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Arquitectura y Lenguaje Java

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Introducción

■ El lenguaje de programación Java así como su arquitectura se diseñaron para resolver problemas que se presentan en la programación moderna.

■ Se inició como parte de un proyecto cuyo objetivo fue el de desarrollar software avanzado para dispositivos electrónicos.

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Introducción

■ Se creó un equipo de trabajo en Sun para tratar de resolver este problema. Inicialmente se pretendió utilizar C++ pero se identificaron numerosos problemas y se buscó diseñar un nuevo lenguaje.

■ Como resultado, en 1990, el nuevo lenguaje recibió el nombre de Oak y era pequeño, confiable, y de arquitectura independiente.

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Introducción

■ En 1993, mientras el equipo continuaba trabajando, apareció la Red Mundial (www) en Internet y tuvo una gran aceptación.

■ Los desarrolladores de Java pensaron que un lenguaje de arquitectura neutral sería ideal para programar en internet porque el programa podría ejecutarse en todos los tipos de computadoras conectadas a la red.

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Introducción

■ Java es un lenguaje simple, orientado a objetos, distribuido, interpretado, robusto, seguro, de arquitectura neutral, portable, de alto rendimiento, multi hilos, y dinámico.

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Simple

■ Aprenderse fácilmente y que fuera familiar (C y C++)

■ Omite la sobrecarga de operadores (aunque sí existe la sobrecarga de métodos) y la herencia múltiple.

■ Las construcciones como struct no son válidas.

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Simple

■ Descarta la instrucción goto, sin embargo, provee instrucciones etiquetadas de break y continue.

■ Incorpora la recolección de basura para manejo automático de memoria.

■ Elimina los apuntadores. ■ Maneja automáticamente la referenciación y

dereferenciación de objetos.

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Orientado a Objetos■ Permite la definición clara de interfaces y la

reusabilidad de código; así como las ventajas mencionadas previamente en este curso sobre la programación orientada a objetos.

■ Java cuenta con un conjunto extenso de clases guardadas en paquetes.

java.awt, java.io, java.net, java.lang.

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Distribuido

■ Las aplicaciones de Java pueden acceder a objetos a través de la red por medio de URL's con la misma facilidad que si accediéramos a objetos en nuestro sistema local de archivos.

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Interpretado

■ El compilador de Java genera byte-codes, en lugar de código nativo de la máquina.

■ Para ejecutar un programa en Java se utiliza el intérprete para ejecutar los byte-codescompilados, y por ello java es un lenguaje interpretado.

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Interpretado■ Los byte-codes de Java proveen un archivo objeto

de arquitectura neutral que permite que los programas puedan transportarse a múltiples plataformas.

■ Un programa en Java puede ejecutarse en cualquier sistema que cuente con el intérprete de Java y el sistema de run-time.

Máquina Virtual de Java

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Anexo A

❍ Figura 1

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Robusto

■ Java pretende que se escriban programas confiables.

■ Es un lenguaje fuertemente tipificado que permite, a tiempo de compilación, verificar problemas potenciales de asignación de tipos.

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Robusto■ La verificación de tipos es más fuerte que la de

C++ ya que no permite declaraciones implícitas de métodos.

■ Una de las mejoras de confiabilidad de Java es su modelo de memoria. Java no permite apuntadores, lo que elimina la posibilidad de sobreescribir en la memoria y corromper información valiosa.

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Robusto

■ La recolección automática de memoria evita la fragmentación de la misma por la petición y borrado dinámico.

■ El intérprete de Java realiza verificaciones a tiempo de ejecución para determinar que los accesos a arreglos y cadenas de caracteres se encuentren dentro de los límites.

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Robusto

■ Otra característica de Java es el manejo de excepciones. Esto simplifica la tarea de manejo de errores y recuperación de los mismos.

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Seguro

■ La seguridad es una preocupación primordial ya que se pretende que Java se utilice en ambientes de red.

■ Mecanismos de seguridad que impidan que algún programa trate de crear un virus o invadir el sistema de archivos.

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Seguro

■ El modelo de alojamiento de memoria de Java es una de las principales defensas contra código corrupto. El sistema de run-time realiza la verificación de los byte-codes para asegurarse de que el código que transportamos por la red no viola la integridad del medio en el que nos encontramos.

