Abstrakte Datentypen und Java Motivation
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Abstrakte Datentypen und Java
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Gunter Saake
Kai-Uwe Sattler
Algorithmen & Datenstrukturen
1
Motivation
ADT in Programmiersprachen
Konzept der Kapselung
Verbergen der internen Repräsentation
gleiche Verwendung trotz unterschiedlicher
Implementierung
Vorteile
Stabilität gegenüber Änderungen
Auswahl einer geeigneten
Implementierungsvariante
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2
1
Umsetzung
ADT in Java
Typen → Klassen, Schnittstellen
Funktionen → Methoden
Klassen als konkrete Implementierung
Sammlungen von Daten und Methoden, die auf
Daten operieren
beschreiben Eigenschaften von Objekten
Schnittstellen
Sammlung von Konstanten und abstrakten
Methoden ohne Implementierung
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Vererbung
Klasse erbt von Klasse:
classA extends classB
erben der Daten und Methodenimplementierungen
Schnittstelle erbt von Schnittstelle:
interfA extends interfA
erben der Konstanten und Methodensignaturen
Klasse implementiert Schnittstelle:
classA implements interfA
erben der Methodensignaturen + Bereitstellung einer
Implementierung
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2
Beispiel: Rationale Zahlen in Java
Implementierung des ATD als Klasse
public class RatZahl {
private int zaehler = 0;
private int nenner = 1;
...
}
Konstruktoren
public RatZahl () {}
public RatZahl (int z, int n) {
zaehler = z; nenner = n;
kuerzen ();
}
Selektoren
public int zaehler () { return this.zaehler; }
public int nenner () { return this.nenner; }
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Beispiel: Rationale Zahlen
Implementierung der Funktion
add: RatZahl × RatZahl → RatZahl
Varianten
static RatZahl add (RatZahl z1, RatZahl z2)
void add (RatZahl z)
RatZahl add (RatZahl z)
üblicherweise
public RatZahl addiere (RatZahl n) {
int nnenn = kgv (this.nenner, n.nenner());
int nzaeh1 = nnenn / this.nenner * zaehler;
int nzaeh2 = nnenn / n.nenner() * n.zaehler();
return new RatZahl (nzaeh1 + nzaeh2, nnenn);
}
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3
Rationale Zahlen: Nutzung
Erzeugen
RatZahl r1 = new RatZahl (1, 3);
RatZahl r2 = new RatZahl (3, 4);
Rechnen
RatZahl res = r1.add (r2);
Ausgeben
System.out.println ("Ergebnis = " + res);
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Parametrisierte Datentypen in Java
Kollektionen
Klassen zur Verwaltung einer Mehrzahl gleich
strukturierter Objekte
Ausprägungen: Felder, Listen, Stacks, Sets, ...
Beispiel: Realisierung als Feldtypen
int feld[]
Probleme:
Nutzung mit verschiedenen Elementtypen: Feld von intWerten, von Strings, von rationalen Zahlen ...
umständliche Handhabung: Anfügen, Einfügen an Position
0, ...
fehlende Semantik
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4
Realisierungsvarianten
Programmiersprachen mit gemeinsamer Wurzelklasse
Object:
Elementtyp = Wurzelklasse
universell verwendbar
Problem: Typunsicherheit
Beispiel: Java, Smalltalk
Programmiersprachen ohne gemeinsame Wurzelklasse
Schablonen oder Templates
Instantiierung mit konkreten Elementtyp
typsicher
Generierung spezifischen Codes durch Compiler
Beispiel: C++
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Beispiel: Feld von Objekten
Implementierung auf Basis des Java-Array-Typs
public class ObjFeld {
private Object daten[] = null;
public ObjFeld () {}
public int laenge () {
return (daten == null ? 0 : daten.length);
}
public Object element (int idx) {
if (daten == null || idx < 0 || idx >= laenge ())
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException ();
else
return daten[idx];
}
...
