Algorithmik 1

Algorithmik 1
Prof. Dr. Michael Philippsen / Prof. Dr. Herbert Stoyan
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Informatik 2/8
Programmiersysteme /
Künstliche Intelligenz
Kapitel 3 - Datenstrukturen im objektorientierten Programmieren
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Variablen einfachen Typs
Objekte und Klassen in Java
Klassenhierarchien
Umsetzung von UML-Klassendiagrammen
Andere zusammengesetzte Datentypen
Handy aus!
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-2
M. Philippsen
1.5 Programmgesteuerter Rechner (Babbage, 1833)
Speicher
EingabeDaten,
Verarbeitung
ZwischenErgebnisse
Zustand
Programm
Zustandsübergang :
Überführung des Inhalts des
Speichers (eine oder
mehrere Speicherzellen) in
einen neuen Inhalt durch
Anwendung einer Operation.
Zustand: Momentaner
Inhalt der Speicherzellen
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-3
M. Philippsen / H. Stoyan
1.6 Von-Neumann-Rechner
Sedezimale Darstellung
„Hex-Dump“
Speicher, konzeptuell
Adresse 0
Adresse 4
0100
0100
0100
0100
0100
0100
0101
0101
0100
1101
0011
0001
1100
1000
1100
0000
0011
1110
0100
0100
0100
0101
0100
0100
0101
0100
1001
1000
0101
0000
1001
1001
0000
0101
4D
43
41
4C
48
4C
50
53
4E
49
48
45
50
49
49
50
45
ƒ Nur mit Interpretationsvorschrift ist klar, was die Werte im Speicher
bedeuten. Binär codierter Zeichenvorrat, Binärdarstellung von Zahlen aber
auch: „Nummern“ von Maschinenbefehlen Æ nicht „benutzerfreundlich“
ƒ Aufgabe: Decodierung mit ASCII-Code
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-4
M. Philippsen
3.1 Variablen einfachen Typs
ƒ Eigenschaften einer Speicherzelle:
y Sie stellt einen Behälter dar, der über eine Adresse angesprochen wird
und einen Inhalt (Wert) aufnimmt.
y Wir sagen: „Die Zelle mit Adresse a hat den Wert w zum Inhalt“.
ƒ Abstraktion für den Programmierer: Die Adresse interessiert nicht.
y Verwendung einer die Zelle identifizierenden Zugriffsfunktion: Name.
y Ergebnis der Berechnung der Adresse über die Zugriffsfunktion: Referenz.
ƒ Beispiel:
Ausführende
Operation:
1/pi
Name:
pi
Addresse: 003
Wert:
3.141
Referenz von pi
ist die Addresse 003.
Der Wert der
Referenz ist 3.141.
ƒ Anderes übliches Wort für Name: Bezeichner
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-5
M. Philippsen
3.1 Variablen einfachen Typs
ƒ Ablauf des Zugriffs über den Namen:
y Lesend:
Vorgabe des Namens → Beschaffung der Referenz → Zugriff auf den
Behälter → Lieferung des Wertes als Ergebnis
y Schreibend:
Vorgabe des Namens → Beschaffung der Referenz → Zugriff auf den
Behälter → Ersetzen des Wertes
ƒ Variablen sind Namen, die lesenden und schreibenden Zugriff
erlauben
ƒ Konstanten erlauben nur Lesezugriffe
ƒ Beachte: Der schreibende Zugriff hat einen sogenannten Seiteneffekt,
d.i. eine Veränderung des Zustands (im Speicher) des Rechners
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-6
M. Philippsen
3.1 Variablen einfachen Typs
ƒ Ein Name ist eine beliebig lange Folge von „Java-Buchstaben“ und
„Java-Ziffern“, beginnend mit einem „Java-Buchstaben“, wobei:
y Java-Ziffer = Zahl zwischen 0 und 9
y Java-Buchstabe: Buchstabe aus dem gesamten sog. UnicodeZeichenvorrat, in dem die meisten auf der Welt verwendeten
Schriftzeichen enthalten sind.
ƒ Ein Name darf also nicht mit einer Ziffer beginnen.
ƒ Beispiele:
y gültige Bezeichner:
y ungültige Bezeichner:
i3, algo_1, MAX_WERT
1algo, 12HUNDERT, 0nixgut
ƒ Wichtig: Groß- und Kleinschreibung wird unterschieden.
