22-st-programming-ag..

22) Programmieren gegen Schnittstellen
►
1 Polymorphe Container durch Schnittstellen
2 Entwurfsmuster Iterator (Stream)
3 Auswahl von Implementierungen für
Datenstrukturen
4 Persistente Datenhaltung
►
Version 12-0.3, 13.04.12
►
"Der
"DerAufrufer
Aufruferprogrammiert
programmiertgegen
gegendie
die
Schnittstelle,
Schnittstelle,
er
erbefindet
befindetsich
sichsozusagen
sozusagenim
imluftleeren
luftleerenRaum."
Raum."
Siedersleben/Denert,
Siedersleben/Denert,
Wie
Wiebaut
bautman
manInformationssysteme,
Informationssysteme,
Informatik-Spektrum
Informatik-Spektrum, ,August
August2000
2000
►
►
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann
Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik
1
Schnittstellen und Implementierungen im
Collection-Framework
Vererbung (extends)
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
<<interface>>
Collection
<<interface>>
List
ArrayList
<<interface>>
Set
Implementierung (implements)
<<interface>>
Queue
<<interface>>
SortedSet
<<interface>>
Map
<<interface>>
SortedMap
LinkedList
Vector
HashSet
TreeSet
PriorityQueue
HashMap
TreeMap
Stack
2
Typanpassungen mit Schnittstellen:
Geordnete Listen mit ArrayList (1)
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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);
}
...
3
Anwendungsbeispiel mit ArrayList (falsch!)
...
public void sonderpreis (int pos, int preis) {
liste.get(pos).einzelpreis(preis);
}
...
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
Compilermeldung:
„Method einzelpreis(int) not found in class java.lang.Object.“
?
liste.get(pos).einzelpreis(preis);
ArrayList
Object
defi niert auf
Bestellposition
Spezialisierung von Object auf Bestellposition?
4
Typanpassungen auf Elementtypen
*
Object
Bestellung
– kunde: String
– anzahl: int
1
java.util.ArrayList
add(Object o)
liste get(pos: int): Object
...
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
*
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)
5
Anwendungsbeispiel mit ArrayList (2)
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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
6
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Geordnete Collections II 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
7
22.1 Polymorphe Container durch
Schnittstellen
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann
Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik
8
Programmieren gegen Schnittstellen
-- Polymorphe Container
class Bestellung {
!
List ist ein
Interface,
keine Klasse !
private String kunde;
private List liste;
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
... // 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);
}
9
Polymorphe Container:
Wechsel der Datenstruktur
• ArrayList:
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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();
} ...
Code muß bei
Wechsel der
Datenstruktur
nur an einer
Stelle (Konstruktor)
geändert werden !
10
Standardalgorithmen in der Algorithmenklasse
java.util.Collections
►
Algorithmenklassen (Hilfsklassen) enthalten Algorithmen, die auf
einer Familie von anderen Klassen arbeiten
–
–
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
–
Hier: java.util.Collections enthält Algorithmen auf beliebigen Klassen,
die das Collection- bzw. List-Interface implementieren
Bei manchen Operationen ist Ordnung auf Elementen vorausgesetzt.
Achtung: Statische Operationen!
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)
...
}
11
Prädikat-Schnittstellen (...able Schnittstellen)
►
Prädikat-Schnittstellen drücken bestimmte Eigenschaft einer Klasse
aus. Sie werden oft mit dem Suffix “able” benannt:
–
–
–
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
Iterable
Clonable
Serializable
Beispiel: geordnete Standarddatentypen (z.B. String oder List)
implementieren die Prädikatschnittstelle Comparable:
public interface Comparable {
public int compareTo (Object o);
}
►
Resultat ist kleiner/gleich/größer 0:
genau dann wenn "this" kleiner/gleich/größer als Objekt o
12
Schnittstellen und Klassen (Erweiterung)
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Klassenbegriff
Schnittstelle
(interface)
Prädikat-Schnittstelle
Abstrakte Klasse
(Konkrete) Klasse
Algorithmenklasse
13
22.2 Entwurfsmuster Iterator
(Stream)
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann
Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik
14
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Entwurfsmuster Iterator
(Implementierungsmuster)
►
Name: Iterator (auch: Stream, Cursor, Enumeration)
►
Problem: Sequentielles, polymorphes Durchlaufen der
Elemente eines strukturieren Objekts oder einer Collection.
