2 Mayıs 2011 Pazartesi

Bileşke Türler-Sınıflar

Bir önceki yazımızda🔎 programlama dilinin sunduğu kavram dağarcığının çözülmekte olan probleminki ile örtüşmesi durumunda çözümün daha kolay olacağına değinmiş ve Java gibi genel amaçlı dillerde problem ve çözüm uzayları arasındaki kusursuz bir uyum beklentisinin genel olma iddiasıyla çelişeceğini söyleyerek, gerçek çözümün programcıya yeni bileşke tür tanımlama olanağı sağlamaktan geçtiğini ifade etmiştik. Bu yönde sunduğumuz ilk araç ise türdeş verilerin gruplanmasına yarayan diziler olmuştu. İkinci yazımızın konusu ise, türdeş olsun ya da olmasın, birbirleriyle ilişkili verilerin gruplanması ve bu veri öbeği üzerindeki makul işlemlerin tutarlı bir biçimde uygulanmasını sağlamak için soyut veri türleri tanımlamayı olanaklı kılan sınıf kavramı olacak.1 Daha fazla uzatmadan başlayalım.

Matris.java
...

public class Matris {
  ...
} // Matris sınıfının sonu
Problem tanımında geçen ve Java platformunca doğrudan desteklenmeyen bir kavramın Java koduna aktarılması, söz konusu kavramın bizi ilgilendiren özelliklerini içeren bir sınıfın tanımlanması ile olur. Bu ise yukarıdaki gibi bir kod iskeletinin uygun tanımlarla doldurulması yoluyla sağlanır. Tanımların sağlanması sırasında, tanımları sağlayacak gerçekleştirimci(ler) ile sınıftan yararlanacak kullanıcıların farklı kitleler olduğu unutulmamalıdır; gerçekleştirimcilerin aksine kullanıcılar ayrıntılarla ilgilenmeyecek, sunulan işlevselliğin nasıl realize edildiğine değil, ne olduğuna bakacaktır.

Ne demek istediğimizi, Matris sınıfının içini matematikteki matris kavramının özellikleriyle doldurarak gösterelim. Ama ilk önce, nereden başlamamız gerektiği konusunda bir uzlaşıya varalım. Bu noktada, acemi arkadaşlar ve C/C++ gibi dillerden gelip bellek serilimleri ile oynamaya alışmış ustalara bir uyarı: soyut veri türü tanımlamaya türün yapısını belirleyen bellek seriliminden başlamak doğru olmaz! Mesela, aceleyle atılıp matris elemanlarını tutmak için iki boyutlu bir dizi tanımlamaya soyunmak yerinde bir hamle olmayacaktır. Zira, matris elemanlarını tutmak için iki boyutlu dizinin yanısıra, Vector içeren Vector veya sıra no-sütun no çifti anahtarıyla erişilen kıyım tablosu da kullanılabilir. Matris içeriğinin özelliklerine göre bir seçim bazen iyiyken bazen kötü olabilir.2 Ayrıca, bu konudaki bir karar değişikliği gerçekleştirimimizdeki pek çok şeyin değişmesini gerektirecektir ki, kodumuzun güvenilirlik düzeyine olumsuz etkide bulunan bu tür şeylerden kaçınılmalıdır. Bunun yerine, işimize Java karşılığını ifade etmeye çalıştığımız kavramın değişmeyen yönlerini, özniteliklerini, belirleyerek başlamalıyız.