Algo1 und algo1 sind also zwei ganz verschiedene Bezeichner.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-7
M. Philippsen
3.1 Variablen einfachen Typs
ƒ Jede Variable oder Konstante besitzt einen Typ.
y Festlegung des gültigen Wertebereichs
y Festlegung der anwendbaren Grundoperationen (später mehr)
ƒ Einfache Typen:
Primitiver Typ
Numerischer Typ
Ganzzahliger Typ
byte
char
long
int
Gleitkomma-Typ
short
float
double
boolean
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-8
M. Philippsen
3.1 Variablen einfachen Typs
Basistyp
Beschreibung
boolean Wahrheitswert
Wertebereiche
true, false
byte,
short,
int,
long
vorzeichenbehaftete
Ganzzahlen von 8,
16, 32, 64 Bit Länge.
-27 = -128 ≤ byte ≤ 127 = 27-1
-215 = -32 768 ≤ short ≤ 32 767 = 215-1
-231 = -2 147 483 648 ≤ int ≤ 2 147 483 647 = 231-1
-263 = -9 223 372 036 854 775 808 ≤ long
long ≤ 9 223 372 036 854 775 807 = 263-1
float,
double
Gleitpunktzahlen von
32 bzw. 64 Bit gemäß
IEEE 754-1985.
Kleinste float Zahl >0: 1.40239846e-45
Größte float Zahl >0: 3.40282347e+38
Kleinste double Zahl >0: 4.94065645841246544e-324
Größte double Zahl >0: 1.79769313486231570e+308
char
Einzelzeichen
Unicode, 16 Bits, http://www.unicode.org
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-9
M. Philippsen
3.1 Variablen einfachen Typs
restlicher Text muss
exakt wie angegeben im
Programm erscheinen.
<XXX> ist ein Platzhalter;
im Programm zu ersetzen.
Art
Syntaktische Form
Beispiele
unbenannte Konstante
(Literal)
<Wert>
1, true, 'c'
Variablenvereinbarung
(Deklaration)
<Typ> <Name>;
int a;
lesender Zugriff
<Name>
a + 1
schreibender Zugriff
(Zuweisung)
<Name> = <Wert>;
a = 1;
<Wert> kann auch ein zu
berechnender Ausdruck sein.
Initialwert der Variable
ist typspezifisch. Meist 0.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-10
M. Philippsen
3.1 Variablen einfachen Typs
Art
Syntaktische Form
Beispiele
Variablenvereinbarung
mit Vorbesetzung
(Deklaration mit
Initialisierung)
<Typ> <Name> = <Wert>; int a = 1;
Vereinbarung einer
benannten Konstanten
mit Einmaldefinition
final <Typ> <Name> =
<Wert>;
final float pi
= 3.14159;
Der Übersetzer stellt
sicher, dass es nur
eine Definition im
Programm gibt.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-11
M. Philippsen / H. Stoyan
3.1 Variablen einfachen Typs
Wert von a nach
der Anweisung
Beispiele
int a = 1;
//Deklaration
//Initialisierung mit
//Literal 1
1
a = a + 1;
//Inkrementierung
2
a++;
//Inkrementierung
3
a;
//Lesezugriff
final int b = a; //Deklaration
//einer Konstanten
float c = 1.0f; //float-Literal
int d, e = 5;
//mehrere Deklarationen
//von einem Typ (d=0,e=5)
Komma vereinfacht
Deklarationsschreibweise
später: d bleibt als
lokale Variable
uninitialisiert.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-12
3
3
3
3
Folge der Zugriffsfunktion:
Es wird immer der (einzig
verfügbare) aktuelle Wert
M. Philippsen
gelesen.
3.2 Objekte und Klassen in Java
Objekt
als Komponente
Schnittstelle („interface“)
Funktionalität
Struktur
Gegenstand
der Anschauung
Operatorsignaturen
Dienst
Algorithmen und
Datenstrukturen
Klasse („class“)
Objektklasse
als KomponentenBaumuster
Attribute
Assoziationen
Operatorimplementierungen
Funktionalität
Struktur
Menge gleichartiger
Gegenstände der
Anschauung
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-13
M. Philippsen / H. Stoyan
3.2 Objekte und Klassen in Java
Objekt
ƒ Ein Objekt besitzt eine eindeutige Identität und einen Zustand,
die zugehörige Klasse „enthält“ Code zur Manipulation des Zustands
ƒ Zustand („state“)
y Beschrieben durch einen Verbund von Attributwerten bzw. Daten
y Kann sich im Laufe der Zeit ändern
ƒ Verhalten („behavior“)
y Beschrieben durch eine Menge von Handlungsvorschriften zur
Erbringung eines Dienstes durch ein Objekt (Methode)
y Die Ausführung eines Dienstes geschieht nach Mitteilung eines
Ereignisses samt zugehöriger Daten (später werden diese
Methodenparameter genannt) an das Objekt (Botschaft)
y Ausführung eines Dienstes durch Auslösung neuer Ereignisse und evtl.
