Objektorientierte Programmierung spielend gelernt

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1 Dietrich Boles, Cornelia Boles Objektorientierte Programmierung spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell

2 Dietrich Boles, Cornelia Boles Objektorientierte Programmierung spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell Teubner B. G. Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

3 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dr. Dietrich Boles Geboren 1963 in Altena (Westf.). Studium der Informatik von 1988 bis 1994 an der Universität Oldenburg. Seit 1994 wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachbereichs Informatik der Universität Oldenburg dort Promotion. Seit 1996 zuständig für die Programmierausbildung von Informatik Studierenden an der Universität Oldenburg. Arbeitsschwerpunkte: Objektorientierte Softwareentwicklung und elearning. Autor der Teubner-Lehrbücher "Starthilfe Informatik" und" Programmieren spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell". Dr. Cornelia Boles (geb. Haber) Geboren 1970 in München. Studium der Informatik von 1989 bis 1995 an der TU München. Von 1995 bis 1997 wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Fakultät für Informatik der TU München. Von 1997 bis 2002 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachbereich Informatik der Universität Oldenburg dort Promotion. Seit 2002 als Seniorberaterin bei der OSC Information Management AG und der BTC Business Technology Consulting AG tätig. Arbeitsschwerpunkte: Objektorientierte Softwareentwicklung und Internet-Technologien. 1. Auflage September 2004 ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte vorbehalten B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004 Der B. G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

4 Vorwort Fünf Jahre sind vergangen, seit das Buch "Programmieren spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell" in der ersten Auflage erschienen ist. Und ich hätte damals nicht gedacht, dass es so lange dauern würde, die darin bereits angekündigte Fortsetzung fertig zu stellen. Aber in den letzten Jahren ist eine Menge passiert, sowohl beruflich als auch privat. Beruflich konnte ich endlich meine Promotion abschließen, was eine Menge an Zeit verschlungen hat. Privat habe ich geheiratet und wir haben inzwischen eine kleine Tochter bekommen. Es ist einfach so schön, sie lachen zu sehen, ihr Lieder vorzusingen und Geschichten zu erzählen, dass ich ihr fast meine ganze freie Zeit widme. Darunter musste zwangsläufig der Hamster leiden. Aber ich denke, er nimmt es mir nicht übel, denn auch er ist nun in der Lage, Nachwuchs zu bekommen. Sein Alleinsein hat ein Ende. Dafür können Sie liebe Leserinnen1 und Leser sorgen, denn in dem vorliegenden Buch werden Sie lernen, weitere Hamster zu erzeugen. Die Hamster können gemeinsam das Territorium, in dem sie leben, erforschen, KÖrner sammeln und um Mauern herum laufen. Die Hamster können Nachwuchs produzieren und ihre Fähigkeiten an ihre Nachkommen vererben. Sie können sich Knechte halten, die für sie die Arbeit erledigen. Sie lernen lesen und schreiben und vieles, vieles mehr. Und ganz nebenbei werden Sie -liebe Leser - die Konzepte der objektorientierten Programmierung kennen lernen. Denn deren Einsatz bedingt die rasante Weiterentwicklung der Hamster. Der objektorientierten Programmierung kommt heutzutage sowohl im Ausbildungsbereich als auch im industriellen Umfeld eine hohe Bedeutung zu, und zwar noch wesentlich mehr als vor fünf Jahren. Deshalb wird es jetzt auch Zeit, dass die Fortsetzung des Java-Hamster-Buches endlich erscheint. Es gibt zwar eine ganze Menge anderer Bücher, die in die objektorientierte Programmierung einführen. Viele davon sind aber sehr technisch und schrecken Programmieranfänger eher ab. Dieses Buch basiert dahingegen auf einem innovativen didaktischen Modell, dem Hamster Modell, das einen spielerischen Zugang zu den Konzepten der objektorientierten Programmierung ermöglicht. Sie als Programmierer schreiben so genannte Hamster Programme, mit denen Sie virtuelle Hamster durch eine virtuelle Landschaft steuern und sie bestimmte Aufgaben lösen lassen. Dabei setzen Sie Konzepte der objektorientierten Programmierung ein. Jedes Kapitel dieses Buches führt - aufbauend auf den vorangehenden - ein neues Konzept ein und erweitert damit die Fähigkeiten der Hamster. Viele Beispielprogramme demonstrieren Ihnen dabei den korrekten Einsatz der Konzepte und anhand von selbstständig zu lösenden Aufgaben können Sie 1 Lediglich aufgrund der besseren Lesbarkeit wird in diesem Buch ab nun ausschließlich die maskuline Form verwendet.

