä.

tyyppi muuttujanNimi;

Muuttujan tyyppi määritellään muuttujan nimen edessä, ja se kertoo, millaista tietoa muuttuja voi sisältää, esimerkiksi kokonaisluvun, desimaaliluvun tai totuusarvon. Muuttujan nimi on ohjelmoijan valitsema tunniste, jonka avulla muuttujaan viitataan. Nimi voi sisältää kirjaimia ja alaviivoja. Muuttujan nimi ei kuitenkaan voi olla Java-kielessä varattu avainsana eikä muuttujan nimi saa alkaa numerolla.

Muuttujan määrittelyn jälkeen muuttujaan voi sijoittaa lausekkeiden arvoja:

muuttujanNimi = lauseke;

Yhtäsuuruusmerkin oikealla puolella olevan lausekkeen (engl. expression) arvo tallennetaan sen vasemmalla puolella nimettyyn muuttujaan. Jos muuttujissa oli aiemmin jotain muita arvoja, ne korvataan uusilla.

void main() {
double korkokerroin; // Muuttujan määrittely, double = desimaaliluku
double paaoma; // Muuttujan määrittely

korkokerroin = 0.05; // Arvon sijoitus muuttujaan
paaoma = 150.0; // Arvon sijoitus muuttujaan
 IO.println("korkokerroin = " + korkokerroin);
 IO.println("paaoma = " + korkokerroin);
 }

Muuttujaa ei voi käyttää ennen kuin siihen sijoittaa arvon ainakin kerran. Tätä varten voi käyttää yhdistettyä määrittely- ja sijoituslausetta, joka yhdistää muuttujan määrittelyn ja alkuarvon sijoittamisen samalle riville:

double paaoma = 0.05; 
// Yllä oleva on sama kuin:
double paaoma;
paaoma = 0.05;

Muuttuja voi olla myös lausekkeen osana, ja siten sen arvoa voidaan käyttää osana sijoitettavaa lauseketta.

void main() {
double korkokerroin = 0.05;
double paaoma = 150.0;

double paaomaKorolla = (1 + korkokerroin) * paaoma;
 IO.println("korkokerroin = " + korkokerroin);
 IO.println("paaoma = " + korkokerroin);
 IO.println("paaomaKorolla = " + paaomaKorolla);
}

Ohjelmoinnissa sijoitus on lause, eli yksittäinen suoritettava käsky. Esimerkiksi lausetta double paaoma = 150.0; voi ajatella tarkoittavan: "tallenna luku 150.0 muistiin paikkaan, jota kutsutaan tästä eteenpäin nimellä paaoma". Muuttujan arvo pysyy samana kunnes jokin toinen lause muokkaa muuttujan arvoa.

Javan tietotyypit voidaan jakaa kahteen pääryhmään: alkeistietotyyppeihin (engl. primitive data types) ja viitetietotyyppeihin (engl. reference data types). Kaikki tieto tallennetaan tietokoneen muistiin binäärilukuina (nollien ja ykkösten sarjana), ja tietotyypit eroavat toisistaan siinä, kuinka paljon muistia ne varaavat, millaista dataa ne esittävät ja millä säännöillä dataa voi käsitellä. Alkeistietotyypit sisältävät yksinkertaisia arvoja, kuten kokonaislukuja ja totuusarvoja, kun taas viitetietotyypit sisältävät monimutkaisempia rakenteita, kuten olioita, taulukoita ja merkkijonoja.

Alkeistietotyypit

Javassa on kahdeksan sisäänrakennettua alkeistietotyyppiä, joita voi karkeasti jakaa neljään kategoriaan: kokonaisluvut, liukuluvut, merkit ja totuusarvot.

Kokonaisluvut

Kokonaisluvuille on olemassa neljä tyyppiä, jotka eroavat toisistaan lukualueen ja muistinkulutuksen perusteella. Yleisimmin käytetty kokonaislukutyyppi on int.

void main() {
int suuriLuku = 2000000000;
IO.println("suuriLuku = " + suuriLuku);

suuriLuku += 1000000000;
IO.println("suuriLuku = " + suuriLuku);
}

Liukuluvut

Desimaaliluvuille käytetään liukulukutyyppejä. Yleisin näistä on double.

void main() {
    // Laskutoimitukset voivat erota desimaaliluvuista pyöristysvirheiden takia
    double pyoristysVirhe = 0.1 + 0.2;
    IO.println("pyoristysVirhe = " + pyoristysVirhe);

    // Jakaminen nollalla on määritelty eikä aiheuta virhettä
    double negatiivinenAarettomyys = -1.0 / 0.0;
    IO.println("negatiivinenAarettomyys = " + negatiivinenAarettomyys);
    double positiivinenAarettomyys = 1.0 / 0.0;
    IO.println("positiivinenAarettomyys = " + positiivinenAarettomyys);

    // Jakolasku 0/0 ei aiheuta virhettä
    double nan = 0.0 / 0.0;
    IO.println("nan = " + nan);
}

Merkit

Yksi merkki tallennetaan char-tyyppiseen muuttujaan, joka käyttää 2 tavua muistia.

Totuusarvot

Totuusarvoja varten on boolean-tyyppi, jolla on kaksi mahdollista arvoa: true (tosi) tai false (epätosi).

Viitetietotyypit

Toisin kuin alkeistietotyypit, viitetietotyyppinen muuttuja sisältää varsinaisen tiedon sijaan vain pienen, kiinteän kokoisen arvon eli viitteen (engl. reference). Viitteen avulla ohjelma pääsee käsiksi varsinaiseen dataan,
jonka kokoa tai sisältöä ei välttämättä tiedetä ennen kuin ohjelma ajetaan.

Javassa käytännössä kaikki muut tietotyypit kuin alkeistietotyypit ovat viitetietotyyppejä. Esimerkiksi String on viitetietotyyppi, kuten myös kaikki taulukot ja listat. Alkaen luvusta 2 tutustumme olio-ohjelmointiin; Javassa kaikki oliot ovat viitetietotyypit.

Kaikkiin viitetyyppimuuttujiin on sallittua sijoittaa erikoisarvo null. Tämä niin sanottu null-viite merkitsee, että muuttuja ei sisällä viitettä mihinkään tietoon. Yritys muokata tai lukea muuttujaa, jonka arvo on null, tuottaa yleensä virheen ohjelman ajon aikana:

String teksti = null;
String tekstiIsolla = teksti.toUpperCase();
IO.println(tekstiIsolla);

java.lang.NullPointerException: Cannot invoke "String.toUpperCase()" because "<local1>" is null
	at main.main(main.java:3)

Koska virhe tapahtuu vasta ajon aikana, Javassa on yleensä ohjelmoijan vastuulla varmistaa, että muuttujan tai funktion parametrin arvona ei ole null-viite. Varmistus voidaan tehdä esimerkiksi ehtorakenteella, jotka esitetään seuraavassa alaluvussa.

Elain lemmikki = new Koira();
lemmikki = new Kissa();

Literaalit

Literaali (engl. literal) tarkoittaa ohjelmakoodiin kirjoitettua kiinteää arvoa. Eri tietotyypeillä on omat kirjoitussääntönsä literaaleille.

• Merkit (char): Kirjoitetaan yksittäisen lainausmerkin sisään, esimerkiksi 'A', '*' ja 'x'. Erikoismerkit alkavat kenoviivalla: '\n' (rivinvaihto), '\u03A9' (kreikkalainen iso omega) ja '\t' (tabulaattori).
• Kokonaisluvut (byte, short, int, long): Kirjoitetaan suoraan numerona, esimerkiksi 42, -7 ja 0. long-luvun literaali päättyy isoon tai pieneen kirjaimeen L tai l, esimerkiksi 12345678901L.
• Liukuluvut (float, double): Kirjoitetaan desimaalipisteellä erotettuna, esimerkiksi 3.14, -0.001 ja 2.0. Voidaan käyttää myös tieteellistä muotoa: 1.5e3 (eli 1.5 × 10³ = 1500) ja 2.0E-4 (eli 2.0 × 10⁻⁴ = 0.0002). Oletuksena desimaaliluvut ovat double-tyyppiä. Jos haluat luoda float-luvun, literaalin tulee päättyä isoon tai pieneen kirjaimeen F tai f, esimerkiksi 3.14f.
• Totuusarvot (boolean): Kirjoitetaan avainsanoina true ja false.

void main() {
char merkki = 'A';
IO.println("merkki = " + merkki);

int luku = 123;
IO.println("luku = " + luku);
long isoLuku = 12345678901L;
IO.println("isoLuku = " + isoLuku);

double liukuluku = -2.0;
IO.println("liukuluku = " + liukuluku);
float pieniLiukuluku = 2.0f;
IO.println("pieniLiukuluku = " + pieniLiukuluku);
double tieteellinenMuoto = 1.5e-2;
IO.println("tieteellinenMuoto = " + tieteellinenMuoto);

boolean totuusarvo = true;
IO.println("totuusarvo = " + totuusarvo);
}

Käärijäluokat

Javassa kullekin alkeistietotyypille on olemassa niin sanottu käärijäluokka (engl. wrapper class). Käärijäluokka "käärii" alkeistietotyypin arvon olion sisään, jolloin alkeistietotyypin arvoa voidaan käsitellä oliona. Esimerkiksi int-tyypin käärijäluokka on Integer. Käärijäluokista löytyy hyödyllisiä metodeja, kuten toString() sekä vakioita, kuten MAX_VALUE. Alkeistietotyypit ja niitä vastaavat käärijäluokat on esitetty alla olevassa taulukossa.

Alla olevassa esimerkissä käytetään käärijäluokkien MAX_VALUE-vakioita, tulostetaan primitiivityyppien käärittyjä arvoja, sekä havainnollistetaan kokonaisluvun lukualueen ylitystä.

void main() {
    byte tavu = Byte.MAX_VALUE;
    short kaksiTavua = Short.MAX_VALUE;
    IO.println(tavu);
    IO.println(kaksiTavua);
    IO.println(Short.toString(kaksiTavua).charAt(0));

    int maksimi = Integer.MAX_VALUE;
    IO.println(maksimi + " on suurin luku, jonka voi tallettaa int-tyyppiseen muuttujaan" );
    int ylivuoto = Integer.MAX_VALUE + 1;
    IO.println("Ylitetään lukualue:");
    IO.println(ylivuoto);
}

Merkkijonot

Javassa merkkijonoja ei lasketa alkeistietotyypiksi. Java-kieli tarjoaa kuitenkin merkkijonoille oman syntaksin: uuden merkkijonon voi luoda kirjoittamalla merkkejä lainausmerkkien " väliin:

void main() {
String jono = "Opiskelen ohjelmointia!";
IO.println("jono = " + jono);
}

Javassa merkkijono on muuttumaton. Jos yrität suorittaa jonkin operaation merkkijonolle, saat tulokseksi uuden merkkijonon, eikä alkuperäinen merkkijono muutu. Katsotaan tästä esimerkki:

void main() {
String muuttumaton = "Tämä on muuttumaton.";
IO.println("muuttumaton = " + muuttumaton);

muuttumaton.concat("Vai onko sittenkään?");
IO.println("muuttumaton = " + muuttumaton);
}

Metodin concat() palauttamaa uutta merkkijonoa ei nyt tallenneta mihinkään, ja alkuperäinen merkkijono pysyy ennallaan. Toisin sanoen, merkkijonomuuttujien arvoa voi muuttaa vain sijoittamalla:

void main() {
String muuttumaton = "Tämä on muuttumaton.";
IO.println("muuttumaton = " + muuttumaton);

// HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
muuttumaton = muuttumaton.concat("Vai onko sittenkään?");
// HIGHLIGHT_GREEN_END
IO.println("muuttumaton = " + muuttumaton);
}

String-tyyppi sisältää lukuisia hyödyllisiä metodeja. Alla on lueteltu joitain niistä.

Kaikki metodit ja niiden tarkat selitykset löytyvät JavaDocs-sivulta (ks. Class String). Katsotaan vielä, miten yllä olevia esimerkkejä voi käyttää:

void main() {
    String mjono = "Opiskelen ohjelmointia java-kielellä.";
    IO.println("mjono = " + mjono);
    IO.println("Ensimmäinen merkki: " + mjono.charAt(0));
    IO.println("Jonon pituus: " + mjono.length());

    IO.println(); // Lisää ylimääräisen rivivaihdon

    // Merkkijonojen yhdistäminen onnistuu + operaattorilla
    mjono = mjono + " Hei maailma!";
    IO.println("mjono (lisäyksen jälkeen) = " + mjono);

    // Tekstin korvaaminen merkkijonossa
    mjono = mjono.replace("java", "Java");
    IO.println("mjono (korvattu java -> Java) = " + mjono);

    IO.println();

    // "Pilkkoo" jonon kahteen osajonoon viivan kohdalla
    // HUOM: split-metodissa merkit \^$.|?*+()[]{}
    // vaativat, että niiden eteen laitetaan kaksi kenoviivaa \\
    // Eli jos haluttaisiin pilkkoa pisteen kohdalla, tulisi kirjoittaa
    // mjono.split("\\.") eikä mjono.split(".");
    // jälkimmäinen versio on ns. säännöllinen lauseke (regular expression),
    // joka pilkkoo jonon jokaisen merkin kohdalla
    String[] lauseet = mjono.split("\\.");
    IO.println("lauseet = " + Arrays.toString(lauseet));

    IO.println();

    // indexOf etsii indeksin, jossa annettu jono löytyy
    int ohjelmointiaPaikka = mjono.indexOf("ohjelmointia");
    IO.println("ohjelmointiaPaikka = " + ohjelmointiaPaikka);

    // substring palauttaa osajonon annetusta jonosta indeksin perusteella
    String osajono = mjono.substring(ohjelmointiaPaikka, ohjelmointiaPaikka + 12);
    IO.println("osajono = " + osajono);

    IO.println();

    // Operaatio "String + lauseke" muuntaa lausekkeen arvon merkkijonoksi
    String toinenJono = "1/2 = " + (1.0 / 2);
    IO.println("toinenJono = \"" + toinenJono + "\"");
}

Luvun parsiminen merkkijonosta

Merkkijono voidaan muuntaa luvuksi käyttämällä käärijäluokkien parse-alkuisia metodeja. Esimerkiksi Integer.parseInt muuntaa merkkijonon kokonaisluvuksi ja Double.parseDouble muuntaa merkkijonon desimaaliluvuksi.

void main() {
    String kokonaislukuJono = "42";
    int kokonaisluku = Integer.parseInt(kokonaislukuJono);
    IO.println("kokonaisluku = " + kokonaisluku);

    String desimaalilukuJono = "3.14";
    double desimaaliluku = Double.parseDouble(desimaalilukuJono);
    IO.println("desimaaliluku = " + desimaaliluku);
}

StringBuilder

Käytä StringBuilder-luokkaa, kun tarvitset muunneltavan merkkijonon. Se tarjoaa menetelmiä merkkijonon muokkaamiseen ilman uusien merkkijono-olioiden luomista, mikä tehostaa muistin käyttöä.

Alla on lueteltu joitain StringBuilder-luokan hyödyllisiä metodeja.

Kaikki toiminnot ja niiden tarkat selitykset löytyvät JavaDocs-sivulta (ks. Class StringBuilder). Alla on esimerkkejä metodien käytöstä.

void main() {
    StringBuilder muuttuva = new StringBuilder("Tämä on muuttuva");
    IO.println("muuttuva = " + muuttuva);
    IO.println("muuttuva.length() = " + muuttuva.length());

    IO.println();

    muuttuva.append(" merkkijono.");
    IO.println("muuttuva = " + muuttuva);
    IO.println("muuttuva.length() = " + muuttuva.length());

    IO.println();

    String muuttumatonKopio = muuttuva.toString();
    IO.println("muuttumatonKopio = " + muuttumatonKopio);
}

Taulukot

Taulukkoja (engl. array) käytetään tallentamaan joukkoa samantyyppisiä alkioita muuttujaan. Tämä helpottaa datan organisointia.

Uuden taulukon määrittely ja luominen Javassa onnistuu seuraavasti:

Tyyppi[] nimi = new Tyyppi[koko];

Tässä new Tyyppi[koko] luo taulukon, joka sisältää koko kappaletta alkioita, joiden tyyppi on Tyyppi. Taulukon luomisen jälkeen alkioiden arvoja voi asettaa käyttäen sijoituslausetta seuraavasti:

void main() {
int[] arvosanat = new int[4];
arvosanat[0] = 4;
arvosanat[1] = 2;
arvosanat[2] = 2;
arvosanat[3] = 5;
IO.println("arvosanat = " + Arrays.toString(arvosanat));
}

Sijoituslauseessa [numero] tarkoittaa alkion paikkaa eli indeksiä taulukossa. Javassa indeksointi alkaa nollasta, eli ensimmäinen alkio on indeksissä 0, toinen indeksissä 1, ja niin edelleen. Taulukon viimeisen alkion indeksi on aina taulukko.length - 1.

Jos alkioiden arvot tunnetaan etukäteen, taulukon voi myös luoda seuraavasti.

void main () {
int[] arvosanat = new int[] {4, 2, 2, 5};
IO.println("arvosanat = " + Arrays.toString(arvosanat));
}

Yhdistetyssä muuttujan määrittely- ja sijoituslauseessa new Tyyppi[]-osa on myös sallittua pudottaa pois, jolloin yllä olevaa voi vielä hieman tiivistää.

void main () {
int[] arvosanat = {4, 2, 2, 5};
IO.println("arvosanat = " + Arrays.toString(arvosanat));
}

Javassa taulukkojen kokoa ei voi muuttaa taulukon luomisen jälkeen. Arvon sijoittaminen indeksiin, jota ei ole taulukossa, aiheuttaa ajonaikaisen virheen.

int[] arvosanat = new int[] {4, 2, 2, 5};
arvosanat[5] = 3;

java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Index 5 out of bounds for length 4
	at main.main(main.java:3)

Javassa taulukon pituuden voi aina tarkistaa length-attribuutilla. Lisäksi taulukon voi tulostaa käyttämällä Arrays.toString-metodia (ks. JavaDocs)

void main() {
int[] arvosanat = new int[] {4, 2, 2, 5};
IO.println("Taulukon pituus: " + arvosanat.length);
IO.println("Taulukon sisältö: " + Arrays.toString(arvosanat));
}

Moniulotteiset taulukot

Toisin kuin esimerkiksi C#-kielessä, Javassa ei ole erillisiä moniulotteisia taulukkoja. Sen sijaan Javassa voi luoda taulukon, jonka alkioina ovat taulukot, eli Tyyppi[][]:

void main() {
int[][] taulukko2D = new int[][] {
    new int[] {1, 2, 3},
    new int[] {4, 5, 6, 7},
    new int[] {8, 9, 0},
};

// Taulukon pituus on tässä siten taulukkojen lukumäärä, eli "rivien" määrä.
IO.println("Taulukossa on " + taulukko2D.length + " taulukkoa.");

// Indeksointi toimii normaalisti; alkiona on nyt kokonainen taulukko
IO.println("taulukko2D[0] on taulukko: " + Arrays.toString(taulukko2D[0]));
IO.println("taulukko2D[1] on taulukko: " + Arrays.toString(taulukko2D[1]));
IO.println("taulukko2D[2] on taulukko: " + Arrays.toString(taulukko2D[2]));

// Myös yksittäisen taulukon indeksointi toimii normaalisti,
// mutta huomaa syntaksi!
int ensimmainenAlkio = taulukko2D[0][0];
IO.println("Ensimmäisen rivin ensimmäinen alkio: " + ensimmainenAlkio);

IO.println("Rivillä 2 (indeksi 1) kolmas alkio (indeksi 2) on: " + taulukko2D[1][2]);
}

Huomaa, että yllä olevassa esimerkissä taulukko2D[0][0] viittaa ensimmäisen taulukon (taulukko2D[0]) ensimmäiseen alkioon (taulukko2D[0])[0]. Yllä oleva taulukko ja siinä olevat alkiot voisi kuvata siis seuraavasti:

Huomaa erityisesti, että "rivitaulukkojen" ei tarvitse olla välttämättä samanpituuisia.

Vakiot

Muuttuja, jolle voidaan sijoittaa arvo vain alustuksen yhteydessä, määritellään käyttämällä final-avainsanaa. Javan koodauskäytänteisiin kuuluu, että final-muuttujat kirjoitetaan suuraakkosin ja sanat erotellaan toisistaan alaviivalla.

Javassa final-avainsanaa voi käyttää sekä alkeistietotyyppien että viitetietotyyppien kanssa. On kuitenkin huomattava, että viitetietotyyppisen muuttujan tapauksessa final-sana tarkoittaa, että viitettä ei voi muuttaa osoittamaan uuteen dataan. Viitteen päässä olevaa dataa voi silti muuttaa, jos tietotyyppi sallii sen.

final int PAIVIA_VIIKOSSA = 7;
final int[] PAIVIA_KUUKAUDESSA_KARKAUSVUOSI = new int[] {31, 29, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};

// PAIVIA_VIIKOSSA = 8; // Tämä aiheuttaa käännösvirheen
PAIVIA_KUUKAUDESSA_KARKAUSVUOSI[0] = 30; // Tämä on sallittu

Vakioita tarvitaan mm. koodin lukemisen helpottamiseksi, toisteisen koodin vähentämiseksi, luotettavuuden parantamiseksi ja suorituskyvyn parantamiseksi.

Listat

Lista on tietorakenne, joka voi kasvaa ja kutistua tarpeen mukaan. Kuten taulukko, lista voi sisältää vain yhden tyypin mukaisia alkioita. Listan koko ei ole kiinteä, mikä tekee siitä joustavamman tilanteisiin, joissa alkioiden määrä ei ole etukäteen tiedossa. Javan listat vastaavat siten JavaScriptin taulukkoja.

Javan yleisin listan tyyppi on ArrayList<T>, jossa T on listassa olevien alkioiden tyyppi. Jotta listoja voi käyttää koodissa, tulee ne ensin tuoda kääntäjän näkyville lisäämällä tiedoston ensimmäiselle riville import-määre:

import java.util.*;

// Varsinainen ohjelma
void main() ...

import-määre kertoo kääntäjälle, että ohjelmassa käytetään tyyppejä, jotka löytyvät java.util-pakkauksesta. Lyhyesti, pakkaus on tapa järjestellä luokkia yhteisen nimittäjän alle. Jos olet käyttänyt C#:a aiemmin, likimain vastaava käsite siellä on nimiavaruus (namespace). Pakkauksiin palataan tarkemmin myöhemmissä osissa; tässä vaiheessa riittää tiedostaa, että kääntäjä ei välttämättä tiedä tyyppien olemassaolosta ellei ne tuo näkyviin import-määreellä.

Kun java.util-pakkauksen sisältö on tuotu ohjelmaan, voidaan listoja alustaa seuraavasti:

import java.util.*;

void main() {
    // Tapa 1: Tyhjä lista ilman alkioita
    List<Integer> arvosanat = new ArrayList<Integer>();
    // Lisätään alkiot yksi kerrallaan
    arvosanat.add(4);
    arvosanat.add(2);
    arvosanat.add(2);
    arvosanat.add(5);
    IO.println("arvosanat = " + arvosanat);

    // Tapa 2: Lista, jossa alkiot annettu valmiiksi
    List<Integer> arvosanatValmis = new ArrayList<Integer>(List.of(4, 2, 2, 5));
    IO.println("arvosanatValmis = " + arvosanatValmis);
}

Javan rajoituksista johtuen listan alkioiden tyypin on aina oltava viitetyyppi. Niinpä esimerkiksi int-alkioita sisältävää listaa ei voi kirjoittaa muodossa ArrayList<int>:

List<int> lista = new ArrayList<int>();

error: unexpected type
List<int> lista = new ArrayList<int>();
     ^
  required: reference
  found:    int

Jos tarvitset listoja, jonka alkioina ovat alkeistietotyypit, käytä alkioiden tyyppinä alkeistietotyyppien käärijäluokat, jotka ovat viitetyyppejä, mutta toimivat kuten niitä vastaavat alkeistietotyypit. Toisin sanoen, ArrayList<Integer> on sallittu, kun taas ArrayList<int> ei ole. Puolestaan ArrayList<String> on sallittu, koska merkkijono on viitetietotyyppi.

void main() {
ArrayList<String> nimet = new ArrayList<String>(List.of("Matti", "Teppo"));
IO.println("nimet = " + nimet);
}

void main() {
List<String> nimet = new ArrayList<String>(List.of("Matti", "Teppo"));
IO.println("nimet = " + nimet);
}

void main() {
// Kääntäjä päättelee, että ArrayList<> = ArrayList<String> 
// muuttujan tyypin perusteella
List<String> nimet = new ArrayList<>(List.of("Matti", "Teppo"));
IO.println("nimet = " + nimet);
}

Katsotaan vielä listojen eräitä hyödyllisiä metodeja.

Löydät lisää metodeja JavaDocs-sivustolla (ks. Class ArrayList<E>).

import java.util.*;

void main () {
    // Luodaan tyhjä merkkijonolista
    List<String> nimet = new ArrayList<>();
    // Lisätään alkioita listaan
    nimet.add("Matti");
    nimet.add("Teppo");
    nimet.add("Liisa");

    // Tulostetaan listan koko
    IO.println("Listan koko: " + nimet.size());
    IO.println("------");
    // Haetaan alkio indeksistä 1 (toinen alkio)
    String toinen = nimet.get(1);
    IO.println("Toinen alkio: " + toinen);
    IO.println("------");

    // Poistetaan alkio indeksistä 0 (ensimmäinen alkio)
    nimet.remove(0);
    IO.println("Poistettiin ensimmäinen alkio.");
    IO.println("------");
    // Tulostetaan kaikki alkiot
    IO.println("nimet = " + nimet);
    IO.println("------");

    // Tulostetaan listan koko
    IO.println("Listan koko: " + nimet.size());


    // Kaksi esimerkkiä siitä, kuinka luoda listaan heti sisältöä
    List<String> elaimet = new ArrayList<>(List.of("koira", "kissa", "kala"));
    List<String> varit = Arrays.asList("punainen", "sininen", "keltainen");
    IO.println("elaimet = " + elaimet);
    IO.println("varit = " + elaimet);
}

Huomaa ainakin nämä erot Javan, C# ja Pythonin välillä listoja käytettäessä. Muuttuja i viittaa listan indeksiin.

Javan tyyppijärjestelmä

Java on staattisesti tyypitetty kieli, mikä tarkoittaa, että muuttujien tyypit määräytyvät käännösaikana, ei ohjelman ajon aikana. Jos yrität sijoittaa muuttujaan väärän tyyppistä tietoa, ohjelma ei käänny, ja kääntäjä antaa virheilmoituksen.

Käytännössä Javassa eri tietotyyppejä ei voi käyttää toistensa sijaan, ellei kieli nimenomaisesti salli sitä. Esimerkiksi totuusarvoa (boolean) ei voi käyttää lukuarvona, eikä viitetyyppistä arvoa voi käsitellä kokonaislukuna. Jos ohjelmoija yrittää rikkoa näitä sääntöjä, seurauksena on käännösvirhe.

void main() {
    boolean totuusarvo = false;
    totuusarvo = 1;
}

error: incompatible types: int cannot be converted to boolean
    totuusarvo = 1;
                 ^
1 error
error: compilation failed

Yllä oleva käännösvirhe kertoo, että kokonaislukua (int) ei voida muuntaa totuusarvoksi (boolean). Tämä on selkeä ero dynaamisesti tyypitettyihin kieliin, kuten Pythoniin tai JavaScriptiin, jossa tyyppi määräytyy ohjelman ajon aikana, mahdollistaen erityyppisten arvojen sijoittamisen samaan muuttujaan:

// Tämä on sallittu koodi JavaScriptissa
let totuusarvo = true;
console.log(`totuusarvo = ${totuusarvo}`);
totuusarvo = 1;
console.log(`totuusarvo = ${totuusarvo}`);

On kuitenkin väistämätöntä, että ohjelmassa tulee käsitellä useita erityyppisiä arvoja. Tätä varten Javassa on valmiiksi määritelty joitain automaattisia sääntöjä, joiden perusteella kääntäjä osaa tehdä implisiittisen tyyppimuunnoksen sijoituksissa ja lausekkeissa. Esimerkiksi

• kokonaislukuja (int) voidaan automaattisesti muuntaa desimaaliluvuksi (double),
• pienempiä kokonaislukuja (esim. 8-bittinen kokonaisluku byte) voidaan "laajentaa" suurempiin kokonaislukuihin (esim. 32-bittinen kokonaisluku int).

Tyyppimuunnossääntöjä on paljon lisää; yleisperiaate on, että jos muunnos ei aiheuta tiedon menetystä, sille on todennäköisesti olemassa implisiittinen muunnos.

void main() {
    int kokonaisluku = 23;
    IO.println("kokonaisluku = " + kokonaisluku);
    double desimaaliluku = kokonaisluku; // OK: int -> double muunnos on implisiittinen
    IO.println("desimaaliluku = " + desimaaliluku);

    // HUOM: jakolasku on int / int => desimaalit häviävät
    double puoletVirhe = 1 / 2; 
    IO.println("puoletVirhe = " + puoletVirhe);

    // OIKEIN: jakolasku on int / double -> double / double
    double puoletOikein = 1 / 2.0;
    IO.println("puoletOikein = " + puoletOikein);
}

Lisäksi ohjelmoija voi erikseen pakottaa ns. eksplisiittisen tyyppimuunnoksen käyttämällä syntaksia (uusiTyyppi)muuttujanNimi. Tämä soveltuu tilanteisiin, jossa muunnos ei olisi mahdollista implisiittisesti:

void main() {
  long sairaanIsoLuku = 40000000000L; // long = 64-bittinen luku
  IO.println("Iso, long-tyyppinen luku: " + sairaanIsoLuku);
  // long -> int ei ole implisiittinen, mutta se onnistuu eksplisiittisesti
  int katkaistu = (int)sairaanIsoLuku; // int = 32-bittinen luku
  IO.println("int-luku eksplisiittisen tyyppimuunnoksen jälkeen: " + katkaistu);
}

Staattinen tyypitys tarkoittaa Javassa käytännössä sitä, että tyyppeihin liittyvät virheet pyritään estämään jo ennen ohjelman suorittamista. Kääntäjä toimii eräänlaisena turvaverkkona, joka varmistaa, että arvot, muuttujat ja operaatiot ovat keskenään yhteensopivia.

Ohjausrakenteet ja perustietorakenteet

Ohjelmointi on harvoin pelkkää koodirivien suorittamista peräkkäin. Jotta ohjelmista saadaan hyödyllisiä, niiden täytyy pystyä tekemään päätöksiä, toistamaan asioita ja hallinnoimaan tietoa järkevästi. Tässä osassa käymme läpi Javan logiikan, toistorakenteet sekä kaksi tapaa säilöä tietoa: perinteiset taulukot ja joustavat listat.

Vertailuoperaattorit

Ennen kuin voimme opettaa ohjelmaa tekemään valintoja ("jos tämä, niin tuo"), meidän täytyy ymmärtää, miten tietokone näkee maailman. Tietokoneen logiikka on binääristä: väittämät ovat joko totta (true) tai epätotta (false). Vertailuoperaattorit ovat kuin kysymyksiä, jotka palauttavat vastaukseksi totuusarvon. Tässä ovat yleisimmät vertailuoperaattorit Javassa.

Usein päätökset riippuvat useammasta kuin yhdestä asiasta. Esimerkiksi: "Menen ulos, JOS ei sada JA minulla on vapaa-aikaa". Tätä varten tarvitsemme loogisia operaattoreita yhdistämään ehtoja.

• && (JA / AND): Lauseke on tosi vain, jos molemmat ehdot ovat tosi.

• || (TAI / OR): Lauseke on tosi, jos edes toinen ehdoista on tosi.

• ! (EI / NOT): Kääntää totuusarvon päinvastaiseksi (tosi muuttuu epätodeksi).

Viitetietotyyppisten muuttujien vertailu

Toisin kuin primitiivityypeillä (int, double, jne.), Javassa ==-operaattori vertaa viitetyyppien kohdalla viitteitä, eikä sisältöä. Tästä syystä merkkijonojen ja muiden viitetyyppimuuttujien sisällön vertailuun tulee käyttää equals()-metodia.

void main() {
    String mjono1 = "Slush";
    String mjono2 = new String("Slush"); // Luodaan pakolla uusi merkkijono

    // VÄÄRIN: Vertaa viitteitä -> tulostaa false
    IO.println(mjono1 == mjono2); 

    // OIKEIN: Vertaa sisältöjä -> tulostaa true
    IO.println(mjono1.equals(mjono2));
}

Vertailu null-viitteeseen

Kuitenkin null-viitteen tarkistus voidaan tehdä ==-operaattorilla, koska kyseessä on juuri viitteiden vertailu:

void main() {
    String mjono = null;
    IO.println(mjono == null);
}

Aliohjelmat usein käyttävät null-viitettä esittämään arvon puuttumista. Esimerkiksi IO.readln() voi JavaDoc-dokumentaation perusteella palauttaa null, jos syötettä ei voitu lukea. Näin voi käydä, jos esimerkiksi käyttäjä lopettaa ohjelman suorituksen kesken. Silloin voi olla järkevää tarkistaa, että muuttujan arvo ei ole null ennen muuttujan käyttöä:

void main() {
    String syote = IO.readln("Anna syöte");

    if (syote == null) {
        // Tehdään jotain, jos syötettä ei olekaan annettu
        // Esimerkiksi: poistutaan ohjelmasta
        return;
    }

    // Tässä ollaan varmoja, että syote-muuttujassa on edes jokin merkkijono
    IO.println("Teksti huudettuna: " + syote.toUpperCase());
}

Ehtolauseet

Ehtolauseilla ohjataan ohjelman kulkua. Ehtolauseiden muodostamiseen tarvitaan aina yksi tai useampi totuusarvoinen ehtolauseke.