Rücksendung einer Antwort
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-14
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
(Objekt-)Klasse („object class, object type“)
ƒ Struktur- und verhaltensäquivalente Objekte werden gemäß
Klassenkonstruktor erzeugt
ƒ Die Objekte bilden dann die Ausprägungen bzw. Exemplare dieser
Klasse („instance, class instance“)
class Uhr {
// Attribute
...
// Methoden
...
instance-of
}
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-15
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Variablen einfachen Typs
y Mit Variablen einfachen Typs wird bei deren Vereinbarung zugleich ein
Behälter für den Wert bereitgestellt (und in Java mit dem Default-Wert für
diesen Typ initialisiert. Später: keine Initialisierung bei lokalen Variablen.)
y Mit Angabe des Namens wird unmittelbar der Wert angesprochen
(Wertsemantik)
a 5
Wert eingebracht z.B. durch int
a = 5;
Referenzvariablen
y Mit Objektvariablen wird nur ein Behälter für einen Zeiger auf ein Objekt
des entsprechenden Typs angelegt (Referenzsemantik)
y Der eigentliche Speicherplatz für die Objektinstanz muss dann noch
angelegt werden und ist somit nicht fest angebunden
c
Objekt nicht zugewiesen
Objekt
c
Objekt zugewiesen
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-16
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Veranschaulichung
Wertsemantik
Name
Behälter
Adresse
a
Zugriffsfunktion
Wert
Referenzsemantik
Name
Behälter
Adresse
Adresse d.
Objekta
Zugriffsfunktion behälters
Behälter
Adresse
Objektwert
ƒ Über die Darstellung von Referenzen ist dem Programm nichts
bekannt, mit Referenzen kann man nicht rechnen.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-17
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Attribute („attribute, field“)
ƒ Als Attribute sind Variablen mit Werte- sowie Referenzsemantik
erlaubt.
ƒ Gemeinsam stellen sie den Zustand eines Objektes dar.
Wertsemantik
class Uhr {
long minuten;
long stunden;
TimeZone zeitzone;
}
Referenzsemantik
Referenzvariable ist vom Typ TimeZone.
Es können nur Verweise auf TimeZone-Objekte
zugewiesen werden (später genauer).
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-18
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Konstruktoren („constructor“)
ƒ Ein Konstruktor erzeugt ein Objekt einer angegebenen Klasse (und
belegt den hierfür nötigen Speicherplatz).
ƒ Der Konstruktor einer Klasse trägt den Namen der Klasse.
ƒ Falls kein Konstruktor angegeben ist, hat eine Java-Klasse den
impliziten Konstruktor <Klassenname>().
ƒ Ein Konstruktor wird mit Hilfe des Operators new aufgerufen.
class Uhr {
long minuten;
long stunden;
TimeZone zeitzone;
}
Erzeugt neue Instanz und
liefert Referenz auf diese
...
Uhr c = new Uhr();
...
Behälter für Referenzvariable
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-19
Impliziter Konstruktor
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Vorbesetzte Attribute und explizite Konstruktoren
Attribute werden bei
Objekterzeugung mit
dem angegebenen
Wert vorbesetzt
Wenn der implizite
Konstruktor nicht
ausreicht, können
Konstruktoren explizit
programmiert werden:
Hier: ein expliziter
Konstruktor mit
Initialisierungscode
und einem
Eingabeparameter
class Uhr {
long minuten;
long stunden;
TimeZone zeitzone =
new TimeZone("UTC");
final Date herstellungsdatum =
new Date() ;
Uhr (long min) {
stunden = min/60;
//Division ohne Rest (Ganzzahl)
minuten = min%60;
//Modulo-Operation
}
}
//Nächste Vorl. mehr Operationen
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-20
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Reihenfolge der Konstruktorenaktivierung
Attribute werden bei
Objekterzeugung mit
dem angegebenen
Wert vorbesetzt.
c
d
Expliziter Konstruktor
mit Initialisierungscode
u. Eingabeparameter
class Uhr {
long minuten;
long stunden;
TimeZone zeitzone =
new TimeZone("UTC");
final Date herstellungsdatum =
new Date() ;
Uhr(long min) {
stunden = min / 60;
minuten = min % 60;
}
}
...