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Seguro

■ Java maneja la tecnología de encriptaciónpara verificar que un applet, que se recibe a través de la red, tiene su origen en un lugar autorizado y no ha sido modificado.

■ Java conoce y puede combatir la mayoría de las técnicas que se han utilizado para desarrollar software corrupto.

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Arquitectura Neutral

■ Los programas de Java se compilan en un formato de arquitectura neutral conocido como byte-codes.

■ La principal ventaja de esto es que Java puede ejecutarse en cualquier sistema mientras que se implemente la Máquina Virtual de Java.

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Portable■ Java garantiza que no existen aspectos de

dependencia de implementación en la especificación del lenguaje.

■ El ambiente de Java es portable hacia nuevas plataformas de hardware y sistemas operativos. El compilador de Java está escrito en Java mientras que el sistema de run-time está escrito en ANSI C.

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Alto Rendimiento

■ Java es un lenguaje interpretado y es por ello que nunca será tan rápido como un lenguaje compilado, como C. De hecho Java es, en promedio, 20 veces más lento que C.

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Alto Rendimiento

■ Los diseñadores de Java están trabajando en compiladores just-in-time que pueden traducir los byte-codes de Java en código de máquina para un CPU específico a tiempo de ejecución.

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Multihilos

■ En una aplicación como un browser de Web, es fácil imaginar múltiples tareas realizándose al mismo tiempo.

■ Java es un lenguaje multihilos que puede contar con múltiples hilos de ejecución para manejar diferentes tareas.

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Multihilos

■ Java hace de la programación multihilos una tarea más sencilla que en C y C++, al proporcionar utilerías que permiten iniciar, ejecutar, detener y verificar hilos. Además, cuenta con rutinas de sincronización.

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Dinámico

■ Java se diseñó para adaptarse a un ambiente cambiante. Las definiciones de la clase run-time de Java hace posible que dinámicamente se liguen clases en un sistema en ejecución.

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Características del lenguaje

■ Estructura y ambiente de un programa

➀ Definición de una o más clases (.class).➁ Alguna de estas clases debe contar con un método

principal main().➂ Para ejecutar un programa en Java se debe utilizar

el intérprete, java.➃ Un applet de Java no es una aplicación (Browser

de Web, appletviewer).

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Características del lenguaje// Programa 1

public class echo {public static void main (String argv[]) {for (int i=0; i < argv.length; i++)

System.out.print (argv[i] + “ “);System.out.print (“\n”);System.exit(0); }

}

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Características del lenguaje

■ Valor de Salida del programa

Cabe notar que el método main() debe de regresar un valor void. Por ello, no es posible regresar un valor de un programa de Java con una instrucción return.

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Características del lenguaje

■ Ambiente

El API (application programming interface) de Java no permite que sean leídas variables de ambiente del sistema operativo debido a que son dependientes de la plataforma. Un programa de Java puede buscar el valor de una determinada propiedad con el método System.getProperty().

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Características del lenguaje

■ Paquetes, Clases y Campos

Java, como un lenguaje diseñado para considerar lecturas de módulos dinámicamente dentro de internet, tiene cuidado para evitar conflictos de espacio. Por ejemplo, no existen las variables globales, ni las funciones globales.

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Variables globales y paquetes

■ Variables globales. En Java, toda variable y método se declaran dentro de una clase y forman parte de la misma. También, cada clase es parte de un paquete.

■ Paquetes, clases y estructura de directorio. Java cuenta con una organización jerárquica dividida en niveles.

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Paquetes

■ Para diseñar un paquete:package nombre_del_paquete;

Por ejemplo:package CTI.cem.itesm.graphics;

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Paquetes■ En Java, cada clase compilada se guarda en un

archivo separado. El nombre de este archivo debe ser el mismo que la clase. Este archivo de clase debe guardarse en un directorio que tiene los mismos componentes que el nombre del paquete.

angeles.curso.java.HolaMundoangeles\curso\java\HolaMundo.class.

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Paquetes

■ Un archivo de código Java debe tener la extensión .java. Este consiste de una o más definiciones de clases. Si se define más de una clase en un archivo .java, sólo una de ellas debe de declararse public (disponible fuera del paquete), y debe tener el mismo nombre que el archivo principal.