►
–
Aufzählen der in einem “Behälter” befindlichen Elemente
durch Herausziehen (pull) mit Hilfe einer Iteratormethode
–
Keine Aussage über die Reihenfolge!
Lösung:
Iterator
{abstract}
next()
hasNext()
Container
elements(): Iterator
<<create>>
pull..
IteratorMethode
ConcreteIterator
*
Element
15
Iterator-Beispiel in der JDK (ArrayList)
<<interface>>
java.util.Iterator
hasNext()
next()
Aggregate
Bestellung
– kunde: String
– anzahl: int
1
Concrete
Iterator
java.util.ArrayList
add(o: Object)
liste get(pos: int): Object <<create>>
iterator(): Iterator
...
Klassenname nicht
*
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Iterator
Element
bekannt, weil privat
(z.B. ArrayListIterator)
Object
16
Iterator-Implementierungsmuster
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
Verwendungsbeispiel:
List
List list;
list;
..
..
Iterator
Iterator ii == list.iterator();
list.iterator();
while
(i.hasNext())
while (i.hasNext()) {{
doSomeThing(i.next());
doSomeThing(i.next());
}}
►
Vorteile:
–
–
–
Iteratoren und Iteratormethoden erlauben, die Netz-Struktur einer
komplexten Datenstruktur nach außen hin zu verbergen
(Geheimnisprinzip)
Sie erlauben bedarfsgesteuerte Berechnungen (processing on
demand, lazy processing), weil sie nicht alle Objekte der komplexen
Datenstruktur herausgeben, sondern nur die, die wirklich benötigt
werden
Iteratoren können “unendliche” Datenstrukturen repräsentieren, z.B. die
natürlichen Zahlen
17
Anwendungsbeispiel mit Iteratoren
import java.util.Iterator;
...
class Bestellung {
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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
18
Iterator-Implementierungsmuster in modernen
Sprachen
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
In vielen Programmiersprachen (Sather, Scala) stehen
Iteratormethoden (stream methods) als spezielle Prozeduren zur
Verfügung, die die Unterobjekte eines Objekts liefern können
– Die yield-Anweisung gibt aus der Prozedur die Elemente zurück
– Iterator-Prozedur kann mehrfach aufgerufen werden
– Beim letzten Mal liefert sie null
class
class bigObject
bigObject {{
private
private List
List subObjects;
subObjects;
public
public iterator
iterator Object
Object deliverThem()
deliverThem() {{
while
while (i
(i in
in subObjects)
subObjects) {{
yield
yield i;
i;
}}
}}
}}
19
For-Schleifen auf IterablePrädikatschnittstellen
►
Erbt eine Klasse von Iterable, kann sie in einer vereinfachten forSchleife benutzt werden
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
class
class BillItem
BillItem {{ int
int price;
price; }}
class
Bill
{
class Bill {
int
int sum
sum == 0;
0;
private
private List
List billItems;
billItems;
public
void
sumUp()
public void sumUp() {{
for
for (BillItem
(BillItem item:
item: billItems)
billItems) {{
sum
sum +=
+= item.price;
item.price;
}}
class
return
class BillItem
BillItem {{ int
int price;
price; }}
return sum;
sum;
class
Bill
{
}}
class Bill {
int
}}
int sum
sum == 0;
0;
private
List
private List billItems;
billItems;
public
public void
void sumUp()
sumUp() {{
for
for (Iterator
(Iterator ii == billItems.iterator();
billItems.iterator();
i.hasNext();
)
i.hasNext(); ) {{
item
item == i.next();
i.next();
sum
sum +=
+= item.price;
item.price;
}}
return
return sum;
sum;
}}
}}
20
22.2.2 Senken (Sinks)
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann
Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik
21
Entwurfsmuster Senke
(Implementierungsmuster)
►
Name: Senke (auch: Ablage, sink, belt)
►
Problem: Ablage eines beliebig großen Datenstromes.
–
–
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
push
ggf. mit Abfrage, ob noch freier Platz in der Ablage
vorhanden
Lösung:
Sink
{abstract}
push()
hasFreeSpace()
Client
push..
