> Datenstrukturen in Java (Teil 3)

Transkript

1 Datenstrukturen > Datenstrukturen in (Teil 3) Mark Egloff

2 Lernziel Heute Abend > Sie lernen noch eine zusätzliche Datenstrukturen und Ihre Bedeutung kennen Bäume > Sie wissen die Vor und Nachteile dieser Datenstruktur und wann diese eingesetzt werden > Sie können eigene Bäume erstellen, sowie XML Strukturen lesen und erzeugen Mark Egloff

3 Datenstrukturen in (Teil 3) Übersicht Datenstrukturen > Arrays Mehrdimensionale Felder um Werte oder Objekte in einer festen Reihenfolge aufzunehmen. Die maximale Grösse ist festgelegt > Liste Die Liste ist eine Datenstruktur zur dynamischen Speicherung von beliebig vielen Objekten. Objekte werden dabei einer Reihe nach abgelegt > Maps (Hashtabellen) Maps sind Indexstrukturen (oder Assoziativspeicher), die die Elemente anhand eines Indexes oder Schlüssels verwalten > Bäume Mehrere Elemente können auf andere Elmente verweisen. So entstehen Verknüpfungen und es können Bäume realisiert werden Mark Egloff

4 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume > Bäume sind spezielle Formen von dynamischen Datenstrukturen. Es werden von einem zentralen Element (der Wurzel) mehrere Elemente miteinander verkettet, so dass die lineare Struktur der Liste aufgebrochen wird und eine Verzweigung stattfindet. > Da Bäume zu den meist verwendeten Datenstrukturen in der Informatik gehören, gibt es viele Spezialisierungen. z.b. Binärbaum, ungerichtete Bäume, gewurzelte Bäume, Binomialbäume, balancierte Bäume, Graphen etc. > Bäume werden vorzugsweise für 1-n Beziehungen verwendet. Gerade bei solchen Strukturen wird oft auch Rekursion eingesetzt Mark Egloff

5 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume Beispiel eines balancierten Binärbaumes Stufe 0 Wurzel 53 z.b. Zugriff auf Index 47: nur 3 Iterationen Stufe 1 Knoten 20 right left daten 60 right right Stufe 2 11 right left daten 39 right Sortierordnung 56 right left daten 78 left left left daten daten daten daten Stufe 3 daten daten daten daten daten daten Mark Egloff

6 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume Vorteile / Nachteile > Ein Baum ist eine dynamische Struktur und kann daher beliebig viele Elemente aufnehmen > Dank einer sortierten Baumstruktur entsteht ein schnellerer Zugriff auf die einzelnen Elemente. Somit sind die Zugriffe wesentlich schneller als in einer lineraren Liste. Voraussetzung ist hier aber die geordnetete Struktur der Elemente > Ein wesentlicher Nachteil bildet das Einfügen der Elemente. Beim Einfügen muss der Baum neu organisert bzw. neu sortiert werden. Dies kann sehr aufwendig werden. Mark Egloff

7 Datenstrukturen in (Teil 3) Eigene Bäume erstellen > Einen eigenen Baum herzustellen ist einfach, man benötigt nur eine einzige Klasse > Die Grundlage hierzu bildet das Container oder Composite Pattern. Eine Objekt kann wiederum Objekte derselben Art beinhalten. Mit diesem Einfachem Prinzip lassen sich Gruppierungen mit Untergruppierungen und somit Bäume sehr einfach realisieren 0..* node MyNode Node node node childs node node node Mark Egloff

8 Datenstrukturen in (Teil 3) Eigene Bäume erstellen eigene Node Klasse Entwerfen Sie die Klasse Node, welche weitere aufnehmen kann import java.util.*; abstract class Node { Collection childs = new ArrayList(); public void addchild(node child) { } childs.add(child); } public Collection getchilds(){ } return this.childs; Mark Egloff

