3. Java Einf¨uhrung

Erstes Java Programm
public class Hello {
3. Java Einführung
}
Moderner Euklid Algorithmus in Java, Ein- und Ausgabe in Java
Klasse: Ein Programm
public static void main (String[] args)
{
System.out.println("Hello World.");
}
Methode:
benannte
Folge von Anweisungen.
Anweisung:
Kommando,
auszuführen ist.
welches
Aufruf
einer
Methode
(Prozedur) einer anderen
Klasse.
Aufruf: java Hello
69
Java Klassen
70
Der euklidische Algorithmus in Java
public class Euclidean {
Java-Programm besteht aus mindestens einer Klasse.
Ein Java-Programm hat eine Klasse mit main-Funktion (Methode).
Diese spielt die Rolle des Programmrumpfes bei Pascal
public class Test{
// potentiell weiterer Code und Daten
}
public static void main(String[] args) {
...
}
}
71
public static void main(String[] args){
Variablen müssen vor Gebrauch deklariert werden.
int a = 24;
Keine separate Deklarationssequenz nötig.
int b = 20;
Anweisungsblöcke sind durch geschweifte
while (b != 0) {
Klammern gekennzeichnet.
if (a>b)
Bedingungen stehen bei if und while ima = a − b; mer in runden Klammern.
else
b = b − a;
}
System.out.println("ggt(24,20)= " + a);
}
72
Nachteil dieser Variante
Schneller so!
while (b != 0) {
if (a>b)
a = a − b;
else
b = b − a;
}
ab
ab
ab
ab
ab
ab
ab
ab
ab
a
b
a mod b
b
73
74
Moderne (und effizientere) Variante
Mit einer Funktion (Methode)
public class Euclidean {
public class Euclidean {
static int ggt(int a, int b){
while (b != 0) {
int h = a % b;
a = b;
b = h;
}
return a;
}
}
public static void main(String[] args){
int a = 24;
int b = 20;
while (b != 0) {
int h = a % b; // modulo!
a = b;
b = h;
}
System.out.println("ggt(24,20)=" + a);
}
}
75
public static void main(String[] args){
System.out.println("ggt(24,20)= " + ggt(24,20));
}
76
Ein- und Ausgabe
Mit Eingabe
Ausgabe via System.out mit
import java.util.Scanner;
System.out.print(...);
System.out.println(...);
public class Euclidean {
static int ggt(int a, int b){ ... } // wie oben
Eingabe via System.in mit einem Scanner:
Scanner input = new Scanner(System.in);
String s = input.next();
int i = input.nextInt();
benötigt einen Import:
}
import java.util.Scanner;
public static void main(String[] args){
Scanner input = new Scanner(System.in);
int a = input.nextInt();
int b = input.nextInt();
System.out.println("ggt(" + a + "," + b + ")= " + ggt(a,b));
}
78
77
Zeichenketten (Strings)
Zuweisung eines Stringliterals:
String hello = "Hallo Leute";
Stringlänge:
4. Java - Sprachkonstrukte I
int len = hello.length();
Elementzugriff3
Namen und Bezeichner, Variablen, Zuweisungen, Konstanten,
Datentypen, Operationen, Auswerten von Ausdrücken,
Konversionen, Kontrollfluss, Klassen, statische Methoden
char c = hello.charAt(5);
Verkettung
String helloLong = hello + ". Alles wird gut.";
3 Nur
lesend. Strings sind unveränderlich
79
80
Namen und Bezeichner
Namen - was ist erlaubt
Ein Programm (also Klasse) braucht einen Namen
_myName
public class SudokuSolver { ...
me@home
TheCure
Konvention für Klassennamen: CamelCase benützen → Wörter
sind zusammengeschrieben mit jeweils einem Grossbuchstaben
__AN$WE4_1S_42__
Erlaubte Namen für “Entitäten” im Programm:
Namen beginnen mit einem Buchstaben oder _ oder $
Danach Folge von Buchstaben, Zahlen oder _ oder $
strictfp
?!
