Programmieren in Java

Transkript

1 Einführung in die (imperative) Programmierung

2 2 Wiederholung: Allgemein Hohe Programmiersprache Compiler Interpreter Maschinensprache Zielsystem

3 3 Wiederholung: Java Java Compiler Bytecode JRE Just-In-Time Interpreter Maschinensprache

4 4 Wiederholung (Satzbau) Programmiersprachen gehorchen einer Grammatik Nur grammatikalisch richtige Sätze können compiliert werden Jeder Satz kann in sogenannte Tokens eingeteilt werden Bezeichner (Namen) Literale Schlüsselwörter Operatoren Separatoren Codeblöcke: Einleitung + beliebige Anzahl von Sätzen umschlossen mit{ } Bilden semantische Einheit Syntax der Einleitung ist abhängig von der gewünschten Semantik

5 5 Wiederholung (Code-Rahmen) Java-Code: class Program { public static void main(string[] args){ } } Programmfluss Der class-block muss vorerst hingenommen werden Der Name der Klasse ist allerdings frei wählbar Ebenso hinzunehmen: Der-main-Block Programmierung findet (vorerst) in dem blauen Bereich statt Der Code muss sich in einer Datei befinden, die den Namen der Klasse hat

6 6 Datentypen Programme basieren immer auf der Manipulation von bestimmten Daten Daten werden beschrieben durch konkrete Werte 27: Eine natürliche ganze Zahl größer Null 'A': Ein Buchstabe Je nach Wert ändert sich die Semantik eines Satzes/Ausdruckes: ==? 'A' + 'B' ==? Erinnerung: == ist der Vergleichsoperator, während = einen Wert zuweist! Programmiersprachen erwarten das Werte kategorisierbar sind Ein Datentyp beschreibt eine Menge von Werten der gleichen Art Der Datentyp legt fest, welche Operationen auf seinen Werten erlaubt sind Und damit, ob ein Satz mit einem Wert diesen Types syntaktisch korrekt ist

7 7 Datentypen (Beispiel in Java) Im Ausdruck sind 999 und 1 Werte des Datentyps int int beschreibt alle natürlichen Ganzzahlen in { } Für int-werte ist der +Operator die natürliche Addition == 1000 In 'A' + 'B' sind A und B Werte des Datentyps char System.out.println('A' + 'B'); 131 Erinnerung: Mit System.out.println( ) wird der in Klammern angegebene Wert auf der Konsole ausgegeben. char beschreib alle Unicode-Zeichen Jedem Zeichen ist ein eindeutiger Code zwischen zugeteilt 'A' == 65 'B' == == 131 Für char-werte ist der +Operator demnach die Addition in [ ]

8 8 Primitive Datentypen Als primitiv wird ein Datentyp bezeichnet, dessen Werte nicht weiter zerlegt werden können, z.b.: byte: { } int: { } float: {-1.4E E+38} Logischer Datentyp: boolean {true, false} Datentyp für Zeichen: char [ ] Beispiel für einen nicht primitiven Datentyp: Angenommen es gäbe einen Datentyp CallNumber, der alle Telefonnummern beschreibt: CallNumber bestehe aus areacode und number Beides seien Werte aus dem Bereich int CallNumber = {( areacode, number) areacode int, number int} CallNumber wäre also zusammengesetzt und damit nicht primitiv

9 9 Datentypen 1. Nicht alle Typen tauchen zwangsläufig in jeder Sprache auf boolean wird häufig einfach als {0, 1} betrachtet Ein Zeichen kann als numerischer Wert dargestellt werden (vgl. char) 2. Nicht alle Typen müssen zwangsläufig primitiv sein Während in Java 'A' als Buchstabe primitiv ist, wäre "A" als Zeichenkette (Datentyp: String) zusammengesetzt (auch mit nur einem Buchstaben) 3. In vielen Sprachen sind bestimmte Datentypen vordefiniert, aber 1. Es können Teilmengen von int als neue primitive Datentypen definiert werden (sogenannte: enums) 2. Es können eigene zusammengesetzte Datentypen definiert werden (durch bspw. Klassen)

10 10 Primitive Datentypen (Java) byte: { } short: { } int: { } long: { } float: {-1,4E ,4E+38} double: {-4,9E ,7E+308} boolean: {true, false} char: Unicode-Zeichen Werte aus dem Bereich long werden mit einem L notiert: 999L Werte aus dem Bereich float werden mit einem f notiert: 0.5f byte, short und int Literale können nicht explizit unterschieden werden Die Namen der primitiven Datentypen sind gleichzeitig Schlüsselwörter Java kennt den Datentyp String, dieser ist allerdings nicht primitiv Java kennt enums, allerdings sind auch diese nicht primitiv Java erlaubt das Definieren neuer zusammengesetzter Datentypen über Klassen

