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1 Technische Universita t Mu nchen Institut fu r Informatik Lehrstuhl fu r Bioinformatik Einfu hrung in die Programmierung fu r Bioinformatiker Prof. B. Rost, L. Richter Java, Objektorientierung 5.1 (U ) Scope, Referenz, Alias Gegeben ist folgender Code: class IntRef public int val ; public void add ( int val ) this. val += val ; class IntRefRef public IntRef ir = null ; public class ScopingIntRef static int global =10; IntRefRef irr = new IntRefRef (); void mutate ( IntRef ir ) IntRef delta = new IntRef (); int i =0; global ++; delta. val =2; ir. add ( global ); ir. val -= delta. val =2; irr. ir = ir ; static void escape ( IntRefRef irr ) irr. ir = new IntRef (); irr. ir. val = -10; 1 WS 2014/15 Aufgabenblatt

2 36 public static void main ( String [] args ) 37 IntRef ir = new IntRef (); 38 ir.val =0; 39 ScopingIntRef sir = new ScopingIntRef (); 40 sir. mutate (ir ); IntRefRef irr = new IntRefRef (); 43 sir. irr.ir= null ; 44 escape ( irr ); Diskutieren Sie anhand des Codes (a) Was ist der Geltungsbereich einer Variable und wie konstruiert man damit Namenstabellen? (b) Konstruieren Sie die Namenstabellen, welche vor der Ausführung von Zeile 24 gilt (c) Warum werden Klassen mit new angelegt, was ist der Unterschied zur Deklaration von i in Zeile 23? (d) Was ist ein Alias und warum können Aliase zu unvorhergesehenen Effekten führen? (e) Zeichnen Sie alle Referenzen, die in Zeile 24 existieren, in die Namenstabelle für Zeile 24 (f) Geben Sie die Zeilennummern und Namen der Aliase an, die im Programm vorkommen. (g) Was macht ein Garbage-Collector? Geben Sie die Lebenszeit (Zeilennummer der frühestmöglichen Zerstörung) aller Objektinstanzen im Code an. 5.2 (Ü) Polymorphie Basics Gegeben sei das folgende Programm: 1 class Base 2 3 int val =1; 4 int method () 5 6 return val ; public String tostring () return " Base :"+ method (); class Derived extends Base int method () return 2* val ; class DerivedDerived extends Derived 24 2

3 25 public String tostring () return " DerivedDerived :"+ method (); public class Derive 32 static java. util. Random r = new java. util. Random (); public static void main ( String [] args ) // simple list 37 java. util. LinkedList < Integer > lli = new java. util. LinkedList < Integer >(); for ( int i =0;i <10; i ++) 40 lli. add (2* i); for ( int i =0;i<llI. size (); i ++) 43 System. out. println ( lli. get (i )); Base b= new Base (); 46 System. out. println (b. tostring ()); 47 Derived d= new Derived (); 48 System. out. println (d. tostring ()); 49 Base b_d = new Derived (); 50 System. out. println ( b_d. tostring ()); 51 Base b_ d_ d = new DerivedDerived (); 52 System. out. println ( b_d_d. tostring ()); java. util. LinkedList <Base > llb = new java. util. LinkedList <Base >(); for ( int i =0;i <5; i ++) float p=r. nextfloat (); 59 if(p <0.33 f) 60 llb. add ( new Base ()); 61 else if(p <0.66) 62 llb. add ( new Derived ()); 63 else 64 llb. add ( new DerivedDerived ()); llb. add ( null ); 67 System. out. println (" List :"); 68 // generic handling of different object kinds that expose the same interface : 69 for ( Base bi: llb )// implicit iteration if( bi instanceof Derived ) 72 System. out. print (" Has Derived :"); 73 if(bi == null ) 74 break ; 75 System. out. println (bi );

4 78 79 (a) Diskutieren Sie, wie man Listen zum Verwalten von Daten verwenden kann. Die konkrete Art der Liste soll hierbei erstmal keine Rolle spielen. (b) Diskutieren Sie den Unterschied zwischen statischen und dynamischen Typ anhand der Variablen b, d, b d, b d d. (c) Was bedeutet Polymorphie und Überschreiben von Methoden? (d) Wie wird ein polymorpher Methodenaufruf aufgelöst? (e) Welche Methoden werden in Zeile 46, 48, 50 und 52 aufgerufen? (f) Was ist der Unterschied zwischen Überschreiben und Überladen von Methoden? Wie vermeidet man Unklarheiten beim Überladen von Methoden? (g) Diskutieren Sie, wie ab Zeile 54 Objekte mit verschiedenen dynamischen Typen einheitlich verwaltet werden. 5.3 (Ü) Polymorphe Anwendung Prismen oder Zylinder sind geometrische Körper, die durch Parallelverschiebung ihrer Grundfläche im Raum entstehen. Die folgende Abbildung zeigt als Beispiele für Prismen ein Dreiecksprisma, einen Quader und einen Zylinder, die durch Verschiebung eines Dreiecks, eines Rechtecks bzw. eines Kreises entstehen: Prismen sind durch ihre Höhe und ihre jeweilige Grundfläche bestimmt. Als Grundflächen in Frage kommen (zum Beispiel): regelmäßige n-ecke; bestimmt durch die Anzahl der Ecken und die Seitenlänge Kreise; bestimmt durch ihren Radius Rechtecke; bestimmt durch Breite und Länge An Operationen muss eine Grundfläche, die Berechnung von Umfang und Flächeninhalt zur Verfügung stellen; ein Prisma die Berechnung von Oberfläche und Volumen. In dieser Aufgabe soll eine Klassenhierarchie für diese geometrischen Körper in Java implementiert werden. (a) Erstellen Sie die Klasse Grundflaeche.java, als Oberklasse für alle Grundflächen. Legen sie Basisversionen der Methoden umfang() und flaeche(), sowie eine geeignete tostring()- Methode an. (b) Erstellen Sie Klassen Kreis.java,Rechteck.java und NEck.java zur Repräsentation von Kreisen, Rechtecken und n-ecken. Diese Klassen erweitern Grundflaeche um die benötigten Werte und überschreiben die Methoden zur Flächen- und Umfang-berechnung. Ergänzen sie die tostring()-methode sinnvoll. 4

