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Studienmaterial
Programmieren in Java JAV101
Prof. Dr. Cornelia Heinisch
E
B
O
R
P
LESE
1
Programmieren in Java
Einleitung und Lernziele
3
1 Objektorientierung und erstes Programmieren in Java
1.1 Schritt für Schritt zum ersten Java-Programm
1.1.1 Werkzeuge für die Programmierung in Java
1.1.2 Das Programm „Hello, World!“
1.2 Das objektorientierte Konzept
1.2.1 Die Denkweise in Objekten und Klassen
1.2.2 Objektorientiertes versus funktionsorientiertes Konzept
1.3 Objektorientierung in Java
1.3.1 Klassen und Objekte
1.3.2 Vererbung
1.3.3 Schnittstellen
1.3.4 Pakete
1.3.5 Klassenbibliothek
5
5
5
9
11
11
15
18
18
22
25
28
29
2 Die Programmiersprache Java
2.1 Regeln und Konventionen
2.1.1 Lexikalische Einheiten
2.1.2 Style-Guide-Konventionen
2.1.3 Kommentare
2.2 Datentypen und Variable
2.2.1 Klassifikation der Datentypen in Java
2.2.2 Variable einfacher Typen und Variable von Referenztypen
2.2.3 Array-Typen
2.3 Ausdrücke, Operatoren und Kontrollstrukturen
2.3.1 Ausdruck, Operator, Operand, Anweisung und Kontrollstruktur
2.3.2 Beliebte Fehler bei Ausdrücken und Operatoren
2.3.3 Durchlaufen von Arrays mit der for-each-Schleife
2.4 Blöcke und Methoden
2.4.1 Formale und aktuelle Parameter
2.4.2 Polymorphie von Methoden
2.4.3 Überladen von Methoden
2.5 Klassen und Objekte
2.5.1 Klassenvariable und -methoden
2.5.2 Die this-Referenz
2.5.3 Konstruktoren
2.6 Vererbung und Polymorphie
2.6.1 Aufruf von Konstruktoren der Vaterklasse
2.6.2 Erweitern, Überschreiben und Polymorphie
2.6.3 Die Klasse Object
2.7 Ausnahmebehandlung
2.8 Generizität
33
33
33
34
35
37
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50
50
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63
66
70
Inhaltsverzeichnis
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2
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Bearbeitung in
elektronischen Systemen.
Inhaltsverzeichnis
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3 Grundlegende Java-Bibliotheken
3.1 Collections
3.2 Ein-/Ausgabe und Streams
73
73
77
Zusammenfassung
Antworten zu den Kontrollfragen
Literaturverzeichnis
Stichwortverzeichnis
82
83
96
97
3
Einleitung und Lernziele
Die Nutzung von Software ist schon lange nicht mehr auf Spezialisten oder einzelne
Industriezweige beschränkt. Software durchdringt das tägliche Leben eines jeden Einzelnen. Man könnte sich fragen, ob man überhaupt noch eine Aufgabe des täglichen
Lebens erledigen kann, ohne dabei Software zu verwenden. Software im Einsatz von
morgens bis abends: Da wäre die zeitgesteuerte Warmwasseraufbereitung für die Dusche
am Morgen, oder der Kaffee aus der „Pad-Maschine“, Musik hören, Fernsehen, Telefonieren, Einkaufen und die elektronischen Bezahlmöglichkeiten, Wäsche waschen,
Auto oder Zug fahren, etc. Selbst wer es bis heute geschafft hat, weder Handy noch
Computer zu besitzen, kann sich der Nutzung von Software nicht entziehen.
Mit diesem heterogenen Einsatzfeld der Software und der oftmals enormen Komplexität
einzelner Systeme ist klar, dass Software entwickeln nicht „nur Programmieren“ bedeutet. Beim Gesamtaufwand einer Software-Entwicklung nimmt die Programmierung nur
noch einen kleinen Anteil ein. Bei der Software-Entwicklung geht es im ersten Schritt
darum, zu verstehen, welche Aufgabe durch Software unterstützt, verbessert oder überhaupt erst ermöglicht werden soll. Sogenannte Anforderungen werden aufgestellt und
sorgfältig analysiert. Die Analyseergebnisse werden in Diagrammen (Modellen) und
textuellen Beschreibungen festgehalten. Im nächsten Schritt wird ein Entwurf der zu
erstellenden Software auf Basis der Analyseergebnisse angefertigt. Die Entwurfsergebnisse werden wiederum in Diagrammen und textuellen Beschreibungen dokumentiert
und erst dann wird auf Basis der Entwurfsergebnisse die Programmierung der Software
durchgeführt.
Software entwickeln
ist mehr als
„nur Programmieren“.
Für die Programmierung kommen eine oder – bei größeren Systemen – auch mehrere
Programmiersprachen zum Einsatz. Die Programmiersprache, die Sie in diesem Studienbrief kennenlernen, ist Java. Java ist neben den Programmiersprachen C, C++ und
C# eine der heute am häufigsten eingesetzten Programmiersprachen. Die Programmiersprachen C++, C# und Java sind die dominierenden Repräsentanten der objektorientierten Programmiersprachen.
Eine objektorientierte Programmiersprache eignet sich optimal für die Implementierung
einer Software, wenn bereits die vorgelagerten Analyse- und Entwurfstätigkeiten nach
dem objektorientiert:Konzeptobjektorientierten Konzept erfolgten. Man spricht dann
auch von der objektorientierten Modellierung (OOM) und meint damit die Tätigkeiten
und die Ergebnisdokumentation in der Analyse- und in der Entwurfsphase. Von objektorientierter Programmierung (OOP) spricht man, wenn die Implementierung der Software in einer objektorientierten Programmiersprache, wie zum Beispiel Java, erfolgt.
Objektorientiertes
Konzept, Objektorientierte Modellierung
(OOM), Objektorientierte
Programmierung (OOP)
Mit dem objektorientierten Konzept ist unzertrennlich die Unified Modelling Language
(UML) (OESTEREICH, 2009) verbunden. Die Unified Modelling Language standardisiert alle Diagramme, die im Rahmen einer objektorientierten Modellierung erstellt
werden. Ein Großteil der Ergebnisdokumentation in der Analyse- und Entwurfsphase
bei einer objektorientierten Modellierung sind UML-Diagramme. Ein Programmierer
hat nun die Aufgabe, die UML-Diagramme aus der Entwurfsphase – unter Einbezug der
ergänzenden textuellen Dokumentation – in eine objektorientierte Programmiersprache
zu übersetzen. Als Java-Programmierer müssen Sie also nicht nur lernen, in der Programmiersprache Java „zu sprechen“, sondern Sie müssen auch die UML „lesen“ und
objektorientiert „denken“ können.
Unified Modelling
Language (UML)
Einleitung/Lernziele
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4
Entsprechend werden Sie in diesem Studienbrief folgende Fertigkeiten erwerben:
P in der Programmiersprache Java „zu sprechen“,
P essenzielle Notationselemente und Diagramme der UML „zu lesen“ und diese in die
Programmiersprache Java zu übersetzen,
P objektorientiert „zu denken“, um die objektorientierten Konzepte in der Programmiersprache Java abzubilden.
Der Studienbrief ist in drei Kapitel untergliedert:
P Das erste Kapitel „Objektorientierung und erstes Programmieren in Java“ vermittelt
einen leichten und schnellen Einstieg in die Objektorientierung und in die Programmierung mit Java. Zu Beginn geht es darum, die „Werkzeuge“, die Sie benötigen, um
Java-Programme zu erstellen und auszuführen, kennenzulernen. Im zweiten Schritt
lernen Sie das objektorientierte Konzept und die UML-Notationselemente für Klasse
und Objekt kennen. Sie beginnen objektorientiert zu „denken“ und lernen, wie man
diese Gedanken in UML „notieren“ kann. Abschließend wird Ihnen in diesem Kapitel am Beispiel einer Bibliotheksverwaltung gezeigt, wie die objektorientierten Konzepte in der Programmiersprache Java umgesetzt sind.
P Im zweiten Kapitel „Die Programmiersprache Java“ lernen Sie Java genauer kennen
und verfeinern Ihre Programmierfähigkeiten. Das Beispiel der Bibliotheksverwaltung wird hierzu Kapitel für Kapitel erweitert und auch immer wieder „umgebaut“.
Zu Beginn lernen Sie einige Regeln und Richtlinien für das korrekte Erstellen von
Java-Programmen. Es geht weiter mit „Datentypen und Variablen“, „Ausdrücken,
Operatoren und Kontrollstrukturen“, „Klassen und Objekten“, „Vererbung und Polymorphie“, „Ausnahmebehandlung“ und „Generizität“. Nach Abschluss dieses Kapitels haben Sie alle Sprachkonstrukte von Java kennen gelernt.
P Im dritten Kapitel „Grundlegende Java-Bibliotheken“ lernen Sie Klassenbibliotheken
kennen, die in der Programmiersprache Java geschrieben sind. Diese Klassenbibliotheken sind Bestandteil der Entwicklungsumgebung und werden mit der Programmiersprache Java ausgeliefert. Ein erfahrener Java-Programmierer unterscheidet sich von
einem Einsteiger durch eine umfassende Kenntnis von Klassenbibliotheken. Sollten
Sie später als Java-Programmierer arbeiten, so werden Sie kontinuierlich neue Klassenbibliotheken kennenlernen bzw. selbst schreiben. Konkret lernen Sie die Klassenbibliothek der Collections und die Klassenbibliothek für die Ein- und Ausgabe kennen.
Dieser Studienbrief orientiert sich an dem Buch „Java als erste Programmiersprache“
(HEINISCH, et al., 2010). Er bietet ergänzende Informationen zu den Kapiteln 1 – 14,
sowie den Kapiteln 16 – 18 des Lehrbuches. Den optimalen Lernerfolg erzielen Sie,
wenn Sie ergänzend zum Studienbrief das entsprechende Kapitel im Buch durcharbeiten.
Über die Autorin dieses Studienbriefs
Prof. Dr. CORNELIA HEINISCH studierte Softwaretechnik an der Hochschule Esslingen
und promovierte an der Universität Tübingen. Seit mehr als 10 Jahren begleitet sie in
der Automobilindustrie große SW-Projekte als Beraterin. In ihren Dozententätigkeiten
an mehreren Hochschulen lag und liegt ihr Schwerpunkt auf den Themengebieten Software-Engineering und objektorientierte Programmierung. Seit Mitte 2012 hat sie eine
Professur für Wirtschafts-Informatik an der FOM-Hochschule für Ökonomie und
Management. Als Autorin des Lehrbuches „Java als erste Programmiersprache“ ist Frau
Prof. Dr. HEINISCH mit der objektorientierten Programmierung in Java bestens vertraut.