If-rakenne

Perusmuotoinen ehtolause on if. Sen sisällä oleva koodilohko suoritetaan vain, jos sulkeissa oleva totuuslauseke on tosi (true). Usein tarvitsemme myös vaihtoehtoisia reittejä, jolloin käytämme else if ("muuten jos") ja else ("muuten") -rakenteita.

If-lauseiden syntaksi Javassa on seuraavanlainen:

if (pisteet >= 90) {
    IO.println("Arvosana: 5");
} else if (pisteet >= 50) {
    IO.println("Arvosana: Läpi");
} else {
    // Suoritetaan, jos mikään yllä olevista ei toteutunut
    IO.println("Arvosana: Hylätty");
}

Switch-rakenne

Kun halutaan verrata yhden muuttujan sisältämää arvoa useisiin yksittäisiin arvoihin (esimerkiksi valikon valinta), switch-rakenne voi olla selkeämpi kuin pitkä if-else-ketju.

int valinta = 2;

switch (valinta) {
    case 1:
        IO.println("Valitsit vaihtoehdon 1");
        break; // Tärkeä: lopettaa suorituksen tässä lohkossa
    case 2:
        IO.println("Valitsit vaihtoehdon 2");
        break;
    default:
        IO.println("Tuntematon valinta");
}

Kolmiarvoinen operaattori

Yksinkertaisissa "joko-tai"-tilanteissa, joissa halutaan sijoittaa arvo muuttujaan ehdon perusteella, voidaan käyttää kolmiarvoista operaattoria (ternary operator) ?:.

Syntaksi: (ehto) ? arvo_jos_tosi : arvo_jos_epätosi;

Koodiesimerkki:

void main() {
    int luku1 = 5;
    int luku2 = 8;
    
    // Luetaan: Jos luku1 on suurempi kuin luku2, 
    // sijoita suurempi-muuttujaan luku1, muuten luku2
    int suurempi = (luku1 > luku2) ? luku1 : luku2;

    IO.println("Suurempi luvuista on: " + suurempi);
}

Silmukat

Silmukoita tarvitaan, kun halutaan suorittaa asioita toistuvasti. Javassa on neljä päätapaa toteuttaa toistorakenteita: for, for-each, while ja do-while.

For

Käytä for-silmukkaa, kun tiedät etukäteen toistojen määrän tai tarvitset indeksiä (järjestysnumeroa) toiston aikana. Rakenne on seuraava.

for (alustus; toistoehto; päivitys) {
    // silmukan runko
}

Alla on esimerkki summan laskemisesta for-silmukassa.

void main () {
int[] luvut = {1, 2, 3, 4};
int summa = 0;

// Käydään taulukko läpi indeksien 0, 1, 2, 3 avulla
for (int i = 0; i < luvut.length; i++) {
    summa += luvut[i];
}
IO.println("Summa on: " + summa);
}

Alustus, toistoehto ja päivitys voidaan periaatteessa jättää jopa tyhjiksi, mutta puolipisteiden on pakko olla paikallaan. For-silmukalla voidaan tehdä ikuinen silmukka jättämällä toistoehto tyhjäksi, joskin tämä on harvoin tarkoituksenmukaista.

For-Each

For-each-silmukka on usein luettavin ja myös turvallisin tapa käydä läpi koko tietorakenne. Kun et tarvitse indeksiä etkä aio muokata rakenteen kokoa, käytä for-each-silmukkaa.

For-each-silmukassa on joitain rajoituksia: Et tiedä monennessako alkiossa olet menossa, etkä voi tehdä muutoksia tietorakenteeseen, kuten poistaa tai lisätä alkioita.

void main () {
    int[] luvut = {1, 2, 3, 4};
    int summa = 0;

    // "Jokaiselle luvulle taulukossa luvut..."
    for (int luku : luvut) {
        summa += luku;
    }
    IO.println(summa);
}

While

While-silmukka on hyvä valinta silloin, kun et tiedä etukäteen, kuinka monta kertaa toisto pitää suorittaa. Se jatkuu niin kauan kuin ehto on tosi. Tyypillinen esimerkki on tietojen lukeminen tiedostosta rivi riviltä tai pelisilmukka.

void main() {
    String syote = "";

    IO.println("Tervetuloa peliin! (Kirjoita 'lopeta' poistuaksesi)");

    // Huomaa "!" (EI-operaattori) ja .equals() merkkijonolle
    // Silmukka jatkuu niin kauan kuin 
    // syöte EI puutu (eli ei ole null-viite) JA syöte EI ole "lopeta" 
    while (syote != null && !syote.equals("lopeta")) {
        syote = IO.readln("> "); // Pysähtyy odottamaan käyttäjän kirjoitusta

        IO.println("Kaiku: " + syote);
    }
    
    IO.println("Peli päättyi.");
}

Do-While

Tämä toimii kuten while, mutta yhdellä merkittävällä erolla: silmukan runko suoritetaan aina vähintään kerran, koska ehto tarkistetaan vasta lopussa.

Do-while on ainoa silmukka, jonka lopettavaan sulkeeseen tulee puolipiste.

Alla pseudokoodina esimerkki, jossa omenan sijainti arvotaan uudestaan, jos se on liian lähellä pelaajaa.

void main () {
    Vector2D pelaajanSijainti = new Vector2D(0, 0);
    Vector2D omenanSijainti = new Vector2D(0, 0);
    do {
        // Arvo omenalle uusi sijainti
        omenanSijainti.x = Math.random() * 10;
        omenanSijainti.y = Math.random() * 10;        
        // Jos omena on liian lähellä pelaajaa, arvotaan uudestaan
    } while (omenanSijainti.distanceTo(pelaajanSijainti) < 2.0);
}

Silmukoiden suorituksen ohjaaminen

Tarvittaessa silmukan suoritusta voi ohjata seuraavilla lauseilla:

• break: lopettaa silmukan suorittamisen ja siirtyy suorittamaan silmukan jälkeistä koodia
• continue: päättää tämänhetkisen silmukan toiston ja siirtyy silmukan päivityslauseeseen ja toistoehtoon

Esimerkiksi alla olevassa silmukassa tulostetaan luvut 1, 2, 3, 4, 6, 7. Luku 5 jätetään välistä ja luvun 8 kohdalla silmukka lopetetaan.

 void main() {
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
    if (i == 5) {
        continue; // Siirrytään seuraavaan kierrokseen
    }
    if (i == 8) {
        break; // Lopetetaan silmukan suoritus
    }
    IO.println(i);
}
}

Ohjausrakenteiden yhdistäminen

Silmukkarakenne voi sisältää muita rakenteita, kuten ehto- ja silmukkarakenteita. Sisäkkäisiä rakenteita käytettäessä on huomioitavaa muuttujien näkyvyys: sisemmässä rakenteessa määritelty muuttuja ei näy ulommassa rakenteessa, kun taas ulommassa rakenteessa määritelty muuttuja näkyy sisemmässä rakenteessa.

Esimerkiksi, ehtorakenteen sisällä määritelty muuttuja ei ole käytettävissä ehtorakenteen ulkopuolella:

void main() {
    int luku = 10;

    if (luku > 5) {
        int luku2 = luku + 1; // OK, luku määritelty ulommassa rakenteessa
        luku2 *= 5;
    }

    IO.println(luku2); // VIRHE: luku2 on määritelty sisemmässä rakenteessa
}

error: cannot find symbol
    IO.println(luku2);
               ^
  symbol:   variable luku2

Tällaisissa tapauksissa eräs korjaus on siirtää muuttujan määrittely ulompaan rakenteeseen:

void main() {
    int luku = 10;

    // Lisätään muuttujan määrittely ja alustetaan väliaikaisella arvolla
    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    int luku2 = 0;
    // HIGHLIGHT_GREEN_END
    if (luku > 5) {
    // OK: Nyt luku ja luku2 määritelty ulommassa rakenteessa
    // HIGHLIGHT_YELLOW_BEGIN
        luku2 = luku + 1;
    // HIGHLIGHT_YELLOW_END
        luku2 *= 5;
    }

    IO.println(luku2); // OK: luku2 on määritelty samassa rakenteessa kuin tämä lause
}

Sisäkkäiset silmukat

Sisäkkäiset silmukat tarkoittaa yhden tai useamman silmukkarakenteen kirjoittamista toisen silmukkarakenteen sisään. Tällöin jokaista ulomman silmukan toistokertaa kohden suoritetaan tietty määrä lisää toistoja.

Yleinen käyttötapaus sisäkkäisille silmukoille on moniulotteisten taulukoiden T[][] käsittely.

void main() {
int[][] taulu2D = {
    {1, 2, 3},
    {4, 5, 6},
    {7, 8, 9}
};

for (int riviNro = 0; riviNro < taulu2D.length; riviNro++) {
    IO.println("Rivi " + riviNro + ":");
    for (int sarakeNro = 0; sarakeNro < taulu2D[riviNro].length; sarakeNro++) {
        int alkio = taulu2D[riviNro][sarakeNro];
        IO.println("  Sarake " + sarakeNro + ": " + alkio);
    }
}
}

Muista, että int[][] tarkoittaa, että kyseessä on taulukko, jonka alkioina ovat kokonaislukutaulukot. Siispä yllä olevassa esimerkissä:

• taulu2D.length antaa taulukossa olevien taulukoiden lukumäärän, eli ns. "rivien" lukumäärän;
• taulu2D[riviNro] antaa tietyssä indeksissä olevan int[]-taulukon, joka sisältää kaikki rivillä olevat alkiot;
• taulu2D[riviNro][sarakeNro] antaa taulu2D[riviNro]-taulukossa olevan alkion indeksistä sarakeNro.

Aliohjelmat

Aliohjelma on ohjelman osa, joka suorittaa tietyn tehtävän. Aliohjelmat helpottavat ohjelman jäsentämistä, sillä niiden avulla ohjelma voidaan jakaa pienempiin, hallittavampiin osiin. Aliohjelmat helpottavat myös uudelleenkäyttöä, sillä samaa aliohjelmaa voidaan kutsua useita kertoja eri kohdissa ohjelmaa ilman, että koodia tarvitsee kirjoittaa uudelleen.

Aliohjelmia kutsutaan joskus myös funktioiksi, ja olio-ohjelmoinnin yhteydessä myös metodeiksi. Nimeäminen riippuu kontekstista, mutta tässä yhteydessä käytämme termiä aliohjelma.

Aliohjelma voi ottaa vastaan syötteitä, joita sanotaan parametreiksi. Tehtävän suoritettuaan aliohjelma voi palauttaa tuloksen. Kutsutaan alla keskiarvo-aliohjelmaa, joka laskee kokonaislukujen joukon keskiarvon. Tässä siis parametrina annetaan yksi kokonaislukutaulukko, ja aliohjelma palauttaa keskiarvon double-tyyppisenä arvona.

void main () {
    int[] luvut = {4, 8, 15, 16, 23, 42};
    double keskiarvo = keskiarvo(luvut);
    IO.println("Lukujen keskiarvo on: " + keskiarvo);
}

double keskiarvo(int[] luvut) {
    if (luvut.length == 0) {
        return 0; 
    }
    double summa = 0;
    for (int luku : luvut) {
        summa += luku;
    }
    return summa / luvut.length;
}

Aliohjelman määrittely

Yllä oleva keskiarvo-aliohjelma koostuu monesta pienestä palasesta (1) paluuarvo, (2) nimi, (3) parametrit ja (4) runko-osa.

• (1) Paluuarvon tyyppi (tässä double): Kertoo, minkä tyyppistä tietoa aliohjelma palauttaa. Jos aliohjelma ei palauta mitään, tyyppi on void.
• (2) Aliohjelman nimi (tässä keskiarvo): Kertoo millä nimellä sitä kutsutaan.
• (3) Parametrit (tässä int[] luvut): Sulkeiden sisään määritellään muuttujat, jotka ottavat vastaan aliohjelmalle annettavat syötteet. Parametreja voi olla nolla tai useampia, ja ne erotetaan toisistaan pilkulla. Jokaisella parametrilla on oma tyyppi ja nimi.

Kutsutaan näitä kolmea palasta yhdessä aliohjelman esittelyriviksi. Osassa 2 tutustutaan myös olio-ohjelmointiin liittyviin määreisiin (engl. modifier), joita esittelyriville voi lisätä.

Esittelyrivin jälkeen kirjoitetaan aaltosulkeiden sisään aliohjelman runko-osa. Se sisältää varsinaisen koodin, joka suoritetaan, kun aliohjelmaa kutsutaan.

Kuten kaikessa lähdekoodissa muutenkin, myös aliohjelmien ja parametrien nimien tulee olla kuvaavia ja noudattaa Javan nimeämiskäytäntöjä ja olla tämän opintojakson tyylioppaan mukaisia.

Paluuarvot ja datan käsittely

Aliohjelmaa voi ajatella mustana laatikkona: sinne syötetään raaka-ainetta (parametrit), laatikon sisällä tapahtuu prosessointia, ja lopuksi ulos tulee valmis tuote (paluuarvo). Avainsana return lopettaa aliohjelman suorituksen välittömästi ja palauttaa arvon kutsujalle. Arvon tyypin on vastattava aliohjelman määrittelyssä annettua tyyppiä.

Toisen tekemää aliohjelmaa käytettäessä emme välttämättä tiedä, mitä laatikon sisällä tapahtuu, vaan luotamme siihen, että se toimii määritellyllä tavalla. Tämä on tyypillistä ohjelmoinnissa, jossa käytämme valmiita kirjastoja ja aliohjelmia.

Void-aliohjelma

Joskus aliohjelmaa tarvitaan vain tekemään jokin toimenpide, kuten tulostamaan tekstiä ruudulle, tai aiheuttamaan muu sivuvaikutus. Tällaisessa tapauksessa aliohjelman ei tarvitse palauttaa arvoa. Tällöin paluuarvon tyypiksi merkitään void.

Parametrin välitys: alkeistietotyypit ja viitetyypit

On tärkeää ymmärtää, mitä itse asiassa annamme aliohjelmalle parametrina kun kutsumme sitä. Javassa kaikki parametrit välitetään arvona (ns. pass-by-value), mutta välitettävän arvon luonne riippuu parametrin tyypistä.

• Jos parametrin tyyppi on alkeistietotyyppi (kuten int, double, char, boolean), aliohjelmalle annetaan kopio alkuperäisestä arvosta.
• Jos parametrin tyyppi on viitetyyppi (kuten taulukko), aliohjelmalle annetaan kopio viitteestä alkuperäiseen dataan.

Kun alkeistietotyyppi (ks. Luku 1.2) annetaan parametrina, kyseisen muuttujan arvo kopioidaan ja välitetään kutsuttavalle aliohjelmalle. Jos aliohjelma muuttaa tätä kopiota, alkuperäinen muuttuja ei muutu. Alla esimerkki, jossa annamme int-tyyppisen muuttujan parametrina.

void yritaMuuttaa(int luku) {
    luku = 99; // Muutetaan vain kopiota
    IO.println("Metodissa: " + luku);
}

void main() {
    int x = 10;
    yritaMuuttaa(x);
    IO.println("Mainissa: " + x); // Tulostaa edelleen 10
}

Kun viitetyyppi (ks. Luku 1.2) annetaan parametrina aliohjelmalle, kopioidaan viite eikä alkuperäistä dataa. Aliohjelma saa siis käyttöönsä kopion viitteestä, joka osoittaa samaan dataan kuin pääohjelman muuttuja. Jos aliohjelma sitten muokkaa muuttujan osoittamaa dataa (esim. taulukon alkioita), muutos näkyy myös pääohjelmassa.

Voit ajatella viitteen ikään kuin "kaukosäätimenä", jolla ohjataan "televisiota" eli dataa. Vaikka aliohjelmalle viedään kopio "kaukosäätimestä", voi sillä ohjata samaa "televisiota".

Alla esimerkki tällaisesta tilanteesta, jossa annamme int[]-tyyppisen taulukon parametrina, ja aliohjelma muokkaa taulukon alkioita.

void nollaaTaulukko(int[] taulukko) {
    // Tämä muutos tapahtuu alkuperäiselle taulukolle!
    // Koska "taulukko"-muuttuja viittaa samaan taulukkoon.
    for (int i = 0; i < taulukko.length; i++) {
        taulukko[i] = 0;
    }
}

void main() {
    int[] luvut = {1, 2, 3};
    
    nollaaTaulukko(luvut);
    
    // Alkuperäinen taulukko on muuttunut
    IO.println(luvut[0]); // Tulostaa 0
}

Oleellista on kuitenkin ymmärtää, että aliohjelman kutsussa annoimme nimenomaisesti kopion viitteestä, emme alkuperäistä viitettä. Jos aliohjelma yrittäisi muuttaa viitettä osoittamaan muuhun dataan (esim. toiseen taulukkoon), tämä muutos ei vaikuttaisi alkuperäiseen viitteeseen pääohjelmassa. Alla esimerkki tästä tilanteesta:

void main() {
    int[] luvut = {1, 2, 3};
    
    muutaViite(luvut);
    
    // Alkuperäinen taulukko ei ole muuttunut
    IO.println(luvut[0]); // Tulostaa edelleen 1
}

void muutaViite(int[] taulukko) {
    // Tämä muutos ei vaikuta alkuperäiseen viitteeseen!
    taulukko = new int[] {9, 9, 9};
}

Joissain kielissä, kuten C++:ssa, on mahdollista välittää parametrina alkuperäinen muuttuja viitteenä (ns. pass-by-reference). Javassa tällaista mekanismia ei kuitenkaan ole, vaan kaikki parametrit välitetään arvona, kuten yllä on selitetty.

Aliohjelma ja sivuvaikutukset

Aliohjelmaa, joka muokkaa parametrina annettua dataa, sanotaan usein aiheuttavan sivuvaikutuksia. Esimerkiksi, jos alla oleva aliohjelma kaanna kääntää parametrina annetun taulukon alkiot käänteiseen järjestykseen:

void kaanna(int[] taulu) {
    // Toteutus piilotettu tilan säästämiseksi
    for (int i = 0; i < taulu.length / 2; i++) {
        int tmp = taulu[i];
        taulu[i] = taulu[taulu.length - 1 - i];
        taulu[taulu.length - 1 - i] = tmp;
    }
}

void main() {
    int[] taulukko = {1, 2, 3, 4, 5};
    IO.println("taulukko = " + Arrays.toString(taulukko));
    kaanna(taulukko);
    IO.println("taulukko = " + Arrays.toString(taulukko));
}

Huomaa, että kaanna ei palauta mitään, mutta sen sivuvaikutuksena on, että parametrina annettu taulukko kääntyy. Yllä oleva aliohjelma voitaisiin toteuttaa myös ilman sivuvaikutuksia muuttamalla palautusarvoa:

int[] kaanna(int[] taulu) {
    // Toteutus piilotettu tilan säästämiseksi
    int[] tulos = new int[taulu.length];
    for (int i = 0; i < taulu.length; i++) {
        tulos[i] = taulu[taulu.length - 1 - i];
    }
    return tulos;
}

void main() {
    int[] taulukko = {1, 2, 3, 4, 5};
    IO.println("taulukko = " + Arrays.toString(taulukko));
    int[] kaannetty = kaanna(taulukko);
    IO.println("kaannetty = " + Arrays.toString(kaannetty));
}

Sivuvaikutukset voivat olla hyödyllisiä muun muassa muistin käytön optimoinnin kannalta, mutta ne voivat myös tehdä ohjelmasta vaikeammin ymmärrettävän. Yllä olevassa esimerkissä aliohjelman void kaanna(int[] taulu) sivuvaikutus ei ole ilmiselvää ellei katso aliohjelman lähdekoodia. Sivuvaikutuksilla voikin esimerkiksi tiedostamatta tuhota tai muokata dataa. Siksi on erittäin tärkeää olla tietoinen siitä, miten aliohjelmat käsittelevät parametreja.

Kommentointi ja dokumentointi

Lähdekoodiin voi kirjoittaa tekstiä, joka ei ole varsinaista koodia, vaan selittää sitä. Tällaista selitystekstiä on kahdentyyppisiä: (1) koodin sekaan kirjoitettavia kommentteja (nimitetään näitä lyhyesti kommenteiksi) sekä (2) dokumentaatiokommentteja.

Kommenttien tarkoitus on palvella kehityksen aikaista tekemistä. Ne näkyvät sisäisesti, eli ohjelmoijalle itselleen. Dokumentaatiokommenttien tarkoitus on palvella kaikkia, jotka käyttävät koodia. Ne näkyvät paitsi ohjelmoijalle itselleen, myös niille, jotka hyödyntävät koodia esimerkiksi API:n (application programming interface) kautta.

Yhden rivin kommentointi

Yhden rivin kommentteja, jonka syntaksi on // voidaan käyttää esimerkiksi merkitsemään TODO-kohtia koodissa:

void main() {
    // TODO: Tarkista millaisia ongelmia tästä ratkaisusta voi tulla
    String syote = IO.readln();
    IO.println("Kirjoitit: " + syote);
}

Yleisesti hyvä periaate on, että ohjelmoija pyrkii kirjoittamaan sellaista koodia, joka selittää itse itseään. Muuttujat, luokat, aliohjelmat ja muut nimet, johon ohjelmoija pystyy vaikuttamaan, pyritään nimeämään mahdollisimman kuvaavasti, jolloin yksittäisten rivien kommentointi ei välttämättä ole tarpeen. Asiaa on kuvattu myös opintojakson tyylioppaassa. TODO: Linkki.

Joskus yhden rivin kommenteilta ei voi välttyä, jos jotakin operaatiota ei voida olettaa itsestäänselväksi tai muuttujan nimestä tulisi kohtuuttoman pitkä:

void main() {
    int n = 9;
    // Pyöristää alaspäin lähimpään neljällä jaolliseen lukuun
    int pyoristetty = n & ~3; 
    IO.println(pyoristetty);
}

Nyt muuttujan pyoristetty tilalla voisi olla pyoristaaAlaspainLahimpaanNeljallaJaolliseenLukuun, joka ei sekään ole oikein järkevä vaihtoehto.

Monirivinen kommentti

Javassa monirivinen kommentti tulee /* ja */ väliin. Tällaista suositellaan käytettäväksi, kun jokin monimutkaisempi logiikka vaatii tarkempaa avaamista ja/tai on järkevää selittää miksi juuri kyseinen ratkaisu on valittu. Tätä kommenteissa olevaa tarkempaa avaamista ei kuitenkaan ole tarkoitus näyttää koodin käyttäjille.

if (kayttaja.kayttaaVanhaa) {
    /* 
     * Vanhat käyttäjät (rekisteröityneet ennen vuotta 2022) käyttävät 
     * toistaiseksi vanhaa käyttöoikeusmallia.
     * Älä poista tarkistusta, ennen kuin kaikki tilit on siirretty.
     */
    return kaytaVanhojaKayttooikeuksia(kayttaja);
}

Dokumentaatiokommentti

Dokumentaatiokommentti tarkoittaa sellaista kommenttia, josta voidaan automaattisesti luoda erilaisia koodin käyttäjille tarkoitettuja dokumentaatiomuotoja. Tällaisia dokumentaatiomuotoja voivat olla esimerkiksi HTML-muotoiset API-dokumentaatiot, jotka kertovat miten koodia käytetään, tai IDE:ssä näkyvät työkaluvihjeet aliohjelmien käytöstä.

Dokumentaatiokommenttien sijainti on ennen dokumentoitavaa koodia, kuten aliohjelmaa tai luokkaa.

Javassa dokumentaatiokommentit kirjoitetaan erityisellä syntaksilla, joka eroaa tavallisista kommenteista. Dokumentaatiokommentit alkavat /** ja päättyvät */, eli ovat syntaksiltaan hyvin lähellä monirivistä kommenttia.

 void main() {
   IO.println("summa(1, 2) ==> " + summa(1, 2));
 }

/**
 * Laskee kahden kokonaisluvun summan.
 * 
 * @param a Ensimmäinen luku
 * @param b Toinen luku
 * @return Lukujen summa
 */
int summa(int a , int b) {
    return a + b;
}

Aliohjelman dokumentaatiokommentin runko syntyy automaattisesti IDEA-kehitysympäristössä, kun aliohjelman esittelyrivin yläpuolelle kirjoittaa merkit /** ja painaa Enter.

Osan kaikki tehtävät

Ennen kuin aloitat tehtävien tekemisen, on syytä tutustua opintojakson eettisiin ohjeisiin.

Sanojen määrä: 5

int[][] matriisi = {
    {42, 2, 3},
    {4, 67, 6},
    {7, 8, 9}
};

tulostaMatriisi(matriisi);

42 2 3 4 67 6 7 8 9 

1: 1 kpl
2: 3 kpl
3: 1 kpl

0: 3 kpl
1: 2 kpl
2: 3 kpl
4: 3 kpl

int numeroLukuna = Integer.parseInt(Character.toString(a));

int[] annaSyote(int maxLuku) {
    Random r = new Random();
    List<Integer> luvut = new ArrayList<>(IntStream.range(1, r.nextInt(2, maxLuku + 1)).boxed().toList());
    Collections.shuffle(luvut);
    luvut.remove(r.nextInt(luvut.size()));
    return luvut.stream().mapToInt(Integer::intValue).toArray();
}

// Tekee taulukon luvuista 1-10, mutta yksi luku puuttuu
int[] syote = annaSyote(10); 
// Selvitetään, mikä luvuista puuttuu
int puuttuva = puuttuvaLuku(syote);

Olio-ohjelmoinnin perusteet

Kohti olio-ohjelmointia

Tähän mennessä olemme tehneet enimmäkseen ohjelmia, joissa dataa tallennetaan ohjelman muuttujiin ja käsitellään funktioiden avulla. Tällaista ohjelmointityyliä kutsutaan proseduraaliseksi ohjelmoinniksi. Tutustumme tällä kurssilla toiseen ohjelmointityyliin: olio-ohjelmointiin.

Olio-ohjelmointi on hyvin laaja aihe, ja käymme tällä kurssilla läpi olio-ohjelmoinnin teoriaa valikoidusti erityisesti tämän opintojakson tarpeita ajatellen. Syvemmin teoriaan perehdytään esimerkiksi opintojaksolla TIEA1130 Oliosuuntautunut suunnittelu ja ohjelmointi.

Perusidea

Olio-ohjelmoinnissa ideana on luoda olioiksi kutsuttuja rakenteita, jotka sisältävät datan sekä toiminnallisuudet sen muokkaamiseen. Oliot voivat olla samanlaisia, mutta jokaisella oliolla on oma tila, joka voi muuttua ohjelman suorituksen aikana. Olion tila tallentuu sen omiin muuttujiin eli attribuutteihin.

Oliolla voi olla myös omia aliohjelmia, joita kutsutaan metodeiksi. Metodi on oliolle kuuluva aliohjelma, joka voi tarkastella ja muuttaa sen omistavan olion tilaa. Ennen olion luontia täytyy ensin määrittää luokka eli class, jossa kuvaillaan olion rakenne.

Olioiden tehtävä on olla vastuussa oman vastuualueensa toiminnallisuuksista. Olioiden välinen yhteistoiminta ja kommunikointi metodikutsujen kautta on olio-ohjelmoinnissa keskeisessä osassa. Joissain ohjelmointikielissä tätä saatetaan kutsutaan viestinvälitykseksi.

Minimaalinen, olioita hyödyntävä ohjelma voisi näyttää esimeriksi tältä:

class Kissa {
    private String nimi;

    public String getNimi() {
        return nimi;
    }

    public void setNimi(String uusiNimi) {
        this.nimi = uusiNimi;
    }
}

void main() {
    Kissa kissa1 = new Kissa();
    kissa1.setNimi("Miuku");

    Kissa kissa2 = new Kissa();
    kissa2.setNimi("Katti");

    IO.println(kissa1.getNimi());
    IO.println(kissa2.getNimi());
}

Esimerkissä määritellään ensin Kissa-luokka ja luodaan sitten pääohjelmassa sen pohjalta olioita, jotka sisältävät attribuuttina merkkijonon nimi sekä kaksi metodia. Olion nimeä voidaan muuttaa kutsumalla sen setNimi-metodia ja se voidaan pyytää vastaavasti getNimi-metodilla. Molemmilla olioilla on oma tilansa - eli oma nimi. Yhden olion tila ei vaikuta toisen olion tilaan.

Tästä yksinkertaisesta esimerkistä näemme, kuinka data voidaan ryhmitellä olioiden sisälle. Tässä tapauksessa olion ainoa attribuutti nimi on suoraan käsiteltävissä metodien kautta. Käytännössä tällainen suora manipulointi on harvinaista tuotantokoodissa, mutta palaamme tähän myöhemmin.

Yhtä muuttujaa varten tuskin kannattaa tehdä eri olioita, mutta olio-ohjelmoinnin hyödyt tulevat nopeasti esille, kun tallennettavan tiedon määrä lisääntyy. Mietitään esimerkiksi tilannetta, jossa haluaisimme tallentaa tietoa kilpailussa mukana olevista kilpailijoista. Kilpailijoita voi olla useita ja jokaisesta pitäisi tallentaa ainakin nimi, kilpailijanumero ja pisteet. Olioiden avulla voimme pitää yhden kilpailijan tiedot ja niiden muokkaamiseen liittyvät toiminnallisuudet saman rakenteen sisällä, mikä helpottaa näiden tietojen käsittelyä.

class Kilpailija {
    private String nimi;
    private int numero;
    private int pisteet;

    public Kilpailija(String nimi, int numero, int pisteet) {
        this.nimi = nimi;
        this.numero = numero;
        this.pisteet = pisteet;
    }

    // ...

    public void tulostaTiedot() {
        IO.println(String.format("%d: %s, %d pistettä", numero, nimi, pisteet));
    }
}

void main() {
    Kilpailija[] kilpailijat = {
        new Kilpailija("A", 2, 20),
        new Kilpailija("B", 4, 15),
        new Kilpailija("C", 6, 10)
    };

    for (Kilpailija kilpailija : kilpailijat) {
        kilpailija.tulostaTiedot();
    }
}

Vastaavan ohjelman tekeminen ilman olio-ohjelmointia vaatii vähän aivojumppaa. Yksi tapa olisi käyttää kolmea erillistä taulukkoa: Yksi sisältäisi nimet, toinen numerot ja kolmas pisteet. Tällöin täytyy kuitenkin huolehtia, että kilpailijan tiedot löytyvät aina samoista indekseistä kaikissa taulukoissa, mikä on käytännössä hankalaa ja altistaa virheille. Olioiden avulla tiedot ja toiminnallisuudet voidaan paketoida selkeämmin yhteen.

Yhteen kuuluvan tiedon ja toiminnallisuuden järjestely saman rakenteen sisälle tekee ohjelman koodista helpommin ymmärrettävää ja laajennettavaa, mutta se ei toki ole olio-ohjelmoinnin ainoa etu; voimme myös piilottaa osan luokan toteutusyksityiskohdista vain luokan sisäiseen käyttöön, jolloin luokkaa käyttävä ohjelmoija saa käyttöönsä vain tarkkaan määritetyn julkisen rajapinnan eikä hänen tarvitse miettiä luokan sisäistä toimintaa. Tutustumme 3. osassa myös polymorfismiin, perintään ja rajapintoihin, jolloin olio-ohjelmoinnin hyödyt tulevat todella esille.

Pääohjelma Javassa

Java on erityisesti olio-ohjelmointiin suuntautunut ohjelmointikieli, jossa myös pääohjelman on historiallisesti täytynyt olla luokan sisällä. Javan uudemmissa versioissa tähän on tullut muutoksia; yksinkertaisen ohjelman kirjoittamista on pyritty helpottamaan niin, että pääohjelma ei tarvitsisi ympärilleen luokkaa. Näistä muutoksista voi lukea lisää Java 21:n dokumentaatiosta sekä vuoden 2025 syksyllä julkaistun Java 25:n dokumentaatiosta.

Nykyään riittää näissä materiaaleissa käytetty suoraviivaisempi pääohjelma:

void main() {
    IO.println("Hei maailma!");
}

Aiemmin minimaalinen Java-ohjelma saattoi näyttää tältä:

public class HeiMaailma {
    public static void main(String[] args) {
        IO.println("Hei maailma!");
    }
}

Vanhemman tyylin esimerkissä on muutama uusi käsite, joihin tutustumme tässä osassa tarkemmin. Ohjelmassa määritetään ensiksi class-avainsanaa käyttäen luokka, jonka nimeksi on esimerkissä annettu HeiMaailma. Pääohjelma main sijoitetaan tämän luokan sisälle. Vanhassa tyylissä pääohjelmassa täytyy olla static-määrite, jota katsomme tarkemmin pian.

Koska suoraviivaisempi pääohjelma on verrattain uusi ominaisuus, valtaosa verkosta ja kirjoista löytyvistä esimerkeistä käyttää yhä alkuperäistä tyyliä, eli luokan sisään upotettua pääohjelmaa. Tämä on hyvä tiedostaa tietoa etsiessä.