49ers
side-swipe
$bling$
Ph.D’s
81
Schlüsselwörter
Variablen und Konstanten
Folgende Wörter werden von der Sprache bereits benützt und
können deshalb nicht als Namen benützt werden:
abstract
assert
boolean
break
byte
case
catch
char
class
const
continue
default
do
double
else
enum
extends
final
finally
float
82
for
goto
if
implements
import
instanceof
int
interface
long
native
new
package
private
protected
public
return
short
static
strictfp
super
Behälter für einen Wert.
Haben einen Datentyp und einen Namen
Der Datentyp bestimmt, welche Art von Werten in der Variable
erlaubt sind
switch
synchronized
this
throw
throws
transient
try
void
volatile
while
int x
int y
float f
char c
23
42
0.0f
’a’
Deklaration in Java:
int x = 23, y = 42;
float f;
char c = ’a’;
Initialisierung
83
84
Konstanten
Standardtypen
Schlüsselwort final
Der Wert der Variable kann genau einmal gesetzt werden.
Beispiel
final int maxSize = 100;
Tip: Benützen Sie final immer, es sei denn der Wert muss
tatsächlich veränderlich sein.
Datentyp
Definition
Wertebereich
Initialwert
byte
short
int
long
8-bit Ganzzahl
16-bit Ganzzahl
32-bit Ganzzahl
64-bit Ganzzahl
−128, . . . , 127
−320 768, . . . , 320 767
−231 , . . . , 231 − 1
−263 , . . . , 263 − 1
0
0
0
0L
float
double
32-bit Fliesskommazahl
64-bit Fliesskommazahl
±1.4E −45 , . . . , ±3.4E +38
±4.9E −324 , . . . , ±1.7E +308
0.0f
0.0d
boolean
Wahrheitswert
true, false
false
char
String
Unicode-16 Zeichen
Zeichenkette
’\u0000’,. . . ,’a’,’b’,. . . ,’\uFFFF’ ’\u0000’
∞
null
85
Typen und Speicherbelegung
86
Wertzuweisungen
Zur Erinnerung: Speicherzellen enthalten 1 Byte = 8 bit
Kopiert einen Wert in die Variable x
boolean
In Pseudocode: x ← Wert
In Java: x = Wert
byte
x
Wert
(Kopie)
Wert
short, char
“=” ist der Zuweisungsoperator und nicht ein Vergleich!
int, float
int y = 42 ist also Deklaration + Wertzuweisung in einem.
long, double
87
88
Wertzuweisungen
Arithmetische Binäre Operatoren
Beispiele
Infix Notation: x op y mit folgenden Operatoren
int a = 3;
double b;
op:
b = 3.141;
int c = a = 0;
Eine verschachtelte Zuweisung:
Der Ausdruck a = 0 speichert
den Wert 0 in Variable a. und gibt
den Wert danach zurück
+−∗/ %
Modulo
Division x / y : Ganzzahldivision falls x und y Ganzzahlen sind.
Beispiele
Ganzzahldivision und Modulo
String name = "Inf";
5 / 3 ergibt 1
5 % 3 ergibt 2
−5 / 3 ergibt −1
−5 % 3 ergibt −2
90
89
Arithmetische Zuweisung
x = x + y
m
x += y
Arithmetische Unäre Operatoren
Prefix Notation: + x oder − x
Unäre Operatoren binden stärker als binäre.
Beispiele:
x −= 3;
// x = x − 3
name += "x" // name = name + "x"
num ∗= 2;
// num = num ∗ 2
Beispiele
Angenommen x ist 3
2 ∗ −x ergibt −6
−x − +1 ergibt −4
Analog für −, ∗, /, %
91
92
Inkrement/Dekrement Operatoren
Inkrement/Dekrement Operatoren
Inkrement Operatoren ++x und x++ haben den gleichen Effekt:
x ← x + 1.
Beispiele
Angenommen x ist initial 2
y = ++x ∗ 3 ergibt: x ist 3 und y ist 9
y = x++ ∗ 3 ergibt: x ist 3 und y ist 6
Aber unterschiedliche Rückgabewerte:
Präfixoperator ++x gibt neuen Wert zurück:
a = ++x;
⇐⇒ x = x + 1; a = x;
Postfixoperator x++ gibt den alten Wert zurück:
a = x++; ⇐⇒ temp = x; x = x + 1; a= temp;
Analog für x−− und −−x.