Einleitung/Lernziele
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1
Objektorientierung und erstes Programmieren in Java
1.1
Schritt für Schritt zum ersten Java-Programm
Um Java-Programme schreiben und ausführen zu können, benötigen Sie einige „Werkzeuge“ auf ihrem Rechner. In Kapitel 1.1.1 werden Sie zuerst lernen, was Sie benötigen
und dann wird Ihnen Schritt für Schritt gezeigt, wie Sie die benötigten Werkzeuge auf
Ihrem Rechner installieren. In Kapitel 1.1.2 schreiben Sie bereits ihr erstes sehr einfaches
Java-Programm und bringen es zur Ausführung.
1.1.1
Werkzeuge für die Programmierung in Java
Damit Sie Java-Programme schreiben und ausführen können, benötigen Sie Folgendes:
P einen Editor, um ein Java-Programm einzutippen – bzw. den Java-Quellcode zu
erstellen;
P einen Java-Compiler, um den im Editor eingetippten Java-Quellcode in Java-Bytecode zu übersetzen;
P die Java-Klassenbibliothek, welche ausprogrammierte Funktionalitäten – zur
Verwendung in den eigenen Java-Programmen – zur Verfügung stellt;
P einen Java-Interpreter, um den Java-Bytecode auf der jeweiligen Rechner-Plattform
auszuführen. Hierzu übersetzt der Java-Interpreter den Java-Bytecode
in Maschinencode und bringt diesen direkt zur Ausführung.
Als Rechner-Plattform wird hier die Kombination von Betriebssystem und zugehöriger Rechner-Hardware verstanden.
Definition
Rechner-Plattform
Java-Compiler, Java-Interpreter und die Java-Klassenbibliothek werden folgendermaßen unter dem Begriff der Java-Plattform zusammengefasst:
Zu einer Java-Plattform gehören, neben der Programmiersprache Java,
Werkzeuge wie
Definition
Java-Plattform
P der Java-Compiler (javac),
P die Java Virtuelle Maschine (JVM) – in anderen Worten der Java-BytecodeInterpreter (java) – für eine Rechner-Plattform
P und eine umfassende Klassenbibliothek.
Kapitel 1
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6
Die Java-Plattform wird von Oracle – ehemals Sun Microsystems – in verschiedenen
Ausführungen zur Verfügung gestellt. Es werden beispielsweise folgende Ausführungen unterschieden:
P Standard Edition (Java SE)
P Enterprise Edition (Java EE)
P Micro Edition (Java ME)
Die Ausführungen unterscheiden sich im Wesentlichen in Art und Umfang der Klassenbibliothek und durch die zur Verfügung gestellten Werkzeuge. Die unterschiedlichen
Ausführungen sind für den Einsatz von Java-Programmen auf unterschiedlichen Endgeräten gedacht. Für diesen Studienbrief benötigen Sie eine Java-Plattform in der
Standard Edition.
In den folgenden beiden Unterkapiteln werden zwei Möglichkeiten gezeigt, mit einer
Java-Plattform zu arbeiten. In Kapitel 1.1.1.1 lernen Sie mit dem Java Development Kit
eine Java-Plattform kennen. In Kapitel 1.1.1.2 lernen Sie die integrierte Entwicklungsumgebung Eclipse kennen, die eine Java-Plattform, einen Editor und weitere Hilfswerkzeuge bereits unter einer gemeinsamen Oberfläche zur Verfügung stellt. Die erste Möglichkeit ist für diejenigen geeignet, die wenig Erfahrung mit Entwicklungsumgebungen
haben und sich erst einmal auf die Programmiersprache Java konzentrieren möchten.
Die zweite Möglichkeit ist für diejenigen gedacht, die bereits andere Entwicklungsumgebungen – oder vielleicht sogar Eclipse – kennen und auf die Komfortfunktionen
einer Entwicklungsumgebung nicht verzichten möchten.
1.1.1.1
Java Development Kit
Das Java Development Kit (JDK) wird von der Firma Oracle zur Verfügung gestellt und
ist die meistgenutzte Java-Plattform, um Java-Programme zu entwickeln und auszuführen.
Definition:
Java Development Kit
(JDK)
Das JDK ist eine Java-Plattform mit einem für die jeweilige Rechner-Plattform
spezifischen Java-Bytecode-Interpreter.
Um Java-Programme entwickeln und ausführen zu können, benötigen Sie also ein JDK.
Für jede Ausführung (zum Beispiel Java SE oder Java EE) existiert für jede unterstützte
Rechner-Plattform ein JDK. Sie müssen sich also im ersten Schritt für eine Ausführung
entscheiden (in diesem Studienbrief benötigen Sie die Java SE) und im zweiten Schritt
müssen Sie festlegen, auf welcher Rechner-Plattform Sie Java-Programme entwickeln
und ausführen möchten. Mit diesem Wissen können Sie nun auf folgender Webseite
http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html
das passende JDK herunterladen. Zuerst wählen Sie dort die Java SE aus, und dann
suchen Sie unter Downloads die Rechner-Plattform, auf der Sie entwickeln möchten.
Beispielsweise wählen Sie „Windows x86“ aus, wenn Sie Windows als 32-BitBetriebssystem installiert haben, oder „Windows x64“, wenn Sie Windows als 64-BitBetriebssystem installiert haben. Falls Sie sich unsicher sind, ob Sie Windows als
32- oder als 64-Bit-Betriebssystem installiert haben, schauen Sie bitte in der Systemsteuerung unter System nach. Unter Systemtyp finden Sie dort die benötigte Angabe.
Kapitel 1
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7
Laden Sie die entsprechende Datei auf Ihren Rechner und starten Sie die Installation.
Achten Sie während der Installation auf den Installationspfad, damit Sie wissen, wo das
JDK installiert wurde. Unter Windows erfolgt die Installation typischerweise unter:
C:\Programme\Java. Nach der Installation befinden sich darin die beiden Verzeichnisse jre7 und jdk1.7.0_xx. Das xx steht hierbei stellvertretend für die UpdateVersion, wie beispielsweise 02. Im Verzeichnis jdk1.7.0_xx werden mehrere Verzeichnisse angelegt, unter anderem ein Verzeichnis namens bin. In diesem Verzeichnis
befinden sich die Werkzeuge javac.exe (Java-Compiler) und java.exe (Java-Bytecode-Interpreter), die Sie zum Übersetzen und Ausführen Ihrer Java-Programme benötigen. Im Unterverzeichnis jre\lib befindet sich – auf mehrere Archive aufgeteilt – die
Java-Klassenbibliothek. Die Unterscheidung JRE und JDK, die Sie auch in den installierten Verzeichnissen wiederfinden, hat die folgende Bedeutung:
Eine Java Runtime Environment (JRE) beinhaltet nur diejenigen Bestandteile
eines JDKs, welche zum Ausführen von Java-Programmen benötigt werden.
Damit besteht eine JRE aus einem Bytecode-Interpreter für die jeweilige RechnerPlattform und der Java-Klassenbibliothek.
Definition: Java Runtime
Environment (JRE)
Um zu testen, ob nach der Installation noch Konfigurationen auf Ihrem Betriebssystem
erforderlich sind, öffnen Sie eine Kommandozeile (Eingabeaufforderung) und geben
bitte Folgendes in separaten Zeilen ein:
java -version
javac -version
Als Ausgabe sollten Sie jeweils eine Versionsangabe – wie beispielsweise 1.7.0_xx –
erhalten. Sollten die Befehle nicht gefunden werden, die ausgegebene Version nicht
derjenigen entsprechen, die Sie installiert haben oder die Versionsangaben unterschiedlich sein, müssen Sie die Umgebungsvariablen JAVA_HOME, PATH oder CLASSPATH
überprüfen und gegebenenfalls explizit setzen. Für das Setzen der Umgebungsvariablen
JAVA_HOME, PATH oder CLASSPATH sehen Sie bitte in (HEINISCH et al., 2010) nach.
Durch Nachschlagen der Stichwörter JAVA_HOME, PATH oder CLASSPATH im Index
finden Sie die richtige Stelle im Buch.
Falls alles passt, können Sie nun unmittelbar mit Kapitel 1.1.2 fortfahren, um das erste
Java-Programm in einem Editor zu erstellen und auszuführen. Falls Sie nach dem
Erstellen und Ausführen des ersten Java-Programmes neugierig sind, wie man ein JavaProgramm in der Entwicklungsumgebung Eclipse erstellt und zum Laufen bringt,
kehren Sie einfach zu Kapitel 1.1.1.2 zurück.
1.1.1.2
Entwicklungsumgebung Eclipse
Eclipse ist eine Entwicklungsumgebung, die – über eine komfortable grafische Bedienoberfläche – dem Programmierer einfachen und direkten Zugriff auf alle benötigten
Entwicklungswerkzeuge bietet, um Java-Programme zu schreiben und auszuführen. So
findet sich in Eclipse integriert ein komfortabler Editor, um Java-Programme einzutippen, sowie Bedienelemente, um Java-Programme direkt auszuführen oder zu debuggen.
Auf Syntaxfehler im Java-Programm wird der Programmierer bereits beim Eintippen
hingewiesen und beim Speichern des Programmes wird automatisch der Java-Compiler
Kapitel 1
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8
aufgerufen. Da viele Dinge automatisch erfolgen, ist es für einen Anfänger oftmals
schwer zu erkennen, was wirklich passiert. Was für einen erfahrenen Programmierer
Komfort darstellt, wirkt für den Einsteiger aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten, die
zu Beginn auch gar nicht benötigt werden, verwirrend.
Für Programmierer, die bereits mit Entwicklungsumgebungen gearbeitet haben, oder
vielleicht sogar Eclipse beim Programmieren in anderen Programmiersprachen schon
kennen gelernt haben, bietet es sich natürlich an, den Studienbrief unter Einsatz der Entwicklungsumgebung Eclipse durchzuarbeiten, um auf den gewohnten Komfort nicht
verzichten zu müssen.
Die Entwicklungsumgebung Eclipse können Sie kostenlos unter folgendem Link heruntergeladen:
http://www.eclipse.org/
Unter „Download Eclipse“ und danach „Eclipse IDE for Java Developers“ können Sie
unter Angabe Ihrer Rechner-Plattform Eclipse auf Ihren Rechner laden. Zur Installation
müssen Sie das heruntergeladene Archiv in einen Ordner ihrer Wahl extrahieren und
können dann die Anwendung eclipse.exe direkt starten.
Abbildung 1 zeigt die grafische Bedienoberfläche von Eclipse nachdem das Beispielprogramm im folgenden Kapitel 1.1.2 eingetippt und gespeichert wurde. Unterhalb des
Editor-Fensters wird nach dem Ausführen die Ausgabe des Programmes angezeigt.
Die Ausführung eines Java-Programmes in Eclipse erfolgt durch Drücken des weißen
Pfeiles, der nach rechts zeigt und sich in einem grün ausgefüllten Kreis befindet. Im
Hintergrund wird dann der Java-Bytecode-Interpreter java aufgerufen.