9 Datenstrukturen in (Teil 3) Eigene Bäume erstellen eigene Node Klasse > Die einzelnen Knoten werden ineinander geschachtelt mittels der addchild() Methode. So entsteht nach und nach die Baumstruktur. class Run { public static void main(string[] args) { MyNode root = new MyNode(); MyNode child1 = new MyNode(); MyNode child2 = new MyNode(); MyNode child3 = new MyNode(); child2 root child1 } } child2.addchild(child3); root.addchild(child2); root.addchild(child1); child3 Mark Egloff

10 Datenstrukturen in (Teil 3) Eigene Bäume erstellen Durch die Knoten iterieren Schreiben Sie eine Rekursive Funktion,die die Anzahl Nodes zurückliefert import java.util.*; class CountTreeNodes { public static int count(node n) { int i = 1; Iterator it = n.getchilds().iterator(); while( it.hasnext() ) { Node child = (Node) it.next(); i += count( child ); } return i; } } Mark Egloff

11 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume und > verwendet intern sehr oft Bäume z.b. für TreeMap. bietet hierzu einige wenige Hilfsklassen und Interfaces an an um eigene Trees zu realisieren z.b. java.swing.treenode > Diese Klassen wurden eigentlich nur für das GUI z.b. java.swing.jtree entwickelt und werden daher selten für andere Zwecke z.b. für XML verwendet. Daher werden Baumstrukturen sehr oft mit eigenen Klassen realisiert z.b. grafische Auswahlliste mit JTree Mark Egloff

12 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume und Interface java.swing.treenode <<interface>> TreeNode +children(): Enumeration +getallowschildren(): boolean +getchildat(int):treenode +getchildcount():int +getindex(treenode):int +getparent():treenode +isleaf():boolean > Das Interface java.swing.treenode bildet eine ideale Grundlage um Bäume zu realisieren > Es wird eine Klasse java.swing.defaultmutabletre enode angeboten, die schon dieses Interface implementiert. > Diese fertige Klasse kann zusammen mit java.swing.jtree verwendet werden um grafische Auswahllisten anzufertigen Mark Egloff

13 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume und Beispiel mit java.swing.jtree > Wir möchten nun eine einfache Auswahlliste für Bücher anfertigen. Die Bücher sollen in einem Baum nach Kategorie geordnet angelegt werden Klasse Book class Book { String name; public Book(String name) { this.name = name; } public String tostring() { return this.name; } } Kategorie Buch Mark Egloff

14 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume und Beispiel mit java.swing.jtree > Wir verwenden für den Baum die Klasse DefaultMutableTreeNode. Auch hier werden die einzelnen Knoten ineinander geschachtelt mittels der add() Methode // Wurzel des Baumes erstellen DefaultMutableTreeNode root = new DefaultMutableTreeNode("The Series"); // Erste Kategorie DefaultMutableTreeNode category = new DefaultMutableTreeNode("Beginner Level"); root.add(category); // Erstes Buch der Kategorie hinzufügen DefaultMutableTreeNode book = new DefaultMutableTreeNode( new Book("The Tutorial...")); category.add(book); Mark Egloff

15 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume und Beispiel mit java.swing.jtree > Die Klasse DefaultMutableTreeNode ist ein Wrapper. Jeder erstellte Knoten kapselt gerade das eigentliche Objekt welches dargestellt wird. Beim Erstellen des Knotens muss das eigentliche Objekt mitgegeben werden. Struktur und eigentliche Daten sind getrennt. // Add first book to first category DefaultMutableTreeNode book = new DefaultMutableTreeNode( new Book("The Tutorial...")); category.add(book); DefaultMutableTreeNode root The Series String DefaultMutableTreeNode category Beginner Level String DefaultMutableTreeNode book The Tutorial Book Mark Egloff

16 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume und Beispiel mit java.swing.jtree > Die so erstellte Baumstruktur wird nun einer GUI Komponente JTree übergeben, welche die grafische Handhabung übernimmt Import javax.swing.*; public class MyJTreeFrame extends JFrame public MyJTreeFrame() { DefaultMutableTreeNode root =...; // vorangehende Slides // create GUI Component JTree JTree tree = new JTree(root); // Add tree to Window this.add(tree); this.pack(); this.setvisible(true); } // end of constructor } // end of class Mark Egloff