5 (c) Erstellen sie die Klasse Prisma.java mit den benötigten Feldern und den Methoden volumen() und oberflaeche(), sowie einer geeigneten tostring()-methode. (d) Ergänzen Sie alle Grundflächen um die Methode istquadrat(), die zurückgibt, ob es sich bei der aktuellen Instanz um ein Quadrat handelt. Z.B. falls bei einem Rechteck Länge und Breite gleich sind. (e) Erstellen Sie die Klasse Quadrat.java, welche durch ihre Seitenlänge eindeutig bestimmt ist, als weitere Unterklasse von Grundflaeche und ergänzen sie alle Grundflächen um einem Methode zuquadrat(), die, falls es sich um ein Quadrat (auch passende Rechtecke und n- Ecke) handelt, ein Quadrat-Object mit der entsprechenden Seitenlänge zurückgibt. Handelt es sich nicht um ein Quadrat, dann wird null zurückgegeben. (f) Ergänzen sie die Klasse Prisma um eine Methode istwuerfel(), die zurückgibt, ob es sich bei dem aktuellen Prisma um einen Würfel handelt. (g) Testen Sie Ihren Code Hinweise: Planen Sie vor dem Programmieren die Klassenhierarchie Fassen Sie gleichartige Attribute und Methoden in einer geeigneten Oberklasse zusammen. Verwenden sie Getter- und ggf. Setter-Methoden. Greifen sie falls möglich auf bereits implementierte Methoden zurück. Die Fläche eines regelmäßigen n-ecks mit Seitenlänge a ist n a 2 4 tan( π n ). Die Java-Klasse Math stellt in der Klassenvariablen Math.PI einen Wert für π sowie in der Klassenmethode Math.tan() die Berechnung des Tangens zur Verfügung. Testen sie ihre Implementierung mit einer geeigneten Test-Klasse. 5.4 (Ü) Kaffee Gegeben sie die folgende abstrakte Oberklasse: public abstract class KaffeeGetraenk public abstract int getwasser (); public abstract int getkoffein (); public abstract int getpreis (); public String tostring () if( getkoffein ()!= 0) return " Kaffee "; return " koffeinfreier Kaffee "; (a) Implementieren Sie die folgenden Spezialisierungen: Kaffee: ein einfacher Kaffee (Wassergehalt 50, Koffeingehalt 20). Kakao mit Wassergehalt 100, Koffeingehalt 0. Enthält ein Boolesches Attribut, das anzeigt, ob der Kakao in Form von Streuseln vorliegt (oder beigemischt ist). MilchKaffee (Wassergehalt 40, Koffeingehalt 15): enthält ein Boolesches Attribut, das anzeigt, ob der Kaffe geschäumt ist sowie eine Methode schaeume, durch deren Aufruf der anfangs ungeschäumte Kaffe geschäumt wird. In den Spezialisierungen der Klasse KaffeeGetraenk soll die Methode getpreis einen von der Anzahl Kaffee-Bohnen und dem Gehalt an Wasser abhängigen Preis zurückgeben gemäß der Formel Preis = 5 Wasser+50 Koffeingehalt. Die tostring-methode soll jeweils durch die Aus- 5

6 gabe darüber informieren, ob das Getränk Koffein enthält. Die tostring-methoden von Kakao und MilchKaffee sollen auch darüber informieren, ob der Kaffee Streusel enthält bzw. ob er geschäumt ist. Benutzen Sie zur Umsetzung nach Möglichkeit die bereits implementierten Methoden aus einer Oberklasse. (b) Betrachten Sie das folgende Testprogramm für die Implementierung: 1 public class Test 2 public static void main ( String [] args ) 3 KaffeeGetraenk kaffee = new Kaffee (); 4 System. out. println (" Kaffee : "+ kaffee ); 5 KaffeeGetraenk milchkaffee = new MilchKaffee (); 6 // (( MilchKaffee ) milchkaffee ). schaeume (); 7 System. out. println (" Milchkaffee : "+ milchkaffee ); 8 KaffeeGetraenk kakao = new Kakao ( true ); 9 System. out. println (" Kakao : "+ kakao ); // simple list 12 java. util. LinkedList < KaffeeGetraenk > 13 kaffeeliste = new java. util. LinkedList < KaffeeGetraenk >(); for ( int i =0;i <5; i ++) 16 kaffee = new Kaffee (); 17 milchkaffee = new MilchKaffee (); 18 kaffeeliste. add ( kaffee ); 19 kaffeeliste. add ( milchkaffee ); for ( int i =0;i< kaffeeliste. size (); i ++) 22 System. out. println ( kaffeeliste. get (i )); milchkaffee = kaffee ; 25 kaffee = null ; 26 kaffeeliste = null ; 27 milchkaffee = kaffee ; Beantworten Sie folgende Fragen und begründen Sie Ihre Antworten so genau wie möglich: a) An welchen Stellen im Programm (Zeilenangabe!) kommt es wodurch (wie und durch welche Anweisungen) zu Aliasing? b) Zu welchem Zeitpunkt können die Objekte jeweils frühestmöglich vom Garbage-Collector eingesammelt werden? Unterscheiden Sie dabei die Objekte, welche in den Zeilen 3, 5, 8, 13, 16, 17. erzeugt wurden. 6

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