Uhr c = new Uhr(600);
...
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-21
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Zugriff auf die Attribute (bzw. Variablen) eines Objektes c
y im Inneren des Objekts: über den Variablennamen
...
Uhr(long min) {
stunden = min / 60;
minuten = min % 60;
}
...
y im Fall eines Zugriffs von Außen (nicht immer erlaubt): über
c.<variablenname>
...
Uhr c = new Uhr(600);
...
c.stunden = ...
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-22
M. Philippsen / H. Stoyan
3.2 Objekte und Klassen in Java
Objektvariable als Referenzvariable (1)
ƒ Bei der Vereinbarung von Objektvariablen wird keine Instanz angelegt.
ƒ Referenzvariablen ohne zugeordnetes Objekt besitzen die leere
Referenz null, auf die geprüft werden kann.
ƒ Referenzvariablen können bei ihrer Vereinbarung oder später
initialisiert werden.
Uhr c = null;
...
// Falls Objekt noch nicht erzeugt wurde,
// jetzt Instanz anlegen
if (c == null) {
//Gleichheitstest (==). Nächste Vorlesg.:
c = new Uhr(); //mehr zu Code für Fallunterscheidungen
}
//und andere Ablaufstrukturen
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-23
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Objektvariable als Referenzvariable (2)
ƒ Bei Zuweisung an Referenzvariablen wird der Verweis kopiert, nicht
das Objekt, auf das verwiesen wird.
Uhr c1 = new Uhr(0);
Uhr c2 = new Uhr(0);
Uhr c3 = c2;
c1
Uhr1 00:00
c2
Uhr2 00:00
c3
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-24
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Objektvariable als Referenzvariable (3)
ƒ Vergleich der Referenzvariablen prüft die Identität und nicht die
Bestandteile (nur die Referenzen).
Uhr c1 = new Uhr(0);
Uhr c2 = new Uhr(0);
Uhr c3 = c2;
// c1 == c2 liefert false
// c1.minuten == c2.minuten
//
liefert true
c1
Uhr1 00:00
c2
Uhr2 00:00
c3
c3.minuten = c3.minuten + 10;
// c2 == c3 liefert true
// c2.minuten == c3.minuten
//
liefert true
// c1.minuten == c2.minuten
//
liefert false
c1
Uhr1 00:00
c2
Uhr2 00:10
c3
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-25
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Objektvariable als Referenzvariable (4)
ƒ Referenzkonstanten fixieren den Verweis; das Objekt, auf das
verwiesen wird, kann verändert werden (bei bleibender Identität).
Uhr c1 = new Uhr(0);
Uhr c2 = new Uhr(0);
final Uhr c3 = c2;
// c1 == c2 liefert false
// c1.minuten == c2.minuten
//
liefert true
c1
Uhr1 00:00
c2
Uhr2 00:00
c3
c3.minuten = c3.minuten + 10;
// c2 == c3 liefert true
// c2.minuten == c3.minuten
//
liefert true
// c1.minuten == c2.minuten
//
liefert false
c1
Uhr1 00:00
c2
Uhr2 00:10
c3
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-26
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Exkurs: Destruktor („destructor“)
ƒ Nicht in Java!
ƒ Spezielle Methode, die ein Objekt vernichtet, d.h. den belegten
Speicherplatz freigibt.
ƒ Fehleranfällig, wenn dieser von Hand im Programmcode aufgerufen
werden muss.
ƒ In Java: automatische Speicherbereinigung („garbage collection“):
y Der Speicherbereinigung ist ein spezielles Objekt der Laufzeitumgebung
(virtuellen Maschine), das die Objektgraphen im Speicher durchsucht.
y Wird ein Objekt gefunden, das nicht mehr referenziert wird, wird dieses
gelöscht und der von diesem belegte Speicher freigegeben.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-27
M. Philippsen / H. Stoyan
3.2 Objekte und Klassen in Java
Objektgraph mit unreferenzierten Objekten
Entstehung unreferenzierter Objekte:
Uhr c1
Uhr c3 = new Uhr(0); //Uhr-Objekt
//wird erzeugt
c3 = null;
//Uhr-Objekt
//nicht mehr
//erreichbar
Uhr c2
Unreferenzierte Objekte gestrichelt
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-28
M. Philippsen
3.2 Objekte und Klassen in Java
Klassenattribute („class attribute“)
ƒ Attribute, die der Klasse als Ganzes zugeordnet sind.
