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Lecture

Java プログラミング入門 †

このページは、学部２年生向け授業である、「マルチメディアプログラミング実習」のために用意しました。

（Wikiの仕様で大文字小文字が混在した英単語に疑問符？が追加されるところがありますが、無視してください。）

↑

第6章「クラスの基礎」 †

↑

クラスとインスタンスの説明をします。よく聞いてください。 †

まとめです：

クラスは型、インスタンスはそれから作られたもの
- クラスがたいやきの焼き型だとすると、インスタンスはそれから作られたたいやき
- クラスは設計図でインスタンスはそれから作られたもの
クラスとインスタンスそれぞれにメソッドと変数がある
- クラス変数例：何個のインスタンスを作ったか？
- クラスメソッド例：インスタンスを作れ
- インスタンス変数例：ひとつのたいやきの重さ
- インスタンスメソッド　例：たいやきをxxグラム食べる

↑

すごく簡単なクラスの例 †

整数型のインスタンス変数を２個だけ持つクラスです。C言語の構造体に似ています。

public class Point {
    int x, y;
}

演習１ 3次元の座標x,y,zを表現するクラスPoint3Dを定義してください。ファイル名はPoint3D.javaです。 x,y,zはそれぞれint型とします。定義したらコンパイルしてください。

先のPoint型のクラスにインスタンスメソッドを１個追加します。座標を表示するメソッドです。

public class Point {
    int x, y;

    void print() {
        System.out.println(x + ", " + y);
    }

}

演習２先のクラスPoint3Dのインスタンスの持つ座標x,y,zが10,20,30だった場合、その座標を10, 20, 30のように表示するインスタンスメソッドprint()を定義してください。定義したらコンパイルしてください。

↑

インスタンスの生成 †

クラスからインスタンスを作ることをインスタンス化またはインスタンシエーションと言います。

先のPointクラスとは別の、テスト用クラスTestPointを用意して、その中でPointインスタンスを作るには、以下のようにします。 Pointクラスは別のファイルで定義されていることになりますが、同じディレクトリにそのファイルがあれば、ファイル名を手掛かりに探してくれます。

public class TestPoint {
    public static void main(String args[]) {
        Point pt1 = new Point();
        Point pt2 = new Point();
    }
}

配列の時と同じくnewコマンドが使われています。new Point()により、Pointクラスの設計図にしたがって、Point型インスタンスを格納するためのメモリー空間が確保されます。確保されたメモリー領域への参照をPoint型変数に代入しています。ここでは２つのインスタンスを作りました。同じ設計図（クラス）から作られましたが、それぞれ別のものです。

インスタンスのインスタンス変数、インスタンスメソッド（これらを合わせてメンバーと言うこともあります）にアクセスするためには、ピリオドを用います。C言語の構造体と同じです。

pt1とpt2のインスタンス変数に値を代入して、インスタンスメソッドprint()を呼び出すプログラムは以下のようになります。

public class TestPoint {
    public static void main(String args[]) {
        Point pt1 = new Point();
        Point pt2 = new Point();

        pt1.x = 10;
        pt1.y = 20;

        pt2.x = - pt1.x;
        pt2.y = - pt1.y;

        pt1.print();
        pt2.print();
    }
}

この結果、10, 20と-10, -20が表示されます。

演習3

TestPoint3Dというクラスを作って、その中のmain関数で、先に作ったPoint3Dクラスからインスタンスを2個作り、それぞれの座標を10,20,30と-10,-20,-30に設定し、それぞれの内容をprint()メソッドを呼び出して表示するプログラムを作ってください。以下のような実行結果が出るようにしてください

↑

クラス変数・メソッドとインスタンス変数・メソッド †

変数とメソッドの定義に使われる修飾子や戻り値の表現は、C言語に似ています。

戻り値がなければvoidと書きます
戻り値があればその型を書きます。

以下はとても重要です。

staticとついているのがクラス変数、クラスメソッドです。クラス名にピリオドをつけて呼び出します。
staticが付いていないのがインスタンス変数、インスタンスメソッドです。インスタンス名にピリオドをつけて呼び出します。（インスタンスを作らないと呼び出せません）

クラス変数にはクラス名を指定してピリオドでアクセスします。例えばjava言語には、Mathというクラスが用意されています。MathクラスにはPIというクラス変数が用意されています。なので、Math.PIでアクセスできます。

class MathTest {  
public static void main (String args[]) {
        System.out.println(Math.PI);
        }
}

