Objektorientierte Implementierung mit Java

Objektorientierte Implementierung
mit Java-Datenstrukturen
1 Verfeinern von Assoziationen mit dem Java-2 Collection Framework
2 Programmieren gegen Schnittstellen
3 Auswahl von Datenstrukturen
4 Persistente Datenhaltung
Softwaretechnologie
1
Objektorientierte Implementierung
Verfeinern von Assoziationen mit dem
Java-2 Collection Framework
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann, Prof. Heinrich Hussmann
2
Obligatorische Literatur
►
JDK Tutorial für J2SE oder J2EE, www.java.sun.com
Softwaretechnologie
3
Anwendungsbeispiel für Datenstrukturen
Grobes Entwurfsmodell „Bestellungsabwicklung“ (Auszug):
Bestellung
– kunde: String
+ neuePosition(b: Bestellposition)
+ löschePosition(pos int)
+sonderpreis(pos: int, preis: int)
+ auftragssumme(): int
+ print()
1
{ordered}
*
Bestellposition
– anzahl: String
– preis: int
+ einzelpreis(): int
+ einzelpreis(p: int)
+ positionspreis(): int
für
Überladene
Namen!
*
1
Artikel
– name: String
– preis: int
Softwaretechnologie +
preis(): int
4
Zentrale Frage:
►
Wie bilde ich einseitige Assoziationen aus UML auf Java ab?
►
Antwort 1: durch Abbildung auf Arrays
Softwaretechnologie
5
Testprogramm für Anwendungsbeispiel (1)
public static void main (String[] args) {
Artikel tisch = new Artikel("Tisch",200);
Artikel stuhl = new Artikel("Stuhl",100);
Artikel schrank = new Artikel("Schrank",300);
Bestellung b1 = new
b1.neuePosition(new
b1.neuePosition(new
b1.neuePosition(new
b1.print(); ...}
Online:
Bestellung0.java
Softwaretechnologie
Bestellung("TUD");
Bestellposition(tisch,1));
Bestellposition(stuhl,4));
Bestellposition(schrank,2));
Bestellung fuer Kunde TUD
0. 1 x Tisch Einzelpreis: 200 Summe: 200
1. 4 x Stuhl Einzelpreis: 100 Summe: 400
2. 2 x Schrank Einzelpreis: 300 Summe: 600
Auftragssumme: 1200
6
Testprogramm für Anwendungsbeispiel (2)
public static void main (String[] args) {
...
b1.sonderpreis(1,50);
b1.print();
}
Bestellung fuer Kunde TUD
0. 1 x Tisch Einzelpreis: 200 Summe: 200
1. 4 x Stuhl Einzelpreis: 50 Summe: 200
2. 2 x Schrank Einzelpreis: 300 Summe: 600
Auftragssumme: 1000
Softwaretechnologie
7
Einfache Realisierung mit Arrays (1)
class Bestellung {
private String kunde;
private Bestellposition[] liste;
private int anzahl = 0;
public Bestellung(String kunde) {
this.kunde = kunde;
liste = new Bestellposition[20];
}
public void neuePosition (Bestellposition b) {
liste[anzahl] = b;
anzahl++;
// was passiert bei mehr als 20 Positionen ?
}
public void loeschePosition (int pos) {
// geht mit Arrays nicht einfach zu realisieren !
}
Softwaretechnologie
8
Einfache Realisierung mit Arrays (2)
public void sonderpreis (int pos, int preis) {
liste[pos].einzelpreis(preis);
}
public int auftragssumme() {
int s = 0;
for(int i=0; i<anzahl; i++)
s += liste[i].positionspreis();
return s;
}
...
}
Softwaretechnologie
9
Probleme der Realisierung mit Arrays
►
►
►
Dynamische Arrays ?
■
Obergrenze erweiterbar
■
Automatisches Verschieben bei Löschen
Was passiert, wenn keine Ordnung benötigt wird?
Kann das Array sortiert werden?
■
Viele Algorithmen laufen auf sortierten Universen wesentlich schneller als
auf unsortierten (z.B. Queries in Datenbanken)
Softwaretechnologie
10
Collections
►
►
Probleme werden durch das Java-Collection-Framework gelöst,
eine objektorientierte Datenstrukturbibliothek für Java
■
Meiste Standard-Datenstrukturen abgedeckt
■
Verwendung von Vererbung zur Strukturierung
■
Flexibel auch zur eigenen Erweiterung
Basiert auf Java Generic Library (JGL) der Firma ObjectSpace
■
Erst seit Java 1.2 (Java-2) Standard
.
java.util.