94
93
Ausdrücke (Expressions)
Ausdrücke (Expressions)
repräsentieren Berechnungen
sind entweder primär
oder zusammengesetzt . . .
. . . aus anderen Ausdrücken, mit Hilfe von Operatoren
sind statisch typisiert
Beispiele
primär: “−4.1d” oder “x” oder "Hi"
zusammengesetzt: “x + y” oder “f ∗ 2.1f”
Der Typ von “12 ∗ 2.1f” ist float
Analogie: Baukasten
95
96
Celsius zu Fahrenheit
Celsius zu Fahrenheit - Analyse
import java.util.Scanner;
9 * celsius / 5 + 32
public class Main {
}
public static void main(String[] args) {
System.out.print("Celsius: ");
Scanner input = new Scanner(System.in);
int celsius = input.nextInt();
float fahrenheit = 9 * celsius / 5 + 32;
System.out.println("Fahrenheit: " + fahrenheit);
}
Arithmetischer Ausdruck,
enthält drei Literale, eine Variable, drei Operatorsymbole
Wie ist der Ausdruck geklammert?
Beispiel: 15◦ Celsius sind 59◦ Fahrenheit
97
98
Regel 1: Präzedenz
Regel 2: Assoziativität
Multiplikative Operatoren (*, /, %) haben höhere Präzedenz ("binden
stärker") als additive Operatoren (+, -)
Arithmetische Operatoren (*, /, %, +, -) sind linksassoziativ: bei
gleicher Präzedenz erfolgt Auswertung von links nach rechts
Beispiel
Beispiel
9 * celsius / 5 + 32
9 * celsius / 5 + 32
bedeutet
bedeutet
(9 * celsius / 5) + 32
((9 * celsius) / 5) + 32
99
100
Regel 3: Stelligkeit
Klammerung
Unäre Operatoren +, - vor binären +, -.
Jeder Ausdruck kann mit Hilfe der
Assoziativitäten
Beispiel
Präzedenzen
9 * celsius / + 5 + 32
Stelligkeiten (Anzahl Operanden)
bedeutet
der beteiligten Operatoren eindeutig geklammert werden.
9 * celsius / (+5) + 32
101
102
Ausdrucksbäume
Auswertungsreihenfolge
Klammerung ergibt Ausdrucksbaum
"Von oben nach unten" im Ausdrucksbaum
9 * celsius / 5 + 32
(((9 * celsius) / 5) + 32)
9
celsius
5
32
9
*
celsius
5
32
*
/
/
+
+
103
104
Ausdrucksbäume – Notation
Typsystem
Üblichere Notation: Wurzel oben
Java hat ein statisches Typsystem:
9 * celsius / 5 + 32
Alle Typen müssen deklariert werden
Falls möglich wird Typisierung wird vom Compiler geprüft . . .
. . . ansonsten zur Laufzeit
+
32
/
Fail-fast Fehler im Programm werden oft schon vom Compiler
gefunden
Verständlicher Code
5
*
9
Vorteil eines statischen Typsystems
celsius
105
106
Typfehler
Explizite Typkonvertierung
Beispiel
Beispiel
int pi_ungenau;
float pi = 3.14f;
int pi_ungenau;
float pi = 3.14f;
pi_ungenau = pi;
pi_ungenau = (int) pi;
Compiler Fehler:
Explizite Typkonvertierung mit Typecasting: (typ)
Statisch typkorrekt, Compiler happy
./Root/Main.java:12: error: incompatible types: possible lossy conversion from float to int
pi_ungenau = pi;
^
Laufzeitverhalten: Je nach Situation
Hier: Genauigkeitsverlust: 3.14 ⇒ 3
107
Kann das Programm zur Laufzeit zum Absturz bringen!