17 Datenstrukturen in (Teil 3) Bäume und Beispiel mit java.swing.jtree // Class with "main" Method public class RunMyJTree { public static void main(string[] args){ MyJTreeFrame frame = new MyJTreeFrame(); } } Mark Egloff

18 Datenstrukturen > Einführung in das DOM von XML Mark Egloff

19 Datenstrukturen in (Teil 3) Was ist XML? > Die Extensible Markup Language (XML) ist ein Werkzeug zur Modellierung von Sprachen zur textbasierten Darstellung von Dokumenten. XML Ist eine Dokumentenbeschreibungssprache. > Speziell an XML ist, dass die Strukturbeschreibung und Daten in einem Dokument untergebracht werden bzw. in einer Sprache verfasst sind > Damit Computer die Bestandteile eines Dokuments Daten, Struktur und Format unterscheiden können, müssen Struktur und Format separat gekennzeichnet werden. Solche Kennzeichnungen z.b. mittels <tags>, werden im Deutschen als Markierung oder Auszeichnung bezeichnet und im Englischen als Markup. > XML ist seit 1998 ein W3C Standard. Aktuell ist v1.1 > XML Datenstrukturen sind Bäume Mark Egloff

20 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel eines XML Dokumentes <?xml version="1.0" encoding="iso "?> <catalog> <cd country="usa"> <title>empire Burlesque</title> <artist>bob Dylan</artist> <price>10.90</price> </cd> <cd country="uk"> <title>hide your heart</title> <artist>bonnie Tyler</artist> <price>9.90</price> </cd> </catalog> Mark Egloff

21 Datenstrukturen in (Teil 3) Aufbau, Elemente eines XML Dokumentes Prolog Deklaration Doctype (DTD) Kommentare Processing Instructions Daten Element Attribute Text / CDATA / Entities Kommentare Element <?xml version="1.0"?> <!DOCTYPE inhalt [ <!ENTITY mfg =".."> ]> <!- comment --> <? Instr.?> <catalog> <cd country="usa"> <!-- comment --> <artist>bob</artist> <price>10.90</price> </cd> </catalog> Mark Egloff

22 Datenstrukturen in (Teil 3) Aufbau, Elemente eines XML Dokumentes Root Element Start Prolog <?xml version="1.0" encoding="iso "?> <catalog> <cd country="usa"> Attribut <title>empire Burlesque</title> Element <artist>bob Dylan</artist> <price>10.90</price> Text </cd> </catalog> Root Element End Mark Egloff

23 Datenstrukturen in (Teil 3) Aufbau, Elemente eines XML Dokumentes prolog catalog country cd cd country title artist price title artist price text text text text text text XML Daten sind als Bäume strukturiert Mark Egloff

24 Datenstrukturen in (Teil 3) Was ist DOM? > Um XML Dokumente und ihre Struktur als Objekte handzuhaben, wurde ein Document Object Model (DOM) geschaffen. Es beschreibt die Bestandteile von XML Dokumenten als Objekte > DOM ist ebenfalls vom W3C standardisiert. Jedoch gibt das W3C nur die Spezifikation und das Modell vor, die Umsetzung auf die jeweilige Technologie ist den Herstellern überlassen. Somit gibt es gleiche Produkte für dieselben Technologien. > DOM gibt es nicht nur für JAVA, DOM ist mittlerweile für jede Technologie oder Sprache verfügbar > Das DOM selber ist in mehrere Bereiche sogenannte Levels und in ihre Module eingeteilt. Noch sind nicht alle Levels in allen Technologien verfügbar. Die Hersteller lassen sich Zeit. Mark Egloff

25 Datenstrukturen in (Teil 3) Die verschiedenen DOM Levels > Level 1: Abstrakte Schnittstellenbeschreibung in OMG IDL (Object Management Group Interface Definition Language) > Level 2: Namespace Support, Operationen zum suchen und ändern. DTD Unterstützung. Import Funktionalität. > Level 3: Schema Unterstützung, Vergleichen von Dokumenten und Fragmenten. Normali-sierung von Dokumenten. Standard Prozedur von laden und speichern von Dokumenten. Mark Egloff