►
Zentrale Frage: Wie bilde ich einseitige Assoziationen aus UML auf
Java ab?
►
Antwort: Einziehen von Behälterklassen (collections) aus dem
Collection-Framework
■
Flachklopfen (lowering) von Sprachkonstrukten: Wir klopfen
Assoziationen zu Java-Behälterklassen flach.
Softwaretechnologie
11
Flachklopfen von Assoziationen auf
Behälterklassen
Ersetzen von “*”-Assoziationen durch Behälterklassen
Bestellung
– kunde: String
+ neuePosition(b: Bestellposition)
+ löschePosition(pos int)
+sonderpreis(pos: int, preis: int)
+ auftragssumme(): int
+ print()
1
Bestellung
– kunde: String
+ neuePosition(b: Bestellposition)
+ löschePosition(pos int)
+sonderpreis(pos: int, preis: int)
+ auftragssumme(): int
+ print()
<<interface>>
Collection
1
{ordered}
*
Bestellposition
– anzahl: String
– preis: int
Bestellposition
– anzahl: String
– preis: int
+ einzelpreis(): int
+ einzelpreis(p: int)
+ positionspreis(): int
+ einzelpreis(): int
+ einzelpreis(p: int)
+ positionspreis(): int
für
*
für
1
*
*
1
Artikel
– name: String
– preis: int
Softwaretechnologie
+ preis():
1 {ordered}
int
Artikel
– name: String
– preis: int
+ preis(): int
12
Facetten von Behälterklassen
►
Behälterklassen können anhand von verschiedenen Facetten
klassifiziert werden
■
Facetten sind orthogonale Dimensionen einer Klassifikation oder eines
Modells
Ordnung
Duplikate
Sortierung
Schlüssel
geordnet
ungeordnet
mit Duplikaten
ohne Duplikate
sortiert
unsortiert
mit Schlüssel
ohne Schlüssel
Softwaretechnologie
13
Java Collection Framework: Struktur
<<interface>>
Collection
Ordnung
<<interface>>
List
Schlüssel
Duplikate
<<interface>>
Set
<<interface>>
Map
Sortierung
<<interface>>
SortedSet
<<interface>>
SortedMap
/home/ua1/Courses/ST1/Ressourcen/jdk-1_5_0-doc/index.html
Softwaretechnologie
14
Klassifikation der Schnittstellen der
Datenstrukturen
►
►
►
►
Collection (Kollektion):
■
Ansammlung von Datenelementen
■
Hinzufügen, Entfernen, Suchen, Durchlaufen
Set (Menge):
■
Mehrfachvorkommen spielen keine Rolle
■
Reihenfolge des Einfügens spielt keine Rolle
■
SortedSet (geordnete Menge): Ordnung auf den Elementen +
Sortierung
List (Liste):
■
Mehrfachvorkommen werden separat abgelegt
■
Reihenfolge des Einfügens bleibt erhalten
Map (Abbildung, mapping, associative array):
■
Zuordnung von Schlüsselwerten auf Eintragswerte
■
Mehrfachvorkommen bei Schlüsseln verboten, bei Einträgen erlaubt
SortedMap (geordnete Abbildung): Ordnung auf den Schlüsseln +
Softwaretechnologie
Sortierung danach
■
15
Schnittstelle
java.util.Collection (Auszug)
public interface Collection {
// Queries
public boolean isEmpty();
public boolean contains (Object o);
public boolean equals(Object o);
public int size();
// Repräsentations-Transformierer
public Object[] toArray();
// Zustandsveränderer
public boolean add (Object o);
public boolean remove (Object o);
public void clear();
...
}
Softwaretechnologie
16
java.util.List (Auszug)
public interface List extends Collection {
public
public
public
public
public
public
boolean isEmpty();
boolean contains (Object o);
int size();
boolean add (Object o);
boolean remove (Object o);
void clear();
public
public
public
public
...