}
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5
Beispiel: Feld von Objekten (2)
Einfügen von Elementen
public void einfuegen (int pos, Object o) {
int i, num = laenge ();
if (pos == -1)
pos = num;
Object ndaten[] = new Object[num + 1];
for (i = 0; i < pos; i++)
ndaten[i] = daten[i];
ndaten[i++] = o;
for (; i < num + 1; i++)
ndaten[i] = daten[i - 1];
daten = ndaten;
}
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Feld von rationalen Zahlen
Einfügen von Objekten der Klasse RatZahl
ObjFeld feld = new ObjFeld ();
feld.einfuegen (-1, new RatZahl (1, 3));
feld.einfuegen (-1, new RatZahl (2, 3));
Zugriff auf Elemente erfordert explizite Typkonvertierung
(type cast)
RatZahl rz = (RatZahl) feld.element (0);
Test auf Zugehörigkeit zu einer Klasse
Object o = feld.element (0);
if (o instanceof RatZahl) {
RatZahl rz = (RatZahl) o;
...
}
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Erweiterung: Sortiertes Feld
SortFeld: Erweiterung von ObjFeld um
Sortierung
Zugriff über Index in geordneter Reihenfolge (0:
kleinstes Element, laenge-1: größtes Element)
Sicherstellung der Reihenfolge
Einfügen eines neuen Elementes an der richtigen
Position
Anhängen des Elementes und anschließendes
Sortieren
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Problem: „Vergleichbare“ Objekte
notwendig: Ordnung über Elementtypen →
Vergleichsoperator <
Problem: nicht definiert für java.lang.Object
Realisierungsmöglichkeiten:
neue Basisklasse ComparableObject mit
definiertem Vergleichsoperator
y Problem: fehlende Mehrfachvererbung in Java
Verwendung von Schnittstellen
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Schnittstellenkonzept
Schnittstelle (interface)
interface Speicherbar {
void speichern (OutputStream out);
void laden (InputStream in);
}
Sammlung abstrakter Methoden
keine Methodenimplementierung
werden von Klassen bereitgestellt
keine Instantiierung möglich
aber: Objektreferenzen können vom Typ einer
Schnittstelle sein
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Sortierung rationaler Zahlen
java.lang.Comparable: vordefinierte
Schnittstelle für „vergleichbare“ Objekte
interface Comparable {
int compareTo (Object o);
}
liefert
-1 für kleiner, 0 für gleich, 1 für größer
u.a. implementiert von String, ...
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Vergleich rationaler Zahlen
Klasse RatZahl implementiert Schnittstelle
java.lang.Comparable
public class RatZahl implements Comparable {
...
public int compareTo (Object o) {
RatZahl z = (RatZahl) o;
double r1 = rational (), r2 = z.rational ();
if (r1 < r2) return -1;
else if (r1 > r2) return 1;
else return 0;
}
}
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Implementierung von SortFeld
interne Repräsentation
Comparable daten[]
Verwaltung „vergleichbarer“ Objekte:
Feld mit Referenzen auf Objekte, die Schnittstelle
Comparable implementieren
Zugriff auf Vergleichsoperator compareTo
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Implementierung von SortFeld
Einfügeoperation
public void einfuegen (Comparable o) {
int i = 0, num = laenge ();
Comparable ndaten[] = new Comparable[num + 1];
while (i < num && daten[i].compareTo(o) < 0) {
ndaten[i] = daten[i]; i++;
}
ndaten[i++] = o;
while (i < num + 1) {
ndaten[i] = daten[i - 1]; i++;
}
daten = ndaten;
}
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Navigation über Kollektionen
Navigation = „Durchwandern“ einer Kollektion
abhängig von der Implementierung
Beispiel: Feld
for (int i = 0; i < feld.laenge (); i++)
Object o = feld.element (i);
für verkettete Listen: anderes Verfahren
notwendig
Iterator: Objekt zum Iterieren über Kollektionen
unabhängig von interner Realisierung
einheitliche Behandlung
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Iterator-Konzept
Ite ra tor
F eld
Ite ra tor
Lis te
Ite ra tor
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Iterator-Konzept
Iterator-Schnittstelle java.util.Iterator
Ende der Kollektion erreicht ?