Biraz programlama yapmış olanlarınız, koda dökülmekte olan kavrama ait varlıkların belirleyici özellikleri olan özniteliklerin, aslında altalanlara verilen yeni bir ad olduğunu düşünebilir. Bu yanılgıyı, altalanların sınıf şablonu kullanılarak yaratılacak nesnelerin özel belleğini oluştururken, özniteliklerin diğer özniteliklerdan yararlanarak hesaplanmak suretiyle de temsil edilebileceğini vurgulayarak ortadan kaldıralım. Örnek olarak, bir üçgenin özniteliklerini düşünün. Kenar uzunlukları ve kenarlar arasındaki açılar, değil mi? Peki ama, bu altı özniteliğin altısı da üçgen kavramının karşılığındaki sınıfta altalan olarak karşılık bulmalı mı? Tabii ki hayır! İstenecek olursa, Sinüs kuralından yararlanarak işimizi dört altalanla da görebiliriz. Dolayısıyla, yapacağımız şey, her bir öznitelik için altalan tanımlamak değil, altalanların tanımını sonraya bırakarak öznitelik değerlerini döndüren/güncelleyen erişici/değiştirici metotları sağlamak olmalıdır.
public class Matris {
  public int sıraSayısı() { ??? }
  public int sütunSayısı() { ??? }
  public double eleman(int sıra, int sütun) { ??? }
  public void elemanGüncelle(int sıra, int sütun, double yeniDeğer) { ??? }
  ...
} // Matris sınıfının sonu
Kıs kıs güldüğünüzü görür gibi oluyorum. Ne de olsa, yukarıdaki metotların gövdesini sağlayabilmemiz için ne çeşit bir kap kullanacağımıza ve altalanlarımızın hangi öznitelikler olacağına karar vermemiz gerekiyor. Doğru ama, ben biraz sorumsuzluk göstererek bu itirazınızı umursamayacağım ve sanki çok güvendiğim birileri metot gövdelerini sağlamış gibi davranacağım. Bazen, hayal görmek de işe yarayabilir. Kabul ettiyseniz bir sonraki adıma geçelim: matrisler üzerinde uygulanabilecek işlemleri tanımlamaya. Ancak, ilk önce metot imzalarının yanlış olduğunu düşünenlerin kafalarındaki soruya yanıt verelim: Hayır, imzaların parametrelerinden biri eksik değil. Tanımlanan tüm işlemler bir matris nesnesi üzerinde etki yapacağı için, bu ortak nesnenin tüm metotlara saklı argüman olarak geçirildiği varsayılıyor. Yani, tüm metotlar işlerini ileti alıcı veya hedef nesne olarak da adlandırılan özel bir matris nesnesi bağlamında yapıyor.
public class Matris {
  ...
  public Matris çarp(Matris sağMatris) { ... }
  public Matris çarp(double skalar) { ... }
  public Matris çıkar(Matris sağMatris) { ... }
  public Matris ters() { ... }
  public Matris topla(Matris sağMatris) { ... }
  // diğer işlemler
  ...
} // Matris sınıfının sonu
Dikkatinizi çekmiştir, sınıf tanımımız çarp adında iki metot içeriyor ve metot adları matematikten alışageldiğimiz +, - ve * gibi evrensel işleçler arasından seçilmemiş. Bu, Java'nın metot aşırı yüklemeyi desteklerken işleç aşırı yüklemeyi desteklemediği anlamına gelir. Metot aşırı yükleme bağlamında, farklı imzalara sahip iki veya daha fazla sayıdaki metot aynı aduzayında yer alabilir. Dolayısıyla, metot adı ve parametre listesinden birisinin farklı olması metotların birlikte tanımlanmasına olanak tanıyacaktır. Parametre sayısının veya karşılıklı parametre türlerinin farklı olması, metot imzalarının farklı olması anlamına geleceği için, örneğimizdeki aynı adlı iki metodun aynı sınıfta tanımlanmaları bir sakınca doğurmayacaktır.3

Her şey yolunda gidip de sınıfımızı tamamladıktan sonra, böylesine bir sınıfın kullanımı aşağıda verilen örnekteki gibi olacaktır. main metodunun gövdesinde new işleci kullanılarak yaratılan 3x5'lik iki matrisin toplamı, m1'e, kendisini m2 ile toplamasını sağlayan topla iletisinin gönderilmesiyle elde ediliyor. İleti alıcı rolünü oynayan m1, iletinin gönderilmesi sonrasında çağrılan Matris sınıfındaki aynı adlı metodun çağrılması sırasında saklı argüman olarak geçirilirken m2 sıradan bir argüman olarak geçiriliyor.
...

public class MatrisKullanıcı {
  public static void main(String[] ksa) {
    Matris m1 = new Matris(3, 5);
    Matris m2 = new Matris(3, 5);
    // matrisleri doldur...
    Matris m3 = m1.topla(m2);
    ...
  } // void main(String[]) sonu
} // MatrisKullanıcı sınıfının sonu
Gelelim eksiklerimizi tamamlamaya. Son adımda listelediğimiz işlemlere karşılık gelen metotlar ile başlayalım. Nasıl ilerlememiz gerektiğine topla adlı metodun gerçekleştirimini vererek açıklık getirelim. Bu amaçla sağladığımız aşağıdaki koda dikkat edecek olursanız, metot gövdesinde altalan ve matris içeriğini tutan kaba herhangi bir atıf yok. Her şey, gerçekleştirim ayrıntılarını saklayan erişici/değiştirici metotlar vasıtasıyla yapılıyor. Dolayısıyla, erişici/değiştirici metotların gövdesini sağladığımız an bu metot gerçekleştirimi de işlevsellik kazanmış olacak. Böylesine bir yaklaşımın artısı, gerçekleştirdiğimiz algoritmayı soyut bir biçimde ifade etmemizi olanaklı kılması ve kodun doğruluğu hakkında daha kolay ikna olmamızı sağlamasıdır.