Object get (int index);
Object set (int index, Object element);
Object remove (int index);
int indexOf (Object o);
}
Softwaretechnologie
17
java.util.Set (Auszug)
public interface Set {
public
public
public
public
public
public
public
...
public
...
public
boolean isEmpty();
boolean contains (Object o);
int size();
boolean add (Object o); // Semantik??
boolean remove (Object o);
void clear();
boolean equals (Object o);
int hashCode();
Iterator iterator();
}
Softwaretechnologie
18
Object - Collection - List : Beispiel
o : Object
Keine speziellen Operationen anwendbar
"instanceOf"
o : XCol
XCol
"implements"
Collection
add, remove, clear, isEmpty, contains, size
"instanceOf"
o : XList
XList
"implements"
List
add, remove, clear, isEmpty, contains, size,
get, set, remove, indexOf
Softwaretechnologie
19
Die Klasse "Object" (Wiederholung)
• java.lang.Object: allgemeine Eigenschaften aller Objekte.
■
Jede Klasse ist Unterklasse von Object (“extends Object”).
■
Diese Vererbung ist implizit
(d.h. man kann “extends Object” weglassen).
■
Dadurch werden Probleme mit Mehrfachvererbung vermieden.
class Object {
public boolean equals (Object obj);
public int hashCode();
public String toString(); ...
}
• Jede Klasse kann die Standard-Operationen überdefinieren:
– equals: Objektgleichheit (Standard: Referenzgleichheit)
– hashCode: Zahlcodierung
– toString: Textdarstellung, z.B. für println()
Softwaretechnologie
20
Abstrakter und konkreter Datentyp
Konkreter Datentyp
(Implementierung)
Abstrakter Datentyp
(Schnittstelle)
Konkretisierung:
Abstraktion:
►
►
■
Instantiierbare Klassen
■
Operationen
■
Ausführbare Operationen
■
Verhalten der Operationen
Theorie:
■
Datenstrukturen
■
Komplexität
Praxis:
■
►
►
■
■
Verkettete Liste
■
Liste durch Feld
Softwaretechnologie
Algebraische Spezifikationen
.
►
Alternativen
Beispiel:
Theorie:
►
Axiomensysteme
Praxis:
■
Abstrakte Klassen
■
Interfaces
Beispiel:
■
List
21
Implementierungen im Collection-Framework
Vererbung (extends)
<<interface>>
Collection
<<interface>>
List
Implementierung (implements)
<<interface>>
Set
<<interface>>
SortedSet
ArrayList
LinkedList
Softwaretechnologie
HashSet
<<interface>>
Map
<<interface>>
SortedMap
HashMap
TreeSet
TreeMap
22
Beispiel: Implementierungsklasse
java.util.ArrayList (Auszug)
public class ArrayList implements List {
public boolean add (Object o);
public boolean remove (Object o); //exception!
public void clear();
public boolean isEmpty();
public boolean contains (Object o);
public int size();
public Object get (int index);
public Object set (int index, Object element)
public Object remove (int index);
public int indexOf (Object o);
public ArrayList (int initialCapacity);
public void ensureCapacity (int minCapacity);
...
}
Softwaretechnologie
23
Objektorientierte Implementierung
2 Programmieren gegen Schnittstellen
"Der Aufrufer programmiert gegen die Schnittstelle,
er befindet sich sozusagen im luftleeren Raum."
Siedersleben/Denert,
Wie baut man Informationssysteme,
Informatik-Spektrum, August 2000
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann, Prof. Heinrich Hussmann
24
Anwendungsbeispiel mit ArrayList (1)
import java.util.ArrayList;
...
class Bestellung {
private String kunde;
private ArrayList liste;
private int anzahl = 0;
public Bestellung(String kunde) {
this.kunde = kunde;
this.liste = new ArrayList();
}
public void neuePosition (Bestellposition b) {
liste.add(b);
}
public void loeschePosition (int pos) {
liste.remove(pos);
}
...
Softwaretechnologie
25
Anwendungsbeispiel mit ArrayList (falsch!)
...
public void sonderpreis (int pos, int preis) {
liste.get(pos).einzelpreis(preis);
}
...
►
Compilermeldung:
„Method einzelpreis(int) not found in class java.lang.Object.“
?
liste.get(pos).einzelpreis(preis);
ArrayList
Object
definiert auf
Bestellposition
Spezialisierung von Object auf Bestellposition?
Softwaretechnologie
26
Programmieren gegen Schnittstellen mit
Typanpassungen
*
Object
Bestellung
– kunde: String
– anzahl: int
1
java.util.ArrayList
add(Object o)
liste get(pos: int): Object
...
*
Zusicherung: Alle von einem Bestellung-Objekt
über die liste-Assoziation erreichbaren Objekte
sind aus der Klasse Bestellposition.