boolean hasNext ()
aktuelles Element liefern und internen Zeiger weitersetzen
Object next ()
aktuelle Element löschen
void remove ()
Beispiel:
Iterator i = feld.iterator ();
while (i.hasNext ())
Object o = i.next ();
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Iterator für Felder
Definition einer speziellen Klasse FeldIterator
class FeldIterator implements java.util.Iterator {
Feld feld;
int pos = 0;
FeldIterator (Feld f) { feld = f; }
public boolean hasNext () {
return pos < feld.laenge ();
}
public Object next () {
if (! hasNext ())
throw new java.util.NoSuchElementException ();
return feld.element(pos++);
}
}
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Iterator für Felder
Erzeugung eines Iterators
public class Feld {
...
Iterator iterator () {
return new FeldIterator (this);
}
}
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Weitere wichtige Schnittstellen
java.lang.Serializable
Speicherung und Wiederherstellen von Objekten inkl. ihres
Zustandes und ihrer Beziehungen
Verwendung mit Objekt-Streams
keine zusätzlichen Methoden notwendig
java.lang.Clonable
Kopieren von Objekten: Erzeugung einer neuen Instanz
mit gleichen Eigenschaften
Methode: Object clone ()
java.awt.event.ActionListener
EventListener für AWT und Swing
Verarbeitung von Ereignissen (z.B. Betätigen eines
Buttons)
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Java-Kollektionen
Java Collection Framework
Bereitstellung wichtiger Kollektionen (Listen,
Mengen, Verzeichnisse) mit unterschiedlicher
Implementierung
Navigation mittels Iteratoren
Implementierung häufig benutzter Algorithmen
(Suchen, Sortieren, kleines/größtes Element, ...)
Basis java.util.Collection
y Schnittstelle für alle Kollektionsklassen
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Schnittstelle java.util.Collection
Größe der Kollektion
int size ()
boolean isEmpty ()
Suchen von Elementen
boolean contains (Object o)
boolean containsAll (Collection c)
Navigation
Iterator iterator ()
Hinzufügen/Entfernen
boolean
boolean
boolean
boolean
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add (Object o)
remove (Object o)
addAll (Collection c)
removeAll (Collection c)
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Ausgewählte Kollektionen
java.util.List
Repräsentation von Listen (geordnet nach
Einfügereihenfolge, Duplikate zulässig)
java.util.Set
Repräsentation von Mengen
(ungeordnet/geordnet, ohne Duplikate)
java.util.Map
Verzeichnis (Dictionary) von Objekten (SchlüsselWert-Paare) für schnellen Zugriff über Schlüssel
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Listen mit java.util.List
java.util.List: Schnittstelle für Listen
Zugriff über Position
Object get (int idx)
Object set (int idx, Object o)
void add (int idx, Object o)
Object remove (int idx)
Bestimmen der Position eines Objektes
int indexOf (Object o)
konkrete Implementierungen
verkettete Liste: LinkedList
Feld: ArrayList
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Struktur des Collection Framework
A b stractC ollection
C o llectio n
L ist
A b stractList
A b stractS et
A rrayList
A b stractS equen tialList
Linked List
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Set
H ashS et
So rtedSet
Tre eS et
Klasse
extends
S c h n ittstelle
implements
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Algorithmen für Kollektionen
Klasse java.util.Collections
Sortieren von Listen
static void sort (List list)
Suchen in Listen
static void binarySearch (List list,
Object key)
Umkehren
static void reverse (List list)
zufällige Ordnung
static void shuffle (List list)
kleinstes/größtes Element
static Object min (Collection col)
static Object max (Collection col)
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Anwendungsbeispiel
// Liste erzeugen und Objekte einfügen
LinkedList list = new LinkedList ();
list.add (new RatZahl (1, 3));
list.add (new RatZahl (1, 4))
list.add (new RatZahl (1, 5));
// Sortieren
Collections.sort (list);
// Ausgeben
Iterator i = list.iterator ();
while (i.hasNext ())
System.out.println (i.next ());
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