Luokka ja olio

Luokka

Ensimmäinen askel olio-ohjelmointiin on luokan määritteleminen class-avainsanaa käyttäen. Luokkaa voi ajatella kaavana tai muottina, jonka pohjalta olioita luodaan. Luokka kertoo, mitä tietoja olio sisältää (attribuutit) ja mitä se voi tehdä (metodit). Luokassa määriteltyjä attribuutteja ja metodeja kutsutaan myös luokan jäseniksi (engl. class member).

Tehdään pieni ajatusharjoitus: mietitään hetki talonrakennusta. Arkkitehdin piirtämän yhden rakennuspiirustuksen pohjalta voidaan rakentaa monta rakennusta. Ne olisivat rakenteeltaan samanlaisia, sillä ne ovat saman kaavan mukaan tehty, mutta jokaisella rakennuksella olisi kuitenkin oma tila; eri omistaja, väri, sisustus, ja niin edelleen. Rakennuspiirustusta voi (ainakin etäisesti) ajatella olio-ohjelmoinnin luokkana, kun taas rakennukset ovat sen pohjalta tehtyjä olioita. Luokan nimi kertoo, mikä olio on, joten jos tekisimme luokan rakennuksille, sen nimeksi sopisi Rakennus.

Huomaa, että Javassa on tapana aloittaa luokkien nimet aina isolla kirjaimella.

Määritellään aluksi tyhjä luokka Rakennus, jota lähdemme täydentämään.

class Rakennus {
    // Luokan sisällä määritellään rakenne, jota luokasta 
    // tehdyt oliot vastaavat.
}

Luokasta luodaan ilmentymiä eli olioita käyttämällä avainsanaa new. Tämä varaa muistista oliolle sopivan tilan, valitsee ja suorittaa sopivan muodostajan, ja palauttaa viitteen juuri luotuun olioon. Sijoitamme tämän viitteen muuttujaan, jotta pääsemme olioon sitä kautta käsiksi. Luokan nimi on muuttujan tyyppi ja siten kertoo kääntäjälle, millainen olio muistisijainnissa täytyy olla.

void main() {
    // Lauseke 'new Rakennus()' luo olion ja palauttaa viitteen siihen. 
    // Sijoitamme tämän viitteen muuttujaan 'rakennus'.
    Rakennus rakennus = new Rakennus();
}

Attribuutit

Attribuutti on luokan sisällä, aliohjelmien ulkopuolella määritelty muuttuja, joka edustaa olion ominaisuutta, piirrettä tai tilaa. Luokasta tehdyt oliot sisältävät aina luokassa määritellyt attribuutit. Siinä missä luokka määrittelee, mitä tietoja olioilla voi olla, attribuutit tallentavat kunkin yksittäisen olion konkreettiset arvot. Kuten muuttujat yleensä, attribuutit voivat olla alkeistietotyyppejä tai viitteitä. Niiden nimeämisessä käytetään myös samoja käytänteitä. Huomaa, että metodien sisällä esitellyt muuttujat eivät ole attribuutteja; ne ovat metodin paikallisia eli lokaaleja muuttujia. Lokaalit muuttujat eivät ole osa olion tilaa.

Lisätään nyt muutama attribuutti Rakennus-luokkaamme.

public class Rakennus {
    // Nämä muuttujat ovat olion attribuutteja. Jokaisella rakennuksella
    // on omistaja ja väri, mutta ne eivät välttämättä ole kaikilla 
    // olioilla arvoiltaan samat.
    private String omistaja;

    // Attribuutille voidaan asettaa oletusarvo. Tässä värin oletusarvo on 
    // sininen, jolloin kaikilla tämän luokan pohjalta tehdyillä olioilla
    // on aluksi tämä arvo, ellei sitä muuteta.
    private String väri = "sininen";
}

Attribuutit poikkeavat paikallisista muuttujista siten, että niiden näkyvyyttä voidaan hallita näkyvyysmääreiden avulla. Paikalliset muuttujat ovat olemassa ja nähtävillä vain aliohjelman sisällä sen suorituksen ajan, mutta attribuutit ovat olemassa koko olion eliniän ajan ja näkyvät kaikille muille jäsenille luokan sisällä. Ne voidaan asettaa näkyväksi myös olion ulkopuolelta, joskin tämä on yleisesti ottaen huono idea. Palaamme näkyvyysmääreisiin myöhemmin tässä osassa.

Attribuutille voidaan luokassa antaa oletusarvo, jolloin luokasta luodut oliot saavat sen myös oman attribuuttinsa alkuarvoksi. Jos attribuutilla ei ole oletusarvoa, sen arvo voidaan määrittää olion luomisen yhteydessä, myöhemmin metodien avulla, tai jopa jättää määrittämättä.

public class Rakennus {
    // Olion attribuutti, jolla on oletusarvo.
    private String väri = "sininen";

    public void tulosta() {
        // Tämä lokaali muuttuja peittää saman nimen omaavan attribuutin 
        // aliohjelman sisällä.
        String väri = "punainen"; 

        // Tulostaa "punainen". Tunniste 'väri' viittaa ensisijaisesti 
        // lokaaliin muuttujaan, jos sellainen on näkyvissä.
        IO.println(väri); 

        // Tulostaa "sininen". Voimme viitata olion metodin sisältä sen 
        // attribuuttiin 'this'-viitteen avulla.
        IO.println(this.väri); 
    }
}

Metodit

Luokassa määriteltyjä aliohjelmia kutsutaan metodeiksi. Siinä missä attribuuttia voisi kuvailla niin, että se muodostaa olion sisäisen tilan, metodia voisi kuvailla olion kyvyksi tehdä jotain. Javassa erikoista on se, että kaikki aliohjelmat ovat itse asiassa aina jonkin luokan sisällä. Ehkä tästä syystä Java-kielessä tupataan kutsumaan kaikkia aliohjelmia metodeiksi.

Metodien määrittely ei syntaksiltaan eroa muista aliohjelmista, ja niiden nimeämisessä käytetään myös samanlaisia käytänteitä. Metodeja voidaan myös kuormittaa. Metodien näkyvyyttä luokan ulkopuolelle voidaan hallita attribuuttien tapaan näkyvyysmääreiden avulla.

Kuten yleensä aliohjelmia tehdessä, metodin tulisi suorittaa tehtävä, jota sen nimi kuvastaa. Liian suuret tehtävät on hyvä jakaa pienempiin osiin eli useammaksi metodiksi.

Voidaksemme kutsua olion metodia, meillä täytyy olla olio ja siihen viite. Lisätään nyt Rakennus-luokkaamme pari yksinkertaista metodia olion tilan käsittelyyn ja kutsutaan näitä. Tällaisia metodeja kutsutaan usein saantimetodeiksi.

public class Rakennus {
    private String omistaja;
    private String väri;

    // Olion metodi, joka ottaa vastaan merkkijonon ja sijoittaa 
    // sen 'väri'-attribuuttiin.
    public void setVäri(String väri) {
        // Parametrilla ja attribuutilla on sama nimi, joten käytämme 
        // this-viitettä.
        this.väri = väri;
    }

    // Olion metodi, joka palauttaa 'väri'-attribuutin arvon kutsujalle.
    public String getVäri() {
        return this.väri;
    }
}

void main() {
    // Luodaan kaksi rakennusta.
    Rakennus rakennus1 = new Rakennus();
    Rakennus rakennus2 = new Rakennus();

    // Käytetään olioiden metodeja muuttamaan niiden tilaa.
    rakennus1.setVäri("vihreä");
    rakennus2.setVäri("valkoinen");

    // Tulostetaan olioiden värit saantimetodien avulla.
    IO.println(rakennus1.getVäri()); // Tulostaa "vihreä"
    IO.println(rakennus2.getVäri()); // Tulostaa "valkoinen"

    // Huom! Emme voi kutsua olion metodia ilman oliota. Jos yritämme 
    // kutsua olion metodia luokan kautta seuraavasti, se aiheuttaa virheen.
    // Rakennus.setVäri("sininen");
}

Voisimme lisätä myös vastaavat metodit luokan toista attribuuttia varten. Keskustelemme myöhemmin tässä osassa siitä, miten olion tilaa voidaan käsitellä hieman järkevämmin, mutta tässä vaiheessa tällaiset yksinkertaiset get- ja set-metodit riittävät.

This-viite

Avainsana this viittaa olioon itseensä. Se toimii viitteenä "tähän olioon", jonka kontekstissa koodia suoritetaan.

Käytimme tämän osan alun esimerkeissä this-viitettä lukeaksemme olion attribuutteja näin:

public class Rakennus {
    private String väri;

    // ...

    public String getVäri() {
        return this.väri;
    }
}

Tämä viite on automaattisesti käytettävissä aina, kun kutsutaan jonkin olion metodia. Metodikutsun yhteydessä this asetetaan osoittamaan metodin suorituksen sisällä siihen olioon, jonka metodia kutsuttiin, eikä sitä voi muuttaa. Viitteen kautta metodi pääsee käsiksi oikean olion tilaan sekä metodeihin. Olion metodien sisällä this-viite on pakko kirjoittaa vain, jos näkyvyysalueella on samanniminen jäsen, kuten lokaali muuttuja. Meidän ei siis tarvitse kirjoittaa aina attribuutin tai metodikutsun eteen this, sillä kääntäjä osaa päätellä sen itse, jos konfliktia ei ole. Joissain ohjelmointikielissä tällaista viitettä kutsutaan myös nimellä self.

Katsotaan muutama esimerkki this-viitteen käytöstä.

public class Rakennus {
    private String omistaja;
    private String väri;

    public void setVäri(String väri) {
        // Käytämme tässä this-viitettä, sillä attribuutilla ja parametrilla 
        // on sama nimi. Lokaalia muuttujaa käytettäisiin muuten ensisijaisesti.
        this.väri = väri; 
    }

    public String getVäri() {
        // Tässä this on vapaaehtoinen. Samalla näkyvyysalueella ei ole muita 
        // "väri" nimisiä muuttujia, joten sekaannusta ei tapahdu.
        // this-viitteen käyttö on kuitenkin täysin sallittua.
        return this.väri;
    }
}

void main() {
    Rakennus talo = new Rakennus();

    // Kutsumme 'talo' viitteen kautta löytyvän olion setVäri-metodia, joten 
    // tämän metodikutsun suorituksessa 'this' viittaa samaan olioon kuin 
    // pääohjelman 'talo'.
    talo.setVäri("harmaa");

    IO.println(talo.getVäri());
}

Metodien sisällä voimme käyttää this-viitettä kuin muitakin viitemuuttujia. Voimme esimerkiksi välittää sen toiselle aliohjelmalle parametrina. Tämä ei ole tarpeen olion omia metodeja kutsuessa, mutta voimme näin välittää viitteen olioon myös luokan ulkopuolisille aliohjelmille.

public class Rakennus {
    private String omistaja;
    private String väri;

    public String getOmistaja() {
        return omistaja;
    }

    public void setOmistaja(String omistaja) {
        this.omistaja = omistaja;
    }

    public String getVäri() {
        return väri;
    }

    public void setVäri(String väri) {
        this.väri = väri;
    }

    // Olion metodi.
    public String kaunista() {
        // Välitetään omistava olio toisen luokan metodille.
        return Kaunistaja.MuotoileKauniisti(this);
    }
}

public class Kaunistaja {
    public static String MuotoileKauniisti(Rakennus rakennus) {
        return "Ihana rakennus, jonka omistaa "
                + rakennus.getOmistaja()
                + ", on väriltään "
                + rakennus.getVäri().toLowerCase() + ".";
    }
}

void main() {
    Rakennus talo = new Rakennus();
    talo.setOmistaja("Maija Opettaja");
    talo.setVäri("Keltainen");
    IO.println(talo.kaunista());
}

Muodostaja eli konstruktori

Muodostaja eli konstruktori on luokan erikoismetodi, jota käytetään uuden olion luomisen yhteydessä sen tilan alustamiseen. Muodostajan nimi on aina sama kuin luokan nimi ja se kirjoitetaan isolla alkukirjaimella, mikä poikkeaa muiden metodien nimeämistyylistä. Muodostajalle ei määritetä paluuarvon tyyppiä, vaan muodostaja palauttaa aina viitteen muodostettuun olioon.

Luokassa täytyy olla ainakin yksi muodostaja. Olemme kuitenkin tähän asti luoneet olioita määrittelemättä luokkaan muodostajaa. Tämä onnistuu Javassa, sillä jos luokkaan ei ole tehty yhtään muodostajaa, kääntäjä luo automaattisesti parametrittoman muodostajan. Automaattisesti luotu parametriton muodostaja on toteutukseltaan tyhjä siinä mielessä, että se ei sisällä yhtään lausetta. Parametritonta muodostajaa ei luoda automaattisesti, jos määrittelemme luokkaan yhdenkin muodostajan itse.

Muodostajan nimi on aina sama kuin luokan, joten teemme siis muodostajia lisätessämme metodin kuormitusta erilaisilla parametreilla. Kääntäjä valitsee oikean muodostajan automaattisesti olion luomisen yhteydessä annettujen argumenttien perusteella.

Käytimme aikaisemmassa esimerkissä Rakennus-luokkaa määrittelemättä muodostajaa. Otetaan metodit hetkeksi pois selkeyden vuoksi ja katsotaan, mitä olioita luodessa tapahtuu.

public class Rakennus {
    private String omistaja;
    private String väri;
}

void main() {
    // Emme määritelleet luokkaan yhtään muodostajaa itse, joten
    // olio luodaan oletusmuodostajaa käyttäen.
    Rakennus rakennus = new Rakennus();
}

Tässä tapauksessa olio muodostetaan automaattista oletusmuodostajaa käyttäen, sillä yhtään muodostajaa ei ole määritelty. Voimme tehdä vastaavan muodostajan itsekin seuraavasti.

public class Rakennus {
    private String omistaja;
    private String väri;

    // Parametriton muodostaja, joka vastaa oletusmuodostajaa.
    public Rakennus() {
        // Voisimme täällä alustaa olion tilan jollain tavalla, 
        // asettamalla attribuuteille alkuarvot.
    }
}

void main() {
    // Olio luodaan itse määrittelemäämme parametritonta muodostajaa käyttäen.
    Rakennus rakennus = new Rakennus();
}

Olemme tähän asti muodostaneet olioita ilman kunnollista alustusta. Tämä ei ole hyvä käytäntö, joten korjataan tilanne seuraavaksi.

Rakennukset ovat heti luomisen jälkeen tilassa, jossa niillä ei ole omistajaa tai väriä. Tällä hetkellä vasta luodun olion attribuuttien arvot ovat null. Oliosta ja sen tarkoituksesta riippuen tällaiset arvot voivat olla sallittuja, mutta jos rakennus on olemassa, sillä täytynee olla jokin omistaja ja väri.

Olisi parempi, että olio olisi heti luonnin jälkeen käyttökelpoinen. Voisimme luoda olion suoraan oikeaan tilaan määrittelemällä muodostajan, joka ottaa olion tilan alustamiseen tarvittavat tiedot vastaan parametreina ja alustaa attribuutit oikein.

Lisätään nyt Rakennus-luokalle muodostaja, joka ottaa omistajan ja värin vastaan parametreina ja alustaa näiden avulla olion attribuutit. Näin meidän ei tarvitse asettaa attribuutteja erikseen olion luomisen jälkeen pääohjelmassa. Voimme nyt myös poistaa parametrittoman muodostajan, jotta sitä ei voi enää käyttää luomaan olioita, joilla on virheellinen alkutila.

public class Rakennus {
    private String omistaja;
    private String väri;

    public Rakennus(String omistaja, String väri) {
        // Alustetaan olion tila parametreilla. Huomaa tässä this-viitteen 
        // käyttö, sillä parametrien ja attribuuttien nimet ovat samat.
        this.omistaja = omistaja;
        this.väri = väri;
    }
}

void main() {
    // Oliolle annetaan kaksi merkkijonoa argumentteina. Nämä vastaavat 
    // määrittelemäämme parametrillista muodostajaa, joten sitä käytetään 
    // olion muodostamiseen.
    Rakennus rakennus1 = new Rakennus("JYU", "valkoinen");

Pari huomiota: Emme voi luoda rakennusta yhdellä parametrilla, esimerkiksi Rakennus rakennus2 = new Rakennus("JYU");, sillä määrittelemämme muodostaja tarvitsee kaksi parametria. Emme voi myöskään luoda rakennusta ilman parametreja, esimerkiksi Rakennus rakennus3 = new Rakennus();, koska oletusmuodostajaa ei enää ole.

Lisätään vielä lopuksi hieman erikoisempi muodostaja, joka ottaa vastaan toisen saman luokan olion ja kopioi sen tilan muodostettavalle oliolle. Tällaisesta muodostajasta puhuttaessa käytetään usein nimitystä copy constructor.

public class Rakennus {
    private String omistaja;
    private String väri;

    public Rakennus(String omistaja, String väri) {
        this.omistaja = omistaja;
        this.väri = väri;
    }

    // Muodostaja, joka ottaa vastaan toisen saman luokan olion ja 
    // kopioi sen arvot muodostettavalle oliolle.
    public Rakennus(Rakennus kopioitava) {
        this.omistaja = kopioitava.omistaja;
        this.väri = kopioitava.väri;
    }
}

void main() {
    Rakennus rakennus1 = new Rakennus("JYU", "valkoinen");

    // Antamalla argumenttina toisen Rakennus-tyyppisen olion käytämme uutta 
    // muodostaa, joka kopioi olion arvot. Molemmilla rakennuksilla on nyt 
    // sama omistaja ja väri.
    Rakennus rakennus2 = new Rakennus(rakennus1);
}

Voimme lisäksi käyttää muodostajassa this-avainsanaa kuin metodia, jos haluamme siirtää muodostamisen toiselle saman luokan muodostajalle. Voimme usein välttää näin turhaa toistoa.

Muutetaan luokkaa nyt niin, että parametriton muodostaja käyttää parametrillista muodostajaa antamaan attribuuteille alkuarvot.

public class Rakennus {
    private String omistaja;
    private String väri;

    public Rakennus(String omistaja, String väri) {
        this.omistaja = omistaja;
        this.väri = väri;
    }

    public Rakennus(Rakennus kopioitava) {
        // Siirrämme muodostamisen yllä olevalle muodostajalle sitä 
        // vastaavilla parametreilla
        this(kopioitava.omistaja, kopioitava.väri);
    }
}

int sekunteja = 75; // Esimerkki parametrina tulevasta arvosta

// Tämä antaa this.minuutteja-attribuuttiin _lisättävät_ minuutit
int lisattaviaMinuutteja = (this.sekunteja + sekunteja) / 60; 

// Tämä antaa this.sekunteja-attribuuttiin _sijoitettavat_ sekunnit
int jaljelleJaavatSekunnit = (this.sekunteja + sekunteja) % 60;  

Static

Luokan jäsenet voidaan määritellä kuuluvaksi olion sijaan luokalle static-määritettä käyttämällä. Tällaisia attribuutteja ja metodeja kutsutaan luokan attribuuteiksi (engl. class attribute) ja luokan metodeiksi (engl. class method).

Sana static voi olla hieman harhaanjohtava; staattisuus ei tässä tarkoita, että nämä luokan jäsenet ovat pysyviä tai muuttumattomia. Käytämme kuitenkin tässä materiaalissa sanaa staattinen kuvaamaan luokan jäseniä.

Siinä missä attribuutit ja metodit liittyvät olioon -- olion attribuutit ja metodit pääsevät olion tilaan käsiksi -- luokan attribuutti ei ole osa minkään olion tilaa ja sillä on vain yksi arvo, joka on jaettu kaikkien luokan olioiden kesken. Jos yksi olio muuttaa oman luokkansa attribuutin arvoa, muutos näkyy kaikissa saman luokan olioissa.

Samalla tavalla voimme ajatella myös luokan metodien olevan jaettu kaikkien luokan olioiden kesken; ne eivät liity mihinkään olioon, eivätkä siten pääse minkään olion tilaan suoraan käsiksi. Oliot voivat kutsua oman luokkansa metodia, siis staattista metodia, mutta tämä kutsu ei mahdollista olion tilan käsittelyä. Koska staattiset metodit eivät liity mihinkään olioon, niiden sisällä ei myöskään voi käyttää this-viitettä.

Voidaksemme kutsua olion metodia, meillä täytyy olla olio ja siihen viite. Staattista luokan metodia sen sijaan voimme kutsua suoraan luokan kautta ilman olion luomista. Staattista metodia on mahdollista kutsua myös olioviitteen kautta, mutta tämäkään ei mahdollista olion tilan tarkastelua metodin sisältä.

Tehdään aluksi luokka, jossa ei ole staattisia jäseniä.

public class Henkilo {
    private String etunimi;
    private String sukunimi;

    public Henkilo(String etunimi, String sukunimi) {
        this.etunimi = etunimi;
        this.sukunimi = sukunimi;
    }

    public String annaNimi() {
        return etunimi + " " + sukunimi;
    }
}

void main() {
    // Emme voi kutsua olion metodia suoraan luokan kautta ilman oliota.
    // Henkilo.annaNimi();

    Henkilo h1 = new Henkilo("Anna", "Korhonen");
    IO.println(h1.annaNimi());
}

Koska annaNimi on olion metodi, meidän täytyy ensin luoda olio. Emme voi kutsua tätä metodia staattisesti luokan kautta, esimerkiksi Henkilo.annaNimi().

Lisätään nyt luokan attribuutti taysiIkaisyydenRaja, joka kuvastaa kaikkien henkilöiden täysi-ikäisyyden rajaa. Lisätään luokkaan myös metodi onkoTaysiIkainen, joka tarkistaa, onko annettu ikä täysi-ikäinen. Huomaa, että kyseinen metodi ei liity mihinkään olioon, vaan se tarkistaa vain annetun iän.

public class Henkilo {
    private String etunimi;
    private String sukunimi;
    private static int taysiIkaisyydenRaja = 18;

    public Henkilo(String etunimi, String sukunimi) {
        this.etunimi = etunimi;
        this.sukunimi = sukunimi;
    }

    public String annaNimi() {
        return etunimi + " " + sukunimi;
    }

    public static boolean onkoTaysiIkainen(int ika) {
        return ika >= taysiIkaisyydenRaja;
    }
}

void main() {
    // Emme voi kutsua olion metodia suoraan luokan kautta ilman oliota.
    // Henkilo.annaNimi();

    Henkilo h1 = new Henkilo("Anna", "Korhonen");
    IO.println(h1.annaNimi());

    // Staattista metodia sen sijaan voi kutsua luokan kautta:
    IO.println(Henkilo.onkoTaysiIkainen(20)); // Tulostaa 'true'
    IO.println(Henkilo.onkoTaysiIkainen(15)); // Tulostaa 'false'

    // Staattista metodia voi kutsua myös olion kautta, mutta selkeyden vuoksi 
    // on parempi käyttää luokkaa.
    // IO.println(h1.onkoTaysiIkainen(20)); // Tämä toimii, mutta ei ole suositeltavaa.
}

Nyt meillä on luokan metodi onkoTaysiIkainen, jota voimme kutsua ilman oliota. Voisimme kutsua tätä luokan metodia myös olion kautta, mutta se ei ole tarpeen ja kääntäjä varoittaakin siitä.

Staattinen jäsen on hyödyllinen, kun haluamme määritellä jonkin toiminnallisuuden, joka ei liity mihinkään yksittäiseen olioon, mutta liittyy luokkaan yleisesti.

Staattiseen jäseneen pääsee käsiksi myös olion metodin sisältä. Voimme esimerkiksi tarkistaa, onko henkilö täysi-ikäinen.

// Olion metodi voi myös käyttää staattista muuttujaa
public boolean onkoHenkiloItseTaysiIkainen() {
    return this.ika >= taysiIkaisyydenRaja;
}

Selkeyden vuoksi on hyvä käyttää luokan nimeä, kun viitataan staattiseen jäseneen luokan sisälläkin, esimerkiksi Henkilo.taysiIkaisyydenRaja. Tämä auttaa erottamaan staattiset jäsenet olion jäsenistä.

Yllä oleva esimerkki on sikäli varoittava, että täysi-ikäisyyden rajaa pystyy muuttamaan mistä tahansa koodista, joka pääsee käsiksi Henkilo-luokkaan. Tällaisen "globaalin" tilan käyttäminen koodissa on yleensä erittäin huono idea.

Yksi esimerkki staattisesta metodista, jota käytämme usein, on IO.println(). Tämä on IO-luokan staattinen metodi. Sen käyttäminen on helpompaa, kun meidän ei tarvitse joka kerta luoda IO-oliota ja kutsua sen println-metodia.

Olion elinkaari

Ohjelman ajon aikana luokasta luodaan ilmentymä eli olio. Jotta olioon voidaan päästä käsiksi, luodaan sitä varten viitemuuttuja. Javan kääntäjä tarkistaa käännöksen yhteydessä, että muuttuja on yhteensopiva luodun olion kanssa, ja asettaa viitteen osoittamaan luotuun olioon.

Olion luonnin yhteydessä Java varaa sille sopivan tilan virtuaalikoneensa kekomuistista. Kun olioon ei enää ole yhtään viitettä olemassa, se tuhoutuu. Javassa ohjelmoijan ei tarvitse itse pitää huolta muistin varaamisesta tai vapauttamisesta. Tuhoutuneiden olioiden varaama muisti vapautetaan lopulta Javan automaattisen roskienkeräyksen toimesta.

Käydään vielä olion koko elinkaari läpi esimerkkien avulla. Tarvitsemme olioiden luomista varten ensimmäiseksi luokan. Käytetään esimerkkinä taas Henkilo-luokkaa, mutta lisätään nyt muutama hyvin yksinkertainen metodi olion tilan muuttamiseen.

class Henkilo {
    private String etunimi;
    private String sukunimi;

    public Henkilo(String etunimi, String sukunimi) {
        this.etunimi = etunimi;
        this.sukunimi = sukunimi;
    }

    public String annaNimi() {
        return etunimi + " " + sukunimi;
    }

    public void asetaEtunimi(String etunimi) {
        this.etunimi = etunimi;
    }

    public void asetaSukunimi(String sukunimi) {
        this.sukunimi = sukunimi;
    }
}

void main() {
    // Voimme luoda viitemuuttujan ilman että se viittaa mihinkään 
    // olioon. Oliota ei tässä luoda.
    Henkilo h0;

    // Tässä luodaan olio ja sijoitetaan sen viite h0-muuttujaan. 
    // Kääntäjä valitsee käytettäväksi parametrittoman muodostajan, 
    // sillä muodostajalle ei anneta argumentteja.
    h0 = new Henkilo("Mikko", "Mäkinen");

    // Tässä luodaan olio, mutta viitettä ei sijoiteta mihinkään. 
    // Emme pääse tähän olioon enää käsiksi ja se merkitään tuhottavaksi.
    new Henkilo("Mikko", "Mäkinen");

    // Yleensä on suoraviivaisempaa esitellä viitemuuttuja ja 
    // luoda siihen sijoitettava olio yhdessä.
    Henkilo h1 = new Henkilo("Mikko", "Mäkinen");
    IO.println("h1: " + h1.annaNimi());

    // Voimme käyttää parametrillista muodostajaa antamalla muodostajalle 
    // parametreja vastaavat arvot.
    Henkilo h2 = new Henkilo("Anna", "Korhonen");
    IO.println("h2: " + h2.annaNimi());

    // Viitemuuttujat voivat osoittaa samaan olioon. Oliota ei kopioida.
    Henkilo h3 = h2;
    IO.println("h3: " + h3.annaNimi());
}

Pääohjelmassa luodaan nyt olio eri muodostajia käyttäen ja katsotaan samalla viitteiden toimintaa.

Kun olemme luoneet olioita, voimme tarkastella ja muokata niiden tilaa ohjelman suorituksen aikana.

void main() {
    Henkilo h1 = new Henkilo("Joni", "Mäkinen");
    IO.println(h1.annaNimi());
    h1.asetaSukunimi("Korhonen");
    IO.println(h1.annaNimi());
}

class Henkilo {
    private String etunimi;
    private String sukunimi;

    public Henkilo(String etunimi, String sukunimi) {
        this.etunimi = etunimi;
        this.sukunimi = sukunimi;
    }

    public String annaNimi() {
        return etunimi + " " + sukunimi;
    }

    public void asetaEtunimi(String etunimi) {
        this.etunimi = etunimi;
    }

    public void asetaSukunimi(String sukunimi) {
        this.sukunimi = sukunimi;
    }
}

Tarkastellaan lopuksi olioiden elinkaaren loppua, eli niiden tuhoutumista. Kun olioon ei enää ole yhtään viitettä, se merkitään "roskaksi", jonka Javan automaattinen roskienkeräys (engl. garbage collection) voi aikanaan poistaa muistista vapauttaen sitä varten varten varatun tilan.

void main() {
    // Luomme taas kaksi oliota.
    Henkilo h1 = new Henkilo("Joni", "Mäkinen");
    Henkilo h2 = new Henkilo("Anna", "Korhonen");

    // Muuttuja h1 on tällä hetkellä ainoa viite ensimmäiseen olioon.
    // Jos sijoitamme h1-muuttujaan jonkin muun viitten tai asetamme sen arvoksi
    // null, olio merkitään tuhottavaksi, sillä siihen ei ole enää viitteitä.
    h1 = null;

    // Aliohjelman päättyessä kaikki sen sisällä luodut lokaalit 
    // muuttujat (h1 ja h2) tuhoutuvat. Tässä tapauksessa olioihin ei ole 
    // enää muita viitteitä, joten nekin tuhoutuvat.
}

class Henkilo {
    private String etunimi;
    private String sukunimi;

    public Henkilo(String etunimi, String sukunimi) {
        this.etunimi = etunimi;
        this.sukunimi = sukunimi;
    }

    public String annaNimi() {
        return etunimi + " " + sukunimi;
    }

    public void asetaEtunimi(String etunimi) {
        this.etunimi = etunimi;
    }

    public void asetaSukunimi(String sukunimi) {
        this.sukunimi = sukunimi;
    }
}

Emme tällä kurssilla perehdy kovin syvällisesti Javan automaattiseen roskienkeräykseen tai muistin hallintaan. Tämän kurssin kannalta riittää, että tiedämme milloin olio muuttuu roskaksi ja tuhoutuu. Jos haluat tutustua aiheeseen hieman tarkemmin, voit aloittaa lukemalla täältä täältä lisää kekomuistista ja sen varaamisesta sekä täältä Javan roskienkeräyksestä suhteellisen helposti lähestyttävässä muodossa.

Tehtävät

Kapselointi

Näkyvyysmääreet

Java tarjoaa kolme pääasiallista näkyvyysmäärettä: public, protected ja private. Näkyvyysmääreet määrittelevät, mistä luokan jäseniin voidaan päästä käsiksi.

Javassa oletuksena luokan jäsenet ovat ns. package-private-näkyvyydellä, mikä tarkoittaa, että ne ovat näkyvissä vain samassa pakkauksessa oleville luokille. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto eri näkyvyysmääreiden vaikutuksista; Oletus-rivi viittaa package-private-näkyvyyteen.

Ensimmäinen sarake ("luokka") ilmaisee, onko luokan oliolla itsellään pääsy määritellyn näkyvyystason jäseneen. Kuten näet, oliolla on aina pääsy omiin jäseniinsä. Toinen sarake ("pakkaus") ilmaisee, onko muilla samassa pakkauksessa olevilla oliolla pääsy jäseneen. Kolmas sarake ("aliluokka") ilmaisee, onko luokasta perityillä aliluokan olioilla, jotka sijaitsevat pakkauksen ulkopuolella, pääsy jäseneen. Neljäs sarake ilmaisee, onko millä tahansa oliolla pääsy jäseneen.

Kun muut ohjelmoijat tai sinä itse käyttävät tekemääsi luokkaa, näkyvyysmääreet auttavat varmistamaan, että luokkaasi käytetään sillä tavalla, jolla olet suunnitellut sen käytettävän. Pääsääntö on, että ohjelmoijan tulisi käyttää mahdollisimman rajoittavaa näkyvyysmäärettä, ellei ole erityistä syytä käyttää jotain muuta. Tämä auttaa suojaamaan luokan sisäistä tilaa ja estämään tahalliset tai tahattomat väärinkäytökset luokan jäseniin. Erityisesti julkisten attribuuttien kohdalla tulisi pohtia tarkkaan, onko niille todella tarvetta, sillä ne altistavat luokan sisäisen tilan suoraan ulkopuolisille. Tällä opintojaksolla pyrimme suunnittelemaan ohjelmat niin, ettei julkisia attribuutteja -- poislukien vakiot -- tarvita.

Attribuutille tai metodille voi antaa näkyvyysmääreen lisäämällä sen esittelyriville. Luokalle voidaan myös asettaa näkyvyysmääre.

class Henkilo {
    // Näkyvyysmääre 'private' piilottaa attribuutin niin, että sitä ei voi 
    // tarkastella luokan ulkopuolelta.
    private String etunimi;
    private String sukunimi;

    // Näkyvyysmääre 'public' mahdollistaa metodin kutsumisen luokan ulkopuolelta.
    public String annaMerkkijono() {
        return etunimi + " " + sukunimi;
    }
}

Kapselointi ja koheesio

Kapselointi (engl. encapsulation) on yksi keskeisimmistä käsitteistä olio-ohjelmoinnissa. Se tarkoittaa luokkien suunnittelua mahdollisimman itsenäiseksi ja modulaariseksi. Jokaisella luokalla on oma tehtävänsä, jota varten tarvittavat tiedot ja toiminnallisuudet kapseloidaan olion sisälle. Osa näistä tiedoista ja toiminnallisuuksista voidaan piilottaa vain olion sisäistä käyttöä varten. Olioiden tilan käsittelyä varten luokka tarjoaa käyttäjälleen tavallisesti julkisista metodeista koostuvan rajapinnan, mikä parantaa ohjelman muokattavuutta ja laajennettavuutta vähentämällä luokan sisäisistä muutoksista johtuvia sivuvaikutuksia.