またMath.random()クラスメソッドで乱数が得られます。以前の演習で使いました。

インスタンス変数はインスタンスを作ってからアクセスします。上の例でPointクラスでprint()インスタンスメソッドを作りました。これは、

Point pt1 = new Point();
pt1.print();

としてアクセスできます。クラスメソッドではありませんので、Point.print()ではアクセスできません。インスタンスメソッドだからです。

そのほかの修飾子は、あとで説明しますが、アクセス制御だけ述べておきます。

publicはすべてのクラスからアクセス可能
protectedはサブクラスからアクセス可能（後で説明します）
privateはそのクラスの中からのみアクセス可能

です。

↑

public static void main の説明 †

では、今までお馴染みの、

public static void main (String args[]) {}

は、どいういう意味だったでしょうか？考えてみてください。

これはクラスメソッドです（staticなので。これが一番重要なこと）
これは値を返しません(void)
これはどのクラスからでもアクセスできます（publicなので。）

さらに説明すると、クラスメソッドmainは特別なメソッドで、javaコマンドが実行するメソッドです。なので、public static void main()があれば、javaコマンドはこれを実行します。つまり、

javaコマンドは、引数のクラスのクラスメソッドmainを実行します
- staticと付いているのがクラス変数、クラスメソッドの印です
今作ったPointクラスにもクラスメソッドmainを実装すれば自分自身をテストできます

↑

クラスの中に自分自身のインスタンスをテストするクラスメソッドmain()を作る †

public class Point {
	private int x, y;

	void print () {
		System.out.println(x + ", " + y);
	}

     public static void main(String args[]) {
               Point pt1 = new Point(); //自分自身からインスタンスを作る
               Point pt2 = new Point(); //自分自身からもう一つインスタンスを作る

               pt1.x = 10;
               pt1.y = 20;

               pt2.x = - pt1.x;
               pt2.y = - pt1.y;

               pt1.print();
               pt2.print();
    }

}

これで、java Pointコマンドで、テストすることができます。やっていることは、少しややこしいので、しっかり確認してください。クラスメソッドの中で、自分が定義した方法で、インスタンスを作っています。そしてそれを操作しています。

演習4

クラスPoint3Dに自分自身をテストするクラスメソッドmainを作ってみよう

↑

変数には直接アクセスしないのが賢い設計 †

C言語の構造体のように変数にアクセスできます。でも、オブジェクト指向の設計では、外部からは極力変数にアクセスさせない設計が良いと言われています。変数にアクセスするには、アクセス用のメソッドを使うのが良いと言うことです。これにより、変数の型などを将来変更してもメソッドの書き換えで対応できるからです。修飾子をprivateにすると、クラスの外からアクセスできなくなって、保護できます。そして、アクセス用のメソッドを書いておきます。

例えば、Pointクラスでしたら以下のようにします。

public class Point {
	private int x, y;
	void set(int newx, int newy) {x=newx; y=newy;}
	int getx() { return x;}
	int gety() { return y;}

	void print () {
		System.out.println(x + ", " + y);
	}

	public static void main(String argv[]) {
		Point pt1= new Point();
		Point pt2 = new Point();
		pt1.set(10,20);
		pt2.set(-pt1.getx(), -pt1.gety());
		pt1.print();
		pt2.print();
	}

}

演習5

Point3Dのメソッドを充実させて次のmain()メソッドで

10, 20, 30
-10, -20, -30

という結果が出るようにしましょう

       public static void main(String argv[]) {
               Point3D pt1 = new Point3D();
               Point3D pt2 = new Point3D();
               pt1.set(10, 20, 30);//インスタンス変数を設定
               pt2.set(-pt1.getx(), -pt1.gety(), -pt1.getz());
               pt1.print();//インスタンスメソッド呼出
               pt2.print();

       }

演習6

Point3Dに、他の点との距離を返すメソッド distance ( Point3D p ) を実装して、次のmain()メソッドで

10, 20, 30
-10, -20, -30
74.83314773547883

という結果が出るようにしましょう

       public static void main(String argv[]) {
               Point3D pt1 = new Point3D();
               Point3D pt2 = new Point3D();
               pt1.set(10, 20, 30);//インスタンス変数を設定
               pt2.set(-pt1.getx(), -pt1.gety(), -pt1.getz());
               pt1.print();//インスタンスメソッド呼出
               pt2.print();

