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5. Objektorientierte Implementierung
mit Java-Datenstrukturen
5.1
5.2
5.3
5.4
Java-2 Collection Framework
Generisches Programmieren
Auswahl von Datenstrukturen
Persistente Datenhaltung
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Softwaretechnologie
5. Objektorientierte Implementierung
mit Java-Datenstrukturen
5.3 Auswahl von Datenstrukturen
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Softwaretechnologie
"Alte" Datenstrukturen (aus Java 1.0)
<<interface>>
Vererbung (extends)
Collection
Implementierung (implements)
<<interface>>
<<interface>>
<<interface>>
List
Set
Map
<<interface>>
<<interface>>
SortedSet
SortedMap
ArrayList
HashSet
LinkedList
Vector
TreeSet
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HashMap
Hashtable TreeMap
Softwaretechnologie
Welche Listen-Implementierung?
• Gemessener relativer Aufwand für Operationen auf Listen:
(aus Eckel, Thinking in Java, 2nd ed., 2000)
Typ
array
ArrayList
LinkedList
Vector
Lesen
1430
3070
16320
4890
Iteration
3850
12200
9110
16250
Einfügen
-500
110
550
Entfernen
-46850
60
46850
• Stärken von ArrayList:
– wahlfreier Zugriff
• Stärken von LinkedList:
– Iteration
– Einfügen und Entfernen irgendwo in der Liste
• Vector generell die langsamste Lösung
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Softwaretechnologie
Collection Framework (Überblick)
<<interface>>
Vererbung (extends)
Collection
Implementierung (implements)
<<interface>>
<<interface>>
<<interface>>
List
Set
Map
<<interface>>
<<interface>>
SortedSet
SortedMap
ArrayList
LinkedList
HashSet
HashMap
TreeSet
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TreeMap
Softwaretechnologie
java.util.Set (Auszug)
public interface Set {
public
public
public
public
public
public
...
public
public
...
public
boolean add (Object o);
boolean remove (Object o);
void clear();
boolean isEmpty();
boolean contains (Object o);
int size();
boolean equals (Object o);
int hashCode();
Iterator iterator();
}
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Softwaretechnologie
Anwendungsbeispiel für Set
Warengruppe
– name: String
– lagerplatz: String
+ add (a: Artikel)
+ anzahl(): int
1
*
Artikel
– name: String
– preis: int
+ preis(): int
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Softwaretechnologie
java.util.HashSet (Auszug)
public class HashSet implements Set ... {
public HashSet
(int initialCapacity, float loadFactor);
...
public boolean add (Object o);
public boolean remove (Object o);
public void clear();
public boolean isEmpty();
public boolean contains (Object o);
public int size();
public boolean equals (Object o);
public int hashCode();
...
public Iterator iterator();
}
(Anmerkung: Erläuterung von Hashfunktionen folgt etwas später !)
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Softwaretechnologie
Anwendungsbeispiel mit HashSet
class Warengruppe {
private String name;
private String lagerplatz;
private Set inhalt;
public Warengruppe
(String name, String lagerplatz) {
this.name = name;
this.lagerplatz = lagerplatz;
this.inhalt = new HashSet();
}
public void add (Artikel a) { inhalt.add(a); }
public int anzahl() { return inhalt.size(); }
public String toString() {
String s = "Warengruppe "+name+"\n";
Iterator it = inhalt.iterator();
while (it.hasNext()) {
s += " "+(Artikel)it.next();
};
}
Online:
}
Warengruppe0.java
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Softwaretechnologie
Wann sind Objekte gleich? (1)
• Vergleich mit Operation == :
– Referenzgleichheit, d.h. physische Identität der Objekte
– Typischer Fehler: Stringvergleich mit "=="
(ist nicht korrekt, geht aber meistens gut!)
• Vergleich mit o.equals():
– deklariert in java.lang.Object
– überdefiniert in vielen Bibliotheksklassen
» z.B. java.lang.String
– für selbstdefinierte Klassen
» Standardbedeutung Referenzgleichheit
» bei Bedarf selbst überdefinieren !