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Anexo B

❍ Figura 2

37

import

■ La instrucción import hace que las clases de Java sean accesibles a la clase actual utilizando un nombre abreviado.

import paquete;import paquete.class;import paquete.*;

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Comentarios

■ Java cuenta con tres tipos de comentarios:

/* *////** */

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Constantes

■ Cualquier variable declarada como final es una constante en Java. Su valor debe de especificarse al declararse y no puede cambiar.

public static final double PI = 3.14159;

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Anexo B

❍ Figura 3

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Tipos de datos referenciados

■ Los tipos de datos no primitivos en Java son objetos y arreglos (tipos referenciados)

■ Los tipos primitivos se manejan por valor. ■ En C, es posible manejar un valor por

referencia tomando su dirección y dereferenciar una dirección utilizando los operadores * y ->. Estos operadores no existen en Java.

42

Tipos de datos referenciados■ Debido a que los objetos se utilizan por referencia,

dos variables diferentes pueden hacer referencia al mismo objeto:

Button a,b;p = new Button();q = p;p.setLabel("ok");String s = q.getLabel();

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Tipos de datos referenciados

■ Esto no ocurre con los tipos primitivos:

int i = 3;j = i;i = 2;

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Copia de objetos■ Debido a que los tipos referenciados no se

utilizan por valor, asignar un objeto a otro en Java no copia el valor del objeto. Simplemente asigna una referencia al objeto.

Button a = new Button ("Ok");Button b = new Button ("Cancelar");a = b;

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Copia de objetos

■ Para copiar los datos de un objeto a otro se puede utilizar el método clone().

Vector b = new Vector;c = b.clone();

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Apuntadores

■ Java no maneja apuntadores➀ Java maneja en forma automática la referenciación

y dereferenciación de objetos. ➁ No permite hacer un cast de objetos o arreglos, a

enteros o viceversa➂ No permite la aritmética de apuntadores➃ No permite calcular el tamaño, en bytes, de

cualquier tipo primitivo u objeto

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null

■ El valor de default de todos los tipos de variables referenciadas es null, que indica "ausencia de referencia", es decir, esa variable no hace referencia a ningún objeto o arreglo.

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Recolección de basura

■ Los objetos en Java se crean con la palabra new. Sin embargo, no existe un delete o free para liberarse de ellos cuando ya no son necesarios.

■ Java cuenta con mecanismos de recolección de basura para detectar automáticamente objetos que ya no son utilizados y liberarlos.

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Arreglos

■ Son manipulados por referencia■ Se crean dinámicamente con new■ Cuando ya no son referenciados, automáticamente

se eliminan■ Existen dos formas para crear arreglos en Java. La

primera es utilizando new e indicando el tamaño el arreglo.

byte a[ ] = new byte [1024];button botones[ ] = new Button [10];

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Arreglos

■ Cuando se crea un arreglo, no se generan los objetos que están almacenados en él y es por ello que no existe un constructor que llamar y no existe lista de argumentos.

■ La segunda manera de crear un arreglo es con un inicializador estático:

int tabla [ ] = {1, 2, 3, 4, 5};

51

Arreglos multidimensionales

■ Java puede manejar este tipo de arreglos que son implementados como arreglos de arreglos.

int arreglo[ ] [ ] = new int [12] [8];

52

Cadenas de caracteres

■ En Java, las cadenas de caracteres no son arreglos terminados con caracter null como en C. En cambio, son instancias de la clase java.lang.String.

■ No es necesario indicar la terminación nullya que Java verifica los límites de las cadenas de caracteres automáticamente.

53

Cadenas de caracteres

■ Una de las características principales de los objetos tipo String es que son incambiables. Es decir, no existen métodos para cambiar el contenido de un String.

■ Para poder hacer esto, es necesario definir un objeto StringBuffer a partir del objeto String

54

Cadenas de caracteres

■ Algunos de los métodos, que se encuentran en el java.lang.String:

int i;boolean b;String myString = "HolaMundo";

b = myString.equals("holamundo");

55

Cadenas de caracteresb= myString.equalsIgnoreCase

("holamundo");

i = myString.indexOf( 'l' );

i = myString.lastIndexOf( 'o' );

i = myString.indexOf( "Mu" );

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Cadenas de caracteres

String subst = myString.substring( i );

subst = subst.concat(subst).concat(subst);

57

Clases

■ Las clases definen la estructura, el comportamiento y los mecanismos para crear instancias de las clases.