ƒ In Java werden diese mit dem Modifikator static eingeleitet.
class Uhr {
static long zaehler = 0;
long
seriennummer;
Uhr() {
seriennummer = zaehler;
zaehler++;
}
}
Uhr c1 = new Uhr();
Uhr c2 = new Uhr();
// c1.seriennummer ist 0
// c2.seriennummer ist 1
Der Zähler ist nicht an ein
einzelnes Objekt
gebunden, sondern an
die Klasse als Ganzes.
Bei jedem Aufruf des
Konstruktors wird der
Zähler inkementiert. Der
aktuelle Stand liefert die
Seriennummer der Uhr.
(Initialisierung mit 0 beim
Laden der Klassendefinition in die JVM.)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-29
M. Philippsen
3.3 Klassenhierarchien
(Einfach-)vererbung (= Übernahme der Eigenschaften der Oberklasse)
Uhr
darstellen()
Generalisierung
Spezialisierung
DigitalUhr
schriftgröße
AnalogUhr
zifferblattfarbe
13:47
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-30
Zur Erinnerung: Uhr ist
abstrakte Klasse: UhrObjekte existieren nicht.
M. Philippsen
3.3 Klassenhierarchien
Oberklasse („super class“)
ƒ Eine Oberklasse einer Klasse K ist eine aus K unmittelbar oder
mittelbar generalisierte Klasse.
Unterklasse („subclass“)
ƒ Eine Unterklasse einer Klasse K ist ein aus K unmittelbar oder
mittelbar spezialisierte Klasse.
Vererbung („inheritance“)
ƒ Übernahme aller Eigenschaften (= Attribute und Operationen) der
Oberklasse A durch die Unterklasse B:
y Neue Eigenschaften von B werden in B selbst festgelegt.
y Abgeleitete Eigenschaften der Unterklasse B werden von der Oberklasse
A übernommen (Verhaltensgleichheit).
y Überschriebene Eigenschaften können nur Methoden sein. Sie entstehen
wenn in der Unterklasse B eine Methode mit genau der selben Signatur
wie in der Oberklasse A definiert wird (und eine neue Implementierung
bereit gestellt wird) (Spezialisierung im engeren Sinn).
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-31
M. Philippsen / H. Stoyan
3.3 Klassenhierarchien
Vererbung zwischen Klassen
ƒ Einfachvererbung wird zwischen Klassen unterstützt, wobei extends
die Oberklasse angibt:
class AnalogUhr extends Uhr {
...
}
ƒ Die Java-Klassenbibliothek definiert die Klasse Object, die
Oberklasse aller Klassen ist.
ƒ Vererbung wird in Java durch Ableitung von Eigenschaften realisiert:
y Die Unterklasse übernimmt automatisch die Attribute sowie die
Methodensignaturen und deren Implementierungen von der Oberklasse.
y Später: Bei Spezialisierung durch Überschreiben einer Eigenschaft wird
die Methode in der Unterklasse erneut vereinbart und implementiert.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-32
M. Philippsen
3.3 Klassenhierarchien
Klassenhierarchie am Beispiel (1)
Implementierung der Klasse Uhr
abstract class Uhr {
static long zaehler = 0;
long
seriennummer;
long
minuten;
long
stunden;
TimeZone
zeitzone = new TimeZone("UTC");
final Date
herstellungsdatum = new Date();
Uhr() {
seriennummer = zaehler;
zaehler++;
}
...
Obwohl Uhr eine abstrakte Klasse ist, werden dennoch Variablen
und ein Konstruktor angegeben, der für alle Unterklassen
gemeinsam sinnvoll ist.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-33
M. Philippsen
3.3 Klassenhierarchien
Klassenhierarchie am Beispiel (2) (siehe Folie 3.22)
Abgeleitete Klasse AnalogUhr
class AnalogUhr extends Uhr {
Color zifferblattfarbe;
AnalogUhr(long min) {
super(min);
}
...
}
Abgeleitete Klasse DigitalUhr
class DigitalUhr extends Uhr {
int schriftgroesse;
DigitalUhr(long min) {
super(min);
}
...
}
Beide Unterklassen
deklarieren eigene
zusätzliche Attribute.
Der Konstruktor ruft einen
Konstruktor der Oberklasse
auf, um die gemeinsamen
Attribute zu initialisieren.