               System.out.println(pt1.distance(pt2));

       }

解答例

	
	double distance ( int ptx, int pty, int ptz ) {
		int dx = ptx - this.x;
		int dy = pty - this.y;
		int dz = ptz - this.z;
		return  Math.sqrt(dx * dx + dy * dy + dz * dz);
	}
	
	double distance ( Point3D p ) {
		return this.distance(p.getx(), p.gety(), p.getz());
	}

↑

第7章　クラスとオブジェクトの操作 †

↑

他の点との距離を返すメソッドの例を説明しました †

	double distance ( int ptx, int pty ) {
		int dx = ptx - this.x;
		int dy = pty - this.y;
		return  Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
	}
	
	double distance ( Point p ) {
		return this.distance(p.getx(), p.gety());
	}

distanceという名前は同じでも、引数の違いで、異なる動作をさせることができます。

↑

Osaifuクラスを作ってみよう †

Osaifuクラスからはインスタンスがたくさん作られる
- Osaifuクラスはお財布の設計図／工場、ここから実際のお財布（インスタンス）が複数作られる
- 工場出荷時の残金は0円だけど、その後、いろいろな値になるだろう（お金持ちのお財布には残金が多いだろうし、逆ならば少ないだろう）
- ということで残金はインスタンス変数とすべきだろう
Osaifuクラスには次のメソッド、変数が必要だろう
- 残金を表すインスタンス変数 int okane
- お金を入金するインスタンスメソッド void in(int x);
- お金を出金するインスタンスメソッド int out(int x); 戻り値は実際に出金できた金額（残金が不足ならばあるだけしか出せない）
- 残金を印刷するインスタンスメソッドがあってもよいだろう void print();
Osaifuクラスをテストするmain()メソッドでは次のことをやってください
- Osaifuインスタンスを一つ作ってそれをsaifu1という名前にする
- Osaifuインスタンスをもう一つ作ってそれをsaifu2という名前にする
- saifu1に1000円入金する
- saifu2に500円入金する
- saifu1とsaifu2が持っている金額を印刷する
- saifu1から200円出金してそれをsaifu2に入金する
- saifu1とsaifu2が持っている金額を印刷する

	public static void main(String argv[]) {
		Osaifu saifu1 = new Osaifu();
		Osaifu saifu2 = new Osaifu();
		saifu1.in(1000);
		saifu2.in(500);
		saifu1.print();
		saifu2.print();
		saifu2.in(saifu1.out(200));
		saifu1.print();
		saifu2.print();
	}

Osaifu.java 解答編

public class Osaifu {
	int okane;	
	public void in (int x) { okane += x; }
	public int out(int x) { okane -= x; return x; }
	public void print() {
		System.out.println( "okane = " + okane +" yen");
	}
	
	public static void main(String argv[]) {
		Osaifu saifu1 = new Osaifu();
		Osaifu saifu2 = new Osaifu();
		saifu1.in(1000);
		saifu2.in(500);
		saifu1.print();
		saifu2.print();
		saifu2.in(saifu1.out(200));
		saifu1.print();
		saifu2.print();
	}
}

このプログラムでは残金がマイナスになってしまってもかまわない設計になってしまっています。実際には残金だけの金額しか出せないはずなので、outメソッドを改良して、残金以上の金額を要求されたら、残金分だけしか出さないように変更してみてください。

このためには、例えばoutメソッドを以下のようにすれば良い

	public int out(int x) {
		if(x < okane ) {
			okane = okane -x;
			return x;
		} else {
			int nokori = okane;
			okane =0;
			return nokori;
		}
	}

↑

つぎにOsaifuクラスにコンストラクタを追加してみよう †

Osaifu() で残金0のインスタンスを作る
Osaifu(int x) で引数を残金の初期値としたインスタンスを作る

ことができるコンストラクタを作ろう。

これをmainから呼んで、上記のプログラムと同じことをするためには、

		Osaifu saifu1 = new Osaifu(1000);//インスタンスを作る
		//最初の保持金額を1000円にする
		Osaifu saifu2 = new Osaifu(500);//インスタンスを作る
		//最初の保持金額を500円にする