11 11 Variablen Aus Vorlesung I mynumber = 27 ; Dieser Satz weist dem Bezeichner mynumber den Wert 27 zu (Folie 20) Ein Bezeichner, dem ein Wert zugwiesen wurde, wird Variable genannt Sobald ein Satz ausgeführt wird, der eine Variable beinhaltet, wird diese durch ihren aktuellen Wert ersetzt: othernumber = othernumber = mynumber * ; 27 * ; Jede Variable ist einem Datentyp zugeordnet In einigen Sprachen muss der Typ explizit vor/mit der ersten Zuweisung definiert werden: DATENTYP Bezeichner = WERT AUSDRUCK ; int mynumber = 27 ;

12 12 Typsystem (statisch) Wenn eine Variable für Werte eines bestimmten Typs deklariert wurde, kann sie im weiteren Programmverlauf keinen Wert eines anderen Typs annehmen. Beispiel: int n1 = 27; n1 = 1000; n1 = "Hello World"; // Ok! // Fehler! Nur die erste Zuweisung definiert den Typ Jede weitere Zuweisung überschreibt den alten Wert Der Typ kann sich nicht ändern: Das Literal 1000 ist vom Typ int, die zweite Zuweisung ist demnach ok "Hello World" ist vom Typ String, die Zuweisung schlägt daher fehl Ein so geformtes Programm ist in statisch typisierten Programmiersprachen nicht compilierbar

13 13 Typsystem (dynamisch) Jede Variable kann für Werte eines beliebigen Typs eingesetzt werden. Der Typ der Variablen ergibt sich zur Laufzeit aus seiner letzten Zuweisung. Beispiel: var n1 = 27; n1 = 1000; n1 = "Hello World"; // Ok! // Ok! Häufig wird eine Deklaration durch ein Schlüsselwort eingeleitet (var) Der Zuweisungsoperator benötigt keine Angabe eines Typs Nachteil solcher Sprachen ist häufig das später Erkennen von Typfehlern: var myvariable = 27; // Variablen-Deklaration myvariable = "Test"; // Wert und Typeüberschreibung! var nonsense = myvariable * ; // Was soll Test * 27 sein? (meist: Fehler)

14 14 Wichtig Java ist statisch typisiert

15 15 Variablen/Deklaration (Java) Deklaration einer Variablen: Ohne Initialisierung: DATENTYP Bezeichner ; Mit Initialisierung DATENTYP Bezeichner = WERT AUSDRUCK DATENTYP ; Zuweisung Bezeichner = WERT AUSDRUCK DATENTYP ; Beispiel: int result; int number1 = 27; int number2 = 37; result = number1 * number2 + 1; System.out.println(result); // 1000 number = 10; int number = "Test"; int number1; int number2 = number1 * ; Vor der ersten Nutzung der Variablen muss sie einen Wert haben!

16 16 Wichtig Java ist case-sensitiv, d.h. zwei Bezeichner mit identischem Namen aber unterschiedlicher Groß- und Kleinschreibung sind nicht gleich int mynumber = 27; int mynumber = 37; int MyNumber = 1000; // Fehler! // Ok! Variablen eines primitiven Datentyps stehen immer für Werte, nie als Referenz auf andere Variablen des gleichen Typs: int mynumber1 = 27; int mynumber2 = 1000; mynumber1 = mynumber2; // Der Wert von mynumber2 wird kopiert System.out.println(myNumber1); // 1000 mynumber1 = -1999; System.out.println(myNumber2); // 1000, die Änderung an mynumber1 hatte keinen Einfluss auf den Wert von mynumber2

17 17 Operatorüberladung Der Typ des Resultates eines Operators ergibt sich entweder aus seiner Definition int intnumber1 = 27; int intnumber2 = 37; boolean areequal = intnumber1 == intnumber2; == liefert unabhängig von den Operanden boolean (also: true oder false) oder aus seinen Operanden int intresult; int intnumber1 = 27; int intnumber2 = 37; intresult = intnumber1 * intnumber2; * liefert int, da beide Operanden vom Typ int float floatresult; float floatnumber1 = 27.0f; float floatnumber2 = 37.0f; floatresult = number1 * number2; * liefert float, da vom Typ float In letzterem Fall spricht man von Operatorüberladung Nicht alle Operatoren können auf allen Datentypen angewandt werden boolean nonsensebooleanvalue = false + true; Error: bad operand types for binary operator '+'

18 18 Boolesche Operatoren Der Vergleichsoperator (==) hat folgende Semantik: true falls linker und rechter Operand übereinstimmen, ansonsten false Weitere wichtige boolesche Operatoren inkl. Wahrheitstabelle: & true false true true false false false false true false true true true false true false ^ true false true false true false true false Und Oder Ausschließendes Oder(xor) Für & bzw. bietet Java die Möglichkeit der Kurzschluss-Semantik an: Wenn der erste Operand für oder true bzw. für und false liefert, muss der zweite nicht mehr ausgewertet werden Kurzschluss-Semantik wird mit doppelten oder/und (&&/ ) notiert boolean geradeundgroeser100 = (number % 2 == 0 && number > 100); number > 100 muss nicht ausgewertet werden, falls number bereits ungerade ist In der Regel sind die Kurzschluss-Operatoren vorzuziehen