■ Las clases son una especialización de las estructuras de C (struct).

■ Las clases en Java contienen métodos y atributos.

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Ejemplo

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Clase Alumno en Java

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Clase Alumno en Java

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Acceso a los miembros de la clase

■ Los campos y métodos de una clase se pueden acceder desde cualquier parte de la misma.

■ El acceso, por parte de otras clases, es dependiente de los modificadores de acceso: publico, privado, protegido, paquete yprivado protegido

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Objetos■ Creando objetos. El declarar una variable para

manejar un objeto no crea al objeto en sí; sólo maneja la referencia al objeto. Para crear un objeto hay que utilizar la palabra new, seguida de la clase del objeto (su tipo) y una lista opcional de argumentos entre paréntesis.

java.awt.Button b = new java.awt.Button();

63

Objetos

■ Accediendo a objetos. La forma de acceder a los campos de un objeto es igual que en C cuando se manejan estructuras:

ComplexNumber c = new ComplexNumber();

c.x = 1.0;c.y = -1.414;

64

Objetos

■ Para acceder a los métodos en un objeto es igual que en C++:

ComplexNumber c = new ComplexNumber(1.0,-1.414);

double magnitude = c.magnitude();

65

super y this

■ En Java encontramos dos variables asociadas a cada objeto: super y this.

■ this es una referencia al objeto que el programa está utilizando en ese momento.

■ super es una referencia a la clase padre del objeto this.

66

Aplicaciones y Applets

■ En Java es posible implementar aplicaciones o applets.

■ Las primeras se ejecutan en la línea de comandos como cualquier programa ejecutable y los segundos se ejecutan en un browser de Web.

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Aplicaciones y Applets

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Aplicación. Hola Mundo

// Programa 2public class HolaMundo_aplicacion {

public static void main (String args[]) {System.out.println(" Hola Mundo !!!!");}

}

$ javac HolaMundo_aplicacion.java$ java HolaMundo_aplicacion

69

Applets

■ Un applet hereda la clase Applet de Java. No requiere de un método main().

■ Un applet cuenta con cinco métodos principales, todos de tipo public void:

1. init( ) 3.stop( ) 5.paint( )2.start( ) 4.destroy( )

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Applets

■ Un applet, a diferencia de una aplicación, debe de ejecutarse en un browser de Web. Para ello, es necesario generar un archivo HTML (Hyper Text Markup Language) donde se mandará llamar el applet compilado.

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Applet. Hola Mundo

// Programa 3

import java.applet.*; import java.awt.*;

public class HolaMundo extends Applet {public void paint(Graphics g) {setBackground(Color.blue);g.drawString("Hola Mundo Java!", 25, 25);}

}

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HTML. Hola Mundo

<html><applet

codebase="http:// www.tec.mx /java / applets"code = "HolaMundo.class"width = 200 height = 35>

</applet></html>

73

Variables de clase

■ Una variable de clase es aquella que es compartida por todas las instancias de dicha clase.

public static float pi = 2.1416;

■ Existe sólo una copia de esta variable■ Esta variable existe aún cuando no se hayan

creado instancias de la clase.

74

Variables de instancia■ Una variable de instancia de una clase tiene un

rango de alcance de la clase, que se define desde el primer { de la definición de la clase hasta el último } de la misma. Esto significa que todos los métodos de la clase tienen acceso a esa variable.

■ Existe una copia de esta variable en cada instancia de la clase.

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Ejemplo 1. Notación UML

76

Anexo B

❍ Ejemplo 1

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Anexo A

❍ Programa 4❍ Programa 5❍ Programa 6❍ Programa Addition.java

78

Métodos de clase

■ Se declaran con la palabra static■ Se conocen también como métodos

estáticos■ Se invocan a través de una clase en lugar de

una instancia ■ Son lo más parecido a las funciones

globales de C. ■ No utilizan this

79

Anexo B

❍ Ejemplo 2❍ Ejemplo 3❍ Programa 7❍ Programa 8

80

Herencia■ En Java toda clase herada de manera implícita a la

clase Object predefinida■ Para heredar los métodos y variables de una clase

(excepto los privados), es necesario utilizar la palabra reservada extends.

