Folienset 3: Imperative Programmierung in Java

Imperative Programmierung in Java
Algorithmen und Datenstrukturen II
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Mini-Java
Ein Mini-Java Programm besteht aus genau einer Klasse. In dieser Klasse gibt es
genau eine main-Methode. Folgende Konstrukte sind Anweisungen (statements
gemäß Mini-Java-Syntax, vgl. Beispiel ??):
1. Die Deklaration einer Variablen vom Typ int mit sofortiger Initialisierung:
int ident = expression;
Jeder Bezeichner (ident) darf in höchstens einer Variablendeklaration vorkommen.
Diese kontextsensitive Bedingung lässt sich nicht in der EBNF-Definition
formulieren.
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2. Die Zuweisung eines Wertes an eine Variable:
ident = expression;
Diese Variable muss vorher deklariert worden sein und den gleichen Typ wie der
Ausdruck haben. Diese Nebenbedingung ist ebenfalls nicht in der
EBNF-Definition ausgedrückt.
3. Eine bedingte Anweisung (if-then Anweisung):
if(condition) statement
Der Bool’sche Ausdruck (condition) wird ausgewertet; ist er true, so wird die
Anweisung (statement) ausgeführt. Ist er false, so wird die Anweisung nicht
ausgeführt und die Programmausführung mit der nächsten Anweisung hinter der
if-then Anweisung fortgesetzt.
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4. Eine abweisende Schleife (while-Schleife):
while(condition) statement
Der Bool’sche Ausdruck wird ausgewertet; ist er true, so wird die Anweisung so
lange ausgeführt, bis der Bool’sche Ausdruck false wird.
5. Ein Block.
{ statement1 ; statement2 ; . . . }
Die Statements in der geschweiften Klammer werden von links nach rechts
nacheinander abgearbeitet.
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6. Eine Anweisung zum Schreiben auf der Standardausgabe:
System.out.println(...);
System ist eine Klasse, die klassenbezogene Methoden zur Darstellung des
Zustandes des Systems bereitstellt. out ist eine Klassenvariable der Klasse
System, ihr Inhalt ist der Standardausgabestrom. Die Methode println wird
also auf das klassenbezogene Datenfeld out angewendet – es wird ein String mit
abschließendem Zeilenvorschub auf dem Standardausgabestrom ausgegeben.
7. Die leere Anweisung.
;
Es geschieht nichts.
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8. Die Deklaration eines eindimensionalen Feldes (Arrays) mit sofortiger
Initialisierung:
int[] array = new int[3];
deklariert ein Feld namens array, erzeugt ein Feld mit drei int-Komponenten und
weist dieses der Feldvariablen array zu. Beachte, dass die Dimension (3) einer
Feldvariablen nicht bei der Deklaration (int[] array ) angegeben wird, sondern
nur bei der Erzeugung (new int[3]). Die erste Komponente eines Feldes hat den
Index 0. Die Länge des Feldes kann aus dessen Datenfeld length ausgelesen
werden (array .length).
9. Die Zuweisung eines Wertes an die i-te Komponente eines Feldes, wobei 0 ≤ i ≤
array .length−1:
array [i] = expression;
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class Echo {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
while(i < args.length) {
System.out.println(args[i]);
i = i+1;
}
}
}
> java Echo 10 2
10
2
>
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class BadAddOne {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
while(i < args.length) {
int wert = args[i];
wert = wert+1;
System.out.println(wert);
i = i+1;
}
}
}
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8
> javac BadAddOne.java
BadAddOne.java:6: Incompatible type for declaration.
Can’t convert java.lang.String to int.
int wert = args[i];
>
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9
class AddOne {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
while(i < args.length) {
int wert = Integer.parseInt(args[i]);
wert = wert+1;
System.out.println(wert);
i = i+1;
}
}
}
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10
> java AddOne 6 3 20
7
4
21
>
Algorithmen und Datenstrukturen II
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Von Mini-Java zu Java
Jedes Mini-Java Programm ist ein Java Programm. In diesem Abschnitt werden die
Datentypen und imperativen Konstrukte von Java erläutert, die nicht bereits in
Mini-Java vorhanden sind.
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Elementare Datentypen
Unicode: Java, als Sprache für das World Wide Web, benutzt einen 16-Bit
Zeichensatz, genannt Unicode. Die ersten 256 Zeichen von Unicode sind identisch
mit dem 8-Bit Zeichensatz Latin-1, wobei wiederum die ersten 128 Zeichen von
Latin-1 mit dem 7-Bit ASCII Zeichensatz übereinstimmen.
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Elementare Datentypen und deren Literale:
Typ boolean
true und false
Typ int
29 (Dezimalzahl) oder
035 (Oktaldarstellung wegen führender 0) oder
0x1D (Hexadezimaldarstellung wegen führendem 0x) oder
0X1d (Hexadezimaldarstellung wegen führendem 0X)
Typ long
29L (wegen angehängtem l oder L)
Typ short
short i = 29; (Zuweisung, es gibt kein short-Literal)
Typ byte
byte i = 29; (Zuweisung, es gibt kein byte-Literal)
Typ double
18.0 oder 18. oder 1.8e1 oder .18E2
Typ float
18.0f (wegen angehängtem f oder F)
Typ char
’Q’, ’\u0022’, ’\u0b87’
Typ String
"Hallo" (String ist kein elementarer Datentyp; s. Kapitel ??)