108
Typkonversion bei binären Operationen
Bei einer binären Operation mit numerischen Operanden von
verschiedenem Typ werden die Operanden nach folgenden Regeln
konvertiert
Implizite Konversion
Expliziter Cast
Typ Konvertierung - Anschaulich für Ganzzahlen
byte
short
int
long
Haben beide Operanden denselben Typ, findet keine Konversion statt
Ist einer der Operanden double, so wird der andere nach double konvertiert
Ist einer der Operanden float, so wird der andere nach float konvertiert
Ist einer der Operanden long, so wird der andere nach long konvertiert
Potentieller Informationsverlust bei explizitem Cast, da weniger Speicher zur
Verfügung.
Ansonsten: Beide Operanden werden nach int konvertiert
109
110
Celsius zu Fahrenheit: Typanalyse
Celsius zu Fahrenheit: Typanalyse
Welcher Typ hat das Ergebnis?
Besser: Berechnung und Ergebnis als float
9
*
celsius / 5
int
int
int
+
32
9f
int
*
celsius / 5
float
int
int
+
int
32
int
float
int
float
int
float
111
112
Anweisungen (Statements)
Anweisungenarten
Eine Anweisung ist . . .
Gültige Anweisungen sind:
vergleichbar mit einem Satz in der natürlichen Sprache.
eine komplette Ausführungseinheit.
immer mit einem Semikolon abgeschlossen.
Wertzuweisungen
Inkrement / Dekrement Ausdrücke
Methodenaufrufe
Objekterzeugungs-Ausdrücke (noch nicht gesehen)
Beispiel
f = 9f ∗ celsius / 5 + 32
;
113
Anweisungenarten
114
Blöcke
Ein Block ist . . .
eine Gruppe von Anweisungen
überall erlaubt wo Anweisungen erlaubt sind
durch geschweiften Klammern markiert
Beispiele
aValue = 8933.234;
// Wertzuweisung
aValue++;
// Inkrement
{
Anweisung
Anweisung
System.out.println("Awesome"); // Methodenaufruf
}
115
...
116
Kontrollstrukturen
Kontrollstrukturen - Sequenz
Die Abfolge der Ausführung eines Programms wird durch
Anweisungen gesteuert.
Beispiel
Im einfachsten Fall:
int fahrenheit = 9f ∗ celsius / 5 + 32;
System.out.println("Fahrenheit: " + fahrenheit);
Sequenz: Lineare Abfolge von Anweisungen:
Anweisung
Anweisung
118
117
Kontrollstrukturen - If Anweisung
optional
Bedingung: Boolsche Ausdrücke
Ein Ausdruck der zu true oder false ausgewertet wird.
Verwendet boolschen Operatoren in zusammengesetzten
Ausdrücken.
if ( Bedingung )
Anweisung
else
Anweisung
Beispiele
scanner.hasNext() // Hat es noch ein Zeichen?
x > 3 || y > 3
119
// Ist x oder y groesser 3?
120
Vergleichsoperatoren
Vergleichsoperatoren
Infix Notation: x op y mit folgenden Operatoren
op:
<
>
<=
>=
==
!=
Beispiele
x >= 5
Nicht zu verwechseln mit Zuweisungsoperator “=”
// ergibt true, falls x groesser oder gleich
// 5 ist, ansonsten false
a < b == b > a
Angewandt auf zwei vergleichbare Operanden
Resultat ist vom Typ boolean
<, >, <= und >= binden stärker als == und !=
// Kommutativgesetz fuer Vergleiche
121
Boolsche Binäre Operatoren
122
Shortcut Evaluation
Infix Notation: x op y mit folgenden Operatoren
Wie wird dieser Ausdruck ausgewertet? ...
&& : Konjunktion (logisches “und”)
|| : Disjunktion (logisches “oder”)
d > 0 && n/d > 1
Präzedenz:
... im Fall von d == 0 ?
&& vor ||
Beide binden schwächer als Vergleichsoperatoren
123
124
Shortcut Evaluation
Shortcut Evaluation ⇒ Lazy Evaluation
Annahme: d == 0
Annahme: d == 0
Problem: Die Auswertung des rechten Operandes würde zu einer
Division durch 0 führen.
Lösung: Faule Auswertung! Nur Auswerten was wirklich nötig ist.
⇒ Solche Programmfehler führen zum Abbruch der Auswertung!