Bestellposition
Typanpassung (cast):
• Operationen der Oberklasse passen immer
auch auf Objekte der Unterklasse
• Operationen der Unterklasse auf Objekte einer Oberklasse
anzuwenden, erfordert explizite Typanpassung (dynamic cast):
( Typ ) Objekt
hier: (Bestellposition)liste.get(pos)
Softwaretechnologie
27
Anwendungsbeispiel mit ArrayList (2)
public void sonderpreis (int pos, int preis) {
((Bestellposition)liste.get(pos)).einzelpreis(preis);
}
public int auftragssumme() {
int s = 0;
for(int i=0; i<liste.size(); i++)
s +=
((Bestellposition)liste.get(i)).positionspreis();
return s;
}
}
public void print () {
System.out.println("Bestellung fuer Kunde "+kunde);
for(int i=0; i<liste.size(); i++)
System.out.println(liste.get(i));
System.out.println("Auftragssumme: "+auftragssumme());
System.out.println();
}
Online:
Bestellung1.java
Softwaretechnologie
28
Iterator-Konzept
►
Aufzählen der in einem “Behälter” befindlichen Elemente
■
Keine Aussage über die Reihenfolge!
■
Interface java.util.Iterator
interface Iterator {
public boolean hasNext();
public Object next();
public void remove();
}
Verwendungsbeispiel:
►
Iterator i = ...;
while (i.hasNext()) {
doSomeThing(i.next());
}
Erzeugung eines Iterators für eine beliebige Kollektion
(deklariert in java.util.Collection):
public Iterator iterator();
Softwaretechnologie
29
Anwendungsbeispiel mit Iteratoren
import java.util.Iterator;
...
class Bestellung {
private String kunde;
private ArrayList liste;
...
public int auftragssumme() {
Iterator i = liste.iterator();
int s = 0;
while (i.hasNext())
s += ((Bestellposition)i.next()).positionspreis();
return s;
}
...
}
Online:
Bestellung2.java
Softwaretechnologie
30
java.util.LinkedList (Auszug)
public class LinkedList implements List {
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 Object get (int index);
public Object set (int index, Object element)
public Object remove (int index);
public int indexOf (Object o);
public void addFirst (Object o);
public void addLast (Object o);
...
Anwendungsbeispiel Online:
}
mit LinkedList:
Bestellung3.java
Softwaretechnologie
31
Programmieren gegen Schnittstellen
-- Polymorphe Container
class Bestellung {
private String kunde;
private List liste;
!
List ist ein
Interface,
keine Klasse !
... // Konstruktor sh. nächste Folien
public void neuePosition (Bestellposition b) {
liste.add(b);
}
public void loeschePosition (int pos) {
liste.remove(pos);
}
public void sonderpreis (int pos, int preis) {
((Bestellposition)liste.get(pos)).einzelpreis(preis);
}
Softwaretechnologie
32
Wechsel der Datenstruktur
• ArrayList:
class Bestellung {
private String kunde;
private List liste;
public Bestellung(String kunde) {
this.kunde = kunde;
this.liste = new ArrayList();
} ...
!
List ist ein
Interface,
keine Klasse !
• LinkedList:
class Bestellung {
private String kunde;
private List liste;
public Bestellung(String kunde) {
this.kunde = kunde;
this.liste = new LinkedList();
} ...
Softwaretechnologie
Code muß bei
Wechsel der
Datenstruktur
nur an einer
Stelle (Konstruktor)
geändert werden !
33
Standardalgorithmen in java.util.Collections
public class Collections {
public static Object max (Collection coll);
public static Object min (Collection coll);
public static int binarySearch
(List list, Object key);
public static void reverse (List list);
public static void sort (List list)
...
}
• Algorithmen arbeiten mit beliebigen Klassen, die das Collectionbzw. List-Interface implementieren.
• Bei manchen Operationen ist Ordnung auf Elementen
vorausgesetzt.
• Statische Operationen: Aufruf z.B. Collections.sort(...)