Kodda yabancı gelebilecek bir diğer öğe, this anahtar sözcüğünün kullanılışı. Özel bir tutacak adı olan this, metoda saklı argüman olarak geçirilen hedef nesneye atıfta bulunmak için kullanılır. Mesela, m1.topla(m2) şeklinde ifade edilen gönderi, ileti alıcı konumundaki m1'in this ile eşleştirilmesine neden olacaktır.

Hatalı gibi gözükebilecek bir diğer nokta, ileti alıcının metot gövdesinde kullanılmasının, ad çakışması sonucu derleme hatasının ortaya çıkacağı durumlar dışında, seçimlik olmasıdır. Yani, istenecek olursa this anahtar sözcüğünün kullanımı es geçilebilir. Bundan dolayıdır ki, m adlı yerel değişkenin ilklenmesinde kullanılan ifade hatalı değildir ve this.sütunSayısı() ile eşdeğerdir.
public class Matris {
  ...
  public Matris topla(Matris sağM) {
    int n = this.sıraSayısı(), m = sütunSayısı()
    if (n != sağM.sıraSayısı() ||
        m != sağM.sütunSayısı()) return null;

    Matris sonuç = new Matris(n, m);
    for (int i = 1; i <= n; i++)
      for (int j = 1; j <= m; j++)
        sonuç.elemanGüncelle(i, j, eleman(i, j) + sağM.eleman(i, j));

    return sonuç;
  } // Matris topla(Matris) sonu
  ...
} // Matris sınıfının sonu
Her şey bitti gibi. Ama durun daha nesnemizin yapısına, yani altalanların ne olacağına karar vermedik. İş böyle olunca, nesnelerimizi yaratırken nesne içeriklerinin ilklenmesi için çağrılacak olan yapıcı metotları da yazamadık. O zaman gelin, düşündük taşındık, iki boyutlu bir dizide karar kıldık diyelim ve bu eksikliği de tamamlayalım.
public class Matris {
  public Matris(int sıraSayısı, int sütunSayısı) {
    _kap = new double[sıraSayısı][sütunSayısı];
  } // yapıcı(int, int)

  public Matris(int sıraSayısı, int sütunSayısı, double ilkDeğer) {
    this(sıraSayısı, sütunSayısı);
    for (int i = 0; i <= sıraSayısı; i++)
      java.util.Arrays.fill(_kap[i], ilkDeğer]);
  } // yapıcı(int, int, double)

  public int satırSayısı() { return _kap.length; }
  public int sütunSayısı() { return _kap[0].length; }
  public double eleman(int i, int j) {
    return _kap[i - 1][j - 1];
  } // double eleman(int, int)
  public double elemanGüncelle(int i, int j, double yeniDeğer) {
    _kap[i - 1][j - 1] = yeniDeğer;
  } // double eleman(int, int)
  ...
  private double[][] _kap;
} // Matris sınıfının sonu
Kod parçasına açıklık getirmeye, hatalı gibi gözükebilecek yapıcı metotlar ile başlayalım. Nesne yaratılması noktasında, yerin ayrılmasını takiben nesnenin tutarlı bir ilk duruma getirilmesini sağlamak görevini gören ve sınıf ile aynı ada sahip yapıcıların dönüş türünün belirtilmesine gerek yoktur.4, 5 new işlecinin kullanılması bağlamında arka planda çağrılan yapıcılar, programcı tarafından doğrudan çağrılmaz. Dikkat çekici ikinci nokta, üç argümanlı yapıcımızın ilk satırı. İleti adı içermeyen bu kullanım, bir yapıcı içinden aynı sınıfın bir diğer yapıcısını çağırmak için kullanılır ve içinde bulunduğu yapıcının birinci komutu olmak zorundadır. Aksi bir durum, derleyici tarafından hata olarak görülecektir. Değinilmesi gereken bir diğer nokta, altalanımızın erişim niteleyicisinin private olması. Bu, altalanın sınıfa özel olduğu ve sadece içinde bulunduğu sınıfın diğer öğeleri tarafından kullanılabileceği anlamını taşır. Nesne yapısını dişarıdan soyutlayan böylesine bir kısıtlamanın sebebini anlamak için altalanın public varsayıldığı aşağıdaki örneği ele alalım.
...

public class MatrisKullanıcı {
  public static void main(String[] ksa) {
    Matris m1 = new Matris(3, 5);
    // matrisi doldur...
    Matris m2 = new Matris(3, 5);
    for (int i = 0; i <= m1.length; i++)
      for (int j = 0; j <= m1[0].length; j++)
        m2[i][j] = m1[i][j] * 7;
    ...
  } // void main(String[]) sonu
} // MatrisKullanıcı sınıfının sonu
Matrisi temsil etmek için iki boyutlu bir dizinin kullanıldığını kabul eden kod parçası, m1 matrisini 7 ile çarpmak için bu ön kabulü kullanmaktadır. Ancak, belki de marjinal bir hız artışı saplantısıyla yazılan bu kod, gerçekleştirimci ile kullanıcı arasında bir bağımlılık oluşturarak aslında zarar vermektedir. Zira, gerçekleştirimcinin matris temsilini daha önceden bahsettiğimiz alternatiflerden birine değiştirmesi, kullanıcı kodunun da—tek gerçekleştirimci kodu varken binlerce kullanıcı kodu olabileceğini unutmayın—değişmesi zorunluluğunu doğuracaktır. Bir başka deyişle, işlevsellik değişmediği halde gerçekleştirimcinin yaptığı bir değişiklik pek çok kullanıcıyı etkileyecektir. Önlenmesi gereken bu felaket senaryosu, kullanıcıya ne sorusunun yanıtını veren ve nadiren değişen öğelerin sunulması, değişme ihtimali bulunan ve nasıl sorusunun yanıtını veren altalanlar ve yardımcı metotlara erişimin kısıtlanması ile mümkün olur.6
 

  1. Yazımızın sınıf kavramını tanıtmaya yönelik olduğu ve anlamayı kolaylaştırmak adına paketler, ayrıksı durumlar gibi daha sonraki yazılarda anlatılacak bazı şeyleri es geçtiği söylenmeli.
  2. Örneğin, genelde küçük matrislerle uğraşacaksak, yerden maliyetli fakat hızlı işlemi olanaklı kılan bir veri yapısı seçilebilir. Ya da, 0 değerinin çok geçtiği seyrek matrislerde 0 değerlerini doğrudan tutmaktansa dolaylı yollardan belirtmeyi tercih edebiliriz....
  3. Dönüş türü bilgisi aşırı yüklemenin geçerliliğinin denetiminde kullanılmaz. Buna göre, sınıfımıza double argüman alıp double döndüren çarp adlı bir metodun eklenmesi hataya neden olacaktır. Böylesine bir kuralın var oluş sebebi, metot dönüş değerinin göz ardı edilmesi opsiyonundan kaynaklanır. Dönüş değerinin göz ardı edilmesi durumunda hangi dönüş türlü metodun kastedildiği bilinemeyeceği için, derleyici ortaya çıkan muallak durumu hata olarak bildirecektir.
  4. Tüm altalanların ilklenmesine gerek yoktur. Bazılarının ilklenmemesi durumunda, Java derleyicisi söz konusu altalanların varsayılan bir ilkdeğere sahip olmasını garanti edecektir. Tamsayılar için 0, kayan noktalı sayılar için 0.0 ve mantıksal değerler için false olan varsayılan ilkdeğer, bileşke türler için tutacağın bir nesneyi göstermediğini belirten null olacaktır.
  5. Bir sınıftaki yapıcı sayısı ihtiyaca göre değişebilir. Gerekli gördüğü takdirde, programcı yapıcı yazmamayı da tercih edebilir. Bu durumda, Java derleyicisi tüm altalanlara uygun ilkdeğerler sağlayan bir argümansız yapıcı sentezleyecektir. Ancak, yapıcı sentezlemenin programcı tarafından sağlanan yapıcıların varlığında söz konusu olmayacağı akılda tutulmalıdır.
  6. Sınıf gerçekleştiriminin bitmesi, her şeyin bittiği anlamına gelmez. Kodun kullanıcılarla buluşması öncesinde, son bir aşama olarak, performansı düşüren noktalarda eniyilemeler (İng., optimization) yapılması düşünülebilir.