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Initialbelegungen: Während ihrer Deklaration kann eine Variable wie in Mini-Java
initialisiert werden.
final double PI = 3.141592654;
float radius = 1.0f;
Sind für Datenfelder einer Klasse keine Anfangswerte angegeben, so belegt Java
sie mit voreingestellten Anfangswerten. Der Anfangswert hängt vom Typ des
Datenfeldes ab:
Feld-Typ
Anfangswert
boolean
false
char
’\u0000’
Ganzzahl (byte, short, int, long)
0
Gleitkommazahl
+0.0f oder +0.0d
andere Referenzen
null
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Lokale Variablen
Lokale Variablen in einer Methode (oder einem Konstruktor oder einem
klassenbezogenen Initialisierungsblock) werden von Java nicht mit einem Anfangswert
initialisiert. Vor ihrer ersten Benutzung muss einer lokalen Variablen ein Wert
zugewiesen werden (ein fehlender Anfangswert ist ein Fehler).
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Kommentare
// Kommentar bis zum Ende der Zeile
/* Kommentar
zwischen */
Achtung: /* */ können nicht geschachtelt werden!
/* falsch
/* geschachtelter Kommentar */
*/
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Bool’sche Operatoren
&&
logisches und
||
logisches oder
!
logisches nicht
Die Auswertung eines Bool’schen Ausdrucks erfolgt von links nach rechts, bis der
Wert eindeutig feststeht. Folgender Ausdruck ist deshalb robust:
if(index>=0 && index<array.length && array[index]!=0) ...
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Bitoperatoren
Die Bitoperatoren & (und) und | (oder ) sind definiert durch:
& 0
1
| 0 1
0
0
0
0
0 1
1
0
1
1
1 1
int-Zahlen werden durch diese Operatoren bitweise behandelt.
Algorithmen und Datenstrukturen II
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Beispiel 0.1 Es seien x und y folgendermaßen gewählt: x = 60 (in
Binärdarstellung 00111100) und y = 15 (binär: 00001111). In diesem Fall ist
x&y = 12 und x|y = 63:
x & y
x | y
00111100 (60)
00111100 (60)
& 00001111 (15)
| 00001111 (15)
00001100 (12)
00111111 (63)
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Inkrement und Dekrement
Man kann den Wert einer Variablen x (nicht den eines Ausdrucks) durch den
Operator ++ um 1 erhöhen bzw. durch -- um 1 erniedrigen. Es gibt Präfix- und
Postfixschreibweisen, die unterschiedliche Wirkungen haben: Bei der
Präfixschreibweise wird der Wert zuerst modifiziert und danach der veränderte Wert
zurückgeliefert. Bei der Postfixschreibweise wird zuerst der Wert der Variablen
zurückgeliefert, dann wird sie modifiziert.
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int i = 10;
int j = i++;
System.out.println(j);
int i = 10;
int j = ++i;
System.out.println(j);
>
10
>
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Der Ausdruck i++ ist gleichbedeutend mit i = i+1, jedoch wird i nur einmal
ausgewertet!
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Beispiel 0.2
(A)
arr[where()]++;
Die Methode where() wird einmal aufgerufen.
(B)
arr[where()] = arr[where()]+1;
Hierbei wird die Methode where() jedoch zweimal aufgerufen.
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Seiteneffekte
Seiteneffekte können hier sogar das Ergebnis beeinflussen: In dem Kontext arr[0] =
0; arr[1] = 1; arr[2] = 2; und
private static int zaehler = 0;
private static int where() {
zaehler = zaehler+1;
return zaehler;
}
liefert (A) arr[1] = 2 bzw. (B) arr[1] = 3.
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Zuweisungsoperatoren
i += 2; ist gleichbedeutend mit i = i+2; außer, dass der Ausdruck auf der linken
Seite von i += 2; nur einmal ausgewertet wird (vgl. Inkrement und Dekrement).
Entsprechend sind -=, &= und |= definiert.
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Die nichtabweisende Schleife
Zusätzlich zur abweisenden Schleife gibt es eine nichtabweisende Schleife in Java:
do
statement
while(condition);
Die condition wird erst nach der Ausführung von statement ausgewertet. Solange sie
true ist, wird statement wiederholt.
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for-Schleife
for(init-statement; condition; increment-statement)
statement
ist gleichbedeutend mit (mit Ausnahme vom Verhalten bei continue):
{
init-statement
while(condition) {
statement
increment-statement
}
}
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Übliche Verwendung der for-Schleife:
for(int i=0; i<=10; i++) {
System.out.println(i);
}
Der Gültigkeitsbereich der (Lauf-)Variablen i beschränkt sich auf die for-Schleife!
int i = 0;
for(int i=0; i<=10; i++) {
System.out.println(i);
}
ist jedoch nicht möglich, da die Variable i vorher schon deklariert wurde.