Spezielle Notation für solche
Aufrufe: super(…) statt
Uhr(…)
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-34
M. Philippsen / H. Stoyan
3.3 Klassenhierarchien
Mehrfachvererbung (= Übernahme der Eigenschaften von mehr als
einer Oberklasse)
Uhr
anzeigen()
DigitalUhr
13:47
AnalogUhr
schriftgröße
zifferblattfarbe
AnalogDigitalUhr
anzeigenanordnung
13:47
In Java gibt es keine
Sprachelemente, um
Mehrfachvererbung
direkt auszudrücken!
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-35
M. Philippsen
3.3 Klassenhierarchien
Verdecken von Variablen
ƒ Die in der Unterklasse deklarierten Attribute ergänzen die Attribute
der Oberklasse; sie kommen zusätzlich hinzu.
class Ober {
int a1;
float f1;
}
class Unter extends Ober {
boolean a1; //zusätzliches Attribut
float f2;
//zusätzliches Attribut
}
ƒ Eine Unterklasse kann aber auch ein Attribut gleichen Namens aber
anderen Typs deklarieren. In der Unterklasse verdeckt dieses Attribut
dann das Attribut aus der Oberklasse. Zugriff ist aber über „super.“
möglich:
class Unter extends Ober {
...
a1 = ... //spricht Wahrheitswert an
super.a1 = ..//spricht int-Wert an
...
}
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-36
M. Philippsen
3.4 Umsetzung von UML-Klassendiagrammen in Java
Umsetzung UML in Java
Klasse
Attr1 : Typ1 = Anfangswert1
Attr2 : Typ2
Klasse()
Operation1()
Operation2(Parameter1:Typ1,
Parameter2:Typ2)
Operation3 : Ergebnistyp1
class Klasse {
// Attribute
Typ1 Attr1 = Anfangswert1;
Typ2 Attr2;
// Konstruktoren
Klasse () {
}
// Methoden, später mehr dazu
void Operation1() {
}
void Operation2(Typ1 Parameter1,
Typ2 Parameter2) {
}
Ergebnistyp1 Operation3() {
}
}
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-37
M. Philippsen
3.4 Umsetzung von UML-Klassendiagrammen in Java
Assoziationen zwischen Klassen der Bibliothek
Assoziationsname
Exemplar
Leserichtung
ist Exemplar von
Buch
ist vorhanden als
Assoziationsname in umgekehrter Leserichtung
entleiht
gibt zurück
Bibliotheksmitglied
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-38
M. Philippsen
3.4 Umsetzung von UML-Klassendiagrammen in Java
Assoziationen zwischen Klassen der Bibliothek
Exemplar
entleiht
class Exemplar {
...
}
class Bibliotheksmitglied {
Exemplar entliehenesExemplar;//unzureichend
// Exemplar zurückgegebenesExemplar;
}
gibt zurück
Referenz ist Zeiger auf Exemplar, gemäß
Leserichtung der Assoziation.
Bibliotheksmitglied
Beachte Kardinalitäten: Ein Bibliotheksmitglied kann
mehrere Exemplare ausleihen. Eine Referenz zeigt
aber nur auf ein Exemplar.
Beachte: Bei dieser Modellierung gibt es keine Referenz vom Exemplar auf
das ausleihende Bibliotheksmitglied.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-39
M. Philippsen
3.4 Umsetzung von UML-Klassendiagrammen in Java
Weiterer Eigenschaften von Assoziationen
berichtet an
{Vorgesetzter.Gehalt >
Untergebener.Gehalt}
Untergebener
Mitarbeiter
Vorgesetzter
class Mitarbeiter {
Mitarbeiter Vorgesetzer;
Mitarbeiter Untergebene; //unzureichend
}
Beachte: Restriktionen können nicht in der Datenstruktur repräsentiert werden,
sondern müssen auf andere Weise sichergestellt werden (Methoden, Fehlermeldungen, …)
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-40
M. Philippsen
3.4 Umsetzung von UML-Klassendiagrammen in Java
Restriktionen:
Exemplar ist entweder Buch oder Zeitschrift
Exemplar
1..* ist Exemplar von
1
1..* is
{xor}
t Ex
emp
lar v
on
1
Buch
Zeitschrift
class Exemplar {
Buch
buchInformationen;
Zeitschrift zeitschriftInformationen;
}
Beachte: Restriktionen können nicht in der Datenstruktur repräsentiert werden,
sondern müssen auf andere Weise sichergestellt werden (Methoden, Fehlermeldungen, …)
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-41
M. Philippsen
3.4 Umsetzung von UML-Klassendiagrammen in Java
Assoziationsklasse („association class“)
Exemplar
1..*ist Exemplar von
1
Buch
Kaufdatum
class Exemplar {
Buch buchInformationen;
Date kaufdatum;
}
Bei 1:n-Beziehungen können die
Attribute der Assoziationsklasse
Auf die „Seite der n“ gezogen werden.