Softwaretechnologie
34
Ordnung auf Elementen:
java.lang.Comparable
public interface Comparable {
public int compareTo (Object o);
}
Resultat kleiner/gleich/größer 0:
genau dann wenn "this" kleiner/gleich/größer als Objekt o
Standarddatentypen (z.B. String) implementieren Comparable
Softwaretechnologie
35
Prädikat-Schnittstellen (...able Schnittstellen)
►
Schnittstellen, die die Eigenschaft einer Klasse ausdrücken, werden
oft mit dem Suffix “able” benannt:
■
■
■
Iterable
Clonable
Serializable
Softwaretechnologie
36
Objektorientierte Implementierung
mit Java-Datenstrukturen
3 Auswahl von Datenstrukturen
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann, Prof. Heinrich Hussmann
37
Weitere Implementierungen
Vererbung (extends)
<<interface>>
Collection
<<interface>>
List
Implementierung (implements)
<<interface>>
Set
<<interface>>
Map
<<interface>>
SortedSet
<<interface>>
SortedMap
ArrayList
LinkedList
Vector
Softwaretechnologie
HashSet
HashMap
TreeSet
Hashtable
TreeMap
38
Welche Listen-Implementierung soll man
wählen?
Gemessener relativer Aufwand für Operationen auf Listen:
(aus Eckel, Thinking in Java, 2nd ed., 2000)
Typ
Lesen
Iteration
Einfügen
Entfernen
array
1430
3850
--ArrayList
3070
12200
500
46850
LinkedList 16320
9110
110
60
Vector
4890
16250
550
46850
►
►
Stärken von ArrayList:
■
►
►
wahlfreier Zugriff
Stärken von LinkedList:
■
Iteration
■
Einfügen und Entfernen irgendwo in der Liste
Vector generell die langsamste Lösung
Softwaretechnologie
39
Collection Framework (Überblick)
Vererbung (extends)
<<interface>>
Collection
<<interface>>
List
Implementierung (implements)
<<interface>>
Set
<<interface>>
SortedSet
<<interface>>
Map
<<interface>>
SortedMap
ArrayList
LinkedList
HashSet
HashMap
TreeSet
Softwaretechnologie
TreeMap
40
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();
}
Softwaretechnologie
41
Anwendungsbeispiel für Set
Warengruppe
– name: String
– lagerplatz: String
+ add (a: Artikel)
+ anzahl(): int
1
*
Artikel
– name: String
– preis: int
+ preis(): int
Softwaretechnologie
42
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 !)
Softwaretechnologie
43
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
}
Softwaretechnologie
44
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
Softwaretechnologie
45
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 Moebel
Tisch(200) Tisch(200) Schrank(300) Stuhl(100)
Online:
Warengruppe0.java
Softwaretechnologie
46
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 Moebel
Schrank(300) Tisch(200) Stuhl(100)
Es wurde zweifach dasselbe Tisch-Objekt übergeben !
Softwaretechnologie
47
Delegation vs. Vererbung
class Warengruppe { …
private Set inhalt;
}
Delegation
public Warengruppe (…) { …
this.inhalt = new HashSet();
}
public void add (Artikel a) { inhalt.add(a); }
…
class Warengruppe extends HashSet { …
Vererbung
public Warengruppe (…) {
super(); …
}
…
// keine explizite add-Operation nötig !
}
Warengruppe2.java
Softwaretechnologie
48
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(); ...
}
Softwaretechnologie
49
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
Softwaretechnologie
50
java.util.TreeSet
►
java.util.TreeSet implementiert ein geordnete Menge und benötigt
Comparable
►
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 … {
… }
Softwaretechnologie
51
Anwendungsbeispiel mit TreeSet
►
Artikel muss von Schnittstelle Comparable erben
►
Modifikation der Klasse „Artikel“:
class Artikel implements Comparable {
...
public int compareTo (Object o) {
return name.compareTo(((Artikel)o).name);
}
}
Systemausgabe:
Warengruppe Moebel
Schrank(300) Stuhl(100) Tisch(200)
Online:
Warengruppe3.java
Softwaretechnologie
52
HashSet oder TreeSet?
►
Gemessener relativer Aufwand für Operationen auf Mengen:
(aus Eckel, Thinking in Java, 2nd ed., 2000)
Typ
HashSet
TreeSet
►
Enthalten
106,5
177,4
Iteration
39,39
40,04
Stärken von HashSet:
■
►
Einfügen
36,14
150,6
in allen Fällen schneller !
Stärken von TreeSet:
■
erlaubt Operationen für sortierte Mengen
Softwaretechnologie
53
Collection Framework (Überblick)
Vererbung (extends)
<<interface>>
Collection
<<interface>>
List
Implementierung (implements)
<<interface>>
Set
<<interface>>
SortedSet
<<interface>>
Map
<<interface>>
SortedMap
ArrayList
LinkedList
HashSet
HashMap
TreeSet
Softwaretechnologie
TreeMap
54
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();
...