⇒
d > 0 && irgend_etwas
⇒
125
Boolscher unärer Operator: Negation
false && irgend_etwas
false
Shortcut-Evaluation: Berechnung des Ausdrucks abbrechen
sobald Ergebnis feststeht.
126
Boolscher unärer Operator: Negation
Beispiel
!(d > 0) || n/d == 0
Prefix Notation: ! b
Die Negation binden stärker als alle anderen boolschen Operatoren,
inklusive Vergleichsoperatoren
127
128
Kontrollstrukturen - Verwendung von Blöcken
Kontrollstrukturen - Verwendung von Blöcken
In Kontrollstrukturen sollten immer Blöcke verwendet werden.4
if ( Bedingung ) {
Anweisung
} else if ( Bedingung ){
Anweisung
} else {
Anweisung
}
4 Wir
Beispiele
if (anzahl > 0)
mean = sum / anzahl; ssq = sumsq / anzahl;
System.out.println(ssq);
weichen von dieser Regel sporadisch aus Gründen des Platzmangels auf übersichtlichen Folien ab.
130
129
Kontrollstrukturen - Verwendung von Blöcken
Kontrollstrukturen: Schleifen
Beispiele
Es gibt mehrere Schleifen-Anweisungen
if (anzahl > 0) {
mean = sum / anzahl;
}
ssq = sumsq / anzahl;
System.out.println(ssq);
while
do . . . while
for
und noch weitere Konstrukte (kommen später)
131
132
Kontrollstrukturen - While Schleife
Kontrollstrukturen - While Schleife
Beispiele
int num = 143;
int factor = 2;
while ( Bedingung )
Anweisung
while (num % factor != 0){
factor++;
}
System.out.println(factor + "|" + num);
134
133
Kontrollstrukturen - Do . . . While Schleife
Kontrollstrukturen - Do . . . While Schleife
Beispiele
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
String password;
do{
System.out.print("enter magic word:");
password = scanner.next();
} while (!password.equals("geheim"));
System.out.println("Door open.");
scanner.close();
do
Anweisung
while ( Bedingung )
135
136
Kontrollstrukturen - For Schleife
Kontrollstrukturen - Do . . . While Schleife
Beispiele
for ( Initialisierung ; Bedingung ; Fortschritt )
Anweisung
⇔
for (int x = 1; x <= 128; x ∗= 2) {
System.out.println("x= " + x);
}
⇔
Initialisierung
while ( Bedingung ) {
Anweisung
Fortschritt
}
int x = 1;
while (x <= 128){
System.out.println("x= " + x);
x ∗= 2;
}
138
137
Ein Beispiel: Monte Carlo Simulation
π schätzen mit Monte Carlo Simulation
Kreisfläche
π
=
Fläche des Quadrates
4
Monte Carlo Simulation: Verwendung des Zufalls zum Lösen von
Problemen. Breites Anwendungsfeld in der angewandten
Mathematik und sämtlichen Natur- und Ingenieurswissenschaften.
Idee:
Simuliere Zufallsvariable mit
Gleichverteilung auf dem Einheitsquadrat
[0, 1] × [0, 1].
Anzahl Treffer
· 4 ≈ π.
Anzahl Versuche
139
y
1
Kein Treffer!
Treffer!
−1
1
x
−1
140
Aufgabe
π schätzen mit Monte Carlo Simulation
public class Pi {
public static void main(String[] args){
for (int trials = 1; trials <= 4096; trials∗=2){
int hits = 0;
for (int i = 0; i<trials; ++i){
double x = Math.random();
double y = Math.random();
if (x ∗ x + y ∗ y <= 1){
hits++; }
}
double pi = (double)hits / trials ∗ 4;
System.out.println("trials=" + trials + ", pi=" + pi);
}
}
}
Experiment: Schätze π mit obigem Monte-Carlo Verfahren
Führe das Experiment durch für Anzahl Versuche 1, 2, 4, ... , 4096
Jeweils Ausgabe der Anzahl Versuche und der Schätzung von π .
Hinweis: eine auf [0, 1) uniformverteilte Pseudo-Zufallszahl
bekommt man mit Math.random().
141
142