Abbildung 1:
Grafische Bedienoberfläche der Entwicklungsumgebung Eclipse
Neben Eclipse gibt es noch eine Vielzahl weiterer Entwicklungsumgebungen, um JavaProgramme zu entwickeln. Einige seien hier exemplarisch genannt:
P BlueJ ist eine Entwicklungsumgebung zur Einführung in die Programmiersprache
Java. Weitere Informationen finden Sie unter http://www.bluej.org/.
Kapitel 1
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9
P JBuilder (http://www.borland.com) ist eine kommerzielle Entwicklungsumgebung.
P JCreator (http://www.jcreator.com) ist ebenfalls eine kommerzielle Entwicklungsumgebung.
Zum Durcharbeiten des Studienbriefs können Sie – neben dem JDK – eine der genannten
oder eine andere Entwicklungsumgebung für Java verwenden.
1.1.2
Das Programm „Hello, World!“
Nach dem Exkurs zu den benötigten Werkzeugen werden Sie hier lernen, wie Sie ein
Java-Programm im Editor schreiben und wie Sie den Java-Compiler (javac) und den
Java-Bytecode-Interpreter (java) des JKDs einsetzen. Öffnen Sie einen Editor ihrer
Wahl und geben Sie den Text ein, den Sie im folgenden Bild sehen:
Abbildung 2:
Editor Notepad unter
Windows mit dem
„Hello, world!“-Programm
Bitte achten Sie beim Eintippen des Programms im Text-Editor und bei der Vergabe des
Dateinamens auf die Groß- und Kleinschreibung, da in Java zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden wird. Man sagt auch: Java ist case sensitiv.
Java ist case sensitiv.
Die genaue Bedeutung des Java-Quellcodes – wie class, public, static oder
System.out.println() – werden Sie im Laufe des Studienbriefs noch kennenlernen.
Wichtig ist im ersten Schritt, dass Sie Programme mithilfe von Compiler und Interpeter
zur Ausführung bringen können.
Speichern Sie das Programm unter dem Dateinamen HelloWorld.java ab. Achten Sie
beim Speichern darauf, dass nicht eine zusätzliche Endung – wie beispielsweise .txt
– hinzugefügt wird. Im nächsten Schritt müssen Sie das erstellte Programm durch den
Compiler javac in Java-Bytecode übersetzen. Hierzu öffnen Sie eine Kommandozeile
(Eingabeaufforderung), wechseln in das Verzeichnis, in welchem Sie die Datei
HelloWorld.java abgespeichert haben, und geben Folgendes ein:
javac HelloWorld.java
Danach drücken Sie die <RETURN>-Taste. Der javac-Compiler übersetzt dann den
Java-Quellcode in der Datei HelloWorld.java in Java-Bytecode und legt diesen
in der Datei HelloWorld.class ab. Zur Ausführung des Bytecodes der Datei
HelloWorld.class rufen Sie – durch Eingabe von
java HelloWorld
Kapitel 1
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10
und anschließendem Drücken der <RETURN>-Taste – den Interpreter auf. Der BytecodeInterpreter übersetzt nun den Bytecode in der Datei HelloWorld.class in Maschinencode und bringt diesen direkt zur Ausführung. Bitte beachten Sie, dass der Interpreter
java den Klassennamen HelloWorld und nicht den vollständigen Dateinamen
HelloWorld.class verlangt. Der Aufruf von Compiler und Interpreter sieht in der
Windows-Eingabeaufforderung wie folgt aus:
Abbildung 3:
Kompilieren und Starten
über Kommandos in der
Windows-Konsole
Das erste Programm macht nichts anderes, als Hello, world! auf dem Bildschirm
auszugeben. Schreiben Sie das Programm so um, dass ein beliebiger anderer Text
ausgegeben wird. Speichern Sie Ihr Programm und übersetzen Sie es erneut. Danach
bringen Sie das Programm nochmals zur Ausführung, um die Veränderung in der Textausgabe zu überprüfen.
P Um Java-Programme schreiben und ausführen zu können, benötigen Sie einen
Editor und eine Java-Plattform, die
p einen Java-Compiler (javac)
p die Java-Klassenbibliothek
p einen Java-Interpreter (java)
enthält.
P Das Java Development Kit (JDK) von der Firma Oracle ist eine Java-Plattform
mit einem für die jeweilige Rechner-Plattform spezifischen Java-Bytecode-Interpreter.
P Eclipse ist eine Entwicklungsumgebung, die Zugriff auf alle benötigten Entwicklungswerkzeuge bietet.
K [1]
K [10]
K [6]
Kapitel 1
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Was benötigt man, um ein Java-Programm zu schreiben und auszuführen? Versuchen
Sie, bei Ihrer Antwort die folgenden Begriffe zu verwenden und diese in einen logischen
Zusammenhang zu bringen: Editor, Java-Quellcode, Java-Compiler, Java-Bytecode,
Java-Klassenbibliothek und Java-Interpreter.
Analysieren Sie Ihr „Hello, World!“-Programm. An welcher Stelle im Programm
verwenden Sie bereits die Java-Klassenbibliothek? Falls Sie diese Frage noch nicht
beantworten können, notieren Sie einfach ihre Vermutung und verifizieren Sie diese
nach dem Durcharbeiten von weiteren Kapiteln.
Recherchieren Sie in (HEINISCH et al., 2010) nach dem Stichwort Bytecode. Finden Sie
heraus, welche Vorteile die Übersetzung in einen Zwischencode – den Bytecode – hat.
11
1.2
Das objektorientierte Konzept
Das „Handwerkszeug“ zum Programmieren in Java haben Sie nun kennen gelernt.
Sie sollen in Java aber nicht „nur programmieren“, sondern Sie sollen objektorientiert
programmieren. Aus diesem Grund müssen Sie verstehen, was sich hinter dem objektorientierten Konzept (alternative Begriffe: objektorientierter Ansatz, objektorientiertes
Paradigma oder einfach Objektorientierung) verbirgt. Das objektorientierte Konzept
beeinflusst nicht nur die Programmierung, sondern auch die Tätigkeiten in Analyse und
Entwurf, die der Implementierung vorgelagert sind. Abbildung 4 setzt die Begriffe, die
Ihnen im Rahmen des objektorientierten Konzeptes begegnen, zueinander in Beziehung.
objektorientiertes Konzept
Objektorientierte
Modellierung (OOM)
Analyse
Entwurf
Notation:
Unified Modelling Language (UML)
Objektorientierte
Programmierung (OOP)
Abbildung 4:
Das objektorientierte
Konzept und damit
verbundene Begriffe
Implementierung
Programmiersprache:
Java, C++, C#, …
Erfolgen die Tätigkeiten in Analyse und Entwurf nach dem objektorientierten Konzept
und die Ergebnisdokumentation in UML, so spricht man von einer objektorientierten
Modellierung. Erfolgt die Implementierung konform zum objektorientierten Konzept in
einer objektorientierten Programmiersprache, so spricht man von einer objektorientierten Programmierung. Während die objektorientierte Modellierung dem Software-Engineering zugeordnet wird, wird die objektorientierte Programmierung typischerweise im
Rahmen einer objektorientierten Programmiersprache gelehrt.
1.2.1
Die Denkweise in Objekten und Klassen
Für das objektorientierte Konzept ist das Denken in Objekten und Klassen von zentraler
Bedeutung. Möchte man Aufgaben, die bisher manuell erledigt wurden, durch den Einsatz eines EDV-Systems unterstützen, so stellt man sich beim objektorientierten Ansatz
folgende Fragen:
P Mit welchen Objekten hat man es beim Erledigen der Aufgaben zu tun?
P Welche Eigenschaften dieser Objekte sind im Rahmen der zu erledigenden Aufgaben
von Bedeutung?
P Was wird mit den Objekten gemacht?
Diese drei Fragestellungen werden in den folgenden Unterkapiteln beleuchtet.
Kapitel 1
å JAV101
12
1.2.1.1
Finden der relevanten Objekte und Klassen
Möchte man beispielsweise die Aufgaben einer Bibliothek – die bisher mithilfe von
Karteikarten und manuell gepflegten Listen durchgeführt wurden – durch Einsatz eines
EDV-Systems unterstützen, so werden mit Sicherheit die vielen „Buch-Objekte“, die es
in der Bibliothek gibt, ins Auge fallen. Jedes in der Bibliothek existente Buch ist in der
Objektorientierung ein eigenes „Buch-Objekt“, das beispielsweise ausgeliehen und wieder zurückgegeben werden kann. Objekte können nicht nur Gegenstände sein (wie die
konkret existenten Bücher), sondern auch Wesen, die im Rahmen der Aufgaben von
Bedeutung sind. Stellt man sich als Beobachter in die Bibliothek, so kann man sehen,
wie Personen in die Bibliothek kommen und Bücher „mitnehmen“ bzw. „zurückbringen“. Bei genauem Betrachten der Personen, und der von ihnen durchgeführten Tätigkeiten, erkennt man recht schnell, dass es sich nicht um beliebige Personen handelt,
sondern um Personen, die in der Bibliothek registriert sind und einen Bibliotheksausweis besitzen. Personen, die einen Bibliotheksausweis besitzen, werden fortan als „Ausleiher-Objekte“ bezeichnet. Damit wären die wichtigsten Objekte – die „Buch-Objekte“
und die „Ausleiher-Objekte“ – für die zukünftige Bibliotheksverwaltung bereits gefunden.
Was kann zum
Objekt werden?
Neben existenten Gegenständen in der realen Welt (wie z. B. Bücher) können auch
Wesen (wie z. B. Ausleiher oder Mitarbeiter) oder Konzepte (wie z. B. Versicherungsverträge oder Rechnungen) relevante Objekte darstellen.
Hat man die relevanten Objekte gefunden, so ist es ein ganz kleiner Schritt zu den Klassen. Für die vielen „Buch-Objekte“ wird die Klasse Buch eingeführt und für die vielen
„Ausleiher-Objekte“ wird die Klasse Ausleiher eingeführt. Unter einer Klasse werden
alle gleichartigen Objekte zusammengefasst. Aus Sicht einer objektorientierten Programmiersprache ergibt sich folgende Definition:
Definition:
Klasse und Objekt
Klassen stellen die Baupläne für Objekte dar. Die Klassen sind die Datentypen,
die Objekte die Variablen (Instanzen) dieser Datentypen. Ein Objekt wird gemäß
dem Bauplan der Klasse erzeugt.
Aus der Programmiersprache C kennen Sie beispielsweise den Datentyp int. Von diesem Datentyp können Variablen (z. B. int i oder int j) erzeugt und den Variablen
können individuelle Werte (z. B. i = 5 und j = 6) aus dem Wertebereich des Datentyps int zugewiesen werden. In Analogie zu diesem einfachen Datentyp – den es auch
in Java gibt – stellt eine Klasse nichts anderes als einen zusammengesetzten, selbst definierten Datentyp dar. Im Rahmen der Bibliotheksverwaltung führen wir also die neuen
Datentypen Buch und Ausleiher ein. Von diesen Datentypen können dann beliebig
viele Variablen (Objekte, Instanzen) erzeugt und mit den für das konkrete Buch- oder
Ausleiher-Objekt charakteristischen Werten initialisiert werden.