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Herencia

■ Java sólo soporta el concepto de herencia simple, es decir, sólo hereda directamente de una superclase.

■ La subclase hereda el comportamiento y la estructura de la superclase.

■ Se heredan todos los miembros públicos, protegidos o de paquete.

■ Los constructores no se heredan.

82

Encapsulamiento

■ Se utiliza el modificador public para indicar qué variables o métodos de una clase están disponibles en cualquier parte.

■ Se utiliza el modificador private para ocultar variables o métodos de una clase.

83

Encapsulamiento

■ Una variable o método privado de una clase es visible solamente por los métodos definidos para esa clase. No son accesibles por subclases ni son heredados por ellas.

84

Encapsulamiento

■ Una variable o método protected es accesible dentro de la clase donde están definidos, dentro de todas las subclases de la clase, y por las clases que se encuentran en el mismo paquete que la clase donde se encuentran.

85

Encapsulamiento■ La protección default es más estricta que la

protected. Si una variable o método se declara sin alguna de las llaves de public, private o protected, sólo es accesible para la clase que la o lo declara, así como dentro de las clases que forman parte del mismo paquete. No es accesible para las subclases (a menos que sean subclases en el mismo paquete).

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Encapsulamiento

■ Las subclases heredan los campos private protected y protected, pero no pueden acceder a estos campos en instancias de la superclase.

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Anexo A y Anexo B

❍ Figura 4❍ Programa 9❍ Programa 9-a❍ Programa 10

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Ejemplo.

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Ejemplo. Notación UML

90

Ejemplo. Notación UML

91

Ejemplo. Notación UML

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Anexo A

■ Programa 11■ Programa 11-a■ Programa 11-b

93

Superposición de métodos

■ Si una clase define un método con la misma firma que un método de alguna de sus superclases, se dice que este método está siendo redefinido (overriding)

■ Se utiliza la palabra super dentro del método de la subclase para invocar a la operación original de la superclase.

94

Métodos de utilería

■ No todos los métodos en Java tienen que ser públicos

■ Algunos métodos se declaran como privados (private) y sirven como métodos de utilería para otros métodos de la clase.

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Anexo A

■ Programa 12■ Programa 12-a

96

Composición

■ La composición se refiere a la facilidad de poder tener objetos como variables de instancia de otras clases

■ Un objeto puede tener objetos de otras clases como miembros

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Anexo A

■ Programa 13■ Programa 13-a■ Programa 13-b

98

Clases abstractas

■ Una clase abstracta es aquella que no puede ser instanciada

■ Normalmente no implementa todos los métodos que declara, sino que delega esta responsabilidad a sus subclases

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Clases abstractas

■ Una clase se define como abstracta si se incluye la palabra reservada abstract

■ Un método abstracto es un método de una clase abstracta que no contiene código

■ El método abstracto deberá implementarse en toda aquella clase que concreta que hereda de la clase abstracta

■ Un método abstracto no puede ser privado

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Clases abstractas■ Supongamos que se desea implementar clases para

diferentes figuras: rectángulo, cuadrado, elipse, etc.

■ Lo como un arreglo de figuras que se derivan de una superclase Shape. Así, Shape encapsulará las características que son comúnes en todas las figuras (como área y perímetro).

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Clases abstractas■ Sin embargo, la clase genérica Shape no puede

implementar estos métodos ya que varían de una figura a otra. Para poder manejar esto Java utiliza los métodos abstractos.

■ Un método abstracto no tiene cuerpo; sólo tiene un nombre seguido por un punto y coma.

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Clases abstractas■ Cualquier clase con un método abstracto es

abstracta automáticamente.■ Una clase abstracta no puede instanciarse.■ Una subclase de una clase abstracta puede

instanciarse si sobreescribe cada uno de los métodos abstractos de su superclase.

■ Si una subclase de una clase abstracta noimplementa todos los métodos abstractos que hereda, esa subclase es abstracta.

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Anexo B

❍ Ejemplo 4❍ Figura 5

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Anexo A

■ Programa 14■ Programa 14-a■ Programa 14-b■ Programa 14-c■ Programa 14-d■ Programa 14-e