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.