19 19 Operator-Überladung II Was wird hier ausgegeben? int intnumber1 = 27; float floatnumber1 = 27.0f; System.out.println(intResult == floatresult); true Die Werte von intresult und floatresult sind also gleich Was passiert bei folgender Zuweisung? intresult = floatresult; Die Zuweisung führt zum Compiler-Fehler! Warum? Zum einen sagt die Syntax-Regel bei Zuweisung mit statischer Typisierung: Der Wert rechts muss vom Typ der Deklaration sein Zum anderen sagt der Compiler: Error: possible loss of precision

20 20 Coercion (Java) Trotz des statischen Typsystems verbietet Java nicht alles: int ivalue = 37; long lvalue = ivalue; float fvalue = 37f; double dvalue = fvalue; long lvalue = 37L; double dvalue = lvalue; Der Compiler merkt selbständig, dass die zweite Zuweisung möglich ist, da der Wert der rechten Seite zu einem Typ auswertet, der Teilmenge des Typs der linken Seite ist Diese Umwandlung wird implizite Typanpassung bzw. Coercion genannt Typ (Wert) byte short char int long float Mögliche implizite Umwandlung (Variablentyp) short, int, long, float, double int, long, float, double int, long, float, double long, float, double float, double double

21 21 Cast (Java) Wie gesehen ist die Rückrichtung in Java nicht erlaubt Ein Compiler will nicht freiwillig von float zu int umwandeln, denn: Die Umwandlung könnte mit einem Genauigkeitsverlust verbunden sein Was ist f im int-wertebereich? Man kann selbst die Verantwortung übernehmen und den Compiler zwingen ( DATENTYP ) WERT AUSDRUCK BEZEICHNER long lvalue = 37L; int ivalue = (int) lvalue; Diese Art der expliziten Umwandlung wird Cast genannt Auch durch einen Cast kann ein Wert seinen Datentyp nicht verlassen! Der Zieltyp muss also Teilmenge des gecasteten Datentyps sein int ivalue = (int)true;

22 22 Cast/Coersion/Überladung Was passiert wenn die Operanden-Typen verschieden sind?? number = int * float ;? number = 37 * 27f ; Bei verschieden Typen wird immer der größeren Wertebereich angenommen 37 * 27f == 999f float Wird keine explizite Umwandlung durchgeführt, compiliert also nur float number = 37 * 27.0f ; Möchte man int, muss ein Cast erfolgen int number = ( int ) ( 37 * 27.0f ) ; 37*27.0f muss geklammert sein, ansonsten würde der Cast auf 37 angewandt werden! Achtung: Mathematische Operatoren in Java liefern immer mindestens int: byte b = 27; short s = 27; short result = b * s; int result = b * s;

23 23 Scope Jede Variable hat einen Gültigkeitsbereich, genannt Scope Nur in diesem Bereich ist die Variable nutzbar Ein Scope definiert damit die Lebensdauer einer Variablen Ein Scope kann weitere Scopes (Kind-Scope) beinhalten Erweiterung der Syntaxregel für Deklaration in statisch typisierten Sprachen: Innerhalb eines Scopes und dessen Kinder kann es keine Deklaration zweier Variablen mit gleichen Namen geben Damit ergibt sich allgemein für statisch typisierte Sprachen Wenn eine Variable für Werte eines bestimmten Typs deklariert wurde, kann sie innerhalb ihres Scopes und dessen Kinder keinen Wert eines anderen Typs annehmen

24 24 Scope (Java) In Java bilden Codeblöcke Gültigkeitsbereiche EINLEITUNG { SATZ; BLOCK } Zur Erinnerung: Auch Codeblöcke können geschachtelt werden Der Scope einer Variablen ist der Codeblock, in dem sie definiert wurde { int number = 27; SCOPE I { } int secondnumber = number * number ; float number = 37f; // Error! SCOPE II } float secondnumber = f; // Ok! number: Scope I inkludiert Scope II und demnach kann number in Scope II nicht überschrieben werden secondnumber: Scope II ist der Gültigkeitsbereich von secondnumber und dieser endet noch vor der Neudefinition von secondnumber als float

25 25 Variablen und jetzt? Wozu Variablen? In der Regel sind die Daten auf denen gearbeitet unbekannt Variablen dienen zur Abstraktion von eben diesen unbekannten Mit dem Typ einer Variablen werden allerdings bereits zur Compilezeit Annahmen über die Form der Daten getroffen Damit werden die möglichen Operationen auf den Daten festgelegt Was ist bis hierhin möglich: Variablen deklarieren und Werte zuweisen Berechnungen auf Basis der Java-Operatoren Ausgabe von Daten

26 26 Zusammenfassung Was ist ein Datentyp? Was unterscheidet einen primitiven von einem zusammengesetzten Datentyp? Was ist eine Variable? Welches Typsystem schreibt Java vor? Was bedeutet Operatorüberladung? Was ist der Unterschied zwischen Coercion und Cast? Was ist ein Scope?

27 27 Anhang: ZIVinteraktiv-Abstimmung QR-Code zur anonymen Abstimmung: