Vererbung in Java: Klassen sinnvoll erweitern

Zur Erinnerung: Eine Klasse beschreibt den Aufbau und das Verhalten ihrer Objekte. Ein Attribut speichert Daten, eine Methode führt eine Aktion aus.

Stell dir ein fiktives Inventarsystem vor. Jedes Produkt besitzt eine Artikelnummer, einen Preis und einen Hersteller. Ein Buch ist eine besondere Art von Produkt und ergänzt Autor und ISBN.

Für das Beispiel gilt:

• Produkt ist die Oberklasse.
• Buch ist die Unterklasse.
• Ein Buch ist ein Produkt.
• Ein Buch übernimmt allgemeine Produktmerkmale und ergänzt buchtypische Merkmale.

Eine Unterklasse kann auf drei Arten spezialisiert werden:

1. übernehmen: Eine geerbte Methode unverändert verwenden,
2. ergänzen: neue Attribute oder Methoden hinzufügen,
3. überschreiben: eine geerbte Methode mit passendem Spezialverhalten neu implementieren.

Vererbung wirkt über mehrere Stufen. Wenn Dungeon von Level und Level von GameObject erbt, ist ein Dungeon auch ein GameObject. Eine solche Kette heißt mehrstufige Vererbung.

Java verwendet das Schlüsselwort extends. Die Grundform lautet: class Unterklasse extends Oberklasse { ... }.

Eine Java-Klasse hat höchstens eine direkte Oberklasse. Mehrere gemeinsame Verträge können über Interfaces beschrieben werden: Ein Interface legt beispielsweise fest, welche Methoden eine Klasse anbieten muss. Eine Klasse kann mehrere Interfaces mit implements umsetzen. Das ist von mehreren direkten Oberklassen zu unterscheiden.

Die Sichtbarkeit bestimmt, worauf anderer Code zugreifen darf. Für unsere Beispiele verwenden wir eigenständige, nicht ineinander verschachtelte Klassen. Ein Paket fasst Klassen unter einem gemeinsamen Namen zusammen.

• public: zugänglich, sofern auch die Klasse zugänglich ist,
• protected: im selben Paket und unter besonderen Regeln auch aus Unterklassen anderer Pakete zugänglich,
• ohne Zugriffsmodifikator: nur innerhalb desselben Pakets zugänglich,
• private: in unseren eigenständigen Klassen nur innerhalb der deklarierenden Klasse direkt zugänglich.

Außerhalb des Pakets darf eine Unterklasse auf geschützte Instanzmitglieder über this oder über eine Referenz ihres eigenen Typs beziehungsweise eines weiteren Untertyps zugreifen. Eine beliebige Referenz vom Oberklassentyp genügt dafür nicht.

Private Mitglieder werden in Java nicht vererbt. Trotzdem enthält ein Unterklassenobjekt auch die privaten Instanzattribute seiner Oberklasse. Die eigenständige Unterklasse greift darauf bei Bedarf über geeignete Methoden der Oberklasse zu. Bei verschachtelten Klassen gelten zusätzliche Zugriffsrechte innerhalb der gemeinsamen äußersten Klasse.

Beim Überschreiben implementiert die Unterklasse eine Instanzmethode der Oberklasse neu. Eine Instanzmethode wird für ein bestimmtes Objekt aufgerufen. In unseren einfachen Beispielen müssen Methodenname sowie Anzahl, Reihenfolge und Typen der Parameter übereinstimmen; dies beschreibt die Signatur. Auch der Rückgabetyp muss kompatibel sein, und die Sichtbarkeit darf nicht eingeschränkt werden.

@Override lässt den Java-Compiler prüfen, ob die Methode tatsächlich eine Methode eines Obertyps überschreibt oder umsetzt. Die Annotation erzeugt die Überschreibung nicht erst. Eine final-Methode darf nicht überschrieben werden. static-Methoden gehören zur Klasse und werden bei gleichem Namen und gleicher Signatur verdeckt, nicht dynamisch überschrieben.

Über eine Variable des Oberklassentyps sind nur die dort bekannten und an der Aufrufstelle zugänglichen Mitglieder direkt erreichbar. Unterklassenspezifische Methoden werden dadurch nicht automatisch sichtbar. Ein Upcast von der Unterklasse zur Oberklasse ist dennoch möglich, weil das Unterklassenobjekt als Oberklassenobjekt verwendbar sein soll.

Ein Konstruktor initialisiert ein neu erzeugtes Objekt. Er trägt den Klassennamen und hat keinen Rückgabetyp. Konstruktoren werden in Java nicht vererbt. Beim Erzeugen eines Unterklassenobjekts muss jedoch auch sein Oberklassenteil initialisiert werden. Mit super(...) ruft der Unterklassenkonstruktor dafür einen passenden Oberklassenkonstruktor auf. Es entsteht dabei ein einziges Unterklassenobjekt, kein zusätzliches eigenständiges Oberklassenobjekt.

Eine überschreibende Methode kann mit super.methodenname(...) gezielt eine zugängliche konkrete Implementierung aus der Oberklassenhierarchie aufrufen. Die Suche beginnt bei der direkten Oberklasse; die dort gefundene Methode kann auch von einer weiteren Oberklasse stammen. So kann sie allgemeines Verhalten beibehalten und anschließend Spezialverhalten ergänzen.

Eine sprachlich plausible Einteilung ist noch keine gute Klassenhierarchie. Prüfe zwei Bedingungen:

1. Ist-ein-Test: Ist die Unterklasse wirklich eine besondere Art der Oberklasse?
2. Austauschbarkeit: Verhält sich jedes Unterklassenobjekt so, wie Verwender der Oberklasse es erwarten?

Apfelkuchen ist ein Kuchen, aber kein Apfel. Die Zutaten gehören als Bestandteile zum Kuchen. Eine Vererbung von Apfel wäre deshalb unpassend.

Auch wechselnde Rollen sprechen gegen starre Unterklassen. Eine Person kann gleichzeitig Kunde und Mitarbeiter sein oder ihre Rolle wechseln. Verknüpfte Rollenobjekte bilden das flexibler ab als immer neue Klassen wie KundeUndMitarbeiter.

Tiefe Hierarchien und unnötiges Überschreiben können Änderungen erschweren. Ändert sich eine zentrale Oberklasse, können viele Unterklassen betroffen sein. Halte Hierarchien deshalb überschaubar, kapsle interne Daten und beschreibe das erwartete Verhalten von Methoden eindeutig.