Yhteen kuuluvan tiedon ja toiminnallisuuden sijoittaminen saman rakenteen sisälle on kapseloinnin ensimmäinen periaate. Olemmekin jo tehneet näin määritellessämme luokkia ja niille sopivia attribuutteja ja metodeja. Luokan koheesio (engl. cohesion) kuvastaa sitä, kuinka hyvin luokan attribuutit ja metodit sopivat yhteen luokan tarkoituksen kanssa. Luokkien suunnittelun tavoitteena on mahdollisimman korkea koheesio; luokan jäsenten tulisi olla sopivia sen tarkoitukseen.

Jos tekisimme esimerkiksi luokan kuvaamaan autoa, ei ehkä olisi kovin järkevää lisätä tähän luokkaan jäseneksi auton omistajan nimeä, osoitetta, puhelinnumeroa, jne. Omistajan tiedot ja niihin liittyvät toiminnallisuudet voi olla parempi laittaa omaan luokkaan.

Tehdään nyt luokka Auto, johon voimme soveltaa kapseloinnin periaatteita. Lisätään aluksi vain attribuutit ja yksinkertaiset muodostajat.

class Auto {
    String malli;
    String valmistenumero;
    double ajetutKilometrit;

    public Auto(String malli, String valmistenumero, double ajetutKilometrit) {
        this.malli = malli;
        this.valmistenumero = valmistenumero;
        this.ajetutKilometrit = ajetutKilometrit;
    }
}

Haluaisimme tallentaa myös tietoja auton eri osista. Moottorista voisimme tallentaa esimerkiksi mallin ja nykyisen kierrosluvun. Renkaista olisi hyvä tietää ainakin malli, rengaspaine ja ehkä myös tyyppi, jolla voimme erottaa kesä- ja talvirenkaat. Nämä voisi lisätä suoraan Auto-luokkaan attribuuttina, mutta attribuuttien määrä kasvaisi aika suureksi, sillä jokaisella renkaalla on omat tietonsa. Jos käyttäisimme taulukoita tai listoja, tarvitsisimme niitäkin useita. Voi myös olla, että autossa ei välttämättä aina ole moottoria kiinni. Renkaatkin on mahdollista ottaa irti tai niiden lukumäärä voisi vaihdella automallien välillä.

Auton ei oikeastaan tarvitse olla tietoinen sen moottorin tai renkaiden sisäisestä toiminnasta, joten meidän on parempi tehdä useampi luokka, joista jokainen on vastuussa omista tiedoistaan ja toiminnoistaan.

Lisätään nyt Moottori ja Rengas -luokat ja määritellään näille sopivia attribuutteja sekä muodostajat.

class Moottori {
    String malli;
    double kierrosluku;

    public Moottori(String malli, double kierrosluku) {
        this.malli = malli;
        this.kierrosluku = kierrosluku;
    }
}

class Rengas {
    String malli;
    String tyyppi;
    double rengaspaine;

    public Rengas(String malli, String tyyppi, double rengaspaine) {
        this.malli = malli;
        this.tyyppi = tyyppi;
        this.rengaspaine = rengaspaine;
    }
}

Lisätään lopuksi moottori ja lista renkaista Auto-luokan attribuuteiksi. Nämä sisältävät viitteet moottori- ja rengasolioihin. Muistetaan, että viitteet eivät oletuksena osoita mihinkään, vaan meidän täytyy luoda myös oliot ja asettaa viitteet osoittamaan niihin. Auto sisältää nyt muiden luokkien olioita, jotka hoitavat omat vastuualueensa auton kokonaisuudessa. Tällaista rakennetta kutsutaan kompositioksi (engl. composition). Yksi etu tässä on se, että auton moottorin tai renkaat voisi vaihtaa helposti uusin asettamalla viiteattribuutit osoittamaan uuteen olioon.

Lisätään myös pieni pääohjelma, jossa voimme luoda yhden auton oletusarvoilla ja tulostaa sen tietoja. Käytämme tässä vielä olion attribuuttien arvoja suoraan, mikä ei ole hyvän tavan mukaista. Teemme pian tämän paremmin.

class Moottori {
    String malli;
    double kierrosluku;

    public Moottori(String malli, double kierrosluku) {
        this.malli = malli;
        this.kierrosluku = kierrosluku;
    }
}

class Rengas {
    String malli;
    String tyyppi;
    double rengaspaine;

    public Rengas(String malli, String tyyppi, double rengaspaine) {
        this.malli = malli;
        this.tyyppi = tyyppi;
        this.rengaspaine = rengaspaine;
    }
}

import java.util.ArrayList;

class Auto {
    String malli;
    String valmistenumero;
    double ajetutKilometrit;
    Moottori moottori;
    ArrayList<Rengas> renkaat = new ArrayList<>();

    public Auto(String malli, String valmistenumero, double ajetutKilometrit) {
        this.malli = malli;
        this.valmistenumero = valmistenumero;
        this.ajetutKilometrit = ajetutKilometrit;

        // Lisätään autolle moottori luomalla uusi moottori-olio.
        moottori = new Moottori("M100", 0);

        // Lisätään autolle neljä rengasta luomalla näille oliot ja lisäämällä 
        // viitteet renkaat-listaan.
        renkaat.add(new Rengas("R1", "nastarengas", 100.0));
        renkaat.add(new Rengas("R2", "nastarengas", 100.0));
        renkaat.add(new Rengas("R3", "nastarengas", 100.0));
        renkaat.add(new Rengas("R4", "nastarengas", 100.0));
    }
}

void main() {
    Auto auto = new Auto("ABC", "123A", 0);

    IO.println("Auton malli: " + auto.malli);
    IO.println("Auton valmistenumero: " + auto.valmistenumero);

    IO.println("Moottori:");
    IO.println("- " + auto.moottori.malli);
    
    IO.println("Renkaat:");
    for (Rengas rengas : auto.renkaat) {
        IO.println("- " + rengas.malli);
    }
}

Kapseloinnin toinen periaate on luokan sisäisen tiedon piilottaminen ja sen käsittelyn rajoittaminen niin, että siihen päästään käsiksi vain tarkkaan määritetyn julkisen rajapinnan kautta. Oliolla voi olla sen tilan tallentamista varten paljon sisäistä tietoa, jonka ei ole tarkoitus olla tarkasteltavissa tai muokattavissa olion ulkopuolelta. Itse asiassa kaikki olion attribuutit tavallisesti piilotetaan, jotta oliota ei olisi mahdollista vahingossa saattaa attribuutteja suoraan muuttamalla virheelliseen tilaan. Oliolla voi myös olla sisäiseen käyttöön apumetodeja, joita ei ole tarkoitus voida kutsua ulkopuolelta.

Olion sisäisen tilan muokkaamista varten luokkaan määritellään julkisia metodeja, joita voidaan kutsua muualta ohjelmasta. Nämä metodit muodostavat edellä mainitun julkisen rajapinnan ja kaikki muutokset olion tilaan tapahtuvat niiden kautta, jolloin virheellisiin muutoksiin voidaan reagoida metodin sisällä sopivalla tavalla.

Se, mitä attribuutteja luokalla on tai miten niitä käsitellään luokan sisällä ovat yleensä toteutusyksityiskohtia, joita luokkaa käyttävän ohjelmoijan ei tarvitse tietää. Tällaisten toteutusyksityiskohtien piilottamisen tavoite on helpottaa ohjelmoijan työtä; kun luokan toteutusyksityiskohdat ovat piilotettuja ja tilaa käsitellään vain julkisen rajapinnan kautta, luokan sisäiseen toimintaan voidaan helpommin tehdä muutoksia niin, että luokan käyttäjä ei edes huomaa niiden tapahtuneen. Tämä on yksi kapseloinnin suurimmista höydyistä.

Lisätään Auto-luokalle muutama metodi yksinkertaista julkista rajapintaa varten. Piilotetaan myös attribuutit, että emme voi muuttaa auton tilaa enää suoraan. Luokan jäsenten näkyvyyttä luokan ja sen olioiden ulkopuolelle voidaan muuttaa käyttämällä niiden esittelyn yhteydessä näkyvyysmääreitä kuten public ja private. Moottori ja Rengas pysyvät vielä samana.

import java.util.ArrayList;

public class Auto {
    private String malli;
    private String valmistenumero;
    private double ajetutKilometrit;
    private Moottori moottori;
    private ArrayList<Rengas> renkaat = new ArrayList<>();

    public Auto(String malli, String valmistenumero, double ajetutKilometrit) {
        this.malli = malli;
        this.valmistenumero = valmistenumero;
        this.ajetutKilometrit = ajetutKilometrit;

        // Lisätään autolle moottori luomalla uusi moottori-olio.
        moottori = new Moottori("M100", 0);

        // Lisätään autolle neljä rengasta luomalla näille oliot ja lisäämällä 
        // viitteet renkaat-listaan.
        renkaat.add(new Rengas("RR", "nastarengas", 100.0));
        renkaat.add(new Rengas("RR", "nastarengas", 100.0));
        renkaat.add(new Rengas("RR", "nastarengas", 100.0));
        renkaat.add(new Rengas("RR", "nastarengas", 100.0));
    }

    public void aja(double kilometrit) {
        if (kilometrit < 0) return;
        this.ajetutKilometrit += kilometrit;
    }

    public void lisaaMoottori(Moottori moottori) {
        this.moottori = moottori;
    }

    public void lisaaRengas(Rengas rengas) {
        this.renkaat.add(rengas);
    }

    public void tulostaTiedot() {
        IO.println("Malli: " + malli);
        IO.println("Valmistenumero: " + valmistenumero);
        IO.println("Ajetut kilometrit: " + ajetutKilometrit);
        
        // Lisätään moottorin ja renkaiden tulostus seuraavaksi.
    }
}

void main() {
    Auto auto = new Auto("ABC", "123A", 0);
    auto.aja(100);
    auto.tulostaTiedot();
}

class Moottori {
    String malli;
    double kierrosluku;

    public Moottori(String malli, double kierrosluku) {
        this.malli = malli;
        this.kierrosluku = kierrosluku;
    }
}

class Rengas {
    String malli;
    String tyyppi;
    double rengaspaine;

    public Rengas(String malli, String tyyppi, double rengaspaine) {
        this.malli = malli;
        this.tyyppi = tyyppi;
        this.rengaspaine = rengaspaine;
    }
}

Piilotimme Auto-luokan attribuutit private-näkyvyymääritteellä ja auton tilaa käsitellään nyt yksinkertaisten saantimetodien avulla. Siirsimme myös tulostamisen luokan vastuulle. Meidän tulisi tehdä vielä samanlaiset muutokset Moottori ja Rengas -luokille, jotta voimme käyttää niiden julkisia rajapintoja Auto-luokan sisällä.

import java.util.ArrayList;

public class Auto {
    private String malli;
    private String valmistenumero;
    private double ajetutKilometrit;
    private Moottori moottori;
    private final int maxRenkaat = 4;
    private ArrayList<Rengas> renkaat = new ArrayList<>();

    public Auto(String malli, String valmistenumero, double ajetutKilometrit) {
        this.malli = malli;
        this.valmistenumero = valmistenumero;
        this.ajetutKilometrit = ajetutKilometrit;
    }

    public void aja(double kilometrit) {
        if (kilometrit < 0) return;
        this.ajetutKilometrit += kilometrit;
    }

    public void lisaaMoottori(Moottori moottori) {
        this.moottori = moottori;
    }

    public void lisaaRengas(Rengas rengas) {
        if (renkaat.size() < maxRenkaat) {
            this.renkaat.add(rengas);
        }
    }

    public void tulostaTiedot() {
        IO.println("Auton malli: " + malli);
        IO.println("Auton valmistenumero: " + valmistenumero);
        IO.println("Ajetut kilometrit: " + ajetutKilometrit);
        
        // Välitetään tulostuskomento moottorille, joka tulostaa itse omat tietonsa.
        IO.println();
        IO.println("Moottori:");
        IO.println();
        if (moottori != null) {
            moottori.tulostaTiedot();
        }

        // Välitetään tulostuskomento myös jokaiselle renkaalle.
        IO.println();
        IO.println("Renkaat:");
        for (Rengas rengas : renkaat) {
            IO.println();
            rengas.tulostaTiedot();
        }
    }
}

public class Moottori {
    private String malli;
    private double kierrosluku;

    public Moottori(String malli, double kierrosluku) {
        this.malli = malli;
        this.kierrosluku = kierrosluku;
    }

    public void tulostaTiedot() {
        IO.println("Malli: " + malli);
        IO.println("Kierrosluku: " + kierrosluku);
    }
}

public class Rengas {
    private String malli;
    private String tyyppi;
    private double rengaspaine;

    public Rengas(String malli, String tyyppi, double rengaspaine) {
        this.malli = malli;
        this.tyyppi = tyyppi;
        this.rengaspaine = rengaspaine;
    }

    public void tulostaTiedot() {
        IO.println("Malli: " + malli);
        IO.println("Tyyppi: " + tyyppi);
        IO.println("Paine: " + rengaspaine);
    }
}

void main() {
    Auto auto = new Auto("ABC", "123A", 0);
    auto.lisaaMoottori(new Moottori("M1", 0));
    auto.lisaaRengas(new Rengas("R1", "nasta", 10));
    auto.lisaaRengas(new Rengas("R2", "nasta", 10));
    auto.lisaaRengas(new Rengas("R3", "nasta", 10));
    auto.lisaaRengas(new Rengas("R4", "nasta", 10));
    
    auto.aja(100.0);

    auto.tulostaTiedot();
}

Nyt Auto-luokkamme ei enää ole riippuvainen Moottori tai Rengas -luokkien sisäisistä toteutusyksityiskohdista.

Vastuu olion tilasta kuuluu oliolle itselleen

Joissain tähän mennessä nähdyissä esimerkeissä attribuutteja piilotettiin, mutta niitä voitiin edelleen muokata lähes suoraan metodin kautta. Tämä ei ole täysin olio-ohjelmoinnin tavoitteiden mukaista; julkisen rajapinnan ei ole tarkoitus olla vain väliaskel attribuutin muuttamisessa. Julkisen rajapinnan idea on välittää oliolle käsky tehdä jotain, jolloin olio suorittaa käskyn itse parhaaksi näkemällään tavalla.

Hyvä esimerkki tästä voisi olla esimerkiksi pelihahmo, jolla on sijaintia varten attribuutteina koordinaatit X ja Y. Sen sijaan, että muuttaisimme pelihahmon sijaintia suoraan yksinkertaisilla setX tai setY -metodeilla, voisimme määritellä hahmolle liiku-metodin, joka ottaa tavoitekoordinaatit vastaan ja sallii pelihahmon itse suorittaa tavoitekoordinaatteihin liikkumisen oman sisäisen toteutuksensa ja rajoitteidensa mukaisesti. Tällöin vastuu liikkumisesta kuuluu pelihahmolle itselleen. Jos pelihahmo ei esimerkiksi kykenisi sillä hetkellä liikkumaan, metodi voi käsitellä tilanteen itse, jolloin metodin kutsujan ei tarvitse ottaa tällaisia erikoistilanteita huomioon.

Todellisuudessa yksinkertaisia saantimetodeja käytetään usein myös tuotantokoodissa, sillä olioiden hyvä suunnittelu vie paljon aikaa ja vaivaa. Joskus voi olla myös ihan perusteltua muuttaa yksinkertaisen attribuutin arvoa suoraan metodin kautta. Metodi tuntuu tässä tapauksessa aika turhalta, mutta sen olemassaolo kuitenkin mahdollistaa sen, että luokan sisäistä toteutusta voidaan muuttaa ilman, että luokkaa käyttävä ohjelmakoodi hajoaa.

Tällä kurssilla emme valitettavasti ehdi käydä oliosuunnittelun teoriaa perusteellisesti läpi. Suosittelemme olio-ohjelmoinnin teorian oppimiseen tämän osan alussa mainittua kurssia.

Olioiden yhteistoiminta

Kerrataan vielä esimerkin avulla olioiden ja niiden yhteistyön suunnittelua tässä osassa opittuja käsitteitä käyttäen. Olioiden hyödyt tulevat paremmin esille, kun alamme rakentamaan ohjelmaan useampia luokkia, jotka tekevät yhteistyötä. Nyt kun olemme myös oppineet kapseloinnin periaatteista, voimme käyttää niitä organisoimaan ohjelmakoodia fiksummin.

Oliot voivat toimia yhdessä eri tavoin. Oliot voivat esimerkiksi sisältää toisia olioita - tai tarkemmin ilmaistuna viitteitä toisiin olioihin. Kun olio koostuu olioista, joista jokainen tuo oman toiminnallisuutensa, tätä kutsutaan usein kompositioksi. Oliot voivat kutsua toistensa metodeja ja näin delegoida tehtäviä toiselle oliolle, jolle tehtävän vastuu kuuluu, tai kommunikoida esimerkiksi tapahtumien yhteydessä. Oliot voivat myös sisältää kokoelmia olioista; esimerkiksi Javan sisäänrakennetut tietorakenteet ovat olioita, jotka sisältävät kokoelman olioista.

Katsotaan esimerkkiä, jossa haluamme mallintaa ohjelmallamme rakennuksia, niissä sijaitsevia tiloja sekä tiloihin tehtäviä varauksia. Jokaisessa rakennuksessa voi olla monta tilaa ja jokaisessa tilassa voi olla monta varausta. Emme välitä vielä tässä esimerkissä siitä, voiko varauksia olla samassa tilassa päällekkäin. Pidetään myös luokat vielä suhteellisen yksinkertaisina.

Aloitetaan määrittelemällä tarvittavat luokat Rakennus, Tila ja Varaus. Tehdään näille myös muodostajat, jotka alustavat olion heti käyttökelpoiseen tilaan.

import java.util.*;

public class Rakennus {
    private String nimi;
    private List<Tila> tilat = new ArrayList<>();
    
    public Rakennus(String nimi) { 
        this.nimi = nimi;
    }
}

import java.util.*;

public class Tila {
    private String nimi;
    private List<Varaus> varaukset = new ArrayList<>(); 
    
    public Tila(String nimi) { 
        this.nimi = nimi; 
    } 
    
    public String getNimi() { 
        return nimi; 
    }
}

public class Varaus {
    private String varaaja;
    private int ajankohta;
    private int kesto;

    public Varaus(String varaaja, int ajankohta, int kesto) { 
        this.varaaja = varaaja;
        this.ajankohta = ajankohta;
        this.kesto = kesto;
    }
}

Lisätään nyt rakennukselle sopivat metodit tilojen lisäämiseen. Haluaisimme löytää oikean tilan myöhemmin sen nimen perusteella, joten rakennuksessa ei saisi olla saman nimisiä tiloja. Tarvitsemme siis myös keinon hakea tila sen nimen perusteella. Tilan lisäämiseen tarvitsemme vain tilan nimen.

import java.util.*;

public class Rakennus {
    private String nimi;
    private List<Tila> tilat = new ArrayList<>();
    
    public Rakennus(String nimi) { 
        this.nimi = nimi;
    }

    public Tila haeTila(String tilanNimi) {
        for (Tila tila : tilat) { 
            if (tila.getNimi().equals(tilanNimi)) {
                return tila;
            }
        }
        return null;
    }

    public void lisaaTila(String tilanNimi) { 
        Tila tila = haeTila(tilanNimi); 
        if (tila != null) {
            IO.println("Rakennus " + nimi + " sisältää jo tilan " + tilanNimi);
            return;
        } 
        tilat.add(new Tila(tilanNimi)); 
    }
}

import java.util.*;

public class Tila {
    private String nimi;
    private List<Varaus> varaukset = new ArrayList<>(); 
    
    public Tila(String nimi) { 
        this.nimi = nimi; 
    } 
    
    public String getNimi() { 
        return nimi; 
    }
}

public class Varaus {
    private String varaaja;
    private int ajankohta;
    private int kesto;

    public Varaus(String varaaja, int ajankohta, int kesto) { 
        this.varaaja = varaaja;
        this.ajankohta = ajankohta;
        this.kesto = kesto;
    }
}

Tilaan pitäisi voida tehdä varauksia. Lisätään tämä ominaisuus, mutta pidetään esimerkki yksinkertaisena tekemällä varaukset tasatunneille. Ohjelman tila voisi kuvastaa esimerkiksi seuraavan päivän tilavarauksia.

Tarvitsemme varauksen tekemiseen varaajan nimen sekä varauksen alkamistunnin ja keston. Lisätään oheinen metodi Tila-luokkaan.

public void lisaaVaraus(String varaaja, int ajankohta, int kesto) { 
    varaukset.add(new Varaus(varaaja, ajankohta, kesto)); 
}

Lisätään vielä mahdollisuus lisätä varauksia rakennuksen kautta niin, että käyttäjän ei tarvitse edes tietää, että Tila-luokka on olemassa. Se miten Rakennus tallentaa tiedot tiloista jää sen toteutusyksityiskohdaksi.

Tarvitsemme varauksen lisäämiseen tilan ja varaajan nimet sekä varauksen alkamistunnin ja keston.

Lisätään myös yksinkertaiset tulosta-metodit kaikkiin luokkiin, jotta voimme nähdä kaikki rakennuksen tilat ja varaukset helposti.

import java.util.*;

public class Rakennus {
    private String nimi;
    private List<Tila> tilat = new ArrayList<>();
    
    public Rakennus(String nimi) { 
        this.nimi = nimi;
    }

    public Tila haeTila(String tilanNimi) {
        for (Tila tila : tilat) { 
            if (tila.getNimi().equals(tilanNimi)) {
                return tila;
            }
        }
        return null;
    }

    public void lisaaTila(String tilanNimi) { 
        Tila tila = haeTila(tilanNimi); 
        if (tila != null) {
            IO.println("Rakennus '" + nimi + "' sisältää jo tilan '" + tilanNimi + "'");
            return;
        } 
        tilat.add(new Tila(tilanNimi)); 
    }

    public void lisaaVaraus(String tilanNimi, String varaaja, int ajankohta, int kesto) { 
        Tila tila = haeTila(tilanNimi); 
        if (tila == null) {
            IO.println("Rakennuksessa '" + nimi + "' ei ole tilaa '" + tilanNimi + "'");
            return;
        } 
        tila.lisaaVaraus(varaaja, ajankohta, kesto);
    }

    public void tulosta() {
        IO.println(nimi);
        for (Tila tila : tilat) {
            tila.tulosta();
        }
    }
}

import java.util.*;

public class Tila {
    private String nimi;
    private List<Varaus> varaukset = new ArrayList<>(); 
    
    public Tila(String nimi) { 
        this.nimi = nimi; 
    } 
    
    public String getNimi() { 
        return nimi; 
    }

    public void lisaaVaraus(String varaaja, int ajankohta, int kesto) { 
        varaukset.add(new Varaus(varaaja, ajankohta, kesto)); 
    }

    public void tulosta() {
        IO.print(" ");
        IO.println(nimi);
        if (varaukset.isEmpty()) {
            IO.print("  ");
            IO.println("Ei varauksia.");
        }
        else {
            for (Varaus varaus : varaukset) {
                varaus.tulosta();
            }
        }
    }
}

public class Varaus {
    private String varaaja;
    private int ajankohta;
    private int kesto;

    public Varaus(String varaaja, int ajankohta, int kesto) { 
        this.varaaja = varaaja;
        this.ajankohta = ajankohta;
        this.kesto = kesto;
    }

    public void tulosta() {
        IO.print("  ");
        IO.println("Klo " + ajankohta + "-" + (ajankohta + kesto) + ", varaaja " + varaaja);
    }
}

void main() {
    Rakennus agora = new Rakennus("Agora"); 
    agora.lisaaTila("Auditorio 1"); 
    agora.lisaaTila("AgFinland"); 
    agora.lisaaTila("AgFinland"); // Ei onnistu.

    agora.lisaaVaraus("AgFinland", "Maija", 8, 2); 
    agora.lisaaVaraus("AgFinland", "Matti", 10, 2); 
    agora.lisaaVaraus("Auditorio 5", "Maija", 13, 1); // Ei onnistu.

    IO.println();
    agora.tulosta();
}

Voimme nyt käyttää Rakennus-luokkaa niin, että meidän ei tarvitse olla tietoisia tilojen tai varausten toiminnasta. Vastaavasti Rakennus ei riipu suoraan siitä, miten Tila tallentaa varausten tietoja.

Tässä vaiheessa meiltä puuttuu vielä osa olio-ohjelmoinnin tärkeimmistä työkaluista; perintä, polymorfismi ja rajapinnat. Tutustumme näihin seuraavassa osassa.

Tehtävät

Osan kaikki tehtävät

int sekunteja = 75; // Esimerkki parametrina tulevasta arvosta

// Tämä antaa this.minuutteja-attribuuttiin _lisättävät_ minuutit
int lisattaviaMinuutteja = (this.sekunteja + sekunteja) / 60; 

// Tämä antaa this.sekunteja-attribuuttiin _sijoitettavat_ sekunnit
int jaljelleJaavatSekunnit = (this.sekunteja + sekunteja) % 60;  

Perintä ja polymorfismi

Perintä

Perintä tarkoittaa mekanismia, jossa luokka sisällyttää itseensä toisen luokan ominaisuudet (attribuutit) ja toiminnallisuudet (metodit). Tämä mahdollistaa koodin uudelleenkäytön ja luokkien välisen hierarkian luomisen.

Käytännössä olioilla on usein yhteisiä piirteitä. Yksi tapa näiden yhteisten piirteiden käsittelemiseen siten, että koodia ei tarvitse toistaa, on perintä.

Opintotietojärjestelmä

Otetaan keksitty esimerkki henkilötietojärjestelmästä: Olli Opiskelija, Maija Opettaja ja Satu Sihteeri voisivat kaikki olla olioita kuvitteellisessa Kisu-opintotietojärjestelmässä. Kaikilla näillä on kaikille käyttäjille tyypillisiä ominaisuuksia, kuten nimi ja käyttäjätunnus. Jokaisen pitäisi myös päästä kirjautumaan sisään järjestelmään ja sieltä ulos.

Kullakin käyttäjällä on kuitenkin myös omia erityispiirteitään: Opiskelijalla voisi olla lista kursseista, joille hän on ilmoittautunut, sekä hänen suorittamansa opintopisteet. Opettajalla on kurssit, joita hän opettaa sekä tehtävänimike, mutta hänellä ei ole opintopisteitä. Sihteeri on vastuussa opintosuoritusten kirjaamisesta ja tutkinnon antamisesta, mutta hänellä ei ole opiskelijanumeroa tai opetettavia kursseja.

Lähdetään kuitenkin aluksi liikkeelle pienesti. Alla on Opiskelija- ja Opettaja-luokat, joihin olemme tehneet pari attribuuttia ja metodia. Tutki näitä luokkia.

import java.util.ArrayList;

class Opiskelija {
    String nimi;
    List<String> kaynnissaOlevatKurssit;

    public Opiskelija() {
        this.kaynnissaOlevatKurssit = new ArrayList<>();
    }

    void setNimi(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }

    String getNimi() {
        return this.nimi;
    }

    void naytaOpintoOhjelma() {
        String kurssit = String.join(", ", kaynnissaOlevatKurssit);
        IO.println(nimi + " opiskelee kursseilla: " + kurssit);
    }

    void ilmoittauduKurssille(String kurssi) {
        IO.println(this.nimi + " ilmoittautui kurssille: " + kurssi);
        kaynnissaOlevatKurssit.add(kurssi);
    }
}

import java.util.ArrayList;

class Opettaja {
    String nimi;
    List<String> opetettavatKurssit;

    public Opettaja() {
        this.opetettavatKurssit = new ArrayList<>();
    }

    void setNimi(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }

    String getNimi() {
        return this.nimi;
    }

    void naytaOpetettavatKurssit() {
        String kurssit = String.join(", ", opetettavatKurssit);
        IO.println(this.getNimi() + " opettaa kursseja: " + kurssit);
    }

    void lisaaKurssi(String kurssi) {
        opetettavatKurssit.add(kurssi);
    }
}

void main() {
    Opiskelija opiskelija = new Opiskelija();
    opiskelija.setNimi("Olli Opiskelija");
    opiskelija.ilmoittauduKurssille("Ohjelmointi 2");

    Opettaja opettaja = new Opettaja();
    opettaja.setNimi("Maija Opettaja");
    opettaja.lisaaKurssi("Ohjelmointi 1");
    opettaja.lisaaKurssi("Ohjelmointi 2");
    opettaja.naytaOpetettavatKurssit();
}

Huomaat, että kummassakin luokassa on samat attribuutti nimi sekä metodit getNimi ja setNimi. Näiden luokkien välillä on toki myös eroja, mutta nimen omaan toisto on ongelmallista, koska:

• jokaisessa luokassa on määriteltävä samat ominaisuudet ja toiminnot uudelleen,
• jos haluamme muuttaa jotain yhteistä ominaisuutta tai toimintoa, meidän täytyy tehdä se kolmessa eri paikassa,
• uuden luokan lisääminen, jolla on samat ominaisuudet, vaatii saman koodin kopioimisen uudelleen taas uuteen paikkaan.

Jos nyt haluaisimme muuttaa esimerkiksi nimi-attribuuttia niin, että etunimi ja sukunimi tallennetaan erikseen kahteen attribuuttiin, meidän pitäisi tehdä tämä muutos kaikissa näissä luokissa. Tämä lisää virheiden mahdollisuutta ja tekee koodin ylläpidosta hyvin hankalaa. Yksi ohjelmistokehityksen periaatteista onkin älä toista itseäsi (Don't Repeat Yourself, lyh. DRY; ks. Wikipedia).

Luokkahierarkia

Toistamisen välttämiseksi voimme luoda yliluokan (engl. superclass) nimeltä Henkilo, joka sisältää kaikki yhteiset ominaisuudet ja toiminnot. Sitten alaluokat (engl. subclass) Opiskelija ja Opettaja voivat periä Henkilo-luokan, jolloin ne saavat automaattisesti kaikki sen määrittelemät ominaisuudet ja metodit. Näin voimme lisätä vain erityispiirteet kuhunkin aliluokkaan ilman koodin toistamista.

Toteutetaan nyt uusi Henkilo-luokka, ja muutetaan Opiskelija- ja Opettaja-luokkia niin, että ne perivät Henkilo-luokan. Javassa perintä toteutetaan käyttämällä extends-avainsanaa. Esimerkiksi class Opiskelija extends Henkilo tarkoittaa, että Opiskelija-luokka perii Henkilo-luokan. Tehdään tämä muutos koodissamme.

public class Henkilo {
    String nimi;

    String getNimi() {
        return this.nimi;
    }

    void setNimi(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }
}

import java.util.ArrayList;

class Opiskelija extends Henkilo {
    List<String> kaynnissaOlevatKurssit;

    public Opiskelija() {
        this.kaynnissaOlevatKurssit = new ArrayList<>();
    }

    void naytaOpintoOhjelma() {
        String kurssit = String.join(", ", kaynnissaOlevatKurssit);
        IO.println(this.nimi + " opiskelee kursseilla: " + kurssit);
    }

    void ilmoittauduKurssille(String kurssi) {
        IO.println(this.nimi + " ilmoittautui kurssille: " + kurssi);
        kaynnissaOlevatKurssit.add(kurssi);
    }
}

import java.util.ArrayList;

class Opettaja extends Henkilo {
    List<String> opetettavatKurssit;

    public Opettaja() {
        this.opetettavatKurssit = new ArrayList<>();
    }

    void naytaOpetettavatKurssit() {
        String kurssit = String.join(", ", opetettavatKurssit);
        IO.println(this.nimi + " opettaa kursseja: " + kurssit);
    }

    void lisaaKurssi(String kurssi) {
        opetettavatKurssit.add(kurssi);
    }
}

void main() {
    Opiskelija opiskelija = new Opiskelija();
    opiskelija.setNimi("Olli Opiskelija");
    opiskelija.ilmoittauduKurssille("Ohjelmointi 2");

    Opettaja opettaja = new Opettaja();
    opettaja.setNimi("Maija Opettaja");
    opettaja.lisaaKurssi("Ohjelmointi 1");
    opettaja.lisaaKurssi("Ohjelmointi 2");
    opettaja.naytaOpetettavatKurssit();
}

Huomaa, että Opiskelija- ja Opettaja-luokat eivät enää määrittele nimi-attribuuttia tai getNimi- ja setNimi-metodeja, koska ne perivät nämä Henkilo-luokasta, eikä sitä koodia enää tarvitse uudelleen kirjoittaa. Tämä tekee koodista huomattavasti siistimpää ja helpommin ylläpidettävää. Perinnällä siis määritetään yksi yliluokka (tässä Henkilo) ja aliluokka tai aliluokat (tässä Opiskelija ja Opettaja), jotka laajentavat (engl. extend) Henkilo-luokan lisätiedoilla ja -toiminnallisuuksilla opiskelijasta ja opettajasta.