SinkMethode
ConcreteSink
22
Erweiterung: Begriffshierarchie der
Methodenarten
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Methode
Zustandsverändernde
Methoden
Zustandsinvariante
Methoden
Iterator
methoden
Anfrage (query)
Checker
Modifikatoren
Zustandsmodifikatoren
Tester
Senken
Netzmodifikatoren
Allgemeine
Methoden
RepräsentationsWechsler
23
22.2.3 Channels (Pipes)
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann
Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik
24
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Entwurfsmuster Channel (Pipe)
(Implementierungsmuster)
►
Name: Channel (auch: pipe, buffer, Kanal)
►
Zweck: asynchrone Kommunikation zwischen zwei Komponenten durch
Pufferung eines beliebig großen Datenstromes mit Hilfe eines Puffers buffer
–
Kombination von push- und pull-Methoden (Strom- und Ablagemethoden)
–
ggf. mit Abfrage, ob noch freier Platz in der Ablage vorhanden
–
ggf. mit Abfrage, ob noch Daten im Kanal vorhanden
Channel
- buffer
push()
hasFreeSpace()
push of
sink..
pull of
stream..
next()
hasNext()
Client
ConcreteChannel
25
Channels in anderen Sprachen
►
Channels (pipes) kommen in vielen Sprachen als Konstrukte vor
■
■
Shell-Skripte (Operator für pipes: “|”)
Communicating Sequential Processes (CSP, Hoare):
♦ Operator für push: “?”
♦ Operator für pull: “!”
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
■
►
Architectural Description Languages (ADL, Kurs CBSE)
Sie sind ein elementares Muster für die Kommunikation von
parallelen Prozessen (producer-consumer-Muster)
26
22.3 Auswahl von Implementierungen
von Datenstrukturen
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann
Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik
27
Weitere Implementierungen in der CollectionHierarchie
Vererbung (extends)
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
<<interface>>
Collection
<<interface>>
List
Implementierung (implements)
<<interface>>
Set
<<interface>>
Map
<<interface>>
SortedSet
<<interface>>
SortedMap
ArrayList
LinkedList
Vector
HashSet
HashMap
TreeSet
Hashtable
TreeMap
28
Welche Listen-Implementierung soll man
wählen?
►
Innere Schleifen bilden die „heißen Punkte“ (hot spots) eines
Programms
–
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
Optimierung von inneren Schleifen durch Auswahl von
Implementierungen mit geeignetem Zugriffsprofil
Gemessener relativer Aufwand für Operationen auf Listen:
(aus Eckel, Thinking in Java, 2nd ed., 2000)
–
–
–
Stärken von ArrayList: wahlfreier Zugriff
Stärken von LinkedList: Iteration, Einfügen und Entfernen irgendwo in
der Liste
Vector generell die langsamste Lösung
Typ
array
ArrayList
LinkedList
Vector
Lesen
1430
3070
16320
4890
Iteration
3850
12200
9110
16250
Einfügen
-500
110
550
Entfernen
-46850
60
46850
29
Collection Framework (Überblick)
(Mengen ohne Mehrfacheintrag)
Vererbung (extends)
<<interface>>
Collection
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
<<interface>>
List
Implementierung (implements)
<<interface>>
Set
<<interface>>
SortedSet
<<interface>>
Map
<<interface>>
SortedMap
ArrayList
LinkedList
HashSet
HashMap
TreeSet
TreeMap
30
Ungeordnete Mengen: java.util.Set (Auszug)
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
<<interface>>
Collection
// Query methods
+ boolean isEmpty();
+ boolean contains(Object o);
+ boolean equals(Object o);
+ int hashCode();
+ Iterator iterator();
// Repräsentations-Trans// formierer
+ Object[] toArray();
// Zustandsveränderer
+ boolean add (Object o);
+ boolean remove (Object o);
+ void clear();
<<interface>>
Set
// Query methods
+ Object get(int index);
// Zustandsveränderer
+ boolean add (Object o);
31
Anwendungsbeispiel für Set
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Warengruppe
– name: String
– lagerplatz: String
+ add (a: Artikel)
+ anzahl(): int
1
*
Artikel
– name: String
– preis: int
+ preis(): int
32
java.util.HashSet (Auszug)
<<interface>>
Collection
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
// Query methods
+ boolean isEmpty();
+ boolean contains(Object o);
+ boolean equals(Object o);
+ int hashCode();
+ Iterator iterator();
<<interface>>
Set
// Query methods
+ Object get(int index);
// Zustandsveränderer
+ boolean add (Object o);
// Repräsentations-Trans// formierer
+ Object[] toArray();
// Zustandsveränderer
+ boolean add (Object o);
+ boolean remove (Object o);
+ void clear();
(Anmerkung: Erläuterung von Hashfunktionen
folgt etwas später !)
