Abgabe: :00. Achten Sie darauf nicht zu lange Zeilen, Methoden und Dateien zu erstellen 1

Transkript

1 Programmieren Wintersemester 2/ Software-esign und Qualität (SQ) Prof. r. Ralf H. Reussner Kiana Rostami Michael Langhammer bschlussaufgabe usgabe:.2.2 : bgabe:..2 : earbeitungshinweise chten Sie darauf nicht zu lange Zeilen, Methoden und ateien zu erstellen Programmcode muss in englischer Sprache verfasst sein Kommentieren Sie Ihren ode angemessen: So viel wie nötig, so wenig wie möglich Wählen Sie geeignete Sichtbarkeiten für Ihre Klassen, Methoden und ttribute Verwenden Sie keine Klassen der Java-ibliotheken ausgenommen Klassen der Pakete java.lang, java.io und java.util, es sei denn die ufgabenstellung erlaubt ausdrücklich weitere Pakete chten Sie auf fehlerfrei kompilierenden Programmcode Halten Sie alle Whitespace-Regeln ein Halten Sie die Regeln zu Variablen-, Methoden und Paketbenennung ein und wählen Sie aussagekräftige Namen Halten Sie die Regeln zu Javadoc-okumentation ein Nutzen Sie nicht das default-package Halten Sie auch alle anderen heckstyle-regeln ein bgabemodalitäten ie Praktomat-bgabe wird am onnerstag, den 2. ebruar, freigeschaltet. eben Sie die Java-Klassen als *.java-ateien ab. Laden Sie die Terminal-Klasse nicht mit hoch. Planen Sie für die bgabe ausreichend Zeit ein, sollte der Praktomat Ihre bgabe wegen einer Regelverletzung ablehnen. ehlerbehandlung Ihre Programme sollen auf ungültige enutzereingaben mit einer aussagekräftigen ehlermeldung reagieren. us technischen ründen muss eine ehlermeldung unbedingt mit Error, beginnen. Eine ehlermeldung führt nicht dazu, dass das Programm beendet wird; es sei denn, die nachfolgende ufgabenstellung verlangt dies ausdrücklich. chten Sie inbesondere auch darauf, dass unbehandelte RuntimeExceptions, bzw. Subklassen davon sogenannte Unchecked Exceptions nicht zum bbruch des Programms führen. er Praktomat wird die bgabe zurückweisen, falls diese Regel verletzt ist.

2 Programmieren Wintersemester 2/.2.2 : eachten Sie den folgenden Hinweis zur Terminal-Klasse: Terminal-Klasse Laden Sie für diese ufgabe (nicht für ufgabe )die Terminal-Klasse a von unserer Homepage herunter und platzieren Sie diese unbedingt im Paket edu.kit.informatik. ie Methode Terminal.readLine() liest eine enutzereingabe von der Konsole und ersetzt System.in. ie Methode Terminal.printLine() schreibt eine usgabe auf die Konsole und ersetzt System.out. Verwenden Sie für jegliche Konsoleneingabe oder Konsolenausgabe die Terminal-Klasse. Verwenden Sie in keinem all System.in oder System.out. ehlermeldungen werden ausschließlich über Terminal.printLine() ausgegeben und müssen aus technischen ründen unbedingt mit Error, beginnen. Laden Sie die Terminal-Klasse niemals zusammen mit Ihrer bgabe hoch. a Navigationssystem (2 Punkte) us dem lltag kennen Sie folgende Probleme: Wie komme ich am schnellsten von nach? Was ist die kürzeste Route von nach? Ist die kürzeste Route gleichzeitig auch die Schnellste? Welche Route ist am kürzesten, wenn ich eine austelle oder utobahnen vermeiden will? Im Rahmen dieser ufgabe programmieren Sie ein kleines und vereinfachtes Navigationssystem auf der ranularitätsebene der Städte, das seinem enutzer ähnliche Routensuchen erlaubt. Um die kürzeste Route zwischen zwei Städten herauszufinden, muss zunächst das Netz von Städten, die bei Ihrer Suche in rage kommen, auf einen raphen abgebildet werden. ieser raph besteht somit aus Städten (dargestellt als Knoten) und direkten Wegen zwischen Städten (dargestellt als Kanten). ie istanz zwischen zwei Städten wird durch eine Zahl an die entsprechende Kante im raphen, auch bekannt als Kantengewichte, notiert. Lesen Sie die in den bschnitten, und vorgestellten atenstrukturen und lgorithmen aufmerksam durch. Sie benötigen diese rundlagen für Ihre Implementierung. In dieser ufgabe sind die Einheiten der istanzen in Kilometern, bzw. Minuten zu verstehen. Somit brauchen Sie die Korrektheit der Einheiten nicht zu prüfen oder diese in andere Einheiten umzurechnen. rundlagen: raph ormeller ausgedrückt ist ein ungerichteter raph ein geordnetes Paar (V, E), wobei V die Menge seiner Knoten (Vertices) und E die Menge seiner ungerichteten Kanten (Edges) bezeichnet. Eine ungerichtete Kante e E ist eine zweielementige Menge {v s, v t } mit v s V und v t V. rundlagen: Routen-raph Ein Routen-raph ist ein ungerichteter zusammenhängender raph = (V, E) ohne Mehrfachkanten. ußerdem gibt es keine Kanten, die ausgehend von einem Knoten auf denselben Knoten zeigen - auch als Schlingen bekannt. Ein ungerichteter raph ist nur dann zusammenhängend, wenn es zwischen zwei beliebigen Knoten v und w einen Weg gibt. Somit können beginnend mit einem beliebigen Knoten v V alle anderen Knoten durch mindestens einen Weg erreicht werden. Ein ungerichteter raph ohne Mehrfachkanten, ist ein raph, bei dem zwischen zwei beliebigen Knoten v und w maximal nur eine ungerichtete Kante existiert. Jeder Knoten v V repräsentiert eine Stadt. Seite 2 von 8