Toisin sanoen, Opiskelija ja Opettaja saavat itselleen samat (ei-yksityiset) attribuutit ja (ei-yksityiset) metodit kuin Henkilo-luokka ilman sitä, että ne pitää erikseen määritellä aliluokissa.

Kirjallisuudessa käytetään joskus yliluokka- ja aliluokka-termeistä myös nimityksiä kantaluokka (engl. base class) ja johdettu luokka (engl. derived class). Myös muita nimityksiä on käytössä. Näillä termeillä tarkoitetaan samaa asiaa kuin yliluokka- ja aliluokka-termeillä. Käytämme tässä materiaalissa kuitenkin pääasiassa yliluokka- ja aliluokka-termejä.

Periytymistä voidaan kuvata alla olevan tapaisella kuviolla. Tässä Henkilo on yliluokka (superclass) ja Opiskelija ja Opettaja ovat aliluokkia (subclasses), jotka perivät Henkilo-luokan ominaisuudet ja metodit.

Iso C-kirjain tarkoittaa, että kyseessä on luokka. Nuoli ylöspäin tarkoittaa perintää, eli aliluokka (nuolen tyvessä) perii yliluokan (nuolen kärjessä). Yllä oleva kuvio on tehty mukaillen niin sanottua UML-kuvauskieltä (engl. Unified Modelling Language).

Muodostajat ja super-avainsana

Yliluokan muodostajia voidaan kutsua aliluokista käyttäen super-avainsanaa. Katsotaan esimerkin kautta, missä tällainen kutsu on tarpeen.

Yllä olevassa esimerkissämme on pari ongelmaa. Henkilo-luokassa ei ole muodostajaa, jolloin nimen alustaminen tapahtuu setNimi-metodin kautta. Tästä seuraa, että Henkilo-olion muodostamisen jälkeen nimi-attribuutti on aina null, ennen kuin se erikseen asetetaan. Tämä ei ole hyvä käytäntö kahdestakaan syystä: Ensinnäkin, on parempi, että olio on käyttökelpoinen heti luomisen jälkeen ilman, että erillisiä asettamisia tarvitsee tehdä. Toiseksi, nimen asettaminen julkisen setNimi-metodin kautta ei ole hyvä idea, sillä se rikkoo tiedon kapseloinnin periaatetta.

Vaikka nimen muuttaminen toki pitäisikin tietyissä tilanteissa olla opintotietojärjestelmässä mahdollista, sen asettaminen julkisen metodin kautta, eli niin, että mikä tahansa olio voisi kutsua minkä tahansa Henkilo-olion metodia nimen muuttamiseksi, ei pitäisi olla sallittua, vaan pitäisi tapahtua huomattavasti hallitumman prosessin kautta.

Korjataan tilanne. Asetetaan aluksi nimi-attribuutti yksityiseksi Henkilo-luokassa. Lisätään sitten muodostaja, joka ottaa nimi-parametrin, ja alustaa attribuutin arvon vastaavasti. Tämän jälkeen voimme poistaa setNimi-metodin kokonaan, jolloin nimen asettaminen onnistuu vain muodostajan kautta. Niinpä nimen muuttaminen ei enää onnistu, mutta tämä sopii meille tässä vaiheessa.

Muutetaan olioiden rakentelu pääohjelmassa vastaamaan tätä uutta muodostajaa.

class Henkilo {

    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    private String nimi;

    public Henkilo(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_END

    // HIGHLIGHT_RED_BEGIN
    void setNimi(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }
    // HIGHLIGHT_RED_END

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

public class Main {
    public static void main() {
        // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
        Opiskelija opiskelija = new Opiskelija("Matti Meikäläinen");        
        // HIGHLIGHT_GREEN_END
        // HIGHLIGHT_RED_BEGIN
        opiskelija.setNimi("Matti Meikäläinen");
        // HIGHLIGHT_RED_END
        opiskelija.ilmoittauduKurssille("Ohjelmointi 2");
        opiskelija.naytaOpintosuunnitelma();

        // ...
    }
}

Nyt koska Henkilo-luokassa on määritelty muodostaja, joka ottaa parametreja, Java ei enää luo oletusmuodostajaa—siis sellaista, jossa ei ole parametreja—automaattisesti. Tämä aiheuttaa käännösvirheen—valitettavasti hieman kryptisen sellaisen.

java: constructor Opiskelija in class Opiskelija cannot be applied to given types;
  required: no arguments
  found:    java.lang.String
  reason: actual and formal argument lists differ in length

Virheilmoituksen pointti on, että Opiskelija-olion muodostaja ei vastaa sitä, miten yritämme luoda olion pääohjelmassa.

Tässä tuleekin tärkeä huomio: Luokat eivät peri muodostajia yliluokiltaan. Esimerkiksi Opiskelija-luokka ei peri Henkilo-luokan muodostajia, vaan ne täytyy määritellä erikseen jokaisessa aliluokassa. Tehdään Opiskelija ja Opettaja-luokkiin muodostajat vastaamaan tätä vaatimusta. Esimerkiksi Opiskelija-luokassa muodostajan alku näyttäisi tältä.

class Opiskelija extends Henkilo {
    public Opiskelija(String nimi) {
        // Muodostajan runko tulee tähän
    }
}

Toisaalta nyt kun määrittelimme nimi-attribuutin yksityiseksi, emme voi myöskään asettaa niitä perivästä luokasta käsin, esimerkiksi seuraavasti.

class Opiskelija extends Henkilo {
    public Opiskelija(String nimi) {
        // HIGHLIGHT_YELLOW_BEGIN
        this.nimi = nimi;
        // HIGHLIGHT_YELLOW_END
    }
}

Opiskelija.java:6:5
java: constructor Henkilo in class Henkilo cannot be applied to given types;
  required: java.lang.String
  found:    no arguments
  reason: actual and formal argument lists differ in length

Opiskelija.java:8:13
java: nimi has private access in Henkilo

Ensimmäinen virhe liittyy siihen, että Henkilo-luokassa ei ole ei-parametrista muodostajaa. Korjaamme tämän hieman myöhemmin. Jälkimmäinen virhe on tämän hetkinen ongelmamme: nimi-attribuutti on yksityinen, joten emme voi asettaa sitä suoraan perivästä luokasta käsin.

Koska poistimme setNimi-metodin, niin ainoa tapa asettaa nimen arvo on tehdä se kutsumalla aliluokasta muodostajasta käsin yliluokan muodostajaa ja välittämällä tuossa kutsussa tarvittavat parametrit. Tämä kutsuminen toteutetaan super-avainsanaa. Tehdään tämä muutos kumpaankin aliluokkaan. Muutetaan samalla myös loputkin attribuutit yksityisiksi.

import java.util.ArrayList;
class Opiskelija extends Henkilo {
    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    private ArrayList<String> kaynnissaOlevatKurssit;
    // HIGHLIGHT_GREEN_END

    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    public Opiskelija(String nimi) {
        super(nimi);
        kaynnissaOlevatKurssit = new ArrayList<>();
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_END
    // ...
}

Huomaa, että järjestys on oltava nimen omaan tämä: super-kutsu tulee ensimmäisenä muodostajan rungossa. Vasta sen jälkeen voidaan tehdä muita alustuksia.

Tee vastaava muutos myös Opettaja-luokkaan.

Tämän jälkeen ohjelma ei kuitenkaan vielä käänny, koska perivissä luokissa emme edelleenkään pääse käsiksi yliluokan yksityiseen nimi-attribuuttiin.

class Opiskelija extends Henkilo {
    void naytaOpintosuunnitelma() {
        String kurssit = String.join(", ", kaynnissaOlevatKurssit);
        // HIGHLIGHT_YELLOW_BEGIN
        IO.println(this.nimi + " opiskelee kursseilla: " + kurssit);
        // HIGHLIGHT_YELLOW_END
        // Käännösvirhe: nimi on yksityinen muuttuja
    }
}

Ainoa tapa päästä käsiksi nimi-attribuuttiin on kutsua yliluokan getNimi()-metodia, sillä kyseinen metodi on julkinen. Tehdään tämä muutos kaikkiin kohtiin, joissa nimi-attribuuttiin viitataan suoraan perivissä luokissa.

class Henkilo {
    private String nimi;

    public Henkilo(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }

    public String getNimi() {
        return nimi;
    }
}

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class Opiskelija extends Henkilo {
    List<String> kaynnissaOlevatKurssit;

    public Opiskelija(String nimi) {
        super(nimi);
        kaynnissaOlevatKurssit = new ArrayList<>();
    }

    void ilmoittauduKurssille(String kurssi) {
        kaynnissaOlevatKurssit.add(kurssi);
    }

    public void naytaKurssit() {
        String kaikkiKurssit = String.join(", ", kaynnissaOlevatKurssit);
        IO.println(this.getNimi() + " opiskelee kursseilla: " + kaikkiKurssit);
    }
}

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class Opettaja extends Henkilo {
    private List<String> opetettavatKurssit;

    public Opettaja(String nimi) {
        super(nimi);
        this.opetettavatKurssit = new ArrayList<>();
    }

    void lisaaKurssi(String kurssi) {
        opetettavatKurssit.add(kurssi);
    }

    void naytaOpetettavatKurssit() {
        String kurssit = String.join(", ", opetettavatKurssit);
        IO.println(this.getNimi() + " opettaa kursseja: " + kurssit);
    }
}

void main() {
    Opiskelija opiskelija = new Opiskelija("Olli Opiskelija");
    opiskelija.ilmoittauduKurssille("Ohjelmointi 2");
    opiskelija.naytaKurssit();

    Opettaja opettaja = new Opettaja("Maija Opettaja");
    opettaja.lisaaKurssi("Ohjelmointi 1");
    opettaja.lisaaKurssi("Ohjelmointi 2");
    opettaja.naytaOpetettavatKurssit();
}

Ei-parametrista muodostajaa emme tarvitse enää, joten jätämme sen toteuttamatta.

UML-kaavioihin on tapana lisätä perintäsuhteiden lisäksi tietoja luokkien attribuuteista ja metodeista sekä niiden näkyvyydestä. Attribuutit tyyppeineen merkitään luokan nimen alle, ja metodit, myös muodostajat, vastaavasti ihan alimmaiseksi. Perittyjä attribuutteja metodeja, kuten tässä attribuutti nimi ja metodi getNimi(), ei yleensä merkitä kaavioon, paitsi jos ne ylikirjoitetaan aliluokassa—tästä lisää Osassa 3.2. Vihreä pallo tarkoittaa, että kyseessä on julkinen (public) attribuutti/metodi, ja punainen neliö, että kyseessä on yksityinen attribuutti/metodi. Tietojen merkitseminen kaavioon mahdollistaa rakenteiden kuvailemisen ilman, että tarvitsee sanallisesti kuvailla kaikkia yksityiskohtia.

Luokkahierarkia voi olla enemmänkin kuin kaksi tasoa syvä. Meillä voisi olla myös Sihteeri, joka voi kirjata opintosuorituksia. Sihteeri peritään Henkilo-luokasta. Voisimme tehdä myös kahdenlaisia erilaisia opiskelijoita: Tutkinto-opiskelijoita sekä Avoimen yliopiston opiskelijoita. Tutkinto-opiskelijalla voisi olla oma tutkinto-ohjelma, kun taas Avoimen opiskelijalla ei ole tutkinto-ohjelmaa. Toisaalta Avoimen opiskelijan täytyisi suorittaa maksu ennen kuin hän voi saada opintopisteitä.

Luokkahierarkia näyttäisi nyt seuraavalta. Merkitään tähänkin kuvioon attribuutit ja metodit mukaan. Tekstit menevät jo aika pieneksi, joten saat halutessasi kuvan auki uuteen välilehteen klikkaamalla sitä oikealla (tai Ctrl+klikkaamalla macOS:ssa) ja avaamalla kuvan uuteen välilehteen.

Koska nuoli TutkintoOpiskelija-luokasta osoittaa Opiskelija-luokkaan ja sieltä edelleen Henkilo-luokkaan, niin TutkintoOpiskelija-luokasta muodostettu olio perii sekä Opiskelija-luokan ominaisuudet ja metodit, että Henkilo-luokan ominaisuudet ja metodit. Vastaavasti AvoinOpiskelija-luokasta tehty olio perii myös molemmat luokat.

Jätämme esimerkin tässä toteuttamatta, mutta voit halutessasi tutkia valmista koodia täällä.

Huomautetaan vielä, että yliluokan muodostajan kutsuminen super-avainsanalla kutsuu nimen omaan luokan välittömän yliluokan muodostajaa. Luokkarakenteessa "yli hyppiminen", tyyliin super().super() ei ole mahdollista. Niinpä TutkintoOpiskelija-luokan muodostajassa voi kutsua vain Opiskelija-luokan muodostajaa, ei Henkilo-luokan muodostajaa.

Metodit ja super-avainsana

super-avainsanaa voidaan käyttää kutsuttaessa yliluokasta perittyä metodia, kun halutaan eksplisiittisesti viitata yliluokan metodiin.

class Opiskelija extends Henkilo {

    // ...    
    public void naytaKurssit(){
        String kaikkiKurssit = String.join(", ", kaynnissaOlevatKurssit);
        // HIGHLIGHT_RED_BEGIN
        IO.println(this.getNimi() + " opiskelee kursseilla: " + kaikkiKurssit);
        // HIGHLIGHT_RED_END
        // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
        IO.println(super.getNimi() + " opiskelee kursseilla: " + kaikkiKurssit);
        // HIGHLIGHT_GREEN_END
    }
}

Tässä esimerkissä tällä ei ole mitään vaikutusta, koska getNimi() on sama sekä yliluokassa että aliluokassa. Seuraavassa osassa 3.2 Polymorfismi käsitellään tilannetta, jossa aliluokassa on määritelty saman niminen metodi kuin yliluokassa. Tällöin super-avainsanalla voidaan viitata nimenomaisesti yliluokan metodiin.

Huomautus moniperinnän puuttumisesta

Javassa luokka voi periä vain yhden luokan. Joissain muissa ohjelmointikielissä, kuten C++:ssa, on mahdollista käyttää moniperintää (engl. multiple inheritance), jossa luokka voi periä useamman kuin yhden luokan. Emme tässä mene syvemmälle moniperinnän käsitteeseen, mutta mainittakoon, moniperinnän käyttö voi joissain tilanteissa olla ongelmallista (esim. Timanttiongelma).

Usein kirjallisuudessa mainitaan, että Javassa moniperintää muistuttaa hieman rajapinnan käsite (engl. interface). Kysymys on kuitenkin monin tavoin eri asiasta. Rajapintoja käsitellään osassa 4 (TODO: linkki kuntoon)

Tehtävät

Kutsutaan perittyjä metodeja:
Talvitakki Dulce & Käppänä: 120.0 €
Ruisleipä Reissurähjä: 2.5 €
Tietokone HighPower: 899.0 €

----------------------------

Kutsutaan omia metodeja:
Testi 1: Sovitetaan M-kokoista käyttäjää:
Sovitetaan vaatetta Talvitakki Dulce & Käppänä...
Ei välttämättä sopivin koko. Sinä olet kokoa M, mutta tämä vaate on L.

Testi 2: Sovitetaan L-kokoista käyttäjää:
Sovitetaan vaatetta Talvitakki Dulce & Käppänä...
Mahtavaa! Koko L istuu sinulle täydellisesti!

Syödään Ruisleipä Reissurähjä.
Parasta ennen oli 20.12.2024, toivottavasti on hyvää.

Takuuta jäljellä: 19 kk.

pHone: 999.99 €
Takuuta puhelimessa jäljellä: 19 kk
Käyttöjärjestelmä: Orange
Yhteystyyppi: 4G
Soitetaan käyttöjärjestelmästä Orange(4G) numeroon 0401122330

Hernepussi: 0.99 €
Sulatit pakastetta Hernepussi 10 minuuttia. Säilytyssuositus on -18 astetta C.
Syödään Hernepussi.
Parasta ennen oli 31.5.2026, toivottavasti on hyvää.

Polymorfismi

Polymorfismi viittaa olio-ohjelmoinnissa kykyyn käsitellä erilaisia olioita yhtenäisellä tavalla. Kun metodia kutsutaan, päätös siitä, mikä metodi tosiasiallisesti suoritetaan, tehdään ajon aikana olion todellisen tyypin perusteella. Polymorfismi mahdollistaa joustavan koodin kirjoittamisen, jossa uusia olioita voidaan lisätä ilman, että olemassa olevaa koodia tarvitsee muuttaa.

Polymorfismi jaetaan yleensä kahteen päätyyppiin: (1) käännösaikaiseen polymorfismiin, jota kutsutaan myös staattiseksi sidonnaksi (engl. static binding) ja (2) ajon aikaiseen polymorfismiin. Käännösaikaisella polymorfismilla tarkoitetaan Javassa aliohjelman kuormitusta (engl. method overloading). Asiaa on käsitelty Ohjelmointi 1 -kurssilla, emmekä sitä tässä käsittele tarkemmin, mutta lyhyesti: aliohjelman kuormitus tarkoittaa sitä, että aliohjelmalla voi olla useita samannimisiä toteutuksia, jotka eroavat toisistaan parametrien lukumäärän, parametrien tyyppien tai aliohjelman paluuarvon perusteella. Lue lisää Ohjelmointi 1 -kurssin materiaalista. (TODO: Linkki)

Tämä kaikki saattaa kuulostaa hitusen abstraktilta, joten otetaanpa konkreettinen esimerkki!

Metodin korvaaminen ja dynaaminen sidonta

Kuvitellaan tilanne, jossa ohjelmassa on erilaisia soittimia: Kitara, Piano ja Rumpusetti. Haluamme, että soittimia voi soittaa. Yksi mahdollisuus olisi kirjoittaa jokaiselle soittimelle oma metodi soittamista varten, kuten:

Kitara kitara = new Kitara();
kitara.soitaKitaraa();
Piano piano = new Piano();
piano.soitaPianoa();
Rumpusetti rumpusetti = new Rumpusetti();
rumpusetti.soitaRumpuja();

Tämä lähestymistapa ei ole laajennettavissa. Jos yrittäisimme käsitellä soittimia yhtenäisenä joukkona, esimerkiksi listana, joutuisimme tekemään hankalia ja virheherkkiä tyyppitarkastuksia vain saadaksemme selville, mitä soittometodia kutsua. Ratkaisu tähän on löytää yhteinen nimittäjä kaikille soittimille. Sekä kitara että piano ovat loppujen lopuksi Soittimia. Luodaan yliluokka Soitin, joka sisältää toiminnon, jonka jokaisen soittimen pitäisi pystyä tekemään: soita().

public class Soitin {
    // Kaikilla soittimilla on soita()-metodi
    public void soita() {
        IO.println("Tuntematon soitin soi."); // Oletusarvoinen toteutus
    }
}

Nyt voimme määritellä Kitara- ja Piano-luokat perimään Soitin-luokan.

public class Kitara extends Soitin {
    // ...
}
public class Piano extends Soitin {
    // ...
}

Nyt meillä on kyllä yhtenäinen tapa kutsumista varten, mutta jos kutsuisimme nyt Kitara- tai Piano-olion soita()-metodia, ne molemmat suorittaisivat yliluokan (Soitin) oletustoteutuksen: "Tuntematon soitin soi." Tämä ei riitä! Haluamme, että kukin soitin soi itselleen ominaisella tavalla. Tätä varten aliluokassa voidaan korvata (engl. override) yliluokan soita()-metodi omalla, spesifillä toteutuksellaan.

public class Kitara extends Soitin {
    // Korvataan yliluokan Soitin.soita()
    @Override
    public void soita() {
        IO.println("Kitara soi ja kieliä näppäillään.");
    }
}

public class Piano extends Soitin {
    // Korvataan yliluokan Soitin.soita()
    @Override
    public void soita() {
        IO.println("Piano soi ja koskettimia painellaan.");
    }
}

Perintä antoi meille yhteisen tyypin (Soitin). Metodin korvaaminen antoi meille mahdollisuuden toteuttaa toiminto olioittain. Nyt nämä kaksi mekanismia yhdessä mahdollistavat polymorfismin (nk. monimuotoisuuden). Kun kutsumme metodia yliluokan tyyppiä käyttäen, ohjelma valitsee automaattisesti oikean, korvatun metodin sen perusteella, mikä on olion todellinen tyyppi suoritusajankohdalla.

Tämä mahdollistaa yhtenäisen käsittelyn, jota lähdimme hakemaan:

void main() {
    ArrayList<Soitin> orkesteri = new ArrayList<>();
    orkesteri.add(new Kitara());
    orkesteri.add(new Piano());
    // Rumpusetti voitaisiin toteuttaa samoin
    // orkesteri.add(new Rumpusetti()); 

    // Kutsumme kaikille samaa soita()-metodia...
    for (Soitin soitin : orkesteri) {
        soitin.soita(); 
    }
}

public class Soitin {
    // Kaikilla soittimilla on soita()-metodi
    public void soita() {
        IO.println("Tuntematon soitin soi."); // Oletusarvoinen toteutus
    }
}

public class Kitara extends Soitin {
    // Korvataan yliluokan Soitin.soita()
    @Override
    public void soita() {
        IO.println("Kitara soi ja kieliä näppäillään.");
    }
}

public class Piano extends Soitin {
    // Korvataan yliluokan Soitin.soita()
    @Override
    public void soita() {
        IO.println("Piano soi ja koskettimia painellaan.");
    }
}

TODO: Lisää tähän väliin UML-kaavio.

is-a-suhde

Perintäsuhteesta käytetään myös englanninkielistä termiä is-a-suhde. Voimmekin sanoa, Piano on Soitin ja Kitara on Soitin -- nimen omaan näin päin.

Palataan vielä hetkeksi edelliseen opintotietojärjestelmä-esimerkkiimme, siinäkin voimme sanoa että Opiskelija on Henkilo, Opettaja on Henkilo ja Sihteeri on Henkilo. Edelleen, myös TutkintoOpiskelija on Henkilo, koska se perii Opiskelija-luokan, joka puolestaan perii Henkilo-luokan.

Kuten edellä opimme, polymorfismin ansiosta voimme käsitellä Opiskelija, Opettaja ja Sihteeri-olioita koodissamme Henkilo-luokan olioina. Lisätään kaikki tekemämme oliot Henkilo-taulukkoon:

Opiskelija opiskelija = new Opiskelija();
Opettaja opettaja = new Opettaja();
Sihteeri sihteeri = new Sihteeri();

Henkilo[] henkilot = {opiskelija, opettaja, sihteeri};

Jotta esimerkkimme olisi hieman mielekkäämpi, lisätään Henkilo-luokkaan vielä metodit kirjaudu() ja kirjauduUlos(). Kaikki Henkilo-luokan perivät luokat perivät myös nämä metodit.

class Henkilo {
    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    private boolean kirjautunut;
    // HIGHLIGHT_GREEN_END

    public Henkilo(String nimi) {
        // ...
        // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
        this.kirjautunut = false;
        // HIGHLIGHT_GREEN_END
        // ..
    }

    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    void kirjaudu() {
        this.kirjautunut = true;
        IO.println(this.getNimi() + " kirjautui sisään.");
    }
    void kirjauduUlos() {
        this.kirjautunut = false;
        IO.println(this.getNimi() + " kirjautui ulos.");
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_END
}

Voimme nyt kutsua vaikkapa kirjauduUlos()-metodia kaikille henkilot-taulukon olioille ilman, että meidän tarvitsee tietää tarkasti, minkä tyyppisiä olioita taulukossa on:

for (Henkilo henkilo : henkilot) {
    henkilo.kirjauduUlos();
}

Huomionarvoista on is-a-suhteen suunta; Opettaja ei ole Sihteeri, vaikkakin molemmat perivät Henkilo-luokan.

Lisätään yllä olevaan Opiskelija-esimerkkimme attribuutti boolean opintoOikeusVoimassa, joka ilmaisee, onko opiskelijalla voimassa oleva opinto-oikeus. Jos opinto-oikeus ei ole voimassa, opiskelija ei voi kirjautua järjestelmään. Korvataan kirjaudu()-metodi Opiskelija-luokassa tarkistamaan tämä ehto ennen kirjautumista.

class Opiskelija extends Henkilo {

    // ...

    boolean opintoOikeusVoimassa;

    @Override
    void kirjaudu() {
        if (opintoOikeusVoimassa) {
            super.kirjaudu(); // Kutsutaan yliluokan kirjaudu-metodia
        } else {
            IO.println("Opinto-oikeus ei ole voimassa. Et voi kirjautua.");
        }
    }
}

Muissa Henkilo-luokan aliluokissa, kuten Opettaja ja Sihteeri, kirjaudu()-metodi toimii edelleen alkuperäisellä tavalla, koska niitä ei ole korvattu.

Metodin korvaamiseen liittyy pari sääntöä:

• Korvaaminen koskee aina hierarkiassa lähintä yliluokan metodia.
• Kun aliluokan olion metodia kutsutaan, kutsu viittaa aina hierarkiassa lähimpään korvattuun versioon.

Alla oleva koodi havainnollistaa korvaamista ja kutsujen välittymistä luokkahierarkiassa.

public class KokeillaanKorvaamista {  
  public static void main(String args[]) {  
    C c = new C();  
    c.hei();    // Kutsuu A-luokan hei()-metodia
    c.moikka(); // Kutsuu B-luokan moikka()-metodia
    c.huhhuh(); // Kutsuu C-luokan huhhuh()-metodia
  }  
}  

class A {  
    public void hei() { IO.println("A-olio sanoo hei."); }  
    public void moikka() { IO.println("A-olio sanoo moikka."); }  
    public void huhhuh() { IO.println("A-olio sanoo huh huh!!."); }  
}  

class B extends A {  
    @Override
    public void moikka() { IO.println("B-olio huutaa moikka!"); }  
    @Override
    public void huhhuh() { IO.println("B-olio huutaa huh huh!!"); }  
}  

class C extends B {  
    @Override
    public void huhhuh() { IO.println("C-olio huhuilee...."); }  
}  

Tämän esimerkin UML-kaavio näyttäisi seuraavalta.

Esimerkki: Muoto-luokka

Otetaan vielä yksi esimerkki. Tarkastellaan Muoto-luokkaa, jolla on metodi laskeAla().

public class Muoto {
    public double laskeAla() {
        return 0.0;
    }
}

Huomaamme, että laskeAla()-metodin toteutus on vähän hassu. Tämä johtuu siitä, että ei ole oikeastaan mitään ns. yleistä muotoa, vaan Muoto-luokan edustajan tulee aina olla jokin konkreettinen muoto, kuten suorakulmio tai ympyrä, joilla on omat tavat laskea pinta-ala. Kuten jo Soitin-esimerkissä mainitsimme, palaamme tähän dilemmaan osassa 3.3 Abstraktit luokat.

Tehdään nyt aliluokat Suorakulmio ja Ympyra. Koska näiden muotojen pinta-alat ovat luonnollisesti keskenään erilaisia, tulee kummallakin olla oma toteutus laskeAla()-metodille.

public class Suorakulmio extends Muoto {
    private double leveys;
    private double korkeus;

    public Suorakulmio(double leveys, double korkeus) {
        this.leveys = leveys;
        this.korkeus = korkeus;
    }

    @Override
    public double laskeAla() {
        return leveys * korkeus;
    }
}

public class Ympyra extends Muoto {
    private double sade;

    public Ympyra(double sade) {
        this.sade = sade;
    }

    @Override
    public double laskeAla() {
        return Math.PI * sade * sade;
    }
}

Nyt voimme kirjoittaa koodia, joka käsittelee Muoto-olioita ilman, että tarvitsee tietää, onko kyseessä Suorakulmio vai Ympyra.

public class Main {
    public static void main()
    {
        Muoto muoto1 = new Ympyra(5);
        Muoto muoto2 = new Suorakulmio(5, 7);

        IO.println(muoto1.laskeAla());
        IO.println(muoto2.laskeAla());
    }
}

public class Muoto {
    public double laskeAla() {
        return 0.0;
    }
}

public class Suorakulmio extends Muoto {
    private double leveys;
    private double korkeus;

    public Suorakulmio(double leveys, double korkeus) {
        this.leveys = leveys;
        this.korkeus = korkeus;
    }

    @Override
    public double laskeAla() {
        return leveys * korkeus;
    }
}

public class Ympyra extends Muoto {
    private double sade;

    public Ympyra(double sade) {
        this.sade = sade;
    }

    @Override
    public double laskeAla() {
        return Math.PI * sade * sade;
    }
}

Miksi polymorfismia tarvitaan?

Polymorfismi mahdollistaa monin tavoin joustavan ja laajennettavan koodin kirjoittamisen. Olio-ohjelmoinnissa polymorfismia tarvitaan erityisesti siksi, että sen avulla voimme tarjota yhtenäisen tavan käsitellä keskenään hyvinkin erilaisia olioita.

Kun useat luokat perivät saman yliluokan (tai toteuttavat saman rajapinnan; paneudumme rajapintoihin osassa 4.1 Rajapinta), ne voidaan käsitellä yhden yhteisen tyypin kautta. Tämä mahdollistaa sen, että ohjelma voi käsitellä joukkoa erilaisia olioita kuten:

• kaikkia soittimia (Soitin), kuten kitarat, pianot ja rummut
• kaikkia ajoneuvoja (Ajoneuvo), vaikka ne olisivatkin erilaisia, kuten autoja, polkupyöriä ja lentokoneita
• kaikkia eläimiä (Elain), kuten koiria, kissoja ja lintuja
• kaikkia graafiseen käyttöliittymään piirrettäviä komponentteja (Piirrettava), kuten painikkeita, tekstikenttiä ja kuvia
• kaikkia maksutapoja (Maksutapa), kuten luottokortti, PayPal ja käteinen

Javassa on mahdollista kiertää yhtenäistä käsittelyä tutkimalla instanceof-operaattorin avulla, onko olio tietyn luokan ilmentymä. Esimerkiksi:

if (soitin instanceof Kitara) {
    ((Kitara) soitin).soitaKitaraa();
} else if (soitin instanceof Piano) {
    ((Piano) soitin).soitaPianoa();
}

Tällä kurssilla vältämme instanceof-operaattoria, ellei siihen erikseen ohjeisteta. On nimittäin niin, että instanceof-operaattorin käyttö tarkoittaa varsin usein sitä, ettei perintää ja polymorfismia ole hyödynnetty optimaalisella tavalla, josta seuraa yllä olevan esimerkin mukainen ehtolause-hässäkkä. Tällöin menetetään olio-ohjelmoinnin keskeinen etu, eli se, että olioiden erilaiset toteutukset voidaan piilottaa niiden käyttäjiltä.

instanceof-operaattorin käyttö voi olla oikeutettua joissain erityistilanteissa, kuten

• kun emme hallitse olemassa olevaa luokkahierarkiaa,
• kun koodi toimii rajalla, kuten parsittaessa tietoa ulkoisesta lähteestä, integroiduttaessa toiseen järjestelmään tai työskenneltäessä reflektiolla, tai
• jos vaihtoehto olisi huonompi, kuten monimutkaisen luokkahierarkian tai toisteisen koodin kirjoittaminen.

interface Viesti { }

// Konkreettiset viestityypit (ulkoisesta kirjastosta)
class TekstiViesti implements Viesti {
    String teksti;
}

class KuvaViesti implements Viesti {
    byte[] data;
}

void kasittele(Viesti v) {
    if (v instanceof TekstiViesti t) {
        IO.println("Teksti: " + t.teksti);
    } else if (v instanceof KuvaViesti k) {
        IO.println("Kuvan koko: " + k.data.length);
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Tuntematon viestityyppi");
    }
}

Object-luokan metodien korvaaminen

Javassa kaikilla luokilla on yhteinen yliluokka nimeltä Object. Tämä tarkoittaa, että kaikki luokat perivät automaattisesti Object-luokan ominaisuudet ja metodit, ellei toisin määritellä. Object-luokassa on useita hyödyllisiä metodeja, joita voidaan korvata aliluokissa.

Object-luokasta löytyy esimerkiksi toString()-metodi, joka tarjoaa olion merkkijonoesityksen. Oletusarvoisesti metodi palauttaa olion luokan nimen ja sen hajautusarvon, mikä ei välttämättä ole kovin informatiivista. Voimme korvata tämän metodin omassa luokassamme, jotta se palauttaa juuri meidän tarpeisiimme sopivan merkkijonoesityksen.

Tehdään vaikkapa Vektori3D-luokka, joka edustaa kolmiulotteista vektoria. Tehdään pääohjelmassa muutama Vektori3D-olio ja tulostetaan niiden arvot.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Vektori3D v1 = new Vektori3D(1.0, 2.0, 3.0);
        Vektori3D v2 = new Vektori3D(4.0, 5.0, 6.0);
        IO.println("Vektori 1: (" + v1.getX() + ", " + v1.getY() + ", " + v1.getZ() + ")");
        IO.println("Vektori 2: (" + v2.getX() + ", " + v2.getY() + ", " + v2.getZ() + ")");
    }
}

class Vektori3D {
    private double x;
    private double y;
    private double z;
    public Vektori3D(double x, double y, double z) {
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.z = z;
    }
    public double getX() {
        return x;
    }
    public double getY() {
        return y;
    }
    public double getZ() {
        return z;
    }
}

Vaikka tulostaminen kyllä toimii, olisi varsin mukavaa, jos voisimme yksinkertaisesti kirjoittaa IO.println("Vektori 1: " + v1); ilman, että meidän tarvitsee erikseen hakea koordinaatteja ja yhdistellä String-olioita toisiinsa. Tätä varten voimme korvata toString()-metodin Vektori3D-luokassa.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Vektori3D v1 = new Vektori3D(1.0, 2.0, 3.0);
        Vektori3D v2 = new Vektori3D(4.0, 5.0, 6.0);
        IO.println("Vektori 1: " + v1);
        IO.println("Vektori 2: " + v2);
    }
}

class Vektori3D {
    private double x;
    private double y;
    private double z;
    public Vektori3D(double x, double y, double z) {
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.z = z;
    }
    public double getX() {
        return x;
    }
    public double getY() {
        return y;
    }
    public double getZ() {
        return z;
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    @Override    
    public String toString() {
        return "(" + x + ", " + y + ", " + z + ")";
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_END
}

Pääohjelma näyttää nyt huomattavasti siistimmältä.