Bei n:m-Beziehungen muss eine neue
Klasse für die Assoziation eingeführt werden.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-42
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3.4 Umsetzung von UML-Klassendiagrammen in Java
Mehrstellige Assoziationen („n-ary association“) setzen Objekte von
mehr als zwei Klassen zueinander in Beziehung.
Buch
1
Exemplar
0..1
0..1
entleiht
Ein Mitglied darf
von einem Buch
nur 1 Exemplar
ausleihen!
Dauer: Zeit
Bibliotheksmitglied
class Leihe {
Zeit dauer;
Exemplar ex;
Bibliotheksmitglied person;
Buch buchInformationen;
//unzureichend
}
Modellierte Regel lässt sich nicht unmittelbar mit Klassen
und Referenzen alleine darstellen.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-43
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3.4 Umsetzung von UML-Klassendiagrammen in Java
Abschnitt
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Text
Kapitel
Autor
Anzahl Seiten
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1 Buch
Titel
Verlag
ƒ Eine Aggregation („aggregation“) ist eine spezielle Form einer Assoziation, die
eine ist-Teil-von-Beziehung zwischen einem Ganzen und dessen
Bestandteilen ausgedrückt. Sie wird durch eine leere Raute beim Ganzen am
Ende der Assoziation dargestellt.
Æ
Referenz auf die enthaltende(n) Komponente(n), ggf. null
Referenz auf die enthaltene(n) Komponente(n), ggf. null
ƒ Eine Komposition („composition, composite aggregation“) ist eine
Aggregation, bei der ein Bestandteil genau zu einem Ganzen gehört und nicht
ohne das Ganze existieren kann. Dargestellt wird die Komposition durch eine
gefüllte Raute.
Æ
Referenz auf die enthaltende(n) Komponente(n), nicht null
nicht in Datenstruktur festschreibbar.
Referenz auf die enthaltene(n) Komponente(n), ggf. null
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-44
M. Philippsen
3.5 Andere zusammengesetzte Datentypen
ƒ Alle Programmiersprachen bieten neben primitiven Typen auch
zusammengesetzte Typen an.
y Zeichenfolgen („dies ist eine Zeichenfolge“)
y Verbunde
y Reihungen
ƒ In Java sind alle zusammengesetzten Typen einheitlich durch
Klassen realisiert.
ƒ Für Zeichenfolgen und Reihungen gibt es in Java (und in den
meisten Programmiersprachen) eine besondere Notation, die sich
prinzipiell auf die Klassen-Notation zurückführen lässt.
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-45
M. Philippsen
3.5 Andere zusammengesetzte Datentypen
Zeichenfolgen
ƒ Einzelzeichen des Unicodes werden in Java durch einzelnen
Anführungszeichen abgegrenzt:
y char Einzelzeichen = 'x';
ƒ Zeichenfolgen werden durch (doppelte) Gänsefüßchen abgegrenzt:
y ""
y "hello"
//leere Zeichenfolge
//normale Zeichenfolge
ƒ Es gibt spezielle Operatoren für diesen zusammengesetzten
Datentyp:
y Konkatenation:
"hello "+"students"
y Zeichenfolgenvergl. "hello "+"students" == "hello students"
ƒ Zeichenfolgen sind Objekte der bereits im Sprachumfang
vereinbarten Klasse String (genauer: java.lang.String)
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-46
M. Philippsen
3.5 Andere zusammengesetzte Datentypen
Spezialzeichen
Für manche Zeichen des Unicodes gibt es besondere Schreibweisen.
Spezialzeichen
Unicode
Ersatzdarstellung
Rückschritt („backspace")
horizontaler Tabulator („TAB“)
neue Zeile („line feed")
Seitenvorschub („form feed“)
Wagenrücklauf („carriage return“)
doppeltes Anführungszeichen
einfaches Anführungszeichen
Rückstrich („backslash“)
\u0008
\u0009
\u000a
\u000c
\u000d
\u0022
\u0027
\u005c
\b
\t
\n
\f
\r
\"
\‘
\\
Siehe ASCII-Tabelle, Abschnitt 1.1
Escape-Zeichen
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-47
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3.5 Andere zusammengesetzte Datentypen
ƒ Reihung („array“) = geordnete Menge typgleicher Variablen.