26 Datenstrukturen in (Teil 3) Die Module von DOM Level 1 > Core: Erstellen und verändern von Struktur und Daten > Events: Generisches Event Handling System, Keyboard, Maus, Focus Change > Views: MVC Pattern, CSS Stylesheets > Style: Objektmodel für CSS Stylesheets > HTML: Objektmodel für HTML > Traversal/Range: Navigation durch Baumstruktur, Selektion von Datenbereichen Relevant für XML ist zurzeit nur das Modul Core und Traversal/Range Mark Egloff

27 Datenstrukturen in (Teil 3) Das DOM Module: Core Comment Processig Instruction Notation NodeList DOM Implement Text Character Data parentnode childnodes Document Type implementation doctype CDATA Section Entity Node ownerdocument Element Document documentelement Entity Reference attributes Named NodeMap Attribut Document Fragment DOM ist ein hierarchisch aufgebautes Model. Die kleinste Basis- Informationseinheit bildet hier ein sogenannter Node. Mark Egloff

28 Datenstrukturen in (Teil 3) Aufbau von DOM Zentrales Designpattern Container (Composite) Container 0..* Component Mit dem Designpattern Container lassen sich beliebige Baumstrukturen abbilden. 0..* 0..* Container Extended Container1 Node Document Extended Container2 Element Extended Container3 Attribut Mark Egloff

29 Datenstrukturen in (Teil 3) Aufbau von DOM Vereinfachtes DOM Modell: document 1 0..* 1 element 1 0..* 1 0..* attribut tex t Mark Egloff

30 Datenstrukturen in (Teil 3) Übersicht wichtigster DOM Komponenten: Name Node NodeList Document Element Attribut NamedMap CharacterData Text CDATA Comment Beschreibung Grundlegender Basistyp, ist ein Container (abstract) Ansammlung von Nodes Das eigentliche Dokument, oberster Container Ein einzelnes XML Element Ein einzelnes Attribut eines XML Elementes Eine Ansammlung von Nodes mit Namen, üblicherweise verwendet für Attribute eines Elementes Grundlegender Typ für TextInhalte (abstract) Parseable TextInhalt (normaler Text mit Markup) Unparsable TextInhalt (für Sonderzeichen, binär) XML Kommentar Mark Egloff

31 Datenstrukturen in (Teil 3) Abbildung einer XML Datei in ein DOM: <?xml version="1.0"?> <catalog> <cd country="usa"> <title>empire Burlesque</title> <artist>bob Dylan</artist> <price>10.90</price> </cd> </catalog> Mark Egloff

32 Datenstrukturen in (Teil 3) Abbildung einer XML Datei in ein DOM: document catalog element cd element title artist price element element element text text text Reale Struktur DOM Struktur Mark Egloff

33 Datenstrukturen in (Teil 3) und DOM: > Die Organisation W3C definiert nur die Schnittstellen und das Objekt Model von DOM. Die Implementationen und Handhabung wird den Herstellern der einzelnen Technologien überlassen. > In wurde die DOM Standardisierung übernommen und es wurde mittlerweile als ein separates API realisiert. Es entstand das JAXP ( API for XML Processing). > Hersteller bzw. Implementationen für : > Xerces (xml.apache.org) > Crimson (ehemals SUN jetzt Apache, veraltet) > JDOM ( > DOM4J ( Mark Egloff

34 Datenstrukturen in (Teil 3) und DOM- Performance einzelner Implementation: Mark Egloff

35 Datenstrukturen in (Teil 3) und DOM- Performance einzelner Implementation: Mark Egloff

36 Datenstrukturen in (Teil 3) und DOM: > Wir programmieren nur gegen die Interfaces von W3C und JAXP und spüren nichts von der eigentlichen Implementation (z.b. ob Xerces oder Crimson). Eine sogenannte Factory liefert dann zur Laufzeit eine entsprechende Implementation anhand der Konfiguration > Standardmässig wird 1.4 mit der Crimson und seit 1.5 mit der Xerces Implementation ausgeliefert > Die DOM Core Klassen existieren als Interfaces im Package: org.w3c.dom > Um um ein neues DOM zu erstellen benötigen wir folgende Factory aus dem JAXP: javax.xml.parsers.documentbuilderfactory Mark Egloff