とすることになる。

↑

コンストラクタ解答編 †

以下のコンストラクタを作ることになる。

	Osaifu() { okane = 0; }
	Osaifu(int x) { okane = x; }

これは以下のように書いても良い。

	Osaifu() { this(0); }
	Osaifu(int x) { okane = x; }

↑

第8章　継承 †

継承の話をしました。別のクラスを継承することで、差分だけを書いて機能を拡張していくことができます。

↑

Osaifuクラスを継承してOsaifuUSDクラスを作ってみよう †

OsaifuUSDクラスはアメリカで買い物をするときに便利な、アメリカドルでお金を出し入れできる財布です。
あたらしく追加するメソッドは以下です
- void inUSD(int x) xドルをお財布に入金します。このとき円に換算して残高に追加します
- int outUSD(int x) xドルをお財布から出金します。このとき円に換算した金額だけ残高が減ります。戻り値はドルにしましょう。
- 1ドルは90円にしてください
OsaifuUSDクラスをテストするmain()メソッドでは次のことをやってください
- OsaifuUSDインスタンスを一つ作ってそれをsaifu1という名前にする
- OsaifuUSDインスタンスをもう一つ作ってそれをsaifu2という名前にする
- saifu1に1000円入金する
- saifu2に5ドル入金する
- saifu1とsaifu2が持っている金額を印刷する
- saifu1から2ドル出金してそれをsaifu2に入金する
- saifu1とsaifu2が持っている金額を印刷する

動作例

ヒント：一行目はこれ

public class OsaifuUSD extends Osaifu {

ヒント：mainはこんな感じ

	public static void main(String argv[]) {
		OsaifuUSD saifu1= new OsaifuUSD();
		OsaifuUSD saifu2=new OsaifuUSD();
		saifu1.in(1000);
		saifu2.inUSD(5);
		saifu1.print();
		saifu2.print();
		saifu2.inUSD(saifu1.outUSD(2));
		saifu1.print();
		saifu2.print();
	}

解答例

public class OsaifuUSD extends Osaifu {

	public int outUSD(int usd) {
		okane-=usd * 90;
		return usd;
	}

	public void inUSD(int usd) {
		okane+=usd * 90;
	}
	
	public static void main(String argv[]) {
		OsaifuUSD saifu1 = new OsaifuUSD();
		OsaifuUSD saifu2 = new OsaifuUSD();
		saifu1.in(1000);
		saifu2.inUSD(5);
		saifu1.print();
		saifu2.print();
		saifu2.inUSD(saifu1.outUSD(2));
		saifu1.print();
		saifu2.print();
		
	}
}

為替レートを90円にしたが、多分現在の為替レートとはかけ離れていると思う。為替レートを変数として持たせるとしたら、どうしたら良いだろうか。

インスタンス変数
クラス変数

のどちらにするか、考えてみよう。

↑

OsaifuUSDクラスの改造(1) †

親のメソッドを活用しても良い

public class OsaifuUSD extends Osaifu {

	public int outUSD(int usd) {
		return ( out( use * 90) / 90 );
	}

	public void inUSD(int usd) {
		in( usd * 90 );
	}
	
…

}

親のメソッドを呼ぶことを明示的に書くためにsuper.をつかってもよい。

public class OsaifuUSD extends Osaifu {

	public int outUSD(int usd) {
		return ( super.out( use * 90) / 90 );
	}

	public void inUSD(int usd) {
		super.in( usd * 90 );
	}
	
…

}

↑

OsaifuUSDクラスの改造(2) †

OsaifuUSDにprint()メソッドを追加して、円表示の次の行に ( xxx USD ) と残高をUSD表示するようにしてください。円表示を行う部分はスーパークラスOsaifuのインスタンスメソッドprint()を利用することを考えてみてください。

解答例

	public void print() {
		super.print();
		System.out.println("( " + (okane / 90) + " usd )" );
	}

↑

小テスト練習 †

以下のプログラムの中で、クラス、インスタンス、サブクラス、スーパクラス、クラスメソッド、インスタンスメソッドがどれであり、インスタンス化、継承がどこで行われているのか確認してください。 (importで始まる一行目はまだ説明していない内容なので小テストでは扱いません。無視してください)

import javax.swing.JFrame;

 public class SampleWindow extends JFrame {
	public static void main(String args[]) {
		SampleWindow w = new SampleWindow();
 		w.setVisible(true);
	}
 }