(Ggf. für kompatible Definition der Operation o.hashCode()
aus java.lang.Object sorgen)
Online:
Warengruppe1.java
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Softwaretechnologie
Wann sind Objekte gleich? (2)
public static void main (String[] args) {
Warengruppe w1 = new Warengruppe("Moebel","L1");
w1.add(new Artikel("Tisch",200));
w1.add(new Artikel("Stuhl",100));
w1.add(new Artikel("Schrank",300));
w1.add(new Artikel("Tisch",200));
System.out.println(w1);
}
Systemausgabe:
Warengruppe
Warengruppe Moebel
Moebel
Tisch(200)
Tisch(200) Tisch(200)
Tisch(200) Schrank(300)
Schrank(300) Stuhl(100)
Stuhl(100)
Online:
Warengruppe0.java
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Softwaretechnologie
Wann sind Objekte gleich? (3)
public static void main (String[] args) {
Artikel tisch = new Artikel("Tisch",200);
Artikel stuhl = new Artikel("Stuhl",100);
Artikel schrank = new Artikel("Schrank",300);
Warengruppe w2 = new Warengruppe("Moebel","L2");
w2.add(tisch);
w2.add(stuhl);
w2.add(schrank);
w2.add(tisch);
System.out.println(w1);
}
Systemausgabe:
Warengruppe
Warengruppe Moebel
Moebel
Schrank(300)
Schrank(300) Tisch(200)
Tisch(200) Stuhl(100)
Stuhl(100)
Es wurde zweifach dasselbe Tisch-Objekt übergeben !
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Softwaretechnologie
Delegation vs. Vererbung
class
class Warengruppe
Warengruppe {{ ……
private
private Set
Set inhalt;
inhalt;
Delegation
public
public Warengruppe
Warengruppe (…)
(…) {{ ……
this.inhalt
this.inhalt == new
new HashSet();
HashSet();
}}
public
public void
void add
add (Artikel
(Artikel a)
a) {{ inhalt.add(a);
inhalt.add(a); }}
……
}}
class Warengruppe extends HashSet { …
Vererbung
public Warengruppe (…) {
super(); …
}
…
// keine explizite add-Operation !
}
Warengruppe2.java
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Softwaretechnologie
java.util.SortedSet (Auszug)
public interface SortedSet extends Set {
public
public
public
public
public
public
...
public
public
public
...
public
public
boolean add (Object o);
boolean remove (Object o);
void clear();
boolean isEmpty();
boolean contains (Object o);
int size();
boolean equals (Object o);
int hashCode();
Iterator iterator();
Object first();
Object last(); ...
}
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Softwaretechnologie
Ordnung auf Elementen:
java.lang.Comparable
public interface Comparable {
public int compareTo (Object o);
}
Resultat kleiner/gleich/größer 0:
"this" kleiner/gleich/größer als Objekt o
Standarddatentypen (z.B. String) implementieren Comparable
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Softwaretechnologie
java.util.TreeSet
• Modifikation der Klasse Warengruppe:
class Warengruppe {
private Set inhalt;
public Warengruppe (…) {
…
this.inhalt = new TreeSet();
} …
}
• Systemreaktion:
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: Artikel
at java.util.TreeMap.compare(TreeMap.java, Compiled Code)
• java.util.TreeSet:
public class TreeSet … implements SortedSet … {
… }
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Softwaretechnologie
Anwendungsbeispiel mit TreeSet
• Modifikation der Klasse „Artikel“:
class
class Artikel
Artikel implements
implements Comparable
Comparable {{
...
...
public
public int
int compareTo
compareTo (Object
(Object o)
o) {{
return
return name.compareTo(((Artikel)o).name);
name.compareTo(((Artikel)o).name);
}}
}}
Systemausgabe:
Warengruppe
Warengruppe Moebel
Moebel
Schrank(300)
Schrank(300) Stuhl(100)
Stuhl(100) Tisch(200)
Tisch(200)
Online:
Warengruppe3.java
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Softwaretechnologie
HashSet oder TreeSet?
• Gemessener relativer Aufwand für Operationen auf Mengen:
(aus Eckel, Thinking in Java, 2nd ed., 2000)
Typ
HashSet
TreeSet
Einfügen
36,14
150,6
Enthalten
106,5
177,4
Iteration
39,39
40,04
• Stärken von HashSet:
– in allen Fällen schneller !
• Stärken von TreeSet:
– erlaubt Operationen für sortierte Mengen
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Softwaretechnologie
Collection Framework (Überblick)
<<interface>>
Vererbung (extends)
Collection
Implementierung (implements)
<<interface>>
<<interface>>
<<interface>>
List
Set
Map
<<interface>>
<<interface>>
SortedSet
SortedMap
ArrayList
LinkedList
HashSet
TreeSet
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HashMap
TreeMap
Softwaretechnologie
java.util.Map (Auszug)
public interface Map {
...
public boolean containsKey (Object key);
public boolean containsValue (Object value);
public Object get (Object key);
public Object put (Object key, Object value);
public Object remove (Object key);
public int size();
public Set keySet();
public Collection values();
...