Damit man eine Klasse in der Form eines Datentyps beschreiben kann, muss man sich
überlegen, aus welchen Daten (alternative Begriffe: Eigenschaften, Datenfeldern, Attributen) sich der Datentyp zusammensetzen soll. Mit dieser Frage werden Sie sich im
nächsten Kapitel beschäftigen.
Kapitel 1
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13
1.2.1.2
Finden relevanter Eigenschaften von Objekten bzw. Klassen
Die relevanten Eigenschaften eines Objektes bzw. einer Klasse werden in objektorientierten Programmiersprachen typischerweise als Datenfelder bezeichnet. Es ist also die
Frage zu beantworten, welche Datenfelder – im Rahmen der zu automatisierenden Aufgaben – für die gefundenen Klassen von Bedeutung sind. Für die betrachtete Klasse
Buch könnten dies unter anderem sein: Buchnummer, ISBN, Titel, Autor und Auflage.
Für die betrachtete Klasse Ausleiher könnten dies unter anderem sein: Ausleihernummer, Vorname, Name und Anschrift. Die Darstellung der Klasse Buch in der UML
könnte nach ersten Überlegungen wie folgt aussehen:
–
–
–
–
–
–
Abbildung 5:
Klasse Buch mit ersten
privaten Datenfeldern
Klassenname Buch
Buch
buchNummer
ISBN
titel
autoren
auflage
erscheinungsjahr
private
Datenfelder
Die UML ist – wie bereits erwähnt – die grafische Notationssprache, die für das objektorientierte Konzept eingesetzt wird. Klassen – wie auch Objekte – werden in der UML
durch ein Rechteck dargestellt. Bei einer Klasse steht oben im Rechteck der Klassenname in Fettdruck. Es folgen die Datenfelder. In Abbildung 5 steht vor den Datenfeldern ein kleiner Strich. Der kleine Strich bedeutet, dass das jeweilige Datenfeld nur von
den Methoden der eigenen Klasse verändert werden kann. Man sagt auch, die Datenfelder
sind privat. Wie die relevanten Methoden gefunden werden können, wird im nächsten
Kapitel erläutert.
Die Darstellung eines exemplarischen Objektes buch1 der Klasse Buch sieht in der
UML wie folgt aus:
buch1:Buch
buchNummer = AF1001
ISBN = 978-3-8348-0656-7
titel = Java als erste Programmiersprache
autoren = Heinisch, Müller-Hofmann, Goll
auflage = 6
erscheinungsjahr = 2010
Objektname buch1
Klassenname Buch
Datenfelder mit
individuellen Werten
für das Objekt buch1
In der UML-Notation steht bei einem Objekt oben im Rechteck der Objektname gefolgt
von einem Doppelpunkt. Hinter dem Doppelpunkt steht der Name jener Klasse, von
welcher das Objekt erzeugt wurde. Handelt es sich um ein ganz konkretes Objekt, so
wird Objektname:Klassenname unterstrichen. Wäre ein beliebiges Objekt der Klasse
Buch gemeint, so würde man nur :Buch (ohne Unterstreichung) in das Rechteck schreiben. In diesem Fall wären die Datenfelder auch nicht mit individuellen Werten belegt.
Abbildung 6:
Objekt buch1
der Klasse Buch
mit individuellen
Werten
Unterscheidung konkretes
und beliebiges Objekt in
der UML
Kapitel 1
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14
1.2.1.3
Finden relevanter Methoden von Objekten bzw. Klassen
Zu einer Klasse bzw. zu einem Objekt gehören nicht nur Datenfelder, sondern auch
Methoden. Zum Finden der relevanten Methoden ist folgende Frage zu beantworten:
Was kann man mit den Objekten machen? Konkret auf unser Beispiel bezogen lautet
die Frage: Was kann man mit den „Buch-Objekten“ in der Bibliothek machen bzw. was
tun die „Ausleiher-Objekte“ in der Bibliothek? Stellt man sich als Beobachter in die
Bibliothek, so sieht man Folgendes: Ein Buch wird von einem Ausleiher ausgeliehen,
ein Buch wird von einem Ausleiher zurückgegeben, ein Buch wird in die Bibliothek
aufgenommen, ein Buch wird durch den Bibliothekar in ein Regal gestellt, ein Buch
wird durch den Ausleiher aus einem Regal geholt, usw. Damit die relevanten Methoden
für die Objekte gefunden werden, muss man sich nun die Frage stellen, welche der
beobachtbaren Vorgänge, bzw. welche Teile der beobachtbaren Vorgänge tatsächlich
automatisiert werden sollen.
Unterscheidung
Geschäftsprozess und
Anwendungsfall
Durch Beobachten der Abläufe in der Bibliothek werden die sogenannten Geschäftsprozesse identifiziert. Für die spätere Programmierung sind jedoch die sogenannten Anwendungsfälle relevant. Die Anwendungsfälle werden gefunden, indem man die Geschäftsprozesse genau analysiert und festlegt, welche Teile durch das neue System
automatisiert werden sollen.
Der Geschäftsprozess „Buch ausleihen“ lässt sich beispielsweise in folgende Schritte
zerlegen:
P
P
P
P
P
Buchrecherche durchführen
Buchverfügbarkeit prüfen
Buch aus Regal holen
Ausleiher identifizieren
Buch für Ausleiher als entliehen buchen
Für die Schritte „Buchrecherche durchführen“, „Buchverfügbarkeit prüfen“, „Ausleiher
identifizieren“ und „Buch für Ausleiher als entliehen buchen“ wird man weiter prüfen,
inwiefern diese automatisiert werden können. Prinzipiell kann auch der Schritt „Buch
aus Regal holen“ automatisiert werden. Der tatsächliche Automatisierungsgrad ist – je
nach Projekt und Projektbudget, sowie den Zielen des Auftraggebers – individuell festzulegen.
Für jeden zu automatisierenden Schritt ist zu prüfen, welche Objekte mit welchen
Methoden hier unterstützen können. Analysieren wir beispielhaft das „Buch-Objekt“:
Ein einzelnes „Buch-Objekt“ kann keine Recherche durchführen, aber ein einzelnes
„Buch-Objekt“ kann seine Daten für die Buch-Recherche zur Verfügung stellen. Es bietet beispielsweise eine Methode getData() oder spezifischer getTitel() usw. an.
Um die Verfügbarkeit eines Buches zu prüfen, benötigt ein Buch einerseits das Wissen,
wie viele Exemplare des Buches überhaupt in der Bibliothek geführt werden, und andererseits eine Möglichkeit, die verfügbaren Buchexemplare abzufragen. Durch diese
Überlegung wird erkannt, dass für das „Buch-Objekt“ zum einen ein neues Datenfeld
anzahlExemplare und zum anderen eine Methode getAnzahlExemplare() benötigt
wird. Schritt für Schritt werden über die Analyse der zu automatisierenden Aufgaben –
in anderen Worten durch die Analyse der Anwendungsfälle – neue Methoden und
Datenfelder gefunden. Nach einigen Überlegungen könnte die UML-Notation der Klasse
Buch wie folgt aussehen:
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15
Buch
–
–
–
–
–
–
–
–
buchNummer
ISBN
titel
autoren
auflage
erscheinungsjahr
anzahlExemplare
anzahlVerliehen
getTitel()
getISBN()
isVerfügbar()
getAnzahlExemplare()
Klassenname Buch
Abbildung 7:
Klasse Buch mit
Datenfeldern und
Methoden
private
Datenfelder
Methoden
Identifiziert man Vorgänge, die man keiner bereits bekannten Klasse als Methoden
zuordnen kann, so muss man überlegen, ob eine neue Klasse benötigt wird. Das systematische Analysieren der Anwendungsfälle und das Finden von benötigten Klassen,
Datenfeldern und Methoden ist Kernaufgabe der objektorientierten Modellierung.
Auf die Einzelheiten der objektorientierten Modellierung kann hier nicht vertieft eingegangen werden. Sie müssen jedoch die grundlegenden Zusammenhänge verstehen:
Im objektorientierten Konzept werden Objekte, sowie deren Datenfelder und Methoden,
durch Beobachten der Realität gefunden. Das – während der Analysetätigkeiten –
erstellte – und später durch die Entwurfstätigkeiten verfeinerte – Modell wird im Rahmen
der objektorientierten Programmierung in eine objektorientierte Programmiersprache
übersetzt. Um gute objektorientierte Programme zu schreiben, genügt es nicht, eine
objektorientierte Programmiersprache zu beherrschen, ausschlaggebend ist, dass zuvor
das richtige objektorientierte Modell erstellt wird.
1.2.2
Objektorientiertes versus funktionsorientiertes Konzept
Welche Unterschiede gibt es zwischen dem klassischen funktionsorientierten und dem
objektorientierten Konzept? Um diese Frage zu beantworten, vorab eine kurze Wiederholung, was unter dem funktionsorientierten Konzept verstanden wird:
Für das funktionsorientierte Konzept ist kennzeichnend, dass im Entwurf eine
Zerlegung des Systems in Haupt- und Unterprogramme erfolgt. Anstatt von
Haupt- bzw. Unterprogrammen, wird auch von Funktionen bzw. Prozeduren
gesprochen. Für die Implementierung kommen prozedurale Programmiersprachen – wie beispielsweise C – zum Einsatz.
Definition: Funktionsorientiertes Konzept
Die folgenden Argumente (GOLL, 2011) sollen einen Einblick in die essenziellen Unterschiede zwischen funktionsorientiertem und objektorientiertem Konzept geben:
P (Mangelnder) Schutz der Daten: Im funktionsorientierten Konzept werden die Daten
von Funktion zu Funktion weitergereicht und innerhalb der Funktionen verändert.
Unter Umständen wird sogar mit globalen Daten gearbeitet, die in allen Funktionen
verändert werden können. Bei dieser Vorgehensweise verliert man leicht den Über-
Schutz der Daten
Kapitel 1
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16
blick, welche Auswirkungen eine Datenänderung auf andere Funktionen hat und welche Funktion für eventuell fehlerhafte Daten verantwortlich ist. Im objektorientierten
Konzept werden Daten und zugehörige Methoden als eine Einheit betrachtet. Eine
Klasse bzw. ein Objekt beinhaltet sowohl die relevanten Daten als auch die Methoden,
welche auf diesen Daten arbeiten. Die Daten können nur von den Methoden der eigenen Klasse verändert werden. Man sagt auch, die Daten sind vor dem „Zugriff von
außen“ geschützt.
Verständlichkeit gegenüber dem Kunden
P (Mangelnde) Verständlichkeit gegenüber dem Kunden: Die Trennung von Daten und
Funktionen im funktionsorientierten Konzept führt dazu, dass der Auftraggeber seine
Aufgabenstellung in den Analyse- und Entwurfsmodellen nicht mehr erkennen kann.
Der Entwickler beginnt oftmals unverzüglich im Lösungsbereich zu denken. Die
Begriffswelt und die Modelle des Lösungsbereichs sind für den Auftraggeber aber
nicht verständlich. Im objektorientierten Konzept erfolgt die Modellierung in der
Begriffswelt des Kunden. Die Objekte aus der Begriffswelt des Kunden werden mit
ihren Eigenschaften und Methoden in ein Modell transferiert und später in einer
objektorientierten Programmiersprache programmiert. Dies führt dazu, dass der Auftraggeber die Modelle besser verstehen kann. Hierdurch kann einfacher sichergestellt
werden, dass die Entwickler genau das System bauen, welches der Kunde benötigt.
Zusammenhang zwischen
Systemanalyse und
Systementwurf
P (Mangelnder) Zusammenhang zwischen Systemanalyse und Systementwurf: Im funktionsorientierten Ansatz gibt es keine eindeutige Abbildung der Datenflussdiagramme
der strukturierten Analyse in den Systementwurf. Dieser Methodenbruch macht es
schwierig, nachzuvollziehen, ob die Ergebnisse der Systemanalyse korrekt in den
Systementwurf und den Programmcode überführt worden sind. Im objektorientierten
Konzept gibt es keinen Methodenbruch. Mit Beginn des Projektes wird in Klassen
und Objekten gedacht. In Systemanalyse und -entwurf werden die Modelle kontinuierlich erweitert und vervollständigt. Das letzte Modell des Entwurfs ist die
Grundlage für die Implementierung. Es ist sogar möglich, die objektorientierten
Entwurfsmodelle so genau zu beschreiben, dass eine automatische Code-Generierung durchgeführt werden kann.
Übersicht bei großen
Systemen
P (Mangelnde) Übersicht bei großen Systemen: Im funktionsorientierten Ansatz können
mehrere Anweisungen zu Funktionen gebündelt werden. Bei komplexen und umfangreichen Systemen erhält man sehr viele Funktionen. Mit zunehmender Systemgröße
wird es damit immer schwieriger, den Überblick zu behalten. Im objektorientierten
Konzept stehen mit Klassen und Paketen größere Strukturierungseinheiten zur Verfügung. Bei einer korrekten Verwendung von Klassen und Paketen lässt sich die
Komplexität von großen Systemen damit besser beherrschen.
Wiederverwendbarkeit
von Quellcode
P (Mangelnde) Wiederverwendbarkeit von Quellcode: Gekoppelt mit der mangelnden
Übersicht ist eine mangelnde Wiederverwendbarkeit im funktionsorientierten
Ansatz. Erkennt man aufgrund der hohen Komplexität vorhandene Bausteine nicht,
kann man sie auch nicht verwenden. Oftmals lohnt sich die Suche nach wiederverwendbaren Teilen nicht, da Suchaufwand und Nutzen – aufgrund der geringen Größe
der Bausteine – nicht in einem vernünftigen Verhältnis stehen. Für die Wiederverwendbarkeit im objektorientierten Konzept ist ausschlaggebend, dass Klassen modelliert werden, die zusammengehörige Daten und Methoden in eine Einheit packen.
Als weiterer Strukturierungsbaustein werden dann Pakete gebündelt, die zusammengehörige Klassen in eine Einheit packen. Auf der Basis gut durchdachter Klassen,
können dann weitere Mechanismen – wie Komposition, Aggregation, Vererbung und
Polymorphie eingesetzt werden, um eine optimale Wiederverwendbarkeit zu erlangen.
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Es ist jedoch falsch, zu glauben, dass man durch Einsatz der Objektorientierung automatisch eine höhere Wiederverwendung erhält. Dies ist nur dann der Fall, wenn die
Entwickler in der Lage sind, Klassen zu entwerfen, die zusammengehörige Daten
und Methoden bündeln sowie klare und wohl definierte Schnittstellen besitzen.
P (Mangelnde) Stabilität: Ein Entwurf in der funktionsorientierten Vorgehensweise ist
sehr empfindlich gegenüber nachträglichen Änderungen. Daten und Funktionen sind
getrennt. Kommen neue Funktionen oder Daten hinzu, so kann dies erhebliche Änderungen des Programmgefüges nach sich ziehen. Es kann sein, dass die Aufrufhierarchie komplett neu entworfen werden muss. Im objektorientierten Konzept beschränken sich Änderungen oftmals nur auf einzelne Klassen. Bleiben die Schnittstellen
einer Klasse stabil (das sind die nach außen sichtbaren Methoden), dann können beispielsweise innerhalb der Klasse die Algorithmen komplett geändert werden, ohne
dass andere Klassen angepasst werden müssen. Man erhält allerdings – ebenso wie
bei der Wiederverwendbarkeit – nur dann eine sehr gute Stabilität, wenn die Klassen
sorgfältig und durchdacht entworfen wurden.
Stabilität
Das objektorientierte Konzept ermöglicht das Denken in Objekten vom Start des Projektes bis zur Programmierung. Damit existiert ein durchgängiges Denkschema von der
realen Welt über die „Welt der Modellierung“ bis in die „Welt der Programmierung“.
Beim Schritt von der realen Welt in die „Welt der Modellierung“ muss man festlegen,
was von der realen Welt für die zu bauende Software von Interesse ist. Beim Schritt von
der „Welt der Modellierung“ in die „Welt der Programmierung“ wird das Modell auf
die Sprachkonstrukte der Programmiersprache abgebildet. Welche Sprachkonstrukte die
objektorientierte Programmiersprache Java hierfür zur Verfügung stellt, werden Sie im
nächsten Kapitel erfahren.
P Bei einer objektorientierten Modellierung erfolgen die Tätigkeiten in Analyse und
Entwurf nach dem objektorientierten Konzept und die Ergebnisse werden in UML
dokumentiert.
P Bei der objektorientierten Programmierung erfolgt die Implementierung konform
zum objektorientierten Konzept in einer objektorientierten Programmiersprache.
P Fragestellungen des objektorientierten Ansatzes sind:
p Welche Objekte bzw. Klassen sind relevant?
p Welche relevanten Eigenschaften besitzen die Objekte bzw. Klassen?
p Was wird mit den Objekten gemacht? Welche Methoden sind für die Objekte
bzw. Klassen relevant?
P Gegenstände der realen Welt, Wesen oder Konzepte können Objekte darstellen.
P Klassen stellen die Baupläne für Objekte dar, ein Objekt wird gemäß diesem Bauplan erzeugt.
Zeichnen Sie in der UML-Notation eine Klasse Ausleiher mit den Datenfeldern
ausleiherNummer, name, vorname, strasse, hausNummer, plz und ort sowie den
exemplarischen Methoden getAusleiherNummer() und getName(). Zeichnen Sie
ferner ein beliebiges Objekt der Klasse Ausleiher und ein spezifisches Objekt der
Klasse Ausleiher. Belegen Sie die Datenfelder des spezifischen Objektes mit beispielhaften Werten und vergeben Sie den Objektnamen ausleiher1.
K [2]
Kapitel 1
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18
K [35]
Was ist der Unterschied zwischen einer Klasse und einem Objekt?
K [23]
Wie werden im objektorientierten Konzept Klassen bzw. Objekte, Datenfelder und
Methoden gefunden?
K [22]
Was ist die Grundlage dafür, dass im objektorientierten Konzept eine höhere Wiederverwendbarkeit und eine bessere Stabilität als im funktionsorientierten Konzept erreicht
werden kann?
1.3
Objektorientierung in Java
Dieses Kapitel soll folgende Frage beantworten: Wie ist das objektorientierte Konzept
in der Programmiersprache Java abgebildet? Sie lernen in diesem Kapitel, wie Klassen
programmiert und Objekte erzeugt werden. Darüber hinaus begegnen Sie dem Konzept
der Vererbung, den Schnittstellen und den Paketen. Abschließend werden Sie noch lernen,
wie Sie die Java-Klassenbibliothek in Ihren eigenen Programmen verwenden können.
1.3.1
Klassen und Objekte
Klassen bzw. Objekte sind die wichtigsten Bausteine im objektorientierten Konzept.
Deshalb werden Sie zuallererst eine Klasse Person programmieren und von der
Klasse Person mehrere Objekte erzeugen. Öffnen Sie einen Editor und erstellen Sie
die folgenden beiden Java-Quellcode-Dateien in einem Ordner beispiele. In dem
Ordner beispiele sollten sich dann die beiden Dateien Person.java und
TestPerson.java befinden.
// Datei: Person.java
public class Person // Klassendeklaration der Klasse Person
{
private String name;
// privates Datenfeld name
private String vorname; // privates Datenfeld vorname
// Methode, um den Namen zu setzen.
public void setName (String n)
{
name = n;
}
// Methode, um den Vornamen zu setzen.
public void setVorname (String v)
{
vorname = v;
}
// Methode, um den Namen abzufragen.
public String getName()
{
return name;
}
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19
// Methode, um den Vornamen abzufragen.
public String getVorname()
{
return vorname;
}
}
// Datei: TestPerson.java
public class TestPerson
{
public static void main (String[] args)
{
// Objekt der Klasse Person anlegen.
Person p1 = new Person();
// Datenfelder mit Werten belegen.
p1.setName ("Mustermann");
p1.setVorname ("Max");
// Nochmal ein Objekt der Klasse Person anlegen.
Person p2;
p2 = new Person();
// Datenfelder mit Werten belegen.
p2.setName ("Meister");
p2.setVorname ("Ralf");
// Name und Vorname der Personen ausgeben.
System.out.println (p1.getName() + " " + p1.getVorname());
System.out.println (p2.getName() + " " + p2.getVorname());
}
}
Öffnen Sie eine Eingabeaufforderung und wechseln Sie in Ihr Verzeichnis beispiele.
Prüfen Sie, dass sich dort nun die beiden Dateien Person.java und TestPerson.java
befinden. Als nächstes müssen Sie die beiden Java-Quellcode-Dateien mithilfe des
Java-Compilers javac in Java-Bytecode übersetzen. Hierzu genügt es, wenn Sie Folgendes in der Kommandozeile eingeben:
javac TestPerson.java
Der Compiler javac übersetzt dann die Datei TestPerson.java in die JavaBytecode-Datei TestPerson.class. Der Compiler erkennt automatisch, dass
innerhalb des Quellcodes der Datei TestPerson.java eine Klasse Person
verwendet wird und sucht im aktuellen Verzeichnis, ob eine entsprechende Datei zu
finden ist. Findet der Compiler eine Datei Person.java, so wird diese automatisch
auch übersetzt und der zugehörige Bytecode wird in der Datei Person.class
abgelegt. Existiert bereits eine Datei Person.class, so wird geprüft, ob die Datei
Person.class älter ist als die Datei Person.java. Ist dies der Fall, so wird die Datei
Person.java erneut übersetzt. Dieser Automatismus funktioniert allerdings nur dann,
wenn Sie darauf achten, dass jede Klasse in einer eigenen Datei abgespeichert wird und
dass Dateinamen und Klassennamen identisch sind. Es gehört in Java zu einem guten
Programmierstil, diese Regel zu befolgen.