5 6 Vorwort feststellen, ob Sie die Konzepte nicht nur verstanden haben, sondern beim Lösen von Problemen auch richtig einsetzen können. Hamster-Programme werden in der so genannten "Hamster-Sprache" formuliert. Auch in diesem zweiten Band des Java-Hamster-Buches wird die Programmiersprache Java als die der Hamster-Sprache zugrunde liegende Programmiersprache verwendet. Während in der Vergangenheit viele Programmiersprachen bereits nach ein paar Jahren durch andere verdrängt wurden, hat sich Java inzwischen auch im industriellen Umfeld etablieren können. Die Hamster-Sprache weicht an einer einzigen Stelle aus didaktischen Gründen von der Sprache Java ab. Aber keine Angst, im letzten Kapitel des Buches wird Ihnen gezeigt, wo dies der Fall ist und wie "richtige" Java-Programme aussehen. Im ersten Band des Java-Hamster-Buches haben Sie erfahren, dass Java eine imperative objektorientierte Programmiersprache ist. Das bedeutet, dass die objektorientierten Konzepte der Sprache auf imperativen Sprachkonzepten basieren. Genau aus diesem Grund wurden im ersten Band des Java-Hamster-Buches die Konzepte der imperativen Programmierung erläutert und darauf aufbauend werden in diesem zweiten Band objektorientierte Programmierkonzepte vorgestellt. Diesbezüglich streiten sich Lehrende der Informatik immer mal wieder: Sollen Programmieranfängern erst die imperativen oder erst die objektorientierten Programmierkonzepte beigebracht werden? Meine Meinung hierzu, die auf meinen Erfahrungen bei der Durchführung von inzwischen acht Programmierkursen für Informatik Erstsemester an der Universität Oldenburg basiert, ist eindeutig "imperativ vor objektorientiert", wie auch der Aufbau der beiden Bände des Java-Hamster-Buches zeigt. Vielleicht gehören Sie zu denjenigen Lesern, die nicht den ersten Band des Java Hamster-Buches durchgearbeitet haben, und Sie stellen sich nun die Frage: Muss ich diesen jetzt zunächst noch erwerben? Die Antwort lautet: nicht unbedingt, wenn Sie zum Beispiel in der Schule schon imperative Programmiersprachen, wie Pascal oder Modula-2 kennen gelernt haben. In diesem Fall sollten Sie besonders gründlich Kapitel 2 dieses Buches lesen, das eine Zusammenfassung des ersten Bandes enthält. Wenn Sie aber ein völliger Programmieranfänger sind, reicht eine solche Zusammenfassung nicht aus. In diesem Fall empfehle ich Ihnen, sich vor diesem Buch zunächst intensiv mit dem ersten Band des Java-Hamster-Buches zu beschäftigen. Die Fan-Gemeinde des Java-Hamsters ist in den vergangenen Jahren ständig gewachsen. An dieser Stelle möchte ich mich nochmal ganz herzlich für die vielen freundlichen s bedanken. Neben den lobenden Worten in den s zeigen mir auch die vielen positiven Buchbewertungen, bspw. bei www. amazon. da, dass das Hamster-Modell nicht nur gut ankommt, sondern auch seinen Zweck erfüllt, Programmieranfängern die Konzepte der Programmierung beizubringen. Einen speziellen Fan des Java-Hamsters möchte ich an dieser Stelle besonders herausstellen: meine Frau Cornelia. Sie hat mich nicht nur immer wieder motiviert, endlich die