3 Programmieren Wintersemester 2/.2.2 : Jede Kante e = (v s, v t ) E repräsentiert einen direkten Weg zwischen zwei Städten: v s V und v t V. Weiterhin existieren zwei unktionen distancekilometer : E N und distanceminute : E N, die jeder Kante zwei istanzen (räumlich und zeitlich) zuordnen. Im olgenden erfahren Sie mehr über die istanzen.. Serialisierung eines Routen-raphen Unter einer Serialisierung verstehen wir im Rahmen dieser ufgabe die textuelle Repräsentation eines Routen- raphen: ein ormat, um einen solchen raphen in eine atei zu speichern bzw. aus einer atei auszulesen. Eine Serialisierung besteht aus zwei ereichen. er erste ereich beschreibt die Knoten des raphen. er zweite ereich beschreibt die Kanten des raphen. eide ereiche sind durch genau eine Zeile mit dem Inhalt -- voneinander separiert (vergleiche Eingabebeispiel.). er erste ereich enthält zwei oder mehrere Zeilen in beliebiger Reihenfolge. Jede Zeile beschreibt eine Stadt (Knoten). Sie können bei der Serialisierung und bei den Eingaben davon ausgehen, dass alle Städtenamen ungeachtet der roß- und Kleinschreibung eindeutig sind. ie Städtenamen sind durch den regulären usdruck [-Za-z-]+ beschrieben. ie Namen der Städte dürfen nur einmal im ersten ereich vorkommen. <Stadt> er zweite ereich enthält eine oder mehrere Zeilen in beliebiger Reihenfolge und beinhaltet alle Kanten des raphen, wobei jede Kante durch zwei Knoten, die diese Kante direkt miteinander verbindet, dargestellt werden. Zwei Knoten repräsentieren Stadt und Stadt 2. Jede Zeile beschreibt eine Kante und ist folgendermaßen aufgebaut: <Stadt >;<Stadt 2 >;<EntfernungInKilometer>;<EntfernungInMinuten> Jeder diekte Weg (Kante) verläuft zwischen zwei Städten - Stadt und Stadt 2, wobei gilt Stadt Stadt 2. <Stadt > und <Stadt 2 > sind jeweils eindeutig durch ihren Namen repräsentiert, der genauso aufgebaut ist, wie zuvor beschrieben. ußerdem dürfen nur Städte im zweiten ereich benutzt werden, die im ersten ereich bereits vorgekommen sind. <EntfernungInKilometer> ist die Entfernung zwischen Stadt und Stadt 2 in Kilometern, ausgedrückt als Integer-Zahl größer. <EntfernungInMinuten> gibt die Zeit in Minuten an, die im urchschnitt zum Zurücklegen der Strecke benötigt wird. ie Zeit wird durch eine Integer-Zahl größer ausgedrückt. a alle Kanten ungerichtet sind, ist die Wahl der Stadt und der Stadt 2 bei einer Verbindung zwischen den beiden Städten nicht weiter relevant. eachten Sie dabei, dass keine Mehrfachkanten vorkommen dürfen. ies bedeutet, dass jede Kante nur einmal im zweiten ereich vorkommen darf. ußerdem ist eine Serialisierung in dieser ufgabe nur gültig, wenn es keine allein stehenden Knoten gibt, da der raph stets zusammenhängend sein muss. eispiel für eine Eingabedatei a b d -- a;b;; a;;2; a;d;;2 b;;;2 ;d;; Seite von 8

4 Programmieren Wintersemester 2/.2.2 : rundlagen: raph-lgorithmen. Kürzeste Pfade zwischen zwei Knoten berechnen Es gibt bereits zahlreiche lgorithmen, welche ihren enutzern die erechnung der kürzesten Route erlauben. In dieser ufgabe implementieren wir den ijkstra-lgorithmus. lgorithmus beschreibt den ijkstra-lgorithmus in orm von Pseudocode. lgorithmus ijkstra-lgorithmus zur erechnung kürzester Pfade in einem raphen = (V, E) : function ShortestPath(, s, z) // S und z sind jeweils der Start- und Zielknoten in Matrix return die kürzeste Route zwischen dem Startknoten s und dem Zielknoten z 2: Initialisiere den Vorgänger aller anderen Knoten im mit null. : Intialisiere den bstand von s mit. : Initialisiere den bstand aller anderen Knoten im mit. : Markiere alle Knoten im raphen als unbesucht. : while Es gibt noch einen unbesuchten Knoten v mit dem kleinsten bstand im und v z do : Wähle den Knoten v und markiere ihn als besucht. 8: for lle direkten und unbesuchten Nachbarn u do 9: if Summe des bstandes von v und des bstandes zwischen v und u < der bstand u? then : ktualisiere den bstand von u mit der Summe des bstandes von v und des bstandes zwischen v und u : Speichere v als Vorgänger von u. 2: end if : end for : end while : Initialisiere die Route mit dem z. : while Vorgänger vom zuletzt zur Route hinzugefügten Knoten nicht null ist do