<<interface>>
HashSet
// Konstruktor
# HashSet(int initialCapacity,
float loadFactor);
+ Object get(int index);
+ int hashCode()
// Zustandsveränderer
+ boolean add (Object o);
33
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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
}
34
Duplikatsprüfung für Elemente in Mengen:
Wann sind Objekte gleich? (1)
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
►
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
35
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Wann sind Objekte gleich? (2)
Referenzgleichheit
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 beim Benutzen der Standard-Gleichheit:
Warengruppe Moebel
Tisch(200) Tisch(200) Schrank(300) Stuhl(100)
Online:
Warengruppe0.java
36
Wann sind Objekte gleich? (3)
Referenzgleichheit
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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 !
(Gleiches Verhalten bei Strukturgleichheit, s. Warengruppe1.java)
37
java.util.SortedSet (Auszug)
<<interface>>
Collection
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
// Query methods
+ boolean isEmpty();
+ boolean contains(Object o);
+ boolean equals(Object o);
+ int hashCode();
+ Iterator iterator();
// Repräsentations-Trans// formierer
+ Object[] toArray();
// Zustandsveränderer
+ boolean add (Object o);
+ boolean remove (Object o);
+ void clear();
<<interface>>
Set
// Query methods
+ Object get(int index);
// Zustandsveränderer
+ boolean add (Object o);
<<interface>>
SortedSet
+ Object first();
+ Object last()
38
java.util.TreeSet
►
java.util.TreeSet implementiert ein geordnete Menge mit Hilfe eines
Baumes und benötigt zum Sortieren dessen die Schnittstelle
Comparable
►
Modifi kation der Klasse Warengruppe:
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
class Warengruppe {
private Set inhalt;
}
►
public Warengruppe (…) {
…
this.inhalt = new TreeSet();
} …
Aber Systemreaktion:
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: Artikel
at java.util.TreeMap.compare(TreeMap.java, Compiled Code)
►
in java.util.TreeSet:
public class TreeSet … implements SortedSet …
{ … }
39
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Anwendungsbeispiel mit TreeSet
►
Artikel muss zusätzlich 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
40
HashSet oder TreeSet?
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
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
41
Collection Framework (Überblick)
(Maps)
Vererbung (extends)
<<interface>>
Collection
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
<<interface>>
List
Implementierung (implements)
<<interface>>
Set
<<interface>>
SortedSet
<<interface>>
Map
<<interface>>
SortedMap
ArrayList
LinkedList
HashSet
HashMap
TreeSet
TreeMap
42
java.util.Map (Auszug)
►
Eine Map ist ein „assoziativer Speicher“ (associative array), der
Objekte als Werte (value) unter Schlüsseln (key) zugreifbar macht
–
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
–
Ein Schlüssel liefert einen Wert (Funktion).
Map liefert funktionale Abhängigkeit zwischen Schlüssel und Wert
<<interface>>
Map
// Anfragen (query methods)
+ int size();
+ boolean isEmpty();
+ boolean containsKey(Object key);
+ boolean containsValue(Object value);
+ Object get (Object key);
+ int hashCode();
+ Iterator iterator();
+ Set keySet();
+ Set values();
<<interface>>
HashMap
// Zustandsveränderer
+ void clear();
+ Object put (Object key, Object value);
+ boolean remove (Object o);
43
Anwendungsbeispiel: Verfeinerung von
qualifizierten Relationen
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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:
Der Qualifikator bildet den Schlüssel;
die Zielobjeke den Wert
Hier:
•Schlüssel: code:String
•Wert: a:Artikel
1
Artikel
– name: String
– preis: int
+ preis(): int
44
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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
45
Testprogramm für Anwendungsbeispiel:
Speicherung der Waren mit Schlüsseln
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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).