37 Datenstrukturen in (Teil 3) Erzeugung eines neuen DOM s: 1. DocumentBuilderFactory Implementation festlegen (optional) 2. DocumentBuilderFactory instanzieren und konfigurieren (z.b. Namespace aktivieren) 3. DocumentBuilder mittels Factory instanzieren und konfigurieren 4. Neues Document Objekt bzw. das DOM erzeugen 5. Mittels der Factory Elemente erzeugen und im neuen Document einfügen (Baumstruktur nach und nach erzeugen) Mark Egloff

38 Datenstrukturen in (Teil 3) Neues DOM erzeugen, Beispiel (1/3): import org.w3c.xml.*; import javax.xml.parsers.*; public class Run { public static void main(string[] args){ try { // Factory instanzieren 2. DocumentBuilderFactory factory = DocumentBuilderFactory.newInstance(); 3. // Parser bzw. DocumentFactory holen DocumentBuilder builder = factory.newdocumentbuilder(); 4. // neues Dokument, bzw. leeres DOM erzeugen Document doc = builder.newdocument(); 5. // Root Element erzeugen und dem Dokument hinzufügen Element root = doc.createelement("catalog"); doc.appendchild(root);... Mark Egloff

39 Datenstrukturen in (Teil 3) Neues DOM erzeugen, Beispiel (2/3): } // neues Element erzeugen und Eltern Element hinzufügen Element cd = doc.createelement("cd"); root.appendchild(cd); // Attribut einem Element hinzufügen cd.setattribute("country","usa"); 5. // neues Element erzeugen und Eltern Element hinzufügen Element title = doc.createelement("title"); cd.appendchild(title); // Text Node etzeugen und Eltern Element hinzufügen Element text = doc.createtext("empire Burlesque"); title.appendchild(text);... } catch(exception ex) { ex.printstacktrace(); } Mark Egloff

40 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel des neu erzeugten DOM s: (3/3): <?xml version="1.0"?> <catalog> <cd country="usa"> <title>empire Burlesque</title> </cd> </catalog> document element element element text attribut Mark Egloff

41 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel einfaches Auslesen einer XML Datei (1/4): <xml> Xerces? Parser DOM Objekte Output Anwendung > Ein Parser erzeugt aus dem XML Dokument das DOM. Danach werden von diesem bestimmte Daten gelesen bzw. Objekte erzeugt und abgefüllt. Diese Daten werden dann weiterverarbeitet oder ausgegeben Mark Egloff

42 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel einfaches Auslesen einer XML Datei (2/4): 1. DocumentBuilderFactory Implementation festlegen (optional) 2. DocumentBuilderFactory instanzieren und konfigurieren 3. DocumentBuilder mittels Factory instanzieren und konfigurieren 4. Dateizugriff festlegen 5. Datei mit dem DocumentBuilder parsen, dies ergibt ein Document Objekt welches das DOM beinhaltet 6. Durch die Struktur traversieren und von den einzelnen Elementen die Daten auslesen Mark Egloff

43 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel einfaches Auslesen einer XML Datei (3/4): import org.w3c.dom.*; import javax.xml.parsers.*; import java.io.*; public class Run { public static void main(string[] args) { try { // Factory erzeugen 2. DocumentBuilderFactory factory = DocumentBuilderFactory.newInstance(); 3. // Parser holen DocumentBuilder builder = factory.newdocumentbuilder(); // Dokument Parsen und DOM erzeugen File f = new File("catalog.xml"); Document doc = builder.parse(f);... Mark Egloff

44 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel einfaches Auslesen einer XML Datei (4/4): // Root Element holen Element root = doc.getdocumentelement(); } 6. // erstes KindElement auslesen Element cd = (Element) root.getfirstchild(); // Attribut eines Elementes lesen String country = cd.getattribute("country"); // erstes KindElement auslesen Element title = (Element) cd.getfirstchild(); // erstes KindElement auslesen Text Node Node text = title.getfirstchild();; // Text des Text Nodes auslesen String value = text.getnodevalue();... } catch(exception ex) { ex.printstacktrace(); } Mark Egloff