}
„Assoziativer Speicher“
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Softwaretechnologie
Anwendungsbeispiel
Katalog
– name: String
+ put (code: String, a: Artikel)
+ get (code: String): Artikel
+ anzahl(): int
code: String
HashMap ist eine
sehr günstige Umsetzung
für qualifizierte Assoziationen
*
1
Artikel
– name: String
– preis: int
+ preis(): int
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Softwaretechnologie
Anwendungsbeispiel mit HashMap
class Katalog {
private String name;
private Map inhalt;
public Katalog (String name) {
this.name = name;
this.inhalt = new HashMap();
}
public void put (String code, Artikel a) {
inhalt.put(code,a);
}
public int anzahl() {
return inhalt.size();
}
public Artikel get (String code) {
return (Artikel)inhalt.get(code);
}
...
}
Online:
Katalog.java
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Softwaretechnologie
Testprogramm für Anwendungsbeispiel
public static void main (String[] args) {
Artikel tisch = new Artikel("Tisch",200);
Artikel stuhl = new Artikel("Stuhl",100);
Artikel schrank = new Artikel("Schrank",300);
Artikel regal = new Artikel("Regal",200);
}
Katalog k = new Katalog("Katalog1"); Systemausgabe:
k.put("M01",tisch);
Katalog
Katalog Katalog1
Katalog1
k.put("M02",stuhl);
M03
M03 ->
-> Schrank(300)
Schrank(300)
M02
->
Stuhl(100)
k.put("M03",schrank);
M02 -> Stuhl(100)
M01
->
Tisch(200)
M01 -> Tisch(200)
System.out.println(k);
Katalog
Katalog Katalog1
Katalog1
k.put("M03",regal);
M03
M03 ->
-> Regal(200)
Regal(200)
System.out.println(k);
M02
->
Stuhl(100)
M02 -> Stuhl(100)
M01
->
Tisch(200)
M01 -> Tisch(200)
put(...)
put(...)überschreibt
überschreibtvorhandenen
vorhandenenEintrag
Eintrag(Ergebnis
(Ergebnis==vorhandener
vorhandenerEintrag).
Eintrag).
Ordnung
Ordnungauf
aufden
denSchlüsseln:
Schlüsseln:SortedMap
SortedMap(Implementierung
(Implementierungz.B.TreeMap).
z.B.TreeMap).
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Softwaretechnologie
Prinzip der Hashtabelle
hashtab
0
Object
hashCode(): int
key: Object
key.hashCode() value: Object
value: Object
Effekt
Effekt von
von hashtab.put(key,value)
hashtab.put(key,value)
capacity
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Softwaretechnologie
Kollision
0
key1: Object
value1: Object
key2: Object
key1.hashCode()
= key2.hashCode() value?: Object
value2: Object
Verfahren zur Kollisionsauflösung:
– Überlauflisten
– Überlauf in der Hashtabelle
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capacity
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Softwaretechnologie
Vorgehensweise beim Datenstruktur-Entwurf
Identifikation der Anforderungen an die Datenstruktur:
Funktionalität, häufig benutzte Operationen
Abstraktion auf die wesentlichen Eigenschaften
Suche nach vorgefertigten Lösungen
Ggf. Experimente (experimentelle Prototypen)
Anpassung an
vorgefertigte Lösung
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Entwicklung einer
neuartigen Lösung
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Softwaretechnologie
Suche nach vorgefertigten Lösungen
Collection
Map
Einfügen eines Elements
Entfernen eines Elements
Aufzählen aller Elemente
"ist enthalten"-Abfrage
dynamisch erweiterbar
Einfügereihenfolge relevant?
Einfügen eines Werts für einen Schlüssel
Entfernen eines Schlüssel/Wert-Paars
Abfrage eines Werts für einen Schlüssel
"ist enthalten"-Abfrage für Schlüssel
dynamisch erweiterbar
Sortierung der
Schlüssel relevant?
SortedMap
nein
ja
List
Set
Abfrage an i-ter Position
Ersetzen an i-ter Position
Entfernen an i-ter Position
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Sortierung relevant?