Tutki omatoimisesti muita Object-luokan metodeja Javan dokumentaatiosta.

Perimisen tai korvaamisen estäminen (final-avainsana)

Luokan periminen tai metodin korvaaminen voidaan estää käyttämällä final-avainsanaa. Kun luokka on merkitty final-avainsanalla, sitä ei voi periä. Vastaavasti, kun metodi on merkitty final-avainsanalla, sitä ei voi korvata aliluokassa.

Ehkä hieman hämäävästi final-avainsanaa voidaan käyttää myös muuttujien yhteydessä, jolloin se tarkoittaa, että muuttujan arvoa ei voi muuttaa sen alustamisen jälkeen. Tällä ei ole kuitenkaan tekemistä perinnän kanssa.

Tehtävät

Tietokone HighPower: 899.0 €
Takuuta laitteessa alunperin: 24 kk

Aifoun42: 888.0 €
Takuuta laitteessa alunperin: 37 kk
Käyttöjärjestelmä: AiOS
Yhteystyyppi: 5G

----------------------------

--- UUSI KAUPAN TUOTE ---
Light Bulb: 67000.0 €
Takuuta laitteessa alunperin: 73 kk
Akun kunto: 100.00
Toimintasäde: 404.00 km

--- KÄYTTÖÖNOTTO JA LATAUS ---
Ladataan autoa Light Bulb...
Ladataan autoa Light Bulb...
Ladataan autoa Light Bulb...
Ladataan autoa Light Bulb...
Ladataan autoa Light Bulb...

--- TILANNE LATAUSTEN JÄLKEEN ---
Light Bulb: 67000.0 €
Takuuta laitteessa alunperin: 73 kk
Akun kunto: 99.50
Toimintasäde: 401.98 km

Abstrakti luokka

Suunnitellessamme ali- ja yliluokkasuhteita voi tulla tilanne, että olisi hyödyllistä tehdä yhteistä toiminnallisuutta määrittävä yliluokka, josta itsestään ei kuitenkaan ole mielekästä luoda ilmentymiä eli olioita.

Ajatellaan vaikkapa tuolia. Vaikka sana tuoli varmasti herättää meissä mielikuvan jostain tietynlaisesta tuolista, niin todellisuudessa tuoleja on monenlaisia: on puutuoleja, keinutuoleja, työtuoleja ja niin edelleen. Jokainen näistä tuolityypeistä on omanlainen ja hieman erilainen. Voidaan argumentoida, että tuoli-käsite itsessään on abstraktio. Tuolihan on oikeastaan vain asia, joka mahdollistaa istumisen. Tarvitaan aina jokin erikoistava käsite, kuten työtuoli, joka todella kuvaa millaisesta konkreettisesta tuolista on kysymys, ja jollaisia lopulta voidaan valmistaa tuotantolinjalla.

Otetaan toinen esimerkki, joka on ehkä jo hieman lähempänä oikeaa koodia. Jatketaan edellisessä osassa esitettyä Muoto-esimerkkiä. Voisimme periaatteessa luoda Muoto-luokan ilmentymän ja kutsua sen laskeAla()-metodia.

Muoto muoto = new Muoto();
double ala = muoto.laskeAla();
IO.println("Muodon ala on " + ala); // 0.0

Tässä ei kuitenkaan ole mitään järkeä. Muoto-olio ei edusta mitään konkreettista muotoa, vaan se on vain yleinen käsite, josta konkreettiset muodot, kuten Ympyrä ja Suorakulmio, periytyvät. Tämä on ilmeistä viimeistään siinä vaiheessa, kun yritämme tulostaa tämän yleisen muodon pinta-alaa. Näin ollen Muoto-luokka on tarkoitettu vain perittäväksi, eikä siitä ole mielekästä luoda ilmentymiä. Muutetaan Muoto-luokka abstraktiksi luokaksi, ja muutetaan myös laskeAla()-metodi abstraktiksi metodiksi.

public abstract class Muoto {
    public abstract double laskeAla();
}

Tämän jälkeen Muoto-luokasta ei voi enää luoda ilmentymiä.

Muoto muoto = new Muoto(); 

java: Muoto is abstract; cannot be instantiated

Abstrakti luokka (engl. abstract class) on luokka, jonka avulla tällainen käsitteen piirre voidaan tehdä selväksi koodin tasolla luokkahierarkiassa. Abstraktista luokasta ei voi luoda suoria ilmentymiä, vaan se toimii ainoastaan pohjana muille luokille, jotka perivät sen. Abstrakti luokka voi sisältää sekä abstrakteja metodeja (ts. joilla ei ole toteutusta), että konkreettisia metodeja (ts. joilla on toteutus). Perivän luokan tulee sitten toteuttaa nuo abstraktit metodit, ellei perivä luokka ole myös abstrakti.

Esimerkki: Älykoti

Älykodissa voisi olla monenlaisia laitteita, kuten valoja, turvakamera sekä tietysti älykahvinkeitin. Sovitaan, että kaikilla laitteilla olisi toiminto vaihdaTilaa(), joka suorittaa laitteen päätoiminnon (esim. valot syttyvät tai sammuvat, kamera aloittaa tai päättää videon tallennuksen, kahvinkeitin aloittaa tai lopettaa kahvin keittämisen). Kukin laite voisi myös raportoida oman tilansa raportoiTila()-metodilla.

Lähdemme aluksi liikkeelle yksinkertaisesta esimerkistä, jossa voi vain vaihtaa laitteen tilaa kahden mahdollisen tilan välillä. Palaamme monimutkaisempiin säätömahdollisuuksiin myöhemmin.

Luokkakaaviomme voisi näyttää seuraavanlaiselta.

public class Main {
    public static void main() {
        Laite[] laitteet = {
            new Valo(),
            new Turvakamera(),
            new Kahvinkeitin()
        };

        for (Laite laite : laitteet) {
            laite.vaihdaTilaa();
            laite.raportoiTila();
        }
    }
}

public class Laite {
    public void vaihdaTilaa() {
    }

    public void raportoiTila() {
    }
}

public class Valo extends Laite {
    private int kirkkaus = 0;

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        switch (kirkkaus) {
            case 0 -> kirkkaus = 50;
            case 50 -> kirkkaus = 100;
            case 100 -> kirkkaus = 0;
        }
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        IO.println("Valon kirkkaus on " + kirkkaus + "%.");
    }
}

public class Turvakamera extends Laite {
    private boolean tallennusPaalla = false;

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Kytke tallennus päälle/pois
        tallennusPaalla = !tallennusPaalla;
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        String tila = tallennusPaalla ? "päällä" : "pois";
        IO.println("Turvakameran tallennus on " + tila + ".");
    }
}

public class Kahvinkeitin extends Laite {

    private boolean kiehumassa = false;

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Keitä kahvia tai kytke keitin pois päältä
        kiehumassa = !kiehumassa;
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        String tila = kiehumassa ? "päällä" : "pois";
        IO.println("Kahvinkeittimen pannu on " + tila + ".");
    }
}

Jos katsotaan Laite-luokkaa, huomataan, että sen metodit vaihdaTilaa() ja raportoiTila() eivät tee mitään. Teoriassa voisimme luoda myös Laite-luokasta ilmentymän ja kutsua sen metodeja:

Laite laite = new Laite();
laite.vaihdaTilaa(); // Ei tee mitään
laite.raportoiTila(); // Ei tee mitään

Kuten nähdään, mitään ei tapahdu näitä metodeja kutsuttaessa, ja sikäli Laite-luokasta tehdyt oliot ovat tavallaan hyödyttömiä. Ei ole oikeastaan järkevää, että olisi olemassa jokin "yleinen laite", ilman, että tiedetään tarkemmin, minkä tyyppisestä laitteesta on kyse. Näin ollen Laite-luokka on oikeastaan tarkoitettu vain perittäväksi.

Muutetaan Laite-luokka abstraktiksi luokaksi. Koska myös metodit on tarkoitettu toteutettavaksi perivissä luokissa, määritellään myös metodit abstrakteiksi. Kaikkien perivien luokkein on toteutettava nämä metodit, kuten ne esimerkissämme jo tekevätkin.

public class Main {
    public static void main() {
        Laite[] laitteet = {
            new Valo(),
            new Turvakamera(),
            new Kahvinkeitin()
        };

        for (Laite laite : laitteet) {
            laite.vaihdaTilaa();
            laite.raportoiTila();
        }
    }
}

public abstract class Laite {
    public abstract void vaihdaTilaa();
    public abstract void raportoiTila();
}

public class Valo extends Laite {
    private int kirkkaus = 0;

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Vaihda kirkkaus 0 -> 50 -> 100 -> 0 ...
        switch (kirkkaus) {
            case 0 -> kirkkaus = 50;
            case 50 -> kirkkaus = 100;
            case 100 -> kirkkaus = 0;
        }
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        IO.println("Valon kirkkaus on " + kirkkaus + "%.");
    }
}

public class Turvakamera extends Laite {
    private boolean tallennusPaalla = false;

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Kytke tallennus päälle/pois
        tallennusPaalla = !tallennusPaalla;
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        String tila = tallennusPaalla ? "päällä" : "pois";
        IO.println("Turvakameran tallennus on " + tila + ".");
    }
}

public class Kahvinkeitin extends Laite {

    private boolean kiehumassa = false;

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Keitä kahvia tai kytke keitin pois päältä
        kiehumassa = !kiehumassa;
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        String tila = kiehumassa ? "päällä" : "pois";
        IO.println("Kahvinkeittimen pannu on " + tila + ".");
    }
}

Vastaavasti kuin aiemmassa Muoto-esimerkissä, nyt Laite-luokasta ei voi enää luoda ilmentymiä.

Laite laite = new Laite(); 

java: Laite is abstract; cannot be instantiated

Luokkakaaviona kuvio näyttää samalta kuin ennen, mutta nyt Laite-luokka on merkitty abstraktiksi luokaksi A-kirjaimella, ja sen metodit on merkitty abstrakteiksi metodeiksi. UML-notaatiossa abstrakti luokka ja abstraktit metodit merkitään kursiivilla.

Abstraktin luokan "vastakohtana" voidaan pitää konkreettista luokkaa, josta voi luoda ilmentymiä. Esimerkiksi Valo, Turvakamera ja Kahvinkeitin ovat konkreettisia luokkia, koska niistä voi luoda ilmentymiä.

Miksi abstrakti luokka on hyödyllinen?

Abstrakti luokka ei ole vain kielto tehdä luokasta ilmentymiä. Sen ensisijainen tarkoitus on

• määritellä yhteinen sopimus siitä, mitä metodeja kaikkien aliluokkien pitää tarjota, ja
• tarjota yhteisiä ominaisuuksia ja tarvittaessa myös toteutuksia, jotta aliluokat keskittyvät vain olennaiseen.

Kun Laite on abstrakti, voimme lisätä sille attribuutteja ja metodien valmiita toteutuksia, joita kaikki aliluokat käyttävät.

Lisätään Laite-luokkaan attribuutti nimi, joka kertoo laitteen nimen, sekä attribuutti kytketty, joka kertoo, onko laite päällä vai pois päältä. Sellainen attribuutti on hyödyllinen kaikille laitteille, joten se sopii hyvin abstraktiin luokkaan.

public abstract class Laite {

    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    private String nimi;
    private boolean kytketty;
    // HIGHLIGHT_GREEN_END

    public abstract void vaihdaTilaa();
    public abstract void raportoiTila();
}

Jos kyse olisi verkkolaitteesta, hyödyllisiä tai jopa pakollisia attribuutteja voisivat olla muun muassa MAC-osoite ja IP-osoite. Pidämme kuitenkin tämän esimerkin yksinkertaisena, joten tyydymme tässä vain nimeen ja kytketty-tilan seuraamiseen.

Lisätään myös metodit kytkePaalle() ja kytkePois(), jotka sisältävät yleisen logiikan laitteen käynnistämiseen ja sammuttamiseen, jota kaikki laitteet voivat noudattavat.

public abstract class Laite {
    private String nimi;
    private boolean kytketty;


    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    protected Laite(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
        this.kytketty = false; // oletus
    }

    public void kytkePaalle() {
        if (!kytketty) {
            kytketty = true;
            IO.println(nimi + " käynnistyy.");
        }
    }

    public void kytkePois() {
        if (kytketty) {
            kytketty = false;
            IO.println(nimi + " sammuu.");
        }
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_END

    public abstract void vaihdaTilaa();
    public abstract void raportoiTila();
}

Huomaa, että koska päätimme, että joka laitteella on oltava nimi, siitä seuraa, että nimi on asetettava muodostajan parametrin kautta. Tämän seurauksena emme voi enää luoda ilmentymiä ei-parametrisen muodostajan avulla.

Valo valo = new Valo();

Valo.java
java: constructor Laite in class Laite cannot be applied to given types;
  required: java.lang.String
  found:    no arguments
  reason: actual and formal argument lists differ in length

Muodostajan kutsuminen vaatii nyt nimen välittämisen, esimerkiksi new Valo("PhilipsHue"). Niinpä kussakin aliluokan muodostajassa on kutsuttava yliluokan muodostajaa. Tehdään tämä muutos kaikkiin aliluokkiin.

public class Main {
    public static void main() {
        Laite[] laitteet = {
                new Valo("PhilipsHue"),
                new Kahvinkeitin("Moccamaster"),
                new Turvakamera("Reolink")
        };

        for (Laite laite : laitteet) {
            laite.kytkePaalle();
            laite.vaihdaTilaa();
            laite.raportoiTila();
            laite.kytkePois();
        }
    }
}

public abstract class Laite {
    private String nimi;
    private boolean kytketty;

    protected Laite(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }

    public void kytkePaalle() {
        if (!kytketty) {
            kytketty = true;
            IO.println(nimi + " käynnistyy.");
        }
    }

    public void kytkePois() {
        if (kytketty) {
            kytketty = false;
            IO.println(nimi + " sammuu.");
        }
    }

    public abstract void vaihdaTilaa();
    public abstract void raportoiTila();
}

public class Valo extends Laite {
    private int kirkkaus = 0;

    public Valo(String nimi)
    {
        super(nimi);
    }

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Vaihda kirkkaus 0 -> 50 -> 100 -> 0 ...
        switch (kirkkaus) {
            case 0 -> kirkkaus = 50;
            case 50 -> kirkkaus = 100;
            case 100 -> kirkkaus = 0;
        }
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        IO.println("Valon kirkkaus on " + kirkkaus + "%.");
    }
}

public class Turvakamera extends Laite {
    private boolean tallennusPaalla = false;

    public Turvakamera(String nimi)
    {
        super(nimi);
    }

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Kytke tallennus päälle/pois
        tallennusPaalla = !tallennusPaalla;
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        String tila = tallennusPaalla ? "päällä" : "pois";
        IO.println("Turvakameran tallennus on " + tila + ".");
    }
}

public class Kahvinkeitin extends Laite {
    private boolean kiehumassa = false;

    public Kahvinkeitin(String nimi)
    {
        super(nimi);
    }

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Keitä kahvia tai kytke keitin pois päältä
        kiehumassa = !kiehumassa;
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        String tila = kiehumassa ? "päällä" : "pois";
        IO.println("Kahvinkeittimen pannu on " + tila + ".");
    }
}

Aliluokat perivät nyt päälle- ja pois-kytkemislogiikan sellaisenaan, mutta niiden on pakko toteuttaa laitteen omat, oliokohtaiset toiminnallisuudet. Tämä luo tasapainoa joustavuuden ja pakollisen rakenteen välille: Tilan vaihtaminen ja tilan raportointi ovat pakollisia, mutta niiden toteutus on vapaa. Toisaalta laitteen käynnistys- ja sammutuslogiikka on yhteinen kaikille laitteille.

Abstraktin luokan metodien näkyvyys

Abstraktin luokan metodien näkyvyys määritellään samojen periaatteiden mukaan kuin muidenkin metodien. Abstraktit metodit määritellään joko public- tai protected-metodeina, jotta aliluokat voivat toteuttaa ne. Jos metodia kutsuu koodi, joka luo olion, metodin tulee olla public. Jos metodia kutsutaan vain perivästä luokasta, riittää että metodi on protected. On kuitenkin huomattava, että aliluokan toteuttaman metodin näkyvyys ei voi olla rajoittavampi kuin abstraktin metodin näkyvyys. Esimerkiksi public-abstraktia metodia ei voi toteuttaa protected-metodina aliluokassa.

Konkreettiset metodit voivat olla myös private: tällöin kyseessä on vain abstraktin luokan sisäinen apumetodi, jota aliluokat eivät näe.

Abstraktia metodia ei voi määritellä private-määreellä.

Operaatiorunko-malli

Abstraktissa luokassa voi olla myös konkreettinen metodi, jonka toteutuksessa kutsutaan abstraktia metodia. Tällaista toteutusta kutsutaan ohjelmistosuunnittelussa operaatiorunko-suunnittelumalliksi. Abstrakti luokka määrittelee toimenpiteelle "kaavan", mutta delegoi osan vaiheista aliluokkien toteutettavaksi.

Jo aiemmin toteutetut osat on piilotettu koodista. Saat ne esiin klikkaamalla silmä-kuvaketta koodialueen oikeasta yläreunasta.

public abstract class Laite {
    private String nimi;
    private boolean kytketty;

    protected Laite(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }

    public final void suoritaPaivitys() {
        kytkePaalle();
        valmistelePaivitys(); // Abstrakti askel, jonka aliluokka toteuttaa
        paivitys();
        kytkePois();
    }

    protected abstract void valmistelePaivitys();

    private void paivitys() {
        IO.println("Haetaan uusin päivitys verkosta...");
        IO.println("Laite päivitetään...");
    }

    public void kytkePaalle() {
        if (!kytketty) {
            kytketty = true;
            IO.println(nimi + " käynnistyy.");
        }
    }

    public void kytkePois() {
        if (kytketty) {
            kytketty = false;
            IO.println(nimi + " sammuu.");
        }
    }

    public abstract void vaihdaTilaa();
    public abstract void raportoiTila();
}

public class Valo extends Laite {
    private int kirkkaus = 0;

    public Valo(String nimi)
    {
        super(nimi);
    }

    @Override
    protected void valmistelePaivitys() {
        IO.println("Valmistellaan valoa päivitystä varten...");
        IO.println("Asetetaan valo kirkkauteen 0%...");
    }

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Vaihda kirkkaus 0 -> 50 -> 100 -> 0 ...
        switch (kirkkaus) {
            case 0 -> kirkkaus = 50;
            case 50 -> kirkkaus = 100;
            case 100 -> kirkkaus = 0;
        }
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        IO.println("Valon kirkkaus on " + kirkkaus + "%.");
    }
}

public class Kahvinkeitin extends Laite {
    private boolean kiehumassa = false;

    public Kahvinkeitin(String nimi)
    {
        super(nimi);
    }

    @Override
    protected void valmistelePaivitys() {
        IO.println("Valmistellaan keitintä päivitystä varten...");
        IO.println("Keskeytä kiehuminen...");
    }

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Keitä kahvia tai kytke keitin pois päältä
        kiehumassa = !kiehumassa;
    }
    @Override
    public void raportoiTila() {
        String tila = kiehumassa ? "päällä" : "pois";
        IO.println("Kahvinkeittimen pannu on " + tila + ".");
    }
}

public class Main {
    public static void main() {
        Valo hue =  new Valo("PhilipsHue");
        Kahvinkeitin mocca = new Kahvinkeitin("MoccaMaster");

        hue.suoritaPaivitys();
        // Kokeile myös:
        // mocca.suoritaPaivitys();
    }
}

suoritaPaivitys() on nyt ikään kuin valmis resep­ti, jota aliluokat eivät voi muuttaa (final). Sen sijaan ne täydentävät reseptin tarvitsemansa tavoilla toteuttamalla abstraktit metodit.

🤔 Pohdittavaksi: Missä tilanteissa haluaisit estää aliluokkaa ylikirjoittamasta tiettyä metodia?

Tehtävät

Osan kaikki tehtävät

Kutsutaan perittyjä metodeja:
Talvitakki Dulce & Käppänä: 120.0 €
Ruisleipä Reissurähjä: 2.5 €
Tietokone HighPower: 899.0 €

----------------------------

Kutsutaan omia metodeja:
Testi 1: Sovitetaan M-kokoista käyttäjää:
Sovitetaan vaatetta Talvitakki Dulce & Käppänä...
Ei välttämättä sopivin koko. Sinä olet kokoa M, mutta tämä vaate on L.

Testi 2: Sovitetaan L-kokoista käyttäjää:
Sovitetaan vaatetta Talvitakki Dulce & Käppänä...
Mahtavaa! Koko L istuu sinulle täydellisesti!

Syödään Ruisleipä Reissurähjä.
Parasta ennen oli 20.12.2024, toivottavasti on hyvää.

Takuuta jäljellä: 19 kk.

pHone: 999.99 €
Takuuta puhelimessa jäljellä: 19 kk
Käyttöjärjestelmä: Orange
Yhteystyyppi: 4G
Soitetaan käyttöjärjestelmästä Orange(4G) numeroon 0401122330

Hernepussi: 0.99 €
Sulatit pakastetta Hernepussi 10 minuuttia. Säilytyssuositus on -18 astetta C.
Syödään Hernepussi.
Parasta ennen oli 31.5.2026, toivottavasti on hyvää.

Tietokone HighPower: 899.0 €
Takuuta laitteessa alunperin: 24 kk

Aifoun42: 888.0 €
Takuuta laitteessa alunperin: 37 kk
Käyttöjärjestelmä: AiOS
Yhteystyyppi: 5G

----------------------------

--- UUSI KAUPAN TUOTE ---
Light Bulb: 67000.0 €
Takuuta laitteessa alunperin: 73 kk
Akun kunto: 100.00
Toimintasäde: 404.00 km

--- KÄYTTÖÖNOTTO JA LATAUS ---
Ladataan autoa Light Bulb...
Ladataan autoa Light Bulb...
Ladataan autoa Light Bulb...
Ladataan autoa Light Bulb...
Ladataan autoa Light Bulb...

--- TILANNE LATAUSTEN JÄLKEEN ---
Light Bulb: 67000.0 €
Takuuta laitteessa alunperin: 73 kk
Akun kunto: 99.50
Toimintasäde: 401.98 km

Rajapintojen ja geneeristen tyyppien perusteet

Rajapinta

Rajapinta toimii sitovana sopimuksena: Se määrittelee, mitä metodeja luokan on tarjottava, ottamatta kantaa siihen, miten ne on teknisesti toteutettu. Toisin kuin abstrakti luokka, joka luo pohjan luokan metodeille ja attribuuteille, rajapinta keskittyy kuvailemaan olion kyvykkyyksiä. Rajapinta mahdollistaa yhtenevän kyvykkyyksien määrittelyn, vaikka luokat olisivat täysin erilaisia tai periytyisivät eri paikoista luokkahierarkiassa. Kun ohjelmoija sitten käsittelee oliota rajapinnan kautta, hän voi luottaa siihen, että olio tarjoaa sovitun kyvykkyyden riippumatta siitä, mitä luokkaa olio edustaa.

Älykoti: säädettävät laitteet

Jatketaan Osassa 3 aloittamaamme älykoti-esimerkkiä. Jotkin älykotimme laitteet voisivat olla säädettäviä, eli niihin voisi asettaa suoraan arvon, kuten kirkkauden, lämpötilan tai äänenvoimakkuuden. Näinhän periaatteessa toimimmekin jo esimerkkimme Valo-luokassa, jossa kirkkaus vaihtelee kolmen arvon välillä. Olion käyttäjän kannalta olisi kuitenkin kätevämpää, jos voisi asettaa kirkkauden suoraan haluttuun arvoon (esim. 33%), sen sijaan, että pitäisi kutsua vaihdaTilaa()-metodia useita kertoja ja toivoa, että arvo osuu kohdalleen. Loppukäyttäjän kannalta tätä voisi verrata tilanteeseen, jossa käyttäjä voisi asettaa vaikkapa mobiilisovelluksesta suoraan haluamansa kirkkauden sen sijaan, että pitäisi klikkailla Lisää kirkkautta- tai Vähennä kirkkautta -painikkeita useita kertoja.

Määritellään rajapinta Saadettava, jossa on metodi asetaArvo(int arvo). Tiedosto tallennetaan nimellä Saadettava.java, eli samaan tapaan kuin luokat.

/**
 * Laite, jonka voi säätää suoraan haluttuun arvoon.
 */
public interface Saadettava {
    void asetaArvo(int arvo);
}

Tämän voi lukea seuraavasti: Jokaisella Saadettava-rajapinnan toteuttavalla luokalla tulee olla asetaArvo-metodi.

Nyt voimme muokata Valo-luokkaa toteuttamaan Saadettava-rajapinnan:

Lisätään Valo-luokkaan rajapinnan toteutus (klikkaa Valo.java-tiedostoa). Jätämme Kahvinkeitin- ja Turvakamera-luokat tässä vaiheessa esimerkistä pois, koska päätämme yksinkertaisuuden vuoksi, että ne eivät ole säädettäviä laitteita.

public class Main {
    public static void main() {
        Valo valo = new Valo("PhilipsHue");
        valo.asetaArvo(33);
        valo.raportoiTila();

        valo.vaihdaTilaa();
        valo.raportoiTila();
    }
}

public interface Saadettava {
    void asetaArvo(int arvo);
}

public class Valo extends Laite implements Saadettava {
    private int kirkkaus = 0;

    protected Valo(String nimi) {
        super(nimi);
    }

    @Override
    public void asetaArvo(int arvo)
    {
        if (arvo < 0) arvo = 0;
        if (arvo > 100) arvo = 100;
        this.kirkkaus = arvo;
    }

    @Override
    public void vaihdaTilaa() {
        // Yksinkertainen päälle-pois
        if (kirkkaus == 100) kirkkaus = 0;
        else kirkkaus = 100;
    }

    @Override
    public void raportoiTila() {
        IO.println("Valon kirkkaus on " + kirkkaus + "%.");
    }
}

public abstract class Laite {
    private final String nimi;
    private boolean kytketty;

    protected Laite(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }

    public void kytkePaalle() {
        if (!kytketty) {
            kytketty = true;
            IO.println(nimi + " käynnistyy.");
        }
    }

    public void kytkePois() {
        if (kytketty) {
            kytketty = false;
            IO.println(nimi + " sammuu.");
        }
    }

    public abstract void vaihdaTilaa();
    public abstract void raportoiTila();
}

Luokkakaaviona esimerkkimme näyttäisi tältä. I-kirjain ilmaisee, että kyseessä on rajapinta. Abstraktin luokan tapaan rajapinta on merkitty kursiivilla. Rajapinnan toteuttaminen esitetään katkoviivalla, jossa on avoin nuoli kohti rajapintaa.

Usean rajapinnan toteuttaminen

Luokka voi toteuttaa useita rajapintoja. Esimerkiksi Javan sisäänrakennettu ArrayList-luokka toteuttaa rajapintoja: List, RandomAccess, Cloneable ja Serializable (ks. ArrayList-luokan dokumentaatio).

• List-rajapinta määrittelee listan perustoiminnot, kuten elementtien lisäämisen, poistamisen ja hakemisen.
• RandomAccess-rajapinta määrittelee, että listan alkioihin tulee päästä käsiksi nopeasti indeksien avulla.
• Cloneable-rajapinta sallii olion kloonauksen eli kopioinnin.
• Serializable-rajapinta sallii olion tallentamisen tiedostoon tai lähettämiseen verkon yli.

Toisaalta myös Javan Date-luokka toteuttaa muun muassa Cloneable-rajapinnan, joka mahdollistaa päivämääräolion kloonaamisen. Huomaa, että Date-luokka ei liity mitenkään ArrayList-luokkaan, mutta molemmat toteuttavat saman rajapinnan.

Luodaan nyt itse kaksi rajapintaa ja luokkia, jotka toteuttavat molemmat rajapinnat.

Otetaan esimerkki käyttöliittymäkomponenteista, joita voi piirtää näytölle ja joita voi klikata hiirellä. Määritellään kaksi rajapintaa: Piirrettava ja Klikattava. Näiden rajapintojen avulla voitaisiin määritellä, millaisia komponentteja käyttöliittymässä on. Sovitaan niin, että piirrettävä komponentti osaa piirtää itsensä, ja klikattava komponentti osaa käsitellä klikkauksia ja korostaa itsensä, kun hiiri on sen päällä.

/**
 * Käyttöliittymään piirrettävä komponentti.
 */
public interface Piirrettava {
    public void piirra();
}

/**
 * Käyttöliittymän komponentti, jota voi klikata.
 */
public interface Klikattava {
    public void klikattu();

    public void asetaKorostus(boolean korostus);
}

Huomaa, että emme tiedä emmekä välitä siitä, miten nämä metodit aikanaan toteutetaan. Piirto voi tapahtua graafisella käyttöliittymällä, tekstipohjaisella käyttöliittymällä tai vaikkapa tulostamalla tiedostoon. Meille riittää, että tiedämme, että jokaisella Pirrettava-rajapinnan toteuttavalla luokalla on piirra()-metodi, ja jokaisella Klikattava-rajapinnan toteuttavalla luokalla on klikattu()- ja asetaKorostus(boolean korostus)-metodit.

Mennään eteenpäin. Toteutetaan Teksti, joka on pelkkää tekstiä näyttävä käyttöliittymäkomponentti.

/**
 * Pelkkää tekstiä esittävä piirrettävä komponentti.
 */
public class Teksti implements Piirrettava {
    private String sisalto;
    public Teksti(String sisalto)
    {
        this.sisalto = sisalto;
    }

    @Override
    public void piirra() {
        // Piirretään vain pelkkä tekstisisältö ilman kehyksiä
        IO.println(sisalto);
    }
}

Rajapintojen hyöty ei vielä kokonaisuudessaan välity, osittain siksi, että piirra()-metodi on ainoa metodi, jota Piirrettava-rajapinta tarjoaa. Nyt kuitenkin voimme luoda toisen komponentin, Painike, joka on laatikon näköinen klikkattava painike, jossa on tekstiä. Painike-luokka toteuttaa molemmat rajapinnat: Pirrettava ja Klikattava.

/**
 * Laatikon näköinen klikkattava painike,
 * jossa on tekstiä.
 */
public class Painike implements Piirrettava, Klikattava {

    private String sisalto;
    private boolean korostettu;

    public Painike(String sisalto)
    {
        this.sisalto = sisalto;
        this.korostettu = false;
    }

    @Override
    public void piirra() {
        // Piirretään suorakulmio ja teksti
        if (!korostettu) {
            IO.println("[ " + sisalto + " ]");
        } else {
            IO.println("[*" + sisalto + "*]");
        }
    }

    /**
     * Käsitellään klikkaustapahtuma
     */
    @Override
    public void klikattu() {
        IO.println("(Klikattiin painiketta, jossa lukee \"" + sisalto + "\")");
    }

    /**
     * Asetetaan korostustila. Jos tila muuttuu, piirretään komponentti uudestaan.
     */
    @Override
    public void asetaKorostus(boolean korostus) {
        if (this.korostettu == korostus) {
            return;
        }
        this.korostettu = korostus;
        this.piirra();
    }
}

Nyt meillä on kaksi erilaista käyttöliittymäkomponenttia, jotka molemmat voidaan piirtää näytölle. Painike-komponentti on lisäksi klikattava. Käytetään näitä komponentteja pääohjelmassa.

/**
 * Käyttöliittymään piirrettävä komponentti.
 */
public interface Piirrettava {
    public void piirra();
}

/**
 * Käyttöliittymän komponentti, jota voi klikata.
 */
public interface Klikattava {
    public void klikattu();

    public void asetaKorostus(boolean korostus);
}

/**
 * Pelkkää tekstiä näyttävä komponentti.
 */
public class Teksti implements Piirrettava {
    private String sisalto;
    public Teksti(String sisalto)
    {
        this.sisalto = sisalto;
    }

    @Override
    public void piirra() {
        // Piirretään vain pelkkä tekstisisältö ilman kehyksiä
        IO.println(sisalto);
    }
}

/**
 * Laatikon näköinen klikkattava painike,
 * jossa on tekstiä.
 */
public class Painike implements Piirrettava, Klikattava {

    private String sisalto;
    private boolean korostettu;

    public Painike(String sisalto)
    {
        this.sisalto = sisalto;
        this.korostettu = false;
    }

    @Override
    public void piirra() {
        // Piirretään suorakulmio ja teksti
        if (!korostettu) {
            IO.println("[ " + sisalto + " ]");
        } else {
            IO.println("[*" + sisalto + "*]");
        }
    }

    /**
     * Käsitellään klikkaustapahtuma
     */
    @Override
    public void klikattu() {
        IO.println("(Klikattiin painiketta, jossa lukee \"" + sisalto + "\")");
    }

    /**
     * Asetetaan korostustila.
     */
    @Override
    public void asetaKorostus(boolean korostus) {
        this.korostettu = korostus;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Teksti otsikko = new Teksti("Haluatko aloittaa rajapintojen opiskelun?");
        otsikko.piirra();

        Painike okPainike = new Painike("OK!");
        okPainike.piirra();

        // Simuloidaan hiiren vieminen painikkeen päälle
        // Korostamisen jälkeen piirretään painike uudestaan
        okPainike.asetaKorostus(true);
        okPainike.piirra();

        // Simuloidaan klikkaus
        okPainike.klikattu();
    }
}

Jos haluat testata tätä koodia omalla koneellasi, voit ladata tämänkin esimerkin GitHubista.