45 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel DOM in XML Datei serialisieren (1/5): Xerces <xml> Objekte DOM Serializer Output Anwendung > Wir erstellen anhand Objekten eine DOM Struktur und erzeugen danach eine XML Datei. Für die Erstellung der Datei verwenden wir ein spezieller Serializer Mark Egloff

46 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel DOM in XML Datei serialisieren (2/5): > Unter Serializierung wird die Umwandlung von Objekten in ein schreibbares Format verstanden (z.b. Binäre oder Text-Sequenz) > DOM selber ist ein Objektmodell welches nicht direkt in eine Datei geschrieben werden kann. Hierzu muss jedes einzelne Objekt abgearbeitet und in eine XML Text Datei geschrieben bzw. serialisiert werden. catalog cd <xml> title artist price Mark Egloff

47 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel DOM in XML Datei serialisieren (3/5): > Die Serialisierung ist noch nicht Teil des JAXP, deshalb müssen spezifische Produkte eingesetzt werden (nicht standardisierte API s) > Xerces bietet in seiner Distribution ein Package org.apache.xml.serialize an um DOM Strukturen zu serialisieren z.b. in XML, HTML oder Text. 1. Serializer Factory instanzieren 2. Ausgabeformatierungen festlegen 3. Serializer mittels Factory erzeugen und Formatierungen zuweisen 4. OutputStream festlegen 5. DOM serialisieren Mark Egloff

48 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel DOM in XML Datei serialisieren (4/5): import java.io.*; import org.w3c.dom.*; import javax.xml.parsers.*; import org.apache.xml.serialize.*; public class Run { public static void main(string[] args) throws Exception { // zuvor erzeugtes DOM, siehe vorangehende Slides Document doc = ; // Factory erzeugen SerializerFactory factory = SerializerFactory.getSerializerFactory("xml"); // Ausgabe Formatierungen festlegen OutputFormat format = new OutputFormat(); format.setencoding("iso "); format.setindent(4); format.setindenting(true);... Mark Egloff

49 Datenstrukturen in (Teil 3) Beispiel DOM als XML serialisieren (5/5): // Serializer mittels Factory erzeugen, Formatierung zuweisen Serializer serializer = factory.makeserializer(format); // Output festlegen Datei FileOutputStream fos = new FileOutputStream("D:/catalog.xml"); serializer.setoutputbytestream(fos); // DOM in Byte Stream bzw. in Datei serailisieren serializer.asdomserializer().serialize(doc); } } Mark Egloff

50 Datenstrukturen in (Teil 3) Nachteile des JAXP DOM API (1/2): > Keine Serialisierung von DOM Daten. Muss über andere Produkte gemacht werden. (kommt aber mit DOM Level 3 Xerces bietet ein API zur Serialisierung > Zugriff auf einzelne Elemente nicht besonders Programmierer-freundlich. Suchkriterien sind nicht vorhanden z.b. suchen nach Element mit einem bestimmten Attribut-Wert. XML bietet hierzu XPath ist jedoch nicht Teil von JAXP. Muss über andere Produkte gemacht werden z.b. mit Xalan Mark Egloff

51 Datenstrukturen in (Teil 3) Nachteile des JAXP DOM API (2/2): Aufbau von komplexen Strukturen mittels DOM API kann sehr aufwendig werden und kostet erheblich Ressourcen (Speicher, Performance). Auch die Flexibilität und Lesbarkeit des Codes lässt oft zu wünschen übrig. Nur einfache Struktur erzeugen und danach mittels einer XSL Transformation in komplexe Struktur überführen. Es gibt mittlerweile Frameworks, die direkt Objekte in XML abbilden können z.b. java.sun.com/webservices/jaxb/ Mark Egloff

52 Datenstrukturen in (Teil 3) JAXP- DOM Links > DOM: > SUN DOM Tutorial: > IBM DOM Tutorial: > Xerces: > SUN JAXP Compatibility for JAVA Compatibility_150.html Mark Egloff