46
Prinzip der Hashtabelle
Effekt von hashtab.put(key,value)
►
Typischerweise wird der Schlüssel (key) transformiert:
–
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
–
Das Objekt liefert seinen Hashwert mit der Hash-Funktion hashCode()
Mit dem Hashwert wird in eine Hashtabelle eingestochen, d.h. der
Hashwert wird auf einen Zahlenbereich modulo der Kapazität der
Hashtabelle abgebildet, d.h., der Hashwert wird auf die Hashtabelle
“normiert”
hashtab
Object
0
hashCode(): int
key: Object
key.hashCode()
value: Object
value: Object
capacity
47
Kollision beim Einstechen
►
Die Hashfunktion ist mehrdeutig (nicht injektiv):
–
Bei nicht eindeutigen Schlüsseln, oder auch durch die Normierung,
werden Einträge doppelt “adressiert” (Kollision)
0
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
key1: Object
value1: Object
key2: Object
value2: Object
key1.hashCode() value?: Object
= key2.hashCode()
Verfahren zur Kollisionsauflösung:
– Überlauflisten
– Überlauf in der Hashtabelle
capacity
48
Vorgehensweise beim Datenstruktur-Entwurf
Identifikation der Anforderungen an die Datenstruktur:
Funktionalität, häufig benutzte Operationen
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Abstraktion auf die wesentlichen Eigenschaften
Suche nach vorgefertigten Lösungen
(Nutzung der Collection-Bibliothek)
Ggf. Experimente (experimentelle Prototypen)
Anpassung an
vorgefertigte Lösung
Entwicklung einer
neuartigen Lösung
49
Suche nach vorgefertigten Lösungen
(Collection-Klassen der Bibliothek)
Collection
Map
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
Einfügen eines Elements
Entfernen eines Elements
Aufzählen aller Elemente
"ist enthalten"-Abfrage
dynamisch erweiterbar
Einfügereihenfolge relevant?
ja
List
Abfrage an i-ter Position
Ersetzen an i-ter Position
Entfernen an i-ter Position
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
Set
Sortierung relevant?
SortedSet
kleinstes/größtes Element
Elemente "über"/"unter" x
50
Beispiel: Realisierung von Assoziationen
A
*
assoc
B
Datenstruktur im A-Objekt für B-Referenzen
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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
51
Realisierung von ungeordneten Assoziationen
mit Set
A
assoc
*
B
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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();
}
52
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.
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
–
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)
53
Raumverwaltung: Freien Raum suchen
class Raumverwaltung {
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
// Vorhandene Raeume, aufsteigend nach Größe sortiert
// statisches Klassenattribut und -methode
private static SortedSet vorhandeneRaeume
= new TreeSet();
}
// Suche freien Raum aufsteigend nach Größe
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;
} ...
54
22.4 Persistente Datenhaltung
(Files als Channels)
Art is long, and Time is fleeting.
H. W. Longfellow
Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann
Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik
55
Temporäre und persistente Daten
►
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
►
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.
–
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 mit Senken und Iteratoren
●
Objekt-Serialisierung (Object Serialization)
●
Die Dateien werden als Channels benutzt:
●
Zuerst schreiben in eine Sink
●
Dann lesen mit Iterator
56
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.
■
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
■
►
Ein OutputStream entspricht dem Entwurfsmuster Sink
Ein InputStream entspricht dem Entwurfsmuster Iterator
Eine Klasse, die Serialisierung zulassen will, muß die (leere!)
Prädikat-Schnittstelle java.io.Serializable implementieren.
class ObjectOutputStream {
public ObjectOutputStream (OutputStream out)
throws IOException;
// push Method
public void writeObject (Object obj)
throws IOException;
}
57
Objekt-Serialisierung: Abspeichern
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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);
// internally realized as push for all child objects
os.writeObject(xobj);
...
58
Objekt-Serialisierung: Einlesen
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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);
// internally realised as pull
xobj = (XClass) os.readObject();
59
The End
Diese Folien sind eine überarbeitete Version der Vorlesungsfolien zur
Vorlesung Softwaretechnologie von © Prof. H. Hussmann, 2002.
used by permission.
Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie, TU Dresden
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