SortedSet
kleinstes/größtes Element
Elemente "über"/"unter" x
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Softwaretechnologie
Beispiel: Realisierung von Assoziationen
A
*
B
assoc
Datenstruktur im A-Objekt für B-Referenzen
Anforderung
Abstraktion
1) Assoziation anlegen
2) Assoziation entfernen
3) Durchlaufen aller bestehenden
Assoziationen zu B-Objekten
4) Manchmal: Abfrage, ob
Assoziation zu einem
B-Objekt besteht
5) Keine Obergrenze der
Multiplizität gegeben
1) Einfügen (ohne Reihenfolge)
2) Entfernen (ohne Reihenfolge)
3) Aufzählen aller Elemente
4) "ist enthalten"-Abfrage
5) Maximalanzahl der Elemente
unbekannt;
dynamisch erweiterbar
Set
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Softwaretechnologie
Realisierung von Assoziationen mit Set
A
assoc
*
B
class A {
private Set assoc;
...
public void addAssoc (B b) {
assoc.add(b);
}
public boolean testAssoc (B b) {
return assoc.contains(b);
}
public A {
...
assoc = new HashSet();
}
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Beispiel: Raumverwaltung
static Besprechungsraum freienRaumSuchen
(int groesse, Hour beginn, int dauer)
• Suche unter vorhandenen Räumen nach Raum mit mindestens der
Kapazität groesse, aber möglichst klein.
– Datenstruktur für vorhandene Räume in Klasse Raumverwaltung
» SortedSet (Elemente: Besprechungsraum)
• Überprüfung eines Raumes, ob er für die Zeit ab beginn für die
Länge dauer bereits belegt ist.
– Operation in Klasse Besprechungsraum:
boolean frei (Hour beginn, int dauer)
– Datenstruktur in Klasse Besprechungsraum für Zeiten (Stunden):
» Set (Elemente: Hour)
• Zusatzanforderung (Variante): Überprüfung, welcher andere
Termin eine bestimmte Stunde belegt.
– Datenstruktur in Klasse Besprechungsraum:
» Map (Schlüssel: Hour, Wert: Teambesprechung)
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Softwaretechnologie
Raumverwaltung: Freien Raum suchen
class Raumverwaltung {
private static SortedSet vorhandeneRaeume
= new TreeSet();
// Vorhandene Raeume, aufsteigend nach Groesse sortiert
static Besprechungsraum freienRaumSuchen
(int groesse, Hour beginn, int dauer) {
Besprechungsraum r = null;
boolean gefunden = false;
Iterator it = vorhandeneRaeume.iterator();
while (! gefunden && it.hasNext()) {
r = (Besprechungsraum)it.next();
if (r.grossGenug(groesse)&& r.frei(beginn,dauer))
gefunden = true;
};
if (gefunden)
return r;
else
return null;
} ...
}
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Softwaretechnologie
5. Objektorientierte Implementierung
mit Java-Datenstrukturen
5.4 Persistente Datenhaltung
Art
Artisislong,
long,and
andTime
Timeisisfleeting.
fleeting.
H.
H.W.
W.Longfellow
Longfellow
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Softwaretechnologie
Temporäre und persistente Daten
• Daten sind
– temporär, wenn sie mit Beendigung des Programms verloren gehen,
das sie verwaltet;
– persistent, wenn sie über die Beendigung des verwaltenden
Programms hinaus erhalten bleiben.
• Objektorientierte Programme benötigen Mechanismen zur
Realisierung der Persistenz von Objekten.
• Möglichkeiten zur Realisierung von Objekt-Persistenz:
– Einsatz eines Datenbank-Systems
» Objektorientiertes Datenbank-System
» Relationales Datenbank-System
Java: Java Data Base Connectivity (JDBC)
» Zugriffsschicht auf Datenhaltung
Java: Java Data Objects (JDO)
– Speicherung von Objektstrukturen in Dateien
» Objekt-Serialisierung (Object Serialization)
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Softwaretechnologie
Objekt-Serialisierung in Java
• Die Klassen java.io.ObjectOutputStream und
java.io.ObjectInputStream stellen Methoden bereit, um ein
Geflecht von Objekten linear darzustellen (zu serialisieren) bzw.
aus dieser Darstellung zu rekonstruieren.
• Eine Klasse, die Serialisierung zulassen will, muß die (leere!)
Schnittstelle java.io.Serializable implementieren.
class ObjectOutputStream {
public ObjectOutputStream (OutputStream out)
throws IOException;
public void writeObject (Object obj)
throws IOException;
}
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Softwaretechnologie
Objekt-Serialisierung: Abspeichern
import java.io.*;
class XClass implements Serializable {
private int x;
public XClass (int x) {
this.x = x;
}
}
...
XClass xobj;
...
FileOutputStream fs = new FileOutputStream("Xfile.dat");
ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fs);
os.writeObject(xobj);
...
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Softwaretechnologie
Objekt-Serialisierung: Einlesen
import java.io.*;
class XClass implements Serializable {
private int x;
public XClass (int x) {
this.x = x;
}
}
...
XClass xobj;
...
FileInputStream fs = new FileInputStream("Xfile.dat");
ObjectInputStream os = new ObjectInputStream(fs);
xobj = (XClass) os.readObject();
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Softwaretechnologie