6 Vorwort 7 Fortsetzung fertig zu stellen, sondern hat selber aktiv daran mitgearbeitet. Daher ist sie auch Co-Autorin geworden. Natürlich ist das Java-Hamster-Modell auch im Internet präsent. Auf der Webseite finden Sie viele weitergehende Informationen. Sie können dort alle Beispielprogramme herunterladen und finden zusätzliche Aufgaben und Musterlösungen. Ferner gibt es ein Forum, über das Sie mit anderen Hamster Fans in Kontakt treten und Meinungen, Fragen und Antworten austauschen können. Weiterhin können Sie sich von der Webseite kostenlos den so genannten Hamster Simulator herunterladen. Beim Hamster-Simulator handelt es sich um ein Programm, mit dem Sie Hamster-Programme entwickeln und ausführen können. Ich kann Ihnen nur dringend empfehlen, den Hamster-Simulator auf Ihrem Computer zu installieren. Es macht nicht nur Spaß, die Hamster durch ihr Territorium flitzen zu sehen und sie bei der Arbeit zu beobachten. Vielmehr ist es zum Erlernen der Programmierung dringend erforderlich, sich selbstständig mit Aufgaben auseinander zu setzen und Lösungsprogramme zu entwickeln und zu testen. Allein durch Lesen lernt man nicht Programmieren! Für diejenigen von Ihnen, die den Hamster-Simulator bereits kennen, sei gesagt: Inzwischen steht eine komplett überarbeitete Version zur Verfügung. Sie ist nicht nur einfacher zu installieren, sondern auch einfacher zu handhaben und enthält viele neue Funktionen. Insbesondere ist ein Debugger integriert worden, mit dessen Hilfe Sie beim Ausführen von Hamster-Programmen genau sehen können, welche Anweisung ihres Programms gerade abgearbeitet wird und welche Werte die Variablen aktuell speichern. An dieser Stelle einen ganz ganz herzlichen Dank an den Entwickler des Hamster-Simulators: Daniel Jasper. Weiterhin gebührt Anja Hasler ein ganz besonderer Dank. Sie hat diesmal die Aufgabe übernommen, Hamster-Bildchen zu malen und das Buch damit optisch etwas aufzupeppen. Ich denke, das ist ihr bravourös gelungen! Dieser zweite Band des Java-Hamster-Buches ist übrigens nicht der letzte. Es wird noch einen dritten geben, der in die parallele Programmierung einführt und dabei das Thread-Konzept von Java nutzen wird. Der Titel wird entsprechend "Parallele Programmierung spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell" lauten. Und ich hoffe, bis zum Erscheinen des dritten Bandes werden nicht wieder fünf Jahre vergehen. Den ursprünglichen Plan, die parallele Programmierung neben der objektorientierten Programmierung bereits im zweiten Band einzuführen, habe ich verworfen. Zum einen ist dieser mit über 500 Seiten eh schon ziemlich dick geworden. Zum anderen hätten Sie dann noch länger warten müssen. Meinungen, Lob, Kritiken, Fragen und Verbesserungsvorschläge zum Buch sind übrigens erwünscht. Meine Anschrift lautet: Dietrich Boles, Universität Oldenburg, Department für Informatik, Escherweg 2, D Oldenburg; dietrich@boles.de Bevor Sie sich jetzt endlich ins Vergnügen stürzen und die Hamster zum Leben erwecken, möchte ich Ihnen das folgende süße Gedicht nicht vorenthalten, das ich

7 8 Vorwort von einem mir leider unbekannten Hamster-Fan erhalten habe und das das Leben der Hamster sehr schön widerspiegelt: Wer irrt so spät im Kachelwald, es ist der Hamster und ihm ist kalt. Ob rechts ob links er hat die Wahl, das Korn zu suchen ist seine Qual. So läuft er ziellos durch die Gänge, im Nacken stets die Java-Zwänge. Und bis er hat das Korn gefunden, dauert es oft viele Stunden. Dann das Ergebnis all der Müh und Not: Das Feld ist voll, der Hamster tot!!! Nun wünschen wir allen Leserinnen und Lesern viel Spaß beim "Hamstern" und viel Erfolg beim Erlernen der objektorientierten Programmierung mit Java. Oldenburg, im Mai 2004 Dietrich und Cornelia Boles

8 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Programmierung Objektorientierte Programmierung 1.3 Voraussetzungen und Ziele dieses Buches 1.4 Aufbau dieses Buches Das imperative Hamster-Modell Komponenten des Hamster-Modells 2.2 Anweisungen und Programme. 2.3 Prozeduren Auswahlanweisungen. 2.5 Wiederholungsanweisungen 2.6 Boolesche Funktionen Variablen und Ausdrücke 2.8 int-funktionen Funktionsparameter 2.10 Rekursion Hamster-Objekte Das objektorientierte Hamster-Modell 3.2 Hamster-Namen Der Standard-Hamster. 3.4 Aufruf von Hamster-Befehlen 3.5 Koordinatensystem