/**
 * Naytto-luokka hallinnoi piirrettäviä komponentteja.
 */
public class Naytto {
    private ArrayList<Piirrettava> komponentit = new ArrayList<>();

    public void lisaaKomponentti(Piirrettava p) {
        komponentit.add(p);
    }

    public void poistaKomponentti(Piirrettava p) {
        komponentit.remove(p);
    }
}

/**
 * Piirturi-luokka vastaa piirtoalueen piirtämisestä.
 */
public class Piirturi {
    public void piirraPainike(String teksti, boolean korostettu) {
        if (!korostettu) {
            IO.println("[ " + teksti + " ]");
        } else {
            IO.println("[*" + teksti + "*]");
        }
    }

    public void piirraTeksti(String teksti) {
            IO.println(teksti);
    }

    public void tyhjaa() {
        IO.println("Tyhjennetään piirtoalue");
        // Jätetään tässä toteuttamatta        
    }
}

import java.util.ArrayList;

/**
 * Naytto-luokka hallinnoi piirrettäviä komponentteja.
 */
public class Naytto {
    private ArrayList<Piirrettava> komponentit = new ArrayList<>();
    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    private Piirturi piirturi = new Piirturi();
    // HIGHLIGHT_GREEN_END

    public void lisaaKomponentti(Piirrettava p) {
        komponentit.add(p);
    }

    public void poistaKomponentti(Piirrettava p) {
        komponentit.remove(p);
    }

    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    public void paivita() {
        piirturi.tyhjaa();
        for (Piirrettava p : komponentit) {
            p.piirra(piirturi);
        }
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_END
}

public interface Piirrettava {
    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    public void piirra(Piirturi piirturi);
    // HIGHLIGHT_GREEN_END
}

/**
 * Pelkkää tekstiä esittävä piirrettävä komponentti.
 */
public class Teksti implements Piirrettava {
    private String sisalto;
    public Teksti(String sisalto)
    {
        this.sisalto = sisalto;
    }

    /**
     * Piirrä komponentti
     * @param piirturi Piirturi
     */
    @Override
    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    public void piirra(Piirturi piirturi) {
        piirturi.piirraTeksti(sisalto);
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_END
}

Rajapinnan periminen

Rajapinta voi myös laajentaa (periä) toista rajapintaa. Syntaktisesti tämä tapahtuu käyttämällä extends-avainsanaa, kuten luokkien perinnässä. Luokkien perinnästä poiketen rajapinta voi periä useita rajapintoja. Alirajapinta saa kaikki ylirajapinnan metodit. Alla synteettinen esimerkki.

public interface A {
    void metodiA();
}

public interface B {
    void metodiB();
}

public interface C extends A, B {
    void metodiC();
}

public class D implements C {
    @Override
    public void metodiA() {
        IO.println("Toteutus metodille A");
    }

    @Override
    public void metodiB() {
        IO.println("Toteutus metodille B");
    }

    @Override
    public void metodiC() {
        IO.println("Toteutus metodille C");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        D olioD = new D();
        olioD.metodiA();
        olioD.metodiB();
        olioD.metodiC();
    }
}

Esimerkit

Löydät kaikki tällä sivulla esitellyt esimerkit GitHubista (E34-alkuiset kansiot).

Huomautuksia

Valinnaista lisätietoa: Javan versiosta 8 alkaen rajapinnat voivat sisältää myös metodien oletustoteutuksia. Ominaisuus saattaa olla hyödyllinen esimerkiksi tilanteissa, jossa halutaan lisätä uusi metodi olemassa olevaan rajapintaan rikkomatta vanhoja toteutuksia. Lue aiheesta lisää Javan dokumentaatiosta.

Tehtävät

String salaa(String viesti);
String pura(String salattuViesti);

Korvaa 'a' -> '@'
Korvaa 'e' -> '3'
Korvaa 'i' -> '!'
Korvaa 'o' -> '0'

'a' -> 'b'
'b' -> 'c'
'k' -> 'l'
jne. 

Comparable-rajapinta ja luonnollinen järjestys

Rajapinta Comparable määrittelee metodin compareTo, jonka avulla luokan olioille voi määrittää luonnollisen järjestykse suhteessa toiseen saman tyyppiseen olioon.

Rajapinnassa on yksi metodi, compareTo, joka palauttaa kokonaisluvun, joka ilmaisee olion järjestyksen suhteessa toiseen olioon. Palautusarvo tulkitaan seuraavasti:

Esimerkiksi Integer-tyyppi toteuttaa Comparable-rajapinnan Integer-olioille. Niinpä kahta kokonaislukuoliota voidaan vertailla keskenään compareTo-metodilla.

void main() {
  Integer luku1 = 5;
  Integer luku2 = 18;
  int tulos = luku1.compareTo(luku2);

  // Tulostaa negatiivisen arvon (< 0), koska 5 < 18
  IO.println("luku1.compareTo(luku2): " + tulos);
}

Merkkijonoille on valmiiksi määriteltynä luonnollinen järjestys aakkosjärjestyksenä:

// Apufunktio, joka tulostaa kahden merkkijonon välisen järjestyksen
void kerroJarjestys(String sana1, String sana2) {
  int tulos = sana1.compareTo(sana2);
  if (tulos < 0) {
      IO.println("Merkkijono '" + sana1 + "' on järjestyksessä ennen merkkijonoa '" + sana2 + "'");
  } else if (tulos > 0) {
      IO.println("Merkkijono '" + sana1 + "' on järjestyksessä merkkijonon '" + sana2 + "' jälkeen");
  } else {
      IO.println("'" + sana1 + " on yhtä suuri kuin '" + sana2 + "'");
  }
}

void main() {
  String sana1 = "omena";
  String sana2 = "appelsiini";
  String sana3 = "banaani";
  kerroJarjestys(sana1, sana2);
  kerroJarjestys(sana1, sana3);
  kerroJarjestys(sana2, sana3);
}

Vastaavasti Integer-luokalla kokonaislukujen luonnollinen järjestys on nouseva suuruusjärjestys.

int kerroJarjestys(Integer luku1, Integer luku2) {
  int tulos = luku1.compareTo(luku2);
  if (tulos < 0) {
      IO.println(luku1 + " on pienempi kuin " + luku2);
  } else if (tulos > 0) {
      IO.println(luku1 + " on suurempi kuin " + luku2);
  } else {
      IO.println(luku1 + " on yhtä suuri kuin " + luku2);
  }
  return tulos;
}

void main() {
  Integer luku1 = 5;
  Integer luku2 = 18;
  Integer luku3 = 5;
  kerroJarjestys(luku1, luku2);
  kerroJarjestys(luku1, luku3);
  kerroJarjestys(luku2, luku3);
}

Olennainen Comparable-rajapinnan hyöty on, että voimme kirjoittaa ohjelmia ja käyttää vertailuja vaativia algoritmeja, jotka toimivat yleisesti kaikille olioille, jotka toteuttavat Comparable-rajapinnan. Kyseisen rajapinnan toteuttavat luokat voidaan myös järjestää käyttämällä Javan valmiita kokoelmien järjestämistoteutuksia, kuten esimerkiksi Collections.sort-metodia. Näin meidän ei tarvitse itse kirjoittaa järjestämisalgoritmeja.

void main() {
    List<Integer> numerot = Arrays.asList(18, 5, 42);
    List<String> hedelmat = Arrays.asList("omena",  "päärynä", "appelsiini");
    IO.println(numerot); // [18, 5, 42]
    IO.println(hedelmat); // [omena, päärynä, appelsiini]

    // Järjestetään listat alkioiden luontaisen järjestyksen mukaan
    Collections.sort(hedelmat);
    Collections.sort(numerot);

    IO.println(numerot); // [5, 18, 42]
    IO.println(hedelmat); // [appelsiini, omena, päärynä]
}

Oma toteutus Comparable-rajapinnalle

Kokeillaan Comparable-rajapinnan toteuttamista omassa luokassamme.

Otetaan esimerkiksi luokka Kerailykortti, joka mallintaa eräässä keräilypelissä käytettäviä kortteja. Meidän keräilykortti sisältää alkuun vain keräilykortin nimen ja yksilöivän, ykkösestä alkavan tunnistenumeron:

class Kerailykortti {
    private String nimi;
    private int tunnistenumero;

    public Kerailykortti(String nimi, int tunnistenumero) {
        this.nimi = nimi;
        this.tunnistenumero = tunnistenumero;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Kortti: " + nimi + " (#" + tunnistenumero + ")";
    }
}

void main() {
    List<Kerailykortti> kortit = List.of(
        new Kerailykortti("Loistava Lohikäärme", 3),
        new Kerailykortti("Aloittelijan Ameeba", 1),
        new Kerailykortti("Mieletön Merihevonen", 2)
    );

    for (Kerailykortti kortti : kortit) {
        IO.println(kortti);
    }
}

Mikäli nyt yritämme järjestää Kerailykortti-olioita Collections.sort()-metodilla, saamme käännöksenaikaisen virheen, koska se ei toteuta Comparable-rajapintaa:

void main() {
    List<Kerailykortti> kortit = Arrays.asList(
        new Kerailykortti("Loistava Lohikäärme", 3),
        new Kerailykortti("Aloittelijan Ameeba", 1),
        new Kerailykortti("Mieletön Merihevonen", 2)
    );

    IO.println("Ennen järjestämistä:");
    for (Kerailykortti kortti : kortit) {
        IO.println(kortti);
    }

    Collections.sort(kortit);

    IO.println();

    IO.println("Jälkeen järjestämisen:");
    for (Kerailykortti kortti : kortit) {
        IO.println(kortti);
    }
}

class Kerailykortti {
    private String nimi;
    private int tunnistenumero;

    public Kerailykortti(String nimi, int tunnistenumero) {
        this.nimi = nimi;
        this.tunnistenumero = tunnistenumero;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Kortti: " + nimi + " (#" + tunnistenumero + ")";
    }
}

main.java:11: error: no suitable method found for sort(List<Kerailykortti>)
    Collections.sort(kortit);

Virheilmoitus on vähintäänkin kryptinen. Yksinkertaistetusti virhe johtuu perimmäisesti siitä, että Collections.sort() ei voi meidän puolestamme arvata, mikä on Kerailykortti-olioiden luonnollinen järjestys. Onko se kenties kortin nimen aakkosjärjestys vai kenties numerotunnisteen mukainen nouseva järjestys? Vastataksemme tähän kysymykseen meidän täytyy toteuttaa Comparable-rajapinta Kerailykortti-luokalle.

Kun lähdemme toteuttamaan Comparable-rajapintaa keräilykortille, joudumme heti pohtimaan, mikä on luonnollinen järjestys keräilykorteillemme. Esimerkiksi aakkosjärjestys nimen mukaan voi olla hyödyllinen. Toisaalta koska korteilla on numeeriset ykkösestä alkavat numerotunnisteet, numerojärjestys tunnisteen mukaan voidaan myös mieltää luonnollisemman tuntuiseksi ja yhtälailla tarpeelliseksi. Luonnollista järjestystä valittaessa on lisäksi syytä pohtia kohdealueen ja sovelluksen tarpeen — mitä luokkaa käyttäjät muut ohjelmoijat tai sovelluksen lopulliset käyttäjät kaipaavat tai olettavat keräilykorttien oletusjärjestyksestä?

Päättäkäämme tämän esimerkin puiteissa, että järjestys yksilöllisen tunnisteen mukaan on tässä tapauksessa järkevin luonnollinen järjestys. Toteutetaan tällä pohjustuksella Comparable-rajapinta siten, että kortit järjestetään numerotunnisteen mukaan. Tätä varten tarvitsemme rajapinnan toteutuksen luokan määrittelyyn sekä toteutuksen edellä mainitulle compareTo-metodille.

Käytämme toteutuksessa osan alussa olevaa palautustaulukkoa:

// HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
class Kerailykortti implements Comparable<Kerailykortti> {
// HIGHLIGHT_GREEN_END
    private String nimi;
    private int tunnistenumero;

    public Kerailykortti(String nimi, int tunnistenumero) {
        this.nimi = nimi;
        this.tunnistenumero = tunnistenumero;
    }

    // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
    @Override
    public int compareTo(Kerailykortti other) {
        if (tunnistenumero > other.tunnistenumero) {
            return 1;
        }
        if (tunnistenumero < other.tunnistenumero) {
            return -1;
        }
        return 0;
    }
    // HIGHLIGHT_GREEN_END

    @Override
    public String toString() {
        return "Kortti: " + nimi + " (#" + tunnistenumero + ")";
    }
}

void main() {
    List<Kerailykortti> kortit = Arrays.asList(
        new Kerailykortti("Loistava Lohikäärme", 3),
        new Kerailykortti("Aloittelijan Ameeba", 1),
        new Kerailykortti("Mieletön Merihevonen", 2)
    );

    IO.println("Ennen järjestämistä:");
    for (Kerailykortti kortti : kortit) {
        IO.println(kortti);
    }

    Collections.sort(kortit);

    IO.println();

    IO.println("Jälkeen järjestämisen:");
    for (Kerailykortti kortti : kortit) {
        IO.println(kortti);
    }
}

Comparable on niin sanottu geneerinen rajapinta, eli se ei itsessään kerro minkä tyyppisiin olioihin vertailu kohdistuu. Käsittelemme geneeristä ohjelmointia tarkemmin osassa 4.4. Tästä syystä Comparable-rajapinnan toteuttamisessa meidän täytyy kertoa minkä tyypin olioille luonnollinen järjestys määritellään. Tässä tapauksessa toteutamme järjestyksen keräilykorteille, joten määrittelemme implements Comparable<Kerailykortti>.

Valmiiden vertailumetodien käyttö

Yllä olevassa tapauksessa toteutimme compareTo-metodin käyttäen suoraan Comparable-rajapinnan määritelmää. Kuitenkin Javan valmiit tyypit useimmiten tarjoavat jo valmiita vertailumetodeja, joita voi hyödyntää Comparable-rajapinnan toteuttamiseksi.

Esimerkiksi int-kokonaisluvuille Java tarjoaa valmiin Integer.compare-metodin, jolla Kerailykortti-luokan compareTo-metodin toteutus voidaan yksinkertaistaa yhden rivin funktioksi:

class Kerailykortti implements Comparable<Kerailykortti> {
    private String nimi;
    private int tunnistenumero;

    public Kerailykortti(String nimi, int tunnistenumero) {
        this.nimi = nimi;
        this.tunnistenumero = tunnistenumero;
    }

    @Override
    public int compareTo(Kerailykortti other) {
        // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
        return Integer.compare(tunnistenumero, other.tunnistenumero);
        // HIGHLIGHT_GREEN_END
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return "Kortti: " + nimi + " (#" + tunnistenumero + ")";
    }
}

void main() {
    List<Kerailykortti> kortit = Arrays.asList(
        new Kerailykortti("Loistava Lohikäärme", 3),
        new Kerailykortti("Aloittelijan Ameeba", 1),
        new Kerailykortti("Mieletön Merihevonen", 2)
    );

    IO.println("Ennen järjestämistä:");
    IO.println(kortit);

    Collections.sort(kortit);

    IO.println("Jälkeen järjestämisen:");
    IO.println(kortit);
}

Toteuttaessa Comparable-rajapintaa itse tehdyille luokille onkin syytä suosia valmiita vertailumetodeja ja niiden yhdistämistä. Esimerkiksi Integer.compare osaa käsitellä kaikkia erikoistapauksia, kuten lukualueen ylivuotoja. Vastaavasti Double.compare osaa käsitellä kaikkia liukulukutyyppien erikoisarvoja, kuten äärettömyyttä tai "Not a Number" -arvoja.

Useamman attribuutin vertailu

Luonnollinen järjestys voi määräytyä useamman attribuutin mukaan. Esimerkiksi kortit voitaisiin järjestetää ensin aakkosjärjestyksen ja vasta sitten numerotunnisteen mukaan. Tätä varten meidän täytyy muuttaa compareTo-metodia siten, että ensin verrataan nimi-arvoja aakkosjärjestyksen mukaan käyttäen String-luokan omaa compareTo-metodia. Jos merkkijonot ovat samat (eli compareTo palauttaa 0), tehdään vertailu tunnistenumero-attribuutille.

class Kerailykortti implements Comparable<Kerailykortti> {
    private String nimi;
    private int tunnistenumero;

    public Kerailykortti(String nimi, int tunnistenumero) {
        this.nimi = nimi;
        this.tunnistenumero = tunnistenumero;
    }

    @Override
    public int compareTo(Kerailykortti other) {
        // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
        int nimiVertailu = this.nimi.compareTo(other.nimi);
        if (nimiVertailu != 0) {
            return nimiVertailu;
        }
        return Integer.compare(this.tunnistenumero, other.tunnistenumero);
        // HIGHLIGHT_GREEN_END
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Kortti: " + nimi + " (#" + tunnistenumero + ")";
    }
}

void main() {
    List<Kerailykortti> kortit = Arrays.asList(
        new Kerailykortti("Loistava Lohikäärme", 3),
        new Kerailykortti("Aloittelijan Ameeba", 1),
        new Kerailykortti("Mieletön Merihevonen", 2)
    );

    IO.println("Ennen järjestämistä:");
    for (Kerailykortti kortti : kortit) {
        IO.println(kortti);
    }

    Collections.sort(kortit);

    IO.println();

    IO.println("Jälkeen järjestämisen:");
    for (Kerailykortti kortti : kortit) {
        IO.println(kortti);
    }
}

Tehtävät

List<Henkilo> henkilot = Arrays.asList(
    new Henkilo("Joukahainen"),
    new Henkilo("Ilmatar"),
    new Henkilo("Kyllikki"),
    new Henkilo("Kokko")
);

List<Henkilo> henkilot = Arrays.asList(
        new Henkilo("Pacius", "Fredrik"),
        new Henkilo("Mozart", "Wolfgang Amadeus"),
        new Henkilo("Mozart", "Leopold"),
        new Henkilo("Chopin", "Frédéric")
);

Perintä ja rajapinnat olioiden yhteistyössä

Perintä ja rajapinnat voivat toimia, ja usein toimivatkin yhdessä. Perintä määrittelee luokkien välisen hierarkian ja jakaa yhteistä toiminnallisuutta, kun taas rajapinnat määrittelevät kyvykkyyksiä, joita eri luokat voivat toteuttaa riippumatta niiden sijainnista luokkahierarkiassa.

Itse asiassa käytimme jo Älykoti-esimerkissämme sekä perintää (Laite abstraktina luokkana) että rajapintaa (Saadettava-rajapinta). Laajennetaan kuitenkin perinnän ja rajapintojen yhteistyötä hieman eteenpäin. Tarkastellaan tilannetta, jossa meillä on ohjelmassamme luokkia, jotka eivät jaa yhteistä yliluokkaa, mutta kuitenkin jakavat yhteisen kyvykkyyden.

Pistorasia ja sähkölaitteet

Tehdään pieni ajatusharjoitus. Kuvittele kotisi seinässä olevaa pistorasiaa. Pistorasia tarjoaa sähkövirtaa, mutta se ei anna sitä mihin tahansa. Se vaatii, että laitteessa on sopiva pistotulppa, joka sopii pistorasiaan.

Tässä analogiassa rajapinta on se standardi eli sopimus, jonka laitteen täytyy täyttää, jotta se voi käyttää pistorasiaa. Asiaa voidaan tarkastella myös niin päin, että jos laitteessa on pistorasiaan sopiva pistotulppa, niin sillä täytyy olla kyky toimia siinä tilanteessa, että se kytketään pistorasiaan.

Pistorasiaa ei kiinnosta, kytketkö siihen leivänpaahtimen vai sirkkelin. Laitteet ovat itse asiassa täysin erilaisia. Toisella voi tehdä ruokaa, toinen on työkalu. Niillä ei ole yhteistä "esi-isää" laitehierarkiassa samalla tavalla, kuin vaikkapa Auto ja Moottoripyora voisivat periä Ajoneuvo-luokan. Ainoa leivänpaahdinta ja sirkkeliä yhdistävä tekijä on kyky kytkeytyä verkkovirtaan.

Jos yrittäisimme mallintaa tämän perinnällä, joutuisimme ongelmiin heti, kun haluaisimme käyttää leivänpaahdinta. Onko leivänpaahdin Sahkolaite, Keittiolaite, vai kenties molempia? Javassa luokka ei kuitenkaan voi periä kahta yliluokkaa.

Rajapinta ratkaisee tämän ongelman tyylikkäästi:

• Leivanpaahdin on Keittiolaite (perintä), mutta se myös toteuttaa Verkkovirtalaite-rajapinnan.
• Samoin Sirkkeli voisi olla vaikkapa Tyokalu (perintä), joka myöskin toteuttaa saman Verkkovirtalaite-rajapinnan.

Näin pistorasia voi hyväksyä kumman tahansa laitteen, koska molemmat täyttävät sopimuksen eli toteuttavat rajapinnan vaatiman kytkennän.

Yksinkertaisimmillaan Verkkovirtalaite-rajapinnan sisältö olisi määritelmä siitä, että laitteen on pystyttävä reagoimaan siihen, kun se kytketään pistorasiaan ja virta alkaa kulkea johdossa.

public interface Verkkovirtalaite {
    // Tämä metodi on "pistotulppa". 
    // Kun pistorasia aktivoi tämän, laite saa sähköä.
    void kytkeVirta();
}

Nyt Leivanpaahdin ja Sirkkeli voivat toteuttaa tämän rajapinnan.

public class Leivanpaahdin implements Verkkovirtalaite {
    
    @Override
    public void kytkeVirta() {
        // Leivänpaahtimen oma tapa reagoida virtaan:
        IO.println("Leivänpaahdin: Vastukset alkavat hehkua punaisena.");
    }
}

public class Sirkkeli implements Verkkovirtalaite {
    
    @Override
    public void kytkeVirta() {
        // Sirkkelin oma tapa reagoida virtaan:
        IO.println("Sirkkeli: Moottori alkaa pyörittää terää 4000 rpm.");
    }
}

Nämä luokat voivat olla aivan eri puolella luokkahierarkiaa. Toinen on keittiölaite, toinen työkalu. Molemmat kuitenkin reagoivat sähkövirran kytkemiseen -- joskin omalla tavallaan. Tehdään vielä abstraktit Keittiolaite- ja Tyokalu-yliluokat, joista Leivanpaahdin ja Sirkkeli periytyvät. Jotta esimerkki olisi hieman mielekkäämpi, lisätään näihin yliluokkiin joitain ominaisuuksia ja metodeja.

public abstract class Keittiolaite {
    /**
     * Sisältääkö laite lämmitysvastuksia.
     */
    boolean lammittava;

    /**
     * Kaikki keittiölaitteet pitää voida pestä.
     */
    public abstract void puhdista();
}

public abstract class Tyokalu {
    /**
     * Laitteen käyttötunnit
     */
    private int kayttotunnit = 0;

    /**
     * Käytä laitetta
     * @param tunnit Montako tuntia laitetta käytetään.
     */
    public void kayta(int tunnit)
    {
        this.kayttotunnit = tunnit;
    }

    /**
     * Huolla laitetta
     * @return Onnistuiko huolto
     */
    public abstract boolean huolla();
}

Toteutetaan nyt nuo ominaisuudet ja metodit perivissä luokissa.

// Sirkkeli on Työkalu, joka toimii verkkovirralla
public class Sirkkeli extends Tyokalu implements Verkkovirtalaite {

    @Override
    public void kytkeVirta() {
        // Sirkkelin oma tapa reagoida virtaan:
        IO.println("Sirkkeli: Moottori alkaa pyörittää terää 4000 rpm.");

        // Kutsutaan tässä myös yliluokan kayta()-metodia, jolloin
        // käyttötunnit lisääntyvät.
        super.kayta(1);
    }

    /**
     * Huolletaan sirkkeli.
     * @return Onnistuiko huolto.
     */
    @Override
    public boolean huolla() {
        IO.println("Huolletaan sirkkeliä..."
         + "Teroitetaan terää ja säädetään kierrosnopeutta.");
        return true;
    }
}

// Leivänpaahdin on Keittiölaite, joka toimii verkkovirralla
public class Leivanpaahdin extends Keittiolaite 
implements Verkkovirtalaite {

    @Override
    public void kytkeVirta() {
        // Leivänpaahtimen oma tapa reagoida virtaan:
        IO.println("Leivänpaahdin: "
        + "Vastukset alkavat hehkua punaisena.");
    }

    @Override
    public void puhdista() {
        IO.println("Leivänpaahdin: Poistetaan murut "
        + "ja pyyhitään kevyesti kostealla rätillä.");
    }
}

Luokkahierarkia näyttäisi seuraavanlaiselta.

Tämä on tärkein kohta ymmärryksen kannalta: Pistorasia on luokka, joka käyttää rajapintaa.

public class Pistorasia {
    
    // Pistorasiaan voi kytkeä MINKÄ TAHANSA verkkovirtalaitteen.
    // Pistorasiaa ei kiinnosta, onko se sirkkeli vai paahdin.
    public void kytkeLaite(Verkkovirtalaite laite) {
        IO.println("--- Pistorasia antaa sähköä ---");
        
        // Pistorasia kutsuu sopimuksen mukaista metodia.
        // Tässä toteutuu polymorfismi: 
        // laite reagoi oikealla, sille ominaisella tavalla.
        laite.kytkeVirta();
    }
}

Huomaamme, että aliohjelman parametrin tyyppinä on Verkkovirtalaite-rajapinta! Parametrin ei tarvitse olla Leivanpaahdin, Sirkkeli tai mikään muukaan konkreettinen luokka. Riittää, että se toteuttaa Verkkovirtalaite-rajapinnan.

Tässä kytkeLaite()-metodi ottaa parametrinaan Verkkovirtalaite-rajapinnan mukaisen tyypin. Tämä tarkoittaa, että metodi voi hyväksyä minkä tahansa olion, joka toteuttaa tämän rajapinnan, riippumatta siitä, mihin luokkahierarkiaan kyseinen olio kuuluu.

Rajapinta muuttujan tyyppinä

Jotta Pistorasia-luokka pääsisi tositoimiin, tarvitsemme vielä pääohjelman, jossa luomme Pistorasia-olion ja kytkemme siihen erilaisia laitteita. Luodaan nyt pääohjelma, jossa kytketään ensin Leivanpaahdin pistorasiaan.

Esimerkki sisältää jo aika monta tiedostoa, joten lue esimerkki huolellisesti läpi. Voit vaihtoehtoisesti selata esimerkin tiedostoja GitHubissa.

public class KodinSahkot {

    public static void main(String[] args) {

        // 1. Luodaan infrastruktuuri: Pistorasia
        // Tässä kohtaa Pistorasia-olio syntyy tietokoneen muistiin.
        Pistorasia keittionPistoke = new Pistorasia();

        // 2. Luodaan laitteet
        Leivanpaahdin paahdin = new Leivanpaahdin();
        Sirkkeli sirkkeli = new Sirkkeli();

        // 3. Käytetään laitteita pistorasian kautta
        IO.println("--- Aamu keittiössä ---");

        // Kytketään paahdin seinään
        keittionPistoke.kytkeLaite(paahdin);
        IO.println("\n--- Remontti alkaa ---");

        // Kytketään sirkkeli SAMAAN pistorasiaan
        // Koska yhdessä pistorasiassa voi olla yksi laite kerrallaan,
        // paahdin irrotetaan, vaikka sitä ei erikseen
        // tässä esitetäkään.
        keittionPistoke.kytkeLaite(sirkkeli);
    }
}

/**
 * Verkkovirtaan kytkettävä laite.
 */
public interface Verkkovirtalaite {
    /**
     * Kytke laite verkkovirtaan.
     */
    void kytkeVirta();
}

/**
 * Leivänpaahdin on Keittiölaite, joka toimii verkkovirralla
 */
public class Leivanpaahdin extends Keittiolaite implements Verkkovirtalaite {

    @Override
    public void kytkeVirta() {
        // Leivänpaahtimen oma tapa reagoida virtaan:
        IO.println("Leivänpaahdin: Vastukset alkavat hehkua punaisena.");
    }

    /**
     * Puhdista leivänpaahdin.
     */
    @Override
    public void puhdista() {
        IO.println("Leivänpaahdin: Poistetaan murut ja pyyhitään kevyesti kostealla rätillä.");
    }
}

/**
 * Sirkkeli on Työkalu, joka toimii verkkovirralla
 */
public class Sirkkeli extends Tyokalu implements Verkkovirtalaite {

    @Override
    public void kytkeVirta() {
        // Sirkkelin oma tapa reagoida virtaan:
        IO.println("Sirkkeli: Moottori alkaa pyörittää terää 4000 rpm.");

        // Kutsutaan tässä myös yliluokan kayta()-metodia, jolloin
        // käyttötunnit lisääntyvät.
        super.kayta(1);
    }

    /**
     * Huolletaan sirkkeli.
     *
     * @return Onnistuiko huolto.
     */
    @Override
    public boolean huolla() {
        IO.println("Huolletaan sirkkeliä... Teroitetaan terää ja säädetään kierrosnopeutta.");
        return true;
    }
}

/**
 * Keittiölaite
 */
public abstract class Keittiolaite {
    /**
     * Sisältääkö laite lämmitysvastuksia.
     */
    boolean lammittava;

    /**
     * Kaikki keittiölaitteet pitää voida pestä.
     */
    public abstract void puhdista();
}

public abstract class Tyokalu {
    /**
     * Laitteen käyttötunnit
     */
    private int kayttotunnit = 0;

    /**
     * Käytä laitetta
     *
     * @param tunnit Montako tuntia laitetta käytetään.
     */
    public void kayta(int tunnit) {
        this.kayttotunnit = tunnit;
    }

    /**
     * Huolla laitetta
     *
     * @return Onnistuiko huolto
     */
    public abstract boolean huolla();
}

public class Pistorasia {

    // Pistorasiaan voi kytkeä MINKÄ TAHANSA (yhden) verkkovirtalaitteen.
    // Pistorasiaa ei kiinnosta, onko se sirkkeli vai paahdin.
    public void kytkeLaite(Verkkovirtalaite laite) {
        IO.println("--- Pistorasia antaa sähköä ---");

        // Pistorasia kutsuu sopimuksen mukaista metodia.
        // Tässä tapahtuu polymorfismi: oikea laite reagoi oikealla tavalla.
        laite.kytkeVirta();
    }
}

Kuten Osassa 3.2 Polymorfismi opimme, meidän ei olisi pääohjelmassa pakko määritellä paahdin- ja sirkkeli-muuttujia konkreettisten tyyppien (Leivanpaahdin ja Sirkkeli) avulla, vaan voisimme määritellä molemmat Verkkovirtalaite-tyyppisiksi. Tässähän nimittäin meitä kiinnostaa vain se, että laitteet pystytään kytkemään pistorasiaan.

public class KodinSahkot {

    public static void main(String[] args) {

        // 1. Luodaan infrastruktuuri: Pistorasia
        // Tässä kohtaa Pistorasia-olio syntyy tietokoneen muistiin.
        Pistorasia keittionPistoke = new Pistorasia();

        // 2. Luodaan laitteet
        // HIGHLIGHT_GREEN_BEGIN
        Verkkovirtalaite paahdin = new Leivanpaahdin();
        Verkkovirtalaite sirkkeli = new Sirkkeli();
        // HIGHLIGHT_GREEN_END

        // 3. Käytetään laitteita pistorasian kautta
        IO.println("--- Aamu keittiössä ---");

        // Kytketään paahdin seinään
        keittionPistoke.kytkeLaite(paahdin);
        IO.println("\n--- Remontti alkaa ---");

        // Kytketään sirkkeli SAMAAN pistorasiaan
        // Koska yhdessä pistorasiassa voi olla yksi laite kerrallaan,
        // paahdin irrotetaan, vaikka sitä ei erikseen
        // tässä esitetäkään.
        keittionPistoke.kytkeLaite(sirkkeli);
    }
}

Ylätyyppiä vasten ohjelmointi

Yllä kuvattu tapa, jossa aliluokan oliota käsitellään ylätyypin, eli yliluokan tai rajapinnan tyyppisenä, on olio-ohjelmoinnissa hyvin yleinen ja suositeltava käytäntö. Tätä tapaa kutsutaan usein nimellä rajapintaa vasten ohjelmointi (program to an interface) tai ylätyyppiä vasten ohjelmointi (program to a supertype). Näin ohjelman eri osat kytkeytyvät toisiinsa löyhemmin, ja yksittäisiä toteutuksia voidaan vaihtaa ilman, että muuta koodia tarvitsee muuttaa.

Miksi ylätyyppiä vasten ohjelmointi on hyödyllistä? Yksi syy on se, että voimme nyt käsitellä hyvin eri tyyppisiä olioita yhtenäisenä joukkona; näinhän tehtiin jo Tehtävässä 3.4. Otetaan vaikkapa Verkkovirtalaite-esimerkkimme: voimme esimerkiksi luoda listan erilaisista verkkovirtalaitteista ja kytkeä ne kaikki pistorasiaan silmukassa.

List<Verkkovirtalaite> laitteet = List.of(
    new Leivanpaahdin(),
    new Sirkkeli(),
    new Imuri()
);

Pistorasia pistorasia = new Pistorasia();

for (Verkkovirtalaite v : laitteet) {
    pistorasia.kytkeLaite(v);
}

Jos jokainen laite olisi määritelty omaksi tyypikseen, meidän täytyisi kirjoittaa seuraavasti (oletetaan jälleen, että Keittiolaite ja Tyokalu ovat olemassa olevia yliluokkia).

List<Keittiolaite> keittionLaitteet = ...;
List<Tyokalu> tyokalut = ...;

Pistorasia pistorasia = new Pistorasia();

for (Keittiolaite k : keittionLaitteet) {
    pistorasia.kytkeLaite(k);
}

for (Tyokalu t : tyokalut) {
    pistorasia.kytkeLaite(t);
}

Toinen syy on helppo vaihdettavuus, josta käytetään englanninkielistä termiä loose coupling. Kun koodi käyttää rajapintaa muuttujan tyyppinä, se ei ole sidottu tiettyyn toteutukseen. Tämä tarkoittaa, että voimme helposti vaihtaa yhden toteutuksen toiseen ilman, että meidän tarvitsee muuttaa koodia, joka käyttää kyseistä rajapintaa.

Kuvitellaan, että teemme ohjelmaa, joka testaa sähkölaitteita.

Leivanpaahdin testattavaLaite = new Leivanpaahdin();

// .. suoritetaan laitteen testaus ..

// Vaihdetaan testattava laite toiseen toteutukseen
testattavaLaite = new Sirkkeli(); // Ei onnistu, koska tyypit eivät täsmää

Kun muuttuja määritellään rajapintana, voimme helposti luoda erilaisia testilaitteita, jotka toteuttavat saman rajapinnan, ja voimme vaihtaa konkreettisen toteutuksen vapaasti.

Verkkovirtalaite testattavaLaite = new Leivanpaahdin();
// .. suoritetaan laitteen testaus ..

// Vaihdetaan testattava laite toiseen toteutukseen
testattavaLaite = new Sirkkeli(); 

// Tämä onnistuu, koska molemmat toteuttavat 
// Verkkovirtalaite-rajapinnan

Kolmas syy liittyy ohjelmiston suunnitteluun ja käytännön kirjoittamiseen. Kun määrittelet muuttujan tyypiksi Verkkovirtalaite, kääntäjä estää sinua kutsumasta metodeja, jotka ovat spesifejä vain leivänpaahtimille (kuten saadaKuumuus()) tai sirkkelille (kuten asetaTeranKorkeus()). Vaikka tällainen itsensä rajoittaminen saattaa tuntua oudolta, se auttaa pitämään koodin selkeänä ja estää virheitä, joissa yritetään käyttää laitetta tavalla, joka ei ole yhteensopiva sen rajapinnan kanssa.

Liskovin korvausperiaate

Yllä mainittuun loose coupling-periaatteeseen liittyy läheisesti myös Liskovin korvausperiaate (engl. Liskov Substitution Principle, LSP). LSP on olio-ohjelmoinnin periaate, jonka mukaan, että olion tulee olla korvattavissa sellaisella oliolla, joka toteuttaa saman rajapinnan tai sovitun sopimuksen ilman, että ohjelman käyttäytyminen muuttuu. Niinpä esimerkiksi aliluokan tulee noudattaa yliluokan määrittelemiä sopimuksia ja käyttäytymismalleja, tai vastaavasti rajapinnan toteuttavan luokan tulee noudattaa rajapinnan määrittelemiä sopimuksia.

Palataan hetkeksi Osassa 3.2 alustettuun soitin-esimerkkiin. Oletetaan, että meillä on Soitin-rajapinta, joka määrittelee yleisölle musiikkia metodin soita().

public interface Soitin {
    /**
     * Esittää kappaleen yleisölle.
     */
    void soita();
}

Kaikki soittimet, kuten Kitara, Piano ja Rumpusetti, toteuttavat tämän rajapinnan. Konsertin järjestäjä haluaa varmistaa, että kaikki soittimet voivat soittaa huolimatta siitä, minkä tyyppisiä soittimia ne ovat. Tehdään Konsertti-luokka, jonka soitaKaikkiaSoittimia()-metodi laittaa kaikki soittimet soimaan.

public class Konsertti {
    public void soitaKaikkiaSoittimia(Soitin[] soittimet) {
        for (Soitin soitin : soittimet) {
            soitin.soita();
        }
    }
}

Tehdään nyt uusi soitin, HarjoitusPiano, jolla voi soittaa vain kuulokkeilla, jolloin yleisö ei kuule mitään. Tämäkin soitin toteuttaa Soitin-rajapinnan, mutta sen käyttäytyminen poikkeaa muista soittimista.

class HarjoitusPiano implements Soitin {
    @Override
    public void soita() {
        // Toteutus, joka tekee sinänsä jotain "järkevää", mutta rikkoo sopimuksen.
        IO.println("Harjoitellaan kuulokkeilla. Yleisö ei kuule mitään.");
    }
}

Kootaan nyt "konsertti" pääohjelmaan.

void main() {
    Soitin[] soittimet = {
        new Kitara(),
        new Piano(),
        new HarjoitusPiano()
    };

    Konsertti konsertti = new Konsertti();
    konsertti.soitaKaikkiaSoittimia(soittimet);
}

Koodi kyllä sinänsä toimii teknisesti. Silti HarjoitusPiano rikkoo Soitin-rajapinnan sopimusta: sen soita() ei "esitä kappaletta yleisölle", vaan vain soittajalle itselleen. Aliluokan toiminta voisi olla järkevää jossain toisessa kontekstissa (tässä, harjoittelutilanteessa). Hyvin suunnitellussa luokkahierarkiassa kuitenkin jokainen olio noudattaa yliluokan tai rajapinnan lupaamaa sopimusta. Tällöin polymorfismia voidaan käyttää luotettavasti ilman, että ohjelman käyttäjän tarvitsee tuntea kaikkia konkreettisia aliluokkia erikseen.

Myös kodin sähkölaitteet -esimerkkimme liittyy samaan aiheeseen. Muistetaan, että koska Esimerkissä 3.8 paahdin ja sirkkeli määriteltiin Verkkovirtalaite-tyyppisiksi, emme voi kutsua niille metodeja, jotka eivät ole määritelty kyseisessä rajapinnassa. Esimerkiksi emme voi kutsua paahdin.puhdista() tai sirkkeli.huolla(), koska nämä metodit eivät kuulu Verkkovirtalaite-rajapintaan. Jos todella tarvitsisimme pääsyn näihin metodeihin, meidän tulisi pysähtyä miettimään, miksi käsittelemme oliota ylipäätään pelkkänä verkkovirtalaitteena. Ohjelmistosuunnittelun näkökulmasta tilanne vihjaa siihen, että yritämme ehkä ratkaista kahta eri ongelmaa samassa paikassa.

Hyvässä suunnittelussa koodi, joka käsittelee Verkkovirtalaite-tyyppisiä olioita (kuten sähkömittari tai sulakekaappi), on kiinnostunut vain ja ainoastaan sähköön liittyvistä asioista. Sitä ei pitäisikään kiinnostaa, onko laite leivänpaahdin vai sirkkeli, eikä sen kuulu yrittää puhdistaa tai huoltaa niitä.

Jos huomaamme tarvitsevamme puhdista()-metodia, olemme todennäköisesti "väärässä huoneessa":

• Väärä abstraktiotaso: Jos olemme rakentamassa sovelluslogiikkaa keittiön siivousta varten, meidän ei pitäisi säilyttää laitteita List<Verkkovirtalaite>-listassa, vaan List<Keittiolaite>-listassa. Tällöin kaikilla listan olioilla on luonnostaan puhdista()-metodi käytettävissä ilman kikkailua.

• Vastuun jako (Single Responsibility): Jos samassa aliohjelmassa yritetään sekä mitata sähkönkulutusta (rajapinta) että pestä laite (abstrakti luokka), aliohjelma tekee liikaa asioita. Parempi ratkaisu on jakaa ohjelma osiin: yksi osa hallinnoi sähköverkkoa (Verkkovirtalaite-rajapinnan kautta) ja toinen osa huolehtii ylläpidosta (Keittiolaite- tai Tyokalu-tyyppien kautta).

Tiivistetysti: Sen sijaan, että yrittäisimme pakottaa yleisen rajapinnan kautta esiin erityisominaisuuksia, meidän tulisi valita muuttujan tyyppi sen mukaan, mitä olemme sillä hetkellä tekemässä. Sähkömies näkee sirkkelin verkkovirtalaitteena, puuseppä näkee sen työkaluna – ja koodin tulisi heijastaa tätä roolijakoa."

Abstrakti luokka vai rajapinta?

Alla on lyhyt yhteenvetotaulukko, joka tiivistää abstraktin luokan ja rajapinnan keskeiset erot syntaktin ja käyttötarkoituksen osalta.

Tehtävät

Tyyppiparametrit ja geneerisyys

Olet oppinut aiemmissa ohjelmointiopinnoissasi, että parametrit mahdollistavat toiston vähentämisen yleistämällä ohjelman toimintaa erilaisille arvoille. Parametrien idea on erottaa laskennan logiikka itse arvoista. Kun kirjoitamme metodin, laskenta määritellään vain kerran. Esimerkiksi, jos haluaisimme ilman parametreja selvittää, missä indeksissä etsimämme luku ilmaantuu ensimmäistä kertaa, voisimme kirjoittaa koodin näin.

void main() {
int[] taulukko1 = {2, 3, 4};
// Etsitään luku 3
for (int i = 0; i < taulukko1.length; i++) {
    if (taulukko1[i] == 3) {
        IO.println("Luku 3 on ekan kerran indeksissä " + i);
        break;
    }
}

int[] taulukko2 = {-20, 10, 2, 1};
// Etsitään luku 2
for (int i = 0; i < taulukko2.length; i++) {
    if (taulukko2[i] == 2) {
        IO.println("Luku 2 on ekan kerran indeksissä " + i);
        break;
    }
}
}

Tämä toimii, mutta koodia on kopioitu turhaan. Tehdään nyt funktio, joka ottaa taulukon parametrina.

int etsiIndeksi(int[] taulukko, int etsittava) {
    for (int i = 0; i < taulukko.length; i++)
        if (taulukko[i] == etsittava) return i;
    return -1;
}

void main() {
    IO.println("Luku 3 on indeksissä " + etsiIndeksi(new int[] {2, 3, 4}, 3));
    IO.println("Luku 2 on indeksissä " + etsiIndeksi(new int[] {-20, 10, 2, 1}, 2));
}

Tätä voi ajatella parametrien käyttönä arvojen tasolla: metodi on yleinen, mutta sille annettavat arvot vaihtelevat.

Huomaamme kuitenkin nopeasti, että sama etsiIndeksi-funktio ei kuitenkaan toimi muille lukutyypeille, kuten long tai float, eikä myöskään kokonaan muunlaisille tyypeille, kuten String. Näitä varten täytyisi tehdä erilliset funktiot.

int etsiIndeksiLong(long[] taulukko, long etsittava) {
    for (int i = 0; i < taulukko.length; i++)
        if (taulukko[i] == etsittava) return i;
    return -1;
}

int etsiIndeksiFloat(float[] taulukko, float etsittava) {
    for (int i = 0; i < taulukko.length; i++)
        if (taulukko[i] == etsittava) return i;
    return -1;
}

int etsiIndeksiString(String[] taulukko, String etsittava) {
    for (int i = 0; i < taulukko.length; i++)
        if (taulukko[i].equals(etsittava)) return i;
    return -1;
}

void main() {
    long[] longTaulukko = {-10L, 5L, 1L};
    float[] floatTaulukko = {-10.0f, 2.0f};
    String[] stringTaulukko = {"Koira", "Kissa", "Lintu"};
    IO.println("Luku -10 on indeksissä " + etsiIndeksiLong(longTaulukko, -10L));
    IO.println("Luku 2.0 on indeksissä " + etsiIndeksiFloat(floatTaulukko, 2.0f));
    IO.println("Merkkijono \"Kissa\" on indeksissä " + etsiIndeksiString(stringTaulukko, "Kissa"));
}

Koska Java on staattisesti tyypitetty kieli, emme voi kirjoittaa yhtä ja samaa metodia, joka toimisi automaattisesti kaikille näille. Ilman tällaista ratkaisua päätyisimme helposti tilanteeseen, jossa meillä on joukko lähes identtisiä metodeja: etsiIndeksiInt, etsiIndeksiDouble, etsiIndeksiString ja niin edelleen. Koodi on käytännössä sama, vain tyypit vaihtuvat.

Oikeastaan etsiIndeksi-funktion perusajatus on aina sama:

int etsiIndeksi(TYYPPI[] taulukko, TYYPPI etsittava) {
    for (int i = 0; i < taulukko.length; i++)
        if (taulukko[i] == etsittava) return i;
    return -1;
}

Javassa tämän tapaisen koodin kirjoittaminen on mahdollista tyyppiparametrien avulla.

Tyyppiparametrit

Tyyppiparametri on parametri, jonka arvona on tietotyyppi. Tyyppiparametrin tarkoitus on vähentää toistoa tapauksissa, jossa sama koodi toimii eri tyyppisille arvoille luopumatta staattisen tyypityksen antamista hyödyistä. Lisäksi tyyppiparametrit mahdollistavat ylimääräisten tyyppimuunnosten välttämistä jossain tapauksissa.

Tyypiparametri tai -parametrit voidaan määrittää metodille tavallisten parametrien lisäksi. Erikoisuutena on, että tyyppiparametreja voidaan myös määrittää luokille. Yhdessä metodien ja luokkien tyyppiparametrit mahdollistavat geneeristä ohjelmointia, eli tyypistä riippumattomien algoritmien ja tietorakenteiden ohjelmointia.

Geneerinen metodi

Metodia, joka määrittelee tyyppiparametrin, kutsutaan geneeriseksi metodiksi. Geneerisessä metodissa tietotyyppiä ei ole lukittu metodia määriteltäessä tiettyyn tyyppiin etukäteen, vaan tyyppi ilmaistaan symbolilla, joka täsmennetään vasta metodia kutsuttaessa. Metodin tyyppiparametri laitetaan kulmasulkeiden väliin ennen metodin palautustyyppiä. Yleinen käytäntö on käyttää yksikirjaimisia, isoja kirjaimia. Tavallisin näistä on T, joka tulee sanasta Type.

// aliohjelma "tulosta", jolla on yksi tyyppiparametri T 
// ja yksi tavallinen parametri "arvo"
<T> void tulosta(T arvo) {
    IO.println("Moikka, olen '" + arvo + "' ja olen luokan '" + arvo.getClass() + "' olio!");
}

void main() {
    tulosta(1.0);
    tulosta(1);
    tulosta("kissa");
}

Geneerinen metodi voi olla staattinen, ei-staattinen tai konstruktori. Tyyppiparametri voi esiintyä metodin palautustyypissä, parametreissa tai molemmissa.

Tyyppiparametreja voi olla yksi tai useampia. Ne määritellään pilkulla eroteltuina kulmasulkeiden sisällä, ja jokainen niistä voi edustaa toisistaan riippumatonta tyyppiä. Esimerkiksi alla olevassa metodissa on kaksi tyyppiparametria, T1 ja T2, jotka voivat edustaa mitä tahansa kahta erilaista tietotyyppiä.

<T1, T2> String yhdista(T1 arvo1, T2 arvo2) {
    return arvo1.toString() + ", " + arvo2.toString();
}

void main() {
    IO.println(yhdista(1, 2)); // T1 = Integer, T2 = Integer
    IO.println(yhdista(true, 1.0)); // T1 = Boolean, T2 = Double
}

Tyyppiparametrien nimeämisen osalta yleistynyt käytäntö tällä hetkellä lienee, että nimi on yleensä yksi suuraakkonen, joka on johdettu tyyppiparametrin merkityksestä, kuten T (Type), E (Element), K (Key), N (Number), V (Value). Jossain tapauksissa tyyppiparametrien nimeen lisätään myös numero, kuten T1, T2, T3, jne.

Huomaa, että yllä olevissa esimerkeissä tyyppiparametri määritellään, mutta tyyppiparametreille ei anneta arvoa kutsuttaessa. Tämä voitaisiin kyllä tehdä; esimerkiksi yllä oleva tulosta-aliohjelman kutsulle voidaan määrittää tarkasti tyyppiparametrin tyyppi.

<T> void tulosta(T arvo) {
    IO.println("Moikka, olen '" + arvo + "' ja olen luokan '" + arvo.getClass() + "' olio!");
}

void main() {
    this.<Double>tulosta(1.0); // sama kuin tulosta(1.0)
    this.<String>tulosta("kissa"); // tulosta("String")
}

Tyyppiparametrin arvoa ei yleensä määritetä kutsussa, sillä kääntäjä osaa yleensä päätellä tyyppiparametrin arvon automaattisesti. Esimerkiksi tulosta(1.0)-kutsussa lausekkeen 1.0 tyyppi on double, joten kääntäjä päättelee tyyppiparametrin T olevan (Double). On kuitenkin hyvä pitää mielessä, että tyypiparametrille kyllä annetaan taustalla arvo, vaikka sitä ei itse kirjoittaisikaan näkyville.

Katsotaan, miten aiempi etsimisongelma ratkeaa geneerisen metodin avulla.

<T> int etsiIndeksi(T[] taulukko, T etsittava) {
    for (int i = 0; i < taulukko.length; i++)
        if (taulukko[i].equals(etsittava)) return i;
    return -1;
}

void main() {
    Integer[] kokonaisluvut = {2, 3, 4};
    Double[] liukuluvut = {-10.0, 2.0, 0.0, 5.5};
    String[] elaimet = {"koira", "kissa", "gepardi", "kissa", "gepardi"};

    IO.println(etsiIndeksi(kokonaisluvut, 3));
    IO.println(etsiIndeksi(liukuluvut, 5.4));
    IO.println(etsiIndeksi(elaimet, "gepardi"));
}

Huomaa, että jouduimme tekemään erityisesti pari muutosta:

Ensinnäkin, vertailu tapahtuu nyt kirjoittamalla taulukko[i].equals(etsittava). Tämä johtuu siitä, että tyyppiparametri T voi edustaa mitä tahansa viitetietotyyppiä, ja viitetietotyyppisten arvojen vertailua ei voi tehdä ==-operaattorilla.

Toiseksi, main-pääohjelmassa tulee käyttää perustietotyyppien int, double ja long sijaan käärijäluokkia Integer, Double ja Long. Tämä johtuu siitä, että Javassa vain viitetietotyyppejä voidaan käyttää tyyppiparametreina. Rajoite puolestaan johtuu Javan tavasta toteuttaa viitetietotyyppejä. Mainittakoon, että Java-kieltä kehitetään jatkuvasti, ja on hyvin mahdollista, että lähitulevaisuudessa tämä rajoite jää pois.

Geneerinen luokka ja geneerinen rajapinta

Geneerisyys ei rajoitu vain metodeihin. Tyyppiparametrien todellinen hyöty tapana tuottaa yleistyvää koodia tulee esiin erityisesti silloin, kun tyyppiparametreja määritellään luokille tai rajapinnoille. Olemmekin jo käyttäneet kurssilla tyyppiparametreja valmiissa luokissa, kuten ArrayList<T>. lista itsessään on yleinen, mutta sen sisältämä tyyppi täsmennetään.

Geneerinen luokka on erityisen perusteltu silloin, kun luokka säilyttää jonkin tyyppisiä arvoja ja useat metodit liittyvät samaan tyyppiparametriin. Esimerkiksi Pari<T, U> voisi olla tällainen: luokan tarkoitus on säilyttää kahta arvoa, ja on olennaista, että niiden tyypit säilyvät koko elinkaaren ajan.

public class Pari<T, U> {
    private T eka;
    private U toka;

    public Pari(T eka, U toka) {
      this.eka = eka;
      this.toka = toka;
    }

    public T getEka() {
      return eka;
    }

    public U getToka() {
      return toka;
    }

    public void setEka(T eka) {
      this.eka = eka;
    }

    public void setToka(U toka) {
      this.toka = toka;
    }
}

Tämän luokan avulla voimme luoda ilmentymiä, joiden arvot voivat olla mitä tahansa tyyppejä, ilman, että meidän tarvitsee kirjoittaa erillisiä luokkia jokaista käyttötarkoitusta varten. Alla esimerkki

 public class Pari<T, U> {
     private T eka;
     private U toka;
 
     public Pari(T eka, U toka) {
       this.eka = eka;
       this.toka = toka;
     }
 
     public T getEka() {
       return eka;
     }
 
     public U getToka() {
       return toka;
     }
 
     public void setEka(T eka) {
       this.eka = eka;
     }
 
     public void setToka(U toka) {
       this.toka = toka;
     }
 }
void main() {
    Pari<String, Integer> nimiJaIka = new Pari<>("Matti", 30);
    IO.println("Nimi: " + nimiJaIka.getEka() + ", Ikä: " + nimiJaIka.getToka());

    Pari<Double, Double> koordinaatit = new Pari<>(60.192059, 24.945831);
    IO.println("Leveysaste: " + koordinaatit.getEka() + ", Pituusaste: " + koordinaatit.getToka());
}

Jos saman toteuttaisi Object-tyyppisillä attribuuteilla ja yrittäisi "paikata" sen geneerisillä metodeilla, tyyppiturvallisuus katoaa helposti ja mukaan tulee pakollisia tyyppimuunnoksia, mistä taas seuraa mahdollisia ajonaikaisia virheitä.

public class Pari {
    private final Object eka;
    private final Object toka;

    public Pari(Object eka, Object toka) {
        this.eka = eka;
        this.toka = toka;
    }

    public <T> T getEka() {
        return (T) eka; // tyyppimuunnos, ei käännösaikaista varmistusta
    }
}

Yllä olevassa esimerkissä mukamas geneerinen metodi ei oikeasti tee luokasta tyyppiturvallista, koska luokan tila on edelleen Object-tasolla ja tyyppimuunnos tapahtuu vasta ajon aikana. Geneerisen luokan idea on nimenomaan se, että tyyppi kiinnittyy luokan kenttiin ja niiden käyttöön käännösaikaisesti.

On tärkeää huomata, että geneerisen metodin ja geneerisen luokan valinta ei riipu siitä, onko metodi staattinen, vaan siitä, kuuluuko tyyppi luokan pysyvään rakenteeseen vai vain yksittäiseen toimintaan. Metodi luokan sisällä voi edelleen olla geneerinen, kunhan se käyttää omaa, eri nimistä tyyppiparametria eikä sekoitu luokan tyyppiparametriin.

static <T> T valitse(T a, T b) {
    return a;
}

// valitse(1, 1.0);        // KÄÄNNÖSVIRHE: tyyppiä T ei voida päätellä
Number n = <Number>valitse(1, 1.0); // OK: tyyppi annetaan eksplisiittisesti

Geneerisyys ja polymorfismi

Geneerisyys ja polymorfismi (tarkemmin alityyppipolymorfismi) ovat kaksi eri mekanismia, jotka täydentävät toisiaan. Vaikka molemmat lisäävät koodin joustavuutta, ne ratkaisevat eri ongelmia ja toimivat eri vaiheissa ohjelman suoritusta.

1. Polymorfismi (alityypitys): Ajonaikainen mekanismi, johon tutustuimme osassa 3. Sen tehtävä on mahdollistaa olioiden käsittely niiden yliluokan tai rajapinnan kautta, jolloin oikea toiminnallisuus (metodin toteutus) valitaan vasta ohjelman ajon aikana.
2. Geneerisyys (parametrinen polymorfismi): Käännösaikainen mekanismi. Sen tehtävä on varmistaa tyyppiturvallisuus ja vähentää toistoa sallimalla saman koodin toimia eri tyypeillä ilman että tyyppitieto katoaa.
3. Pelkkä polymorfismi (ei tyyppiturvaa) Ennen geneerisyyttä (Java 1.4 ja aiemmat) kokoelmat perustuivat pelkkään polymorfismiin ja Object-luokkaan.

// "Raaka" lista (raw type) - ei suositella enää
List lista = new ArrayList();
lista.add("teksti");
lista.add(123); // Sallittu, koska Integer on Object

for (Object o : lista) {
    // toString() kutsuu kunkin olion omaa toteutusta
    IO.println(o.toString());
}

Tässä polymorfismi sinänsä toimii, mutta koodi ei ole tyyppiturvallista. Kääntäjä ei voi estää meitä lisäämästä listaan vääriä tyyppejä, mikä johtaa virheisiin usein vasta, kun yritämme muuntaa (cast) oliota takaisin alkuperäiseen tyyppiinsä.

Geneerisyys tuo koodiin rajoitteet, jotka kääntäjä tarkistaa.

List<String> sanat = new ArrayList<>();
sanat.add("kissa");
sanat.add("koira");
// sanat.add(123); // KÄÄNNÖSVIRHE!

Tässä geneerisyys estää virheellisen käytön jo ennen kuin ohjelmaa edes ajetaan. Tässä esimerkissä emme varsinaisesti hyödynnä polymorfismia omien luokkien suhteen, vaan luotamme kääntäjän tiukkaan valvontaan siitä, että lista sisältää vain merkkijonoja.

Tehokkainta on yhdistää molemmat: geneerisyys rajaa sallitut tyypit tiettyyn perheeseen (esim. Number), ja polymorfismi hoitaa kyseisen perheen jäsenten yksilöllisen toiminnan.

// Listalle kelpaa mikä tahansa luku (Integer, Double, Long...)
List<Number> luvut = new ArrayList<>();
luvut.add(1);   // Integer on Number
luvut.add(2.5); // Double on Number

for (Number n : luvut) {
    // Geneerisyys takaa, että 'n' on vähintään Number.
    // Polymorfismi (Number-luokan toteutus) hoitaa arvot.
    IO.println(n.doubleValue());
}

Tyyppirajoitukset

Tyyppiparametreille voidaan asettaa rajoituksia, jotka määrittelevät, millainen tyyppi parametrina voidaan antaa. Tämä tehdään käyttämällä extends-avainsanaa tyyppiparametrin määrittelyn yhteydessä. Rajoitukset voivat olla luokkia tai rajapintoja, ja ne määrittelevät ylärajan tyypille, jota tyyppiparametri voi edustaa. Huomaa, että extends-avainsanaa käytetään tässä yhteydessä sekä luokista että rajapinnoista, vaikka rajapinnat eivät perikään luokkia.

// Tyyppiparametri T voi olla vain Number-luokan alityyppi
<T extends Number> void tulostaLuku(T luku) {
    IO.println("Numero: " + luku.doubleValue());
}

void main() {
    tulostaLuku(10);      // OK: Integer on Number
    tulostaLuku(3.14);    // OK: Double on Number
    // tulostaLuku("kissa"); // KÄÄNNÖSVIRHE: String ei ole Number
}

Rajoituksia voidaan asettaa useita käyttämällä &-operaattoria, jolloin tyyppiparametrin on täytettävä useita ehtoja. Alla on esimerkki metodista, jossa tyyppiparametrin tulee olla sekä Number-luokan että Comparable-rajapinnan alityyyppi.

// Tyyppiparametri T voi olla vain luokka, joka on sekä Number että Comparable
<T extends Number & Comparable<T>> void vertaile(T a, T b) {
    if (a.compareTo(b) < 0) {
        IO.println(a + " on pienempi kuin " + b);
    } else if (a.compareTo(b) > 0) {
        IO.println(a + " on suurempi kuin " + b);
    } else {
        IO.println(a + " on yhtä suuri kuin " + b);
    }
}

void main() {
    vertaile(10, 20);      // OK: Integer on Number ja Comparable
    vertaile(3.14, 2.71);  // OK: Double on Number ja Comparable
    // vertaile("kissa", "koira"); // KÄÄNNÖSVIRHE: String ei ole Number
}

Tyyppirajoituksia voidaan tehdä myös käyttäen niin sanottuja jokerimerkkiä (?), joka edustaa tuntematonta tyyppiä. Jokerimerkin avulla on mahdollista muun muassa määritellä niin sanottuja ala- ja ylärajoituksia geneerisille tyypeille. Jokerimerkkiä käytetään usein geneerisissä kokoelmissa, kun halutaan ilmaista, että kokoelmasta voi lukea tai siihen voi kirjoittaa tietyn tyyppisiä alkioita, mutta tarkkaa tyyppiä ei tiedetä etukäteen. Alla esimerkkejä.

// Metodi, joka ottaa listan, joka voi sisältää mitä tahansa Number-luokan alityyppejä.
// Listasta voi lukea Number-tyyppisiä arvoja, mutta ei voi lisätä mitään, koska
// emme tiedä tarkkaa tyyppiä.
void tulostaLuvut(List<? extends Number> luvut) {
    for (Number n : luvut) {
        IO.println(n); // Huomaa, että emme tiedä tarkkaa tyyppiä, mutta tiedämme että se on Number
    }
    // luvut.add(10); // KÄÄNNÖSVIRHE: emme voi lisätä, koska emme tiedä tarkkaa tyyppiä
}

/* Ottaa listan, jonka alkioiden tyyppi on Number tai jokin sen ylityyppi 
 * (esim. Object), joten listaan on turvallista lisätä Number-arvoja, ja siten myös Integer, Double jne. 
 */
void lisaaLukuja(List<? super Number> lista) {
    lista.add(10);      // OK: Integer on Number
    lista.add(3.14);    // OK: Double on Number
    // lista.add("kissa"); // KÄÄNNÖSVIRHE: String ei ole Number    
    // Integer eka = lista.getFirst(); // KÄÄNNÖSVIRHE: emme tiedä tarkkaa tyyppiä, joten emme voi olettaa että se on Integer
}

Emme käsittele jokerimerkkiä tässä osiossa tarkemmin, mutta voit tutustua niihin omatoimisesti Javan dokumentaatiosta.

Geneeristen tyyppien invarianssi

Vaikka Integer on Number-luokan alityyppi, List<Integer> ei ole List<Number>-luokan alityyppi. Ne ovat täysin erillisiä tyyppejä, eikä niillä ole perintäsuhdetta. Tätä kutsutaan invarianssiksi, eli muuttumattomuudeksi tyyppisuhteissa. Geneeriset tyypit ovat oletuksena invariantteja turvallisuussyistä. Alla on lyhyt esimerkki, joka havainnollistaa tätä periaatetta.

List<Integer> kokonaisluvut = new ArrayList<>();
kokonaisluvut.add(1);

// Jos geneerisyys EI olisi invarianttia, voisimme tehdä näin:
List<Number> luvut = kokonaisluvut; // (Tämä on se kohta, minkä Java estää)

// Nyt luvut ja kokonaisluvut viittaavat samaan listaan muistissa.
// Koska luvut on tyyppiä List<Number>, voimme lisätä sinne liukuluvun:
luvut.add(3.14); 

// MUTTA 'kokonaisluvut' luulee edelleen sisältävänsä vain Integer-lukuja!
Integer i = kokonaisluvut.get(1); // PAM! Ajonaikainen virhe (ClassCastException)

Jos voisimme kohdella kokonaislukulistaa yleisenä numerolistana, voisimme vahingossa ujuttaa sinne desimaalilukuja. Sitten kun alkuperäinen koodi yrittää lukea listaa kokonaislukuina, ohjelma kaatuisi. Tämä on erityisen hämmentävää siksi, että Javan taulukot toimivat eri tavalla. Taulukot ovat kovariantteja, eli Integer[]-taulukkoa voidaan käsitellä Number[]-taulukkona, mutta tällöin tyyppiturvallisuus tarkistetaan vasta ajonaikaisesti: jos taulukkoon yritetään tallentaa väärän tyyppinen alkio (esim. Double), Java heittää ArrayStoreException-poikkeuksen.

// Tämä on sallittua Javassa:
Integer[] kokonaisluvut = {1, 2};
Number[] luvut = kokonaisluvut; // OK taulukoilla!

// Mutta tämä aiheuttaa virheen vasta ohjelmaa ajettaessa:
luvut[0] = 3.14; // ArrayStoreException!

Taulukoiden kanssa Java hyväksyy riskin ja heittää virheen vasta, kun ohjelma on käynnissä. Geneerisyyden (listat yms.) yksi tärkeimmistä tavoitteista oli korjata tämä ongelma ja siirtää virhe käännösaikaan.

Jos haluamme hyödyntää polymorfismia geneeristen kokoelmien välillä, meidän on käytettävä jokerimerkkejä. Esimerkiksi, jos haluamme käsitelläList<Integer>-listaa kuten List<Number>-listaa, voimme käyttää List<? extends Number>-tyyppiä.

// Nyt tämä on sallittua, mutta lista on "read-only" turvallisuussyistä
List<? extends Number> luvut = kokonaisluvut;

for (Number n : luvut) {
    IO.println(n); // Toimii
}

Osan kaikki tehtävät

String salaa(String viesti);
String pura(String salattuViesti);

Korvaa 'a' -> '@'
Korvaa 'e' -> '3'
Korvaa 'i' -> '!'
Korvaa 'o' -> '0'

'a' -> 'b'
'b' -> 'c'
'k' -> 'l'
jne.