ƒ Vereinbarung: <Typ> [] <Name>
y Beispiele: int[] ai;
ƒ Die Größe (= Anzahl der Elemente) wird bei Erzeugung des Arrays
festgelegt, kann dann aber nicht mehr geändert werden.
ƒ Die Erzeugung kann bei oder nach der Variablendeklaration
stattfinden.
y Beispiel für die Erzeugung eines int-Arrays der Größe 10:
int[] ai;
//ai ist noch null-Referenz
ai = new int[10]; //ai ist initialisiert
oder:
int[] ai = new int[10];
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-48
M. Philippsen
3.5 Andere zusammengesetzte Datentypen
ƒ Reihungen sind Objekte einer bereits im Sprachumfang vereinbarten
(anonymen) Klasse. Im Unterschied zu Objekten, die der
Programmierer anlegt, gibt es zusätzliche sprachliche Möglichkeiten
für Zugriffe auf die Variablen von Reihungsobjekten.
y Im Attribut length eines Reihungsobjekts kann die Größe der erzeugten
Reihung abgelesen werden.
y Beispiel:
ai.length == 10
// liefert (nach der
// Erzeugung von oben) true
ƒ Nach der Erzeugung gibt es Zugriffsfunktionen („Namen“) für jedes Element
der Reihung: ai[0], ai[1], ... , ai[ai.length-1]
y Beispiel Zugriffe:
ai[1] = ai[3 + 1];
// Schreibt 2. Array-Element (Nr.1)
// und liest 5. Array Element (Nr.4)
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-49
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3.5 Andere zusammengesetzte Datentypen
ƒ Beispiel
Das erste Array-Element
hat den Index 0!
Uhr[] uhren_liste = new Uhr[5];
uhren_liste[0] = new AnalogUhr();
uhren_liste[1] = new DigitalUhr();
// 5 Uhren
int l = uhren_liste.length;
// l ist 5
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-50
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3.5 Andere Zusammengesetzte Datentypen
Mehrdimensionale Reihungen:
ƒ Der Typ eines Arrays kann beliebig sein (Klasse, primitiver Typ oder
wiederum ein Array-Typ).
ƒ Daher sind mehr-dimensionale Arrays möglich:
int[][] aai;
Exemplar[] geliehen;
// Array aus int-Arrays
// Array aus Objektreferenzen
ƒ Auch im mehrdimensionalen Fall müssen die Arrays jeweils einzeln
erzeugt werden:
aai = new int[2][]; //
//
aai[0] = new int[1]; //
//
aai[1] = new int[2]; //
//
Erzeuge Array zur
Speicherung von 2 int-Arrays
Erzeuge erstes intArray der Länge 1
Erzeuge zweites Array
der Länge 2
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-51
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3.5 Andere Zusammengesetzte Datentypen
Mehrdimensionale Reihungen
ƒ gibt es in den meisten Programmiersprachen.
ƒ Aber meistens nicht als Reihungen von Reihungen, sondern als
„rechteckige“ mehrdimensionale Datenfelder.
y Mehrdimensionales Datenfeld (C, C++, Fortran, ...)
…
Bei linearer Abbildung in den HauptSpeicher kann aus dem Index (i,j) und
dem Platzbedarf des Grundtyps die
Speicheradresse ermittelt werden.
y Reihung von Reihung (Java)
Nicht-“rechteckige“ mehrdimensionale
Reihungen sind möglich (fehlende Zeilen,
doppelt genutzte Zeilen, unterschiedlich
lange Zeilen)
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-52
M. Philippsen
3.5 Andere zusammengesetzte Datentypen
Mehr über Reihungen:
ƒ Bei der Erzeugung dürfen die Array-Größen aus Ausdrücken
berechnet werden:
int a = b = 10;
Exemplar[] geliehen = new Exemplar[a + b];
ƒ Es sind auch direkte Array-Initialisierungen möglich:
int[] quadrat = {1, 4, 9, 16, 25, 36, 49};
int[][] aai = { { 1, 2 }, { 3, 4 } };
ƒ Bei nicht initialisierten Arrays werden die Elemente implizit auf
Standardwerte gesetzt:
y 0 bei int, short, byte, float, double
y false bei boolean
y null bei Referenzen
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Algorithmik 1, WS 2004/05, Folie 3-53
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