9 10 Inhaltsverzeichnis 3.6 Erzeugung neuer Hamster Initialisierung erzeugter Hamster 3.8 Hamster-Befehle Neue Hamster-Befehle 3.10 Der Datentyp Hamster Beispielprogramme 3.12 Aufgaben Die Klasse Hamster 4.1 Motivation 4.2 Attribute 4.3 Methoden 4.4 Implementierung von Methoden. 4.5 this Implementierung der Hamster-Methode maulleer 4.7 Erzeugung von Hamster-Objekten Initialisierung von Hamster-Objekten. 4.9 Aufgaben Erweiterte Hamster-Klassen (Grundlagen) Definition erweiterter Hamster-Klassen. 5.2 Definition von Attributen 5.3 Definition von Methoden 5.4 Zugriff auf Attribute Attribute versus methodenlokale Variablen 5.6 Erzeugung erweiterter Hamster-Objekte 5.7 Aufruf von Methoden Komplette Programme mit erweiterten Hamster-Klassen. 5.9 Separate Klassen Beispielprogramme 5.11 Aufgaben

10 Inhaltsverzeichnis 11 6 Erweiterte Hamster-Klassen (Fortsetzung) Überladen von Methoden 6.2 Rekursive Methoden 6.3 Konstruktoren 6.4 Klassenattribute 6.5 Klassenmethoden. 6.6 Die Klasse Territorium. 6.7 Subobjekte 6.8 Konstanten 6.9 Beispielprogramme 6.10 Aufgaben Vererbung Erben der Klasse Hamster. 7.2 Ableiten von erweiterten Hamster-Klassen. 7.3 super Überschreiben von Methoden 7.5 Gleichnamige Attribute 7.6 Konstruktoren 7.7 Klassenattribute 7.8 final Vorteile der Vererbung Allround-Ramster 7.11 Beispielprogramme 7.12 Aufgaben

11 12 Inhaltsverzeichnis 8 Arrays Motivation Definition und Erzeugung von Arrays 8.3 Zuweisung Zugriff auf Arrays 8.5 Laufzeitfehler beim Zugriff auf Arrays 8.6 Initialisierung von Arrays 8.7 for-schleife Referenzdatentypen 8.9 Ermittlung der Größe eines Arrays 8.10 Arrays als Parameter von Funktionen und Methoden Arrays als Funktions- bzw. Methodenwerte 8.12 Arrays als Attribute 8.13 Hamster-Arrays Mehrdimensionale Arrays 8.15 Beispielprogramme Aufgaben Verallgemeinerung des Klassen/Objekte-Konzeptes 9.1 Klassen und Objekte. 9.2 Vererbung Beispielprogramme 9.4 Aufgaben Ein- und Ausgabe Zeichenketten Ausgabe Eingabe Beispielprogramme 10.5 Aufgaben

12 Inhaltsverzeichnis Polymorphie und dynamisches Binden Polymorphie Einschränkung des Protokolls Polymorphie und Parameter Explizite Typumwandlung Dynamisches Binden von Methoden Erweiterbarkeit Die Klasse Object Wiederverwendbarkeit Weitere Methoden der Klasse Territorium Beispielprogramme Aufgaben Abstrakte Klassen und Interfaces Abstrakte Klassen Interfaces Vergleich von abstrakten Klassen und Interfaces Beispielprogramme Aufgaben Fehlerbehandlung mit Exceptions Überblick Fehler klassen Erzeugen und Werfen von Fehlerobjekten Fehlertypdeklaration Abfangen von Fehlerobjekten U nchecked-exceptions Beispielprogramme Aufgaben

13 14 Inhaltsverzeichnis 14 Zugriffsrechte und Pakete 14.1 Zugriffsrechte 14.2 Pakete Zusammenspiel von Zugriffsrechten und Paketen 14.4 Beispielprogramme Aufgaben Spielende Hamster Das Spiel Kalah 15.2 Menschen-Kalah 15.3 Programmierung von Spielstrategien 15.4 Hamster-Kalah 15.5 Aufgaben Ausblick Hamster-Programme versus Java-Programme 16.2 Java-Klassenbibliothek Objektorientierte Softwareentwicklung A Klassen des Java-Hamster-Modells A.1 Exception-Klassen. A.2 Die Klasse Hamster A.3 Die Klasse Territorium Literatur Index