Kapitel 1
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20
Sollte der Compiler Ihnen Fehlermeldungen anzeigen, so müssen Sie den Quellcode
nochmals sorgfältig studieren und die Fehler beseitigen. Erst wenn der Compiler keine
Fehler mehr anzeigt – und sich im Verzeichnis beispiele zusätzlich die beiden
Dateien Person.class und TestPerson.class befinden – ist der Übersetzungsvorgang abgeschlossen und Sie können Ihr Programm mit dem Java-Interpreter java
zur Ausführung bringen. Geben Sie hierzu Folgendes in der Kommandozeile ein:
java TestPerson
Nun sollten Sie folgende Ausgabe erhalten:
Mustermann Max
Meister Ralf
Bevor es weitergeht, noch ein paar Hintergrundinformationen zum ersten objektorientierten Java-Programm:
P Eine Erläuterung hinter einem Doppelschrägstrich ist ein Kommentar. Ein Kommentar dient der Dokumentation und hat keinen Einfluss auf die Ausführung des
Programmes.
P Eine Klasse wird in Java durch das Schlüsselwort class deklariert. Hinter dem
Schlüsselwort class steht der Klassenname. Üblicherweise wird die Klasse als
public deklariert. Dies bedeutet, dass die Klasse für alle anderen Klassen sichtbar
(und damit verwendbar) ist.
P Innerhalb der geschweiften Klammern { } folgt die sogenannte Klassendefinition
mit den Datenfeldern und Methoden. Die UML-Notation für eine Klasse bestehend
aus Klassennamen, Datenfeldern und Methoden lässt sich im Quellcode gut wiedererkennen.
P Datenfelder werden mit dem Schlüsselwort private als privat gekennzeichnet. Das
Schlüsselwort private entspricht in der UML-Darstellung dem Minuszeichen vor
einem Datenfeldnamen. Auf private Datenfelder können nur die Methoden der eigenen Klasse zugreifen.
P Methoden werden üblicherweise mit dem Schlüsselwort public als öffentlich sichtbar gekennzeichnet. Methoden, die mit public gekennzeichnet sind, können von
anderen Klassen aus aufgerufen werden. Innerhalb der Klasse TestPerson können
beispielsweise die Methoden getName() und setName() der Klasse Person aufgerufen werden.
P Damit man die Methoden einer Klasse aufrufen kann, muss man zuerst ein Objekt
erzeugen. Die Klasse ist ja nur der Bauplan (der Datentyp) für die Objekte (Variablen). Ein Objekt kann in Java nur durch den new-Operator erzeugt werden. Nach dem
Anlegen eines Objektes können den einzelnen Datenfeldern für dieses Objekt individuelle Werte zugewiesen werden. Ein Methodenaufruf erfolgt immer auf ein Objekt
bezogen 1, da die Methoden die individuellen Werte des Objekts lesen oder verändern.
1 Diese Aussage gilt nur für Instanzmethoden. Klassenmethoden können auch ohne die Existenz eines
Objektes aufgerufen werden. Klassenmethoden – mit Ausnahme der Methode main() – lernen Sie
allerdings erst in Kapitel 2.5 kennen.
Kapitel 1
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21
P Die Datenfelder name und vorname sind vom Datentyp String. In einer Variablen vom Datentyp String (z. B. name oder vorname) kann eine Zeichenkette
abgelegt werden. Zeichenketten vom Datentyp String können über den Operator +
miteinander verkettet werden. Diese Verkettungsfunktion kommt bei der Ausgabe
mithilfe von System.out.println() zum Einsatz.
P Es wird als guter Programmierstil angesehen, wenn man zum Test einer Klasse eine
eigene Testklasse schreibt. Mit diesem Vorgehen ist der eigentliche Programmcode
stets vom Programmcode für den Test separiert. Die Testklassen können dann bei
einer späteren Auslieferung der Software einfach weggelassen werden und verbrauchen keinen unnötigen Speicherplatz.
P Die Methode main() ist eine ganz besondere Methode. Jede Java-Anwendung
benötigt eine Methode main(), da sie mit dem Aufruf der main()-Methode ihre
Ausführung beginnt. Beim Aufruf des Java-Interpreters mit java TestPerson
wird vom Interpreter in der Klasse TestPerson die Methode main() gesucht und
ausgeführt. Fehlt die Methode main(), oder ist diese nicht public, oder nicht
static, so bricht der Interpreter mit einer Fehlermeldung ab. Das Schlüsselwort
static kennzeichnet die Methode main() als Klassenmethode. Dies bedeutet,
dass die Methode main() – ohne die Existenz eines Objektes – direkt (durch den
Interpreter) aufgerufen werden kann.
Jetzt haben Sie schon jede Menge über Java gelernt. Bevor es weiter geht, soll an dieser
Stelle noch der Begriff der Referenzvariablen in Java erläutert werden. Sie haben
Folgendes gelernt: Eine Klasse ist ein Datentyp und ein Objekt ist eine Variable.
Ein Objekt kann in Java nur mithilfe des new-Operators erzeugt werden. Mit
new Person();
wird ein Objekt der Klasse Person angelegt. Damit man mit diesem Objekt etwas
machen kann, benötigt man einen „Zeiger“ auf dieses Objekt. Dieser Zeiger wird in
Java Referenz bzw. Referenzvariable genannt. Eine Referenzvariable wird beispielsweise angelegt durch:
Person p1;
Die Referenzvariable p1 vom Datentyp Person – man sagt vereinfacht „vom Typ
Person“ – kann nun auf ein beliebiges Objekt vom Typ Person zeigen. Mit
p1 = new Person();
wird der Referenzvariablen p1 als Wert die Adresse zugewiesen, an welcher das
Objekt vom Typ Person durch den new-Operator angelegt wurde.
In Java wird eine Referenzvariable benötigt, um auf Objekte zuzugreifen, die
mithilfe des new-Operators im Speicher angelegt wurden. In einer Referenzvariablen wird als Wert die Adresse abgelegt, an welcher sich das Objekt im Speicher
befindet.
Definition:
Referenzvariable
Kapitel 1
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22
K [33]
Zeichnen Sie die Klasse Person – und die beiden in der Klasse TestPerson erzeugten Objekte – in der UML-Notation.
K [38]
Ersetzen Sie das Schlüsselwort public vor den Methoden in der Klasse Person durch
das Schlüsselwort private. Übersetzen Sie den geänderten Quellcode und versuchen
Sie das Programm durch Aufruf des Interpreters java TestPerson auszuführen.
Was passiert? Begründen Sie Ihre Beobachtung.
K [21]
Erweitern Sie die Klasse TestPerson wie folgt:
P Erzeugen Sie ein drittes Objekt der Klasse Person. Initialisieren Sie dieses und
geben Sie Name und Vorname der dritten Person auf dem Bildschirm aus.
P Nach der Ausgabe auf dem Bildschirm verändern Sie Vor- und Nachname einer der
Personen durch Aufruf der jeweiligen set()-Methoden.
P Zur Kontrolle geben Sie Vor- und Nachname der geänderten Person noch einmal auf
dem Bildschirm aus.
Nachdem Sie alle Änderungen vorgenommen haben, speichern Sie den geänderten
Quellcode, übersetzen den Quellcode und bringen den Bytecode zur Ausführung.
1.3.2
Vererbung
Die Vererbung stellt in der Objektorientierung eine Möglichkeit dar, Programmcode
wiederzuverwenden. Damit eine Klasse von einer anderen Klasse etwas erben kann,
muss man erst einmal zwei Klassen finden, die vieles gemeinsam haben und die beide
innerhalb des Programmes eine eigene Bedeutung haben. Dies sei am Beispiel der
Klasse Person und der Klasse Ausleiher erläutert. Ein Ausleiher ist eine Person,
die einen Bibliotheksausweis besitzt. Diese Erkenntnis würde im ersten Schritt genügen,
um zwischen der Klasse Person und der Klasse Ausleiher eine Vererbungsbeziehung (auch „is-a“-Beziehung genannt) einzuzeichnen. In der UML-Notation sieht dies
wie folgt aus:
Abbildung 8:
Vererbungsbeziehung
zwischen der
Klasse Ausleiher und
der Klasse Person
Person
Ausleiher
Alle Datenfelder und Methoden, die für eine Person und einen Ausleiher identisch sind,
gehören zur Klasse Person und jene Datenfelder und Methoden, die für den Ausleiher
spezifisch sind, gehören zur Klasse Ausleiher. Die Gemeinsamkeiten befinden sich
damit in der Vaterklasse (Superklasse, Basisklasse oder auch ableitende Klasse genannt)
und die Spezifika in der Sohnklasse (Subklasse oder auch abgeleitete Klasse genannt).
Kapitel 1
å JAV101
23
Die folgende UML-Darstellung zeigt exemplarisch gemeinsame Datenfelder und
Methoden in der Klasse Person und spezifische Datenfelder und Methoden in der
Klasse Ausleiher.
Person
String name
String vorname
Abbildung 9:
Gemeinsamkeiten in der
Vaterklasse und Spezifika
in der Sohnklasse
getName()
getVorname()
setName()
setVorname()
Ausleiher
int ausleiherNummer
getAusleiherNummer()
setAusleiherNummer()
Oft wird vergessen, sich die Frage zu stellen, ob die Klasse Person im Rahmen der
Bibliotheksverwaltung überhaupt benötigt wird. Falls man zum Ergebnis kommt, dass
im Rahmen der Bibliotheksverwaltung nur Ausleiher von Interesse sind, sollte man
auch von der Vererbungsbeziehung keinen Gebrauch machen. Vererbungsbeziehungen,
die nicht wirklich im Rahmen der Anwendung benötigt werden, erzeugen eine unnötige
Komplexität. Die Klasse Ausleiher würde – ohne den Einsatz einer Vererbungsbeziehung – auch die Datenfelder und Methoden besitzen, die in Abbildung 9 der Klasse
Person angehören.
Bevor Sie sich die Frage stellen, warum Sie etwas lernen sollen, was Sie kaum einsetzen
können, folgen jetzt die Einsatzbereiche, in denen die Vererbung eine sehr wichtige
Rolle spielt. Die Vererbung ist bedeutsam bei der Konstruktion von Klassenbibliotheken. Je universeller eine Klassenbibliothek einsetzbar sein soll, desto häufiger findet
sich die Vererbungsbeziehung in der Klassenbibliothek. Je spezifischer die Aufgabe ist,
die durch ein Programm automatisiert werden soll, desto seltener ist die Vererbungsbeziehung zu finden – es sei denn, es soll eine Klassenbibliothek erstellt werden, die
von anderen zur Erstellung von ähnlichen Anwendungen genutzt werden soll.
Damit Sie Klassenbibliotheken in Ihre Programme einbinden können, müssen Sie zuerst
deren Aufbau verstehen. Um den Aufbau einer objektorientierten Klassenbibliothek zu
verstehen (einen Einblick in umfangreiche Klassenbibliotheken erhalten Sie in Kapitel 3),
müssen Sie die Vererbungsbeziehung verstanden haben. Deshalb folgt ein einfaches
Beispiel für die Vererbungsbeziehung anhand der Klassen Person und Ausleiher.
Die Klasse Person haben Sie bereits in Kapitel 1.3.1 erstellt und in der Datei
Person.java abgespeichert. Es wird also nur noch die Klasse Ausleiher und eine
Testklasse TestAusleiher benötigt. Erstellen Sie die beiden Java-Quellcode-Dateien
wie folgt und speichern Sie diese ebenfalls im Ordner beispiele ab.
Kapitel 1
å JAV101
24
// Datei: Ausleiher.java
public class Ausleiher extends Person
{
private int ausleiherNummer;
public int getAusleiherNummer()
{
return ausleiherNummer;
}
public void setAusleiherNummer(int nummer)
{
ausleiherNummer = nummer;
}
}
// Datei: TestAusleiher.java
public class TestAusleiher
{
public static void main (String[] args)
{
Ausleiher a1 = new Ausleiher();
// Aufruf der geerbten Methoden für den Ausleiher.
a1.setName ("Mustermann");
a1.setVorname ("Max");
a1.setAusleiherNummer (100);
System.out.println (a1.getName() + " " + a1.getVorname());
System.out.println ("mit Nummer: " + a1.getAusleiherNummer());
}
}
Übersetzen Sie die beiden Quellcode-Dateien und bringen Sie die Klasse
TestAusleiher zur Ausführung. Als Ausgabe erhalten Sie dann:
Mustermann Max
mit Nummer: 100
Die Wiederverwendung von Quellcode durch Vererbung ist in der Tat sehr einfach.
Durch die Angabe von extends Person hinter dem Klassennamen Ausleiher in
der Klassendeklaration können Sie den kompletten Programmcode der Klasse Person
in der Klasse Ausleiher wiederverwenden. Für ein Objekt der Klasse Ausleiher
können dann sowohl die geerbten Methoden der Klasse Student als auch die eigenen
Methoden der Klasse Ausleiher aufgerufen werden.
Im Zusammenhang mit der Vererbung stehen auch Begriffe wie Polymorphie und
„Überschreiben von Methoden“. Diese Konzepte werden Sie später in Kapitel 2.6 kennenlernen.
K [31]
Kapitel 1
å JAV101
Erläutern Sie folgende Aussage: „Vererbungsbeziehungen sollten nicht überall eingeführt werden, wo diese möglich sind, sondern nur dort, wo diese auch tatsächlich benötigt werden.“
25
1.3.3
Schnittstellen
Objektorientierte Programme sollen eine höhere Wiederverwendbarkeit und Stabilität
im Vergleich zu prozeduralen Programmen besitzen. Die höhere Wiederverwendbarkeit
und Stabilität entsteht aber nur dann, wenn objektorientierte Programme durchdacht
entworfen werden. Hierbei ist der Entwurf der sogenannten Schnittstellen von zentraler
Bedeutung. Als Schnittstelle einer Klasse werden die nach außen sichtbaren Methoden
bezeichnet. Bleibt die Schnittstelle einer Klasse – bei einer Änderung innerhalb der
Klasse – stabil, so müssen aufgrund der Änderung keine weiteren Klassen angepasst
werden.
Die nach außen sichtbaren – das heißt die öffentlichen bzw. mit dem Schlüsselwort
public gekennzeichneten Methoden – bilden die Schnittstelle einer Klasse. In Java
erfolgt jedoch eine noch strengere Separierung der Schnittstelle von einer Klasse durch
die Einführung eines Schnittstellen-Typs. Dies bedeutet, dass Methoden einer Klasse,
die nach außen sichtbar sein sollen, in einem eigenen Schnittstellen-Typ beschrieben
werden können.
Schnittstelle einer Klasse
In Java gibt es einen
Schnittstellen-Typ.
Stellen Sie sich Folgendes vor: In der Bibliotheksverwaltung sollen nicht nur Bücher,
sondern auch Zeitschriften entliehen werden können. Sowohl Bücher als auch Zeitschriften sollen in einer Bestandsanzeige am Bildschirm ausgegeben werden können.
Zeitschriften und Bücher sollen deshalb eine Methode besitzen, um den Titel, eine eindeutige Nummer und die Anzahl der in der Bibliothek geführten Exemplare auszugeben.
Diese Anforderung von der Bestandsanzeige an die unterschiedlichen „Medien“ in der
Bibliothek, könnte wie folgt in einer Schnittstelle formuliert werden:
// Datei: Ausgebbar.java
public interface Ausgebbar
{
// Titel, eindeutige Nummer und Anzahl ausgeben.
public void ausgeben();
}
Es wird hiermit eine Schnittstelle mit dem Namen Ausgebbar definiert, die den
Methodenkopf einer Methode ausgeben() beinhaltet. In einer Schnittstelle befinden
sich immer nur die Methodenköpfe. Die Implementierung der Methode befindet sich im
vorliegenden Beispiel in den verschiedenen Medien – nämlich in der Klasse Buch und
in der Klasse Zeitschrift:
// Datei: Buch.java
public class Buch implements Ausgebbar
{
private String titel;
private String unterTitel;
private String isbn;
private int anzahlExemplare;
// Konstruktor für die Klasse zur Initialisierung der
// Datenfelder.
public Buch (String t, String u, String i, int anzahl)
{
titel = t;
Kapitel 1
å JAV101
26
unterTitel = u;
isbn = i;
anzahlExemplare = anzahl;
}
public void ausgeben()
{
System.out.println ("[Buch] " + titel + " mit ISBN: " + isbn
+ ", Bestand: " + anzahlExemplare);
}
}
// Datei: Zeitschrift.java
public class Zeitschrift implements Ausgebbar
{
private String titel;
private String unterTitel;
private String issn;
private int anzahlExemplare;
// Konstruktor für die Klasse zur Initialisierung der
// Datenfelder.
public Zeitschrift (String t, String u, String i, int anzahl)
{
titel = t;
unterTitel = u;
issn = i;
anzahlExemplare = anzahl;
}
public void ausgeben()
{
System.out.println ("[Zeitschrift] " + titel + " mit ISSN: "
+ issn + ", Bestand: " + anzahlExemplare);
}
}
In der Bestandsausgabe interessiert von den verschiedenen Medien in der Bibliothek
nur, dass alle Medien die Schnittstelle Ausgebbar implementieren und damit eine
individuelle Implementierung der Methode ausgeben() besitzen. In folgendem
Testprogramm wird dies deutlich:
// Datei: TestBestandsausgabe.java
public class TestBestandsausgabe
{
public static void main (String args[])
{
Ausgebbar ref1 = new Buch("Java als erste Programmiersprache",
"Vom Einsteiger zum Profi", "978-3-8348-0656-7", 5);
Ausgebbar ref2 = new Zeitschrift ("Informatik Spektrum",
"Java Modeling Language", "0170-6012", 2);
// Programmcode für die Bestandsausgabe
ref1.ausgeben();
ref2.ausgeben();
Kapitel 1
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27
}
}
Erstellen Sie den Quellcode für die Klassen Buch, Zeitschrift und
TestBestandsausgabe, sowie für die Schnittstelle Ausgebbar, kompilieren Sie
den Quellcode und bringen Sie die Klasse TestBestandsausgabe zur Ausführung.
Als Ergebnis erhalten Sie folgende Ausgabe:
[Buch] Java als erste Programmiersprache mit ISBN: 978-3-8348-0656-7, Bestand: 5
[Zeitschrift] Informatik Spektrum mit ISSN: 0170-6012, Bestand: 2
Zu den Besonderheiten im Programm:
P In den Klassen Buch und Zeitschrift wurde erstmalig ein sogenannter Konstruktor geschrieben. Methoden in einer Klasse, die gleich heißen wie die Klasse
selbst und keinen Rückgabetyp besitzen, sind sogenannte Konstruktoren. Ein Konstruktor wird automatisch aufgerufen, nachdem der new-Operator das Objekt im
Speicher angelegt hat. Ein Konstruktor dient zum Initialisieren der Datenfelder.
Einsatz von Konstruktoren
zur Initialisierung
P Mit Ausgebbar ref; wird eine Referenzvariable eines Schnittstellen-Typs angelegt. Von einem Schnittstellen-Typ können nur Referenzvariable angelegt werden, es
können keine Objekte erzeugt werden. Eine Referenzvariable eines SchnittstellenTyps kann ausschließlich auf ein Objekt zeigen, dessen Klasse die Schnittstelle
implementiert! Eine Referenzvariable vom Typ Ausgebbar kann im Beispiel also
auf ein Objekt vom Typ Buch oder auf ein Objekt vom Typ Zeitschrift zeigen.
Referenzvariable eines
Schnittstellen-Typs
Die Implementierung der Methode ausgeben() kann nun in den Klassen Buch und
Zeitschrift geändert werden, ohne dass der Programmcode für die Bestandsausgabe
angepasst werden muss. Dies gilt natürlich nur solange, wie die Schnittstelle Ausgebbar
stabil – das heißt, unverändert – bleibt. Es können sogar neue Medien – wie beispielsweise eine Klasse DVD – hinzugefügt werden und der Programmcode für die Bestandsausgabe muss nicht geändert werden. Alle Medien müssen lediglich die Schnittstelle
Ausgebbar implementieren. Sie werden im Laufe dieses Studienbriefs – nachdem Sie
Schleifen und Arrays kennen gelernt haben – noch elegantere Implementierungen für
die Bestandsausgabe kennenlernen, so dass die Vorteile dieser Vorgehensweise noch
deutlicher in den Vordergrund treten.
Beschreiben Sie, was man mit einer Referenzvariablen eines Schnittstellen-Typs
machen kann.
K [20]
Recherchieren Sie, wie eine Schnittstelle in UML dargestellt wird. Finden Sie heraus,
wie man in UML darstellen kann, dass eine Schnittstelle von einer Klasse implementiert
wird. Zeichnen Sie als Ergebnis Ihrer Recherche ein UML-Diagramm, das die Klassen
Buch, Zeitschrift sowie die Schnittstelle Ausgebbar zueinander in Beziehung
setzt.
K [5]
Kapitel 1
å JAV101
28
1.3.4
Pakete
Pakete dienen der
Strukturierung des
Programmcodes
Pakete dienen der Strukturierung von Klassen und Schnittstellen und bilden damit die
Grundlage für die Erstellung wiederverwendbarer Klassenbibliotheken. Ihr Programmcode sollte – wie auch ein jedes Dokument – eine gute Struktur bzw. eine gut durchdachte Gliederung besitzen. Die Struktur dient dazu, sich in einer großen Menge von
Klassen und Schnittstellen besser zurechtzufinden. Bei einem Dokument ist es zielführend, auf eine logische Struktur zu achten. Dasselbe gilt auch für die Pakete: Logisch
zusammengehörende Klassen und Schnittstellen werden in ein Paket „gepackt“.
Darüber hinaus bieten Pakete die Möglichkeit, gezielt zu steuern, welche Klassen bzw.
Schnittstellen eines Paketes nach außen sichtbar sind. Es sollten nur gut durchdachte
Schnittstellen und wenige Klassen nach außen sichtbar sein. Damit besteht für den
Programmierer eines Paketes die Möglichkeit, Änderungen innerhalb eines Paketes
durchzuführen, ohne dass die Nutzer des Paketes ihren Programmcode anpassen müssen. Voraussetzung hierfür ist wiederum, dass die nach außen sichtbaren Schnittstellen
eines Paketes stabil bleiben.
Eine erste einfache Verwendung von Paketen soll anhand der Klassen Buch und
Zeitschrift, sowie der Schnittstelle Ausgebbar aufgezeigt werden. Die beiden
Klassen sowie die Schnittstelle sollen in ein Paket mit Namen entitäten „gepackt“
werden. Als Entität bezeichnet man in der Programmierung typischerweise ein datentragendes Objekt, dessen Daten persistent (dauerhaft) gespeichert werden müssen. Da
Bücher und Zeitschriften innerhalb der Bibliotheksverwaltung mit Sicherheit persistent
gespeichert werden müssen, scheint dieser Name im ersten Schritt zutreffend zu sein.
Um eine Klasse bzw. eine Schnittstelle einem Paket hinzuzufügen, müssen Sie folgende
Dinge tun:
P Sie müssen ein Verzeichnis mit dem Paketnamen auf ihrem Rechner anlegen.
P Sie müssen die Quellcode-Dateien der Klassen und Schnittstellen, die in das Paket
„gepackt“ werden sollen, in dem entsprechenden Verzeichnis ablegen.
P Sie müssen im Quellcode einer jeden Datei, die in das Paket „gepackt“ werden soll,
eine entsprechende package-Deklaration hinzufügen.
Für unser Beispiel bedeutet dies:
P Legen Sie im Verzeichnis beispiele ein Unterverzeichnis entitäten an.
P Verschieben Sie die Dateien Buch.java, Zeitschrift.java und
Ausgebbar.java in das Unterverzeichnis entitäten. Löschen Sie die
entsprechenden .class-Dateien aus dem Verzeichnis beispiele.
P Öffnen Sie die drei Quellcode-Dateien und ergänzen Sie direkt unterhalb des
ersten Kommentars die folgende package-Deklaration: package entitäten;
Die Quellcode-Datei Buch.java beginnt dann beispielsweise wie folgt:
// Datei: Buch.java
package entitäten;
public class Buch implements Ausgebbar
...
Kapitel 1
å JAV101
29
Damit die Klasse TestBestandsausgabe, weiß, wo sich die Typen Buch,
Zeitschrift und Ausgebbar befinden, wird die import-Vereinbarung benötigt.
Öffnen Sie die Quellcode-Datei TestBestandsausgabe.java und ergänzen Sie ganz
zu Beginn folgende import-Vereinbarung:
// Datei: TestBestandsausgabe.java
import entitäten.*;
public class TestBestandsausgabe
...
Danach öffnen Sie eine Eingabeaufforderung, wechseln in das Verzeichnis beispiele
und übersetzen die Dateien mittels javac TestBestandsausgabe.java erneut.
Nach erfolgreicher Umstrukturierung testen Sie die Klasse TestBestandsausgabe
durch Aufruf des Interpreters java TestBestandsausgabe, um zu überprüfen, ob
noch alles so funktioniert wie früher.
Für welchen Zweck gibt es Pakete in Java?
K [32]
Erklären Sie, für welchen Zweck die package-Deklaration und die import-Vereinbarung benötigt werden.
K [3]
1.3.5
Klassenbibliothek
Pakete bilden in Java die Grundlage für die Erstellung von Klassenbibliotheken. Schnittstellen und Klassen, die in Paketen strukturiert sind und für die Verwendung in anderen
Java-Programmen zur Verfügung gestellt werden, bilden eine Klassenbibliothek. Eine
umfangreiche Java-Klassenbibliothek wird mit der Programmiersprache Java – im
Rahmen des JDKs – ausgeliefert. Da Sie ein JDK auf Ihrem Rechner installiert haben,
besitzen Sie auch eine umfangreiche Java-Klassenbibliothek. Der Bytecode für alle
Klassen der Java-Klassenbibliothek, die Sie in Ihre eigenen Programme einbinden
können, befindet sich in einem Archiv mit dem Namen rt.jar im Verzeichnis
jdk1.7.0_xx\jre\lib.
Was ist eine Klassenbibliothek in Java?
Nun wäre es natürlich interessant zu wissen, welche Funktionalität durch die Java-Klassenbibliothek bereits zur Verfügung gestellt wird. Die Dokumentation für die JavaKlassenbibliothek finden Sie online im Internet unter folgendem Link:
http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/index.html
Damit Sie die Dokumentation jederzeit offline einsehen können, empfiehlt es sich, die
komplette Dokumentation der Java-Klassenbibliothek in der Standard Edition auf Ihren
Rechner herunterzuladen. Diese finden Sie auf der gleichen Seite im Internet wie das
JDK:
http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html
Scrollen Sie auf der Seite so lange nach unten, bis Sie zur „Java SE 7 Documentation“
gelangen. Speichern Sie die gepackte Datei auf Ihrem Rechner und entpacken Sie diese
in ein Verzeichnis Ihrer Wahl. Im Verzeichnis docs\api haben Sie nun direkten
Bezugsquelle
Dokumentation
Java-Klassenbibliothek
Kapitel 1
å JAV101
30
Zugriff auf die Dokumentation der Java-Klassenbibliothek, indem Sie die Datei
index.html öffnen. Abbildung 10 zeigt einen Ausschnitt dieser Startseite für die
Dokumentation der Java-Klassenbibliothek:
Abbildung 10:
Ausschnitt Startseite
der Dokumentation der
Java-Klassenbibliothek
Suchen Sie das Paket java.lang in der Dokumentation der Java-Klassenbibliothek.
Innerhalb des Paketes java.lang finden Sie beispielsweise die Klasse System, die
Sie bereits für die Ausgabe auf dem Bildschirm mit System.out.println() eingesetzt haben. Bei der Dokumentationsseite der Klasse System finden Sie unter
"Field Summary" die Klassenvariable out. Die Klassenvariable out ist vom Typ
PrintStream. Durch Klicken auf den Typ PrintStream gelangen Sie zur Dokumentation der Klasse PrintStream. Dort finden Sie unter "Method Summary" die
verschiedenen Ausprägungen der Methode println(), die Sie zur Ausgabe auf dem
Bildschirm bereits verwendet haben.
Der Datentyp String ist in Java eine Klasse, die sich ebenfalls im Paket java.lang
befindet. Suchen Sie die Klasse String in der Java-Klassenbibliothek und verschaffen
Sie sich einen Überblick über die bereitgestellten Methoden.
Das Paket java.lang wird
automatisch durch den
Compiler eingebunden.
Kapitel 1
å JAV101
Ohne es bislang zu wissen, haben Sie in Ihren Beispielprogrammen bereits zwei Klassen aus der Java-Klassenbibliothek verwendet. Beide Klassen befinden sich im Paket
java.lang. Der aufmerksame Leser mag sich die Frage stellen, warum es dann nicht
notwendig war, zu Beginn einer jeden Java-Quellcode-Datei, in welcher die Klassen
String oder System verwendet wurden, mittels der import-Vereinbarung das Paket
java.lang einzubinden. Dies liegt daran, dass das Paket java.lang – da es so häufig
benötigt wird – automatisch durch den Compiler in die entsprechende Bytecode-Datei
integriert wird. Diesen Automatismus gibt es allerdings nur für das Paket java.lang.
Falls Sie auf Klassen oder Schnittstellen eines anderen Paketes aus der Java-Klassenbibliothek zugreifen wollen, müssen Sie hierfür die import-Vereinbarung verwenden.
31
P Eine Klasse wird in Java durch das Schlüsselwort class deklariert.
P Der Compiler javac übersetzt eine Datei Name.java in die Java-BytecodeDatei Name.class.
P Mit public gekennzeichnete Klassen bzw. Methoden sind öffentlich sichtbar
und können von anderen Klassen verwendet werden.
P Auf Datenfelder, die mit private gekennzeichnet sind, können nur die Methoden der eigenen Klasse zugreifen.
P Ein Methodenaufruf erfolgt immer auf ein Objekt bezogen.
P Es wird als guter Programmierstil angesehen, wenn man zum Test einer Klasse
eine eigene Testklasse schreibt.
P Die Ausführung einer Java-Anwendung beginnt mit dem Aufruf der Methode
main(). Diese kann direkt – ohne die Existenz eines Objekts – durch den Interpreter aufgerufen werden.
P In Java wird eine Referenzvariable benötigt, um auf Objekte zuzugreifen, die mithilfe des new-Operators im Speicher angelegt wurden.
P Die Vererbung stellt eine Möglichkeit dar, Programmcode wiederzuverwenden.
Klassen, die viel gemeinsam haben, können von einer gemeinsamen Vaterklasse
abgeleitet werden. Diese Vaterklasse enthält dann die Gemeinsamkeiten, während
die Sohnklassen die jeweiligen Spezifika enthalten.
P Als Schnittstellen einer Klasse werden die nach außen sichtbaren Methoden
bezeichnet. Diese Methoden können in Java in einem eigenen Schnittstellen-Typ
beschrieben werden.
P Pakete dienen der Strukturierung von Klassen und Schnittstellen. Sie bilden die
Grundlage für die Erstellung von Klassenbibliotheken.
Suchen Sie in der Dokumentation der Java-Klassenbibliothek die Klasse Scanner im
Paket java.util. Schreiben Sie ein Programm in Java, das zwei Zahlen von der Tastatur einliest, diese addiert und das Ergebnis auf dem Bildschirm ausgibt. Für das Einlesen
der Zahlen verwenden Sie bitte die Methode nextInt() der Klasse Scanner. Vervollständigen Sie den folgenden Coderahmen für das Programm:
K [16]
// Datei: EingabeTest.java
import java.util.Scanner;
public class EingabeTest
{
public static void main (String[] args)
{
Scanner eingabe = new Scanner (System.in);
System.out.print ("Erste Zahl eingeben: ");
int zahl1 = ...
System.out.print ("Zweite Zahl eingeben: ");
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32
int zahl2 = ...
int summe = ...
System.out.println (zahl1 + " + " + zahl2 + " = " + summe);
}
}
K [26]
Kapitel 1
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Arbeiten Sie die Beispielprogramme in (HEINISCH et al., 2010) aus Kapitel 4 durch.
Nachdem Sie damit fertig sind, überprüfen Sie Ihre Programmierfähigkeiten durch die
Übungen am Ende von Kapitel 4. Die Lösungen zu diesen Übungen finden Sie auf der
CD, die dem Buch beigefügt ist.