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Die Initialisierungs- bzw. Inkrementanweisung einer for-Schleife kann eine durch
Kommata getrennte Liste von Ausdrücken sein. Diese werden von links nach rechts
ausgewertet.
Beispiel 0.3 (Arnold & Gosling [1], S. 144)
public static int zehnerPotenz(int wert) {
int exp, v;
for(exp=0,v=wert; v>0; exp++, v=v/10)
; // leere Anweisung
return exp;
}
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Alle Ausdrücke dürfen auch leer sein; dies ergibt eine Endlosschleife:
for(;;) {
System.out.println("Hallo");
}
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if-then-else Anweisung
if(condition)
statement1
else
statement2
Algorithmen und Datenstrukturen II
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If-else-Zuordnung
public double positiveSumme(double[] werte) {
double sum = 0.0;
if(werte.length > 1)
for(int i=0; i<werte.length; i++)
if(werte[i] > 0)
sum += werte[i];
else // hoppla!
sum = werte[0];
return sum;
}
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public double positiveSumme(double[] werte) {
double sum = 0.0;
if(werte.length > 1)
for(int i=0; i<werte.length; i++)
if(werte[i] > 0)
sum += werte[i];
else // hoppla!
sum = werte[0];
return sum;
}
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public double positiveSumme(double[] werte) {
double sum = 0.0;
if(werte.length > 1) {
for(int i=0; i<werte.length; i++)
if(werte[i] > 0)
sum += werte[i];
}
else {
sum = werte[0];
}
return sum;
}
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Mehrdimensionale Felder
Mehrdimensionale Felder werden in Java durch Felder von Feldern realisiert.
Beispiel 0.4 (Jobst [4], S. 37)
Algorithmen und Datenstrukturen II
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public class Array2Dim {
public static void main(String[] args) {
int[][] feld = new int[3][3];
//Weise feld[i][j] den Wert (i+1)*10+j zu
for(int i=0; i<feld.length; i++) {
for(int j=0; j<feld[i].length; j++) {
feld[i][j] = (i+1)*10+j;
System.out.print(feld[i][j]+" ");
}
System.out.println();
}
}
}
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> java Array2Dim
10 11 12
20 21 22
30 31 32
Algorithmen und Datenstrukturen II
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Beispiel 0.5 (Jobst [4], S. 38)
Algorithmen und Datenstrukturen II
38
public class DemoArray {
public static void main(String[] args) {
int[][] feld = new int[3][];
for(int i=0; i<feld.length; i++) {
feld[i] = new int[i+1];
for(int j=0; j<feld[i].length; j++) {
feld[i][j] = (i+1)*10+j;
System.out.print(feld[i][j]+" ");
}
System.out.println();
}
}
}
> java DemoArray
10
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39
20 21
30 31 32
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Felder können bei ihrer Deklaration sofort initialisiert werden:
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Beispiel 0.6 (Jobst [4] S. 39)
public class DemoFeldInitial {
public static void main(String[] args) {
int[][] feld = {{1,2,3},{4,5},{7,8,9,10}};
//Ausgabe des Feldes
for(int i=0; i<feld.length; i++) {
for(int j=0; j<feld[i].length; j++)
System.out.print(feld[i][j]+" ");
System.out.println();
}
}
}
> java DemoFeldInitial
1 2 3
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switch-Anweisung
switch(expression) {
case const1: statement1 break;
case const2: statement2 break;
...
default: statement
}
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Beispiel 0.7 (Jobst [4], S. 15)
Algorithmen und Datenstrukturen II
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public class DemoFuerSwitch {
public static void main (String[] args) {
for(int i=0; i<=10; i++)
switch(i) {
case 1:
case 2:
System.out.println(i+" Fall 1,2");
case 3:
System.out.println(i+" Fall 3");
case 7:
System.out.println(i+" Fall 7");
break;
default:
System.out.println(i+" sonst");
}
}
}
Algorithmen und Datenstrukturen II
// Weiter bei Fall 3
// Weiter bei Fall 7
45
Algorithmen und Datenstrukturen II
46
> java DemoFuerSwitch
0 sonst
1 Fall 1,2
1 Fall 3
1 Fall 7
2 Fall 1,2
2 Fall 3
2 Fall 7
3 Fall 3
3 Fall 7
4 sonst
5 sonst
6 sonst
7 Fall 7
8 sonst
9 sonst
10 sonst
>
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Literatur
[1] K. Arnold, J. Gosling: JavaT M - Die Programmiersprache. Addison-Wesley, 1996.
[2] T.H. Cormen, C.E. Leierson, R.L. Rivest: Introduction to Algorithms. MIT Press, 1990.
[3] D. Flanagan: Java in a Nutshell. O’Reilly &
Associates Inc., 1996.
[4] F. Jobst: Programmieren in Java. Hanser Verlag, 1996.
[5] H. Klaeren: Vom Problem zum Programm.
2.Auflage, B.G. Teubner Verlag, 1991.
[6] K. Echtle, M. Goedicke: Lehrbuch der Programmierung mit Java. dpunkt-Verlag, 2000.