}
Eine Map ist ein „assoziativer Speicher“ (associative array)
Softwaretechnologie
55
Anwendungsbeispiel
Katalog
– name: String
+ put (code: String, a: Artikel)
+ get (code: String): Artikel
+ anzahl(): int
code: String
*
1
Artikel
– name: String
– preis: int
HashMap ist eine
sehr günstige Umsetzung
für qualifizierte Assoziationen:
Der Qualifikator bildet den Schlüssel;
die Zielobjeke den Wert
+ preis(): int
Softwaretechnologie
56
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
Softwaretechnologie
57
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 Katalog1
k.put("M02",stuhl);
M03 -> Schrank(300)
M02 -> Stuhl(100)
k.put("M03",schrank);
M01 -> Tisch(200)
System.out.println(k);
Katalog Katalog1
k.put("M03",regal);
M03 -> Regal(200)
M02 -> Stuhl(100)
System.out.println(k);
M01 -> Tisch(200)
put(...) überschreibt vorhandenen Eintrag (Ergebnis = vorhandener Eintrag).
Ordnung auf den Schlüsseln: SortedMap (Implementierung z.B.TreeMap).
Softwaretechnologie
58
Prinzip der Hashtabelle
►
Typischerweise wird der Schlüssel (key) vor dem Einstechen auf
einen Zahlenbereich modulo der Kapazität der Hashtabelle
abgebildet, d.h., der Schlüssel wird auf die Hashtabelle “normiert”
(hash code)
hashtab
Object
0
hashCode(): int
key: Object
key.hashCode() value: Object
value: Object
Effekt von hashtab.put(key,value)
Softwaretechnologie
capacity
59
Kollision beim Einstechen
►
Bei nicht eindeutigen Schlüsseln, oder auch durch die Normierung,
werden Einträge doppelt “adressiert” (Kollision)
0
key1: Object
value1: Object
key2: Object
key1.hashCode()
value?: Object
= key2.hashCode()
value2: Object
Verfahren zur Kollisionsauflösung:
– Überlauflisten
– Überlauf in der Hashtabelle
Softwaretechnologie
capacity
60
Vorgehensweise beim Datenstruktur-Entwurf
Identifikation der Anforderungen an die Datenstruktur:
Funktionalität, häufig benutzte Operationen
Abstraktion auf die wesentlichen Eigenschaften
Suche nach vorgefertigten Lösungen
(Nutzung der Collection-Bibliothek)
Ggf. Experimente (experimentelle Prototypen)
Anpassung an
vorgefertigte Lösung
Softwaretechnologie
Entwicklung einer
neuartigen Lösung
61
Suche nach vorgefertigten Lösungen
(Collection-Klassen der Bibliothek)
Collection
Map
Einfügen eines Elements
Entfernen eines Elements
Aufzählen aller Elemente
"ist enthalten"-Abfrage
dynamisch erweiterbar
Einfügereihenfolge relevant?
ja
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
List
Abfrage an i-ter Position
Set
Sortierung relevant?
Ersetzen an i-ter Position
SortedSet
kleinstes/größtes Element
Entfernen an i-ter Position
Elemente "über"/"unter" x
Softwaretechnologie
62
Beispiel: Realisierung von Assoziationen
A
*
assoc
B
Datenstruktur im A-Objekt für B-Referenzen
Anforderung
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
Realisierung
1) Einfügen (ohne Reihenfolge)
2) Entfernen (ohne Reihenfolge)
3) Aufzählen aller Elemente
4) "ist enthalten"-Abfrage
5) Maximalanzahl der Elemente
unbekannt;
dynamisch erweiterbar
Set
Softwaretechnologie
63
Realisierung von ungeordneten 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();
}
Softwaretechnologie
64
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)
Softwaretechnologie
65
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;
} ...
Softwaretechnologie
66
Objektorientierte Implementierung
mit Java-Datenstrukturen
4 Persistente Datenhaltung
Art is long, and Time is fleeting.
H. W. Longfellow
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann, Prof. Heinrich Hussmann
67
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)
Softwaretechnologie
68
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;
}
Softwaretechnologie
69
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);
...
Softwaretechnologie
70
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();
Softwaretechnologie
71
The End
►
Diese Folien sind eine überarbeitete Version der Vorlesungsfolien zur
Vorlesung Softwaretechnologie von © Prof. H. Hussmann, 2002.
used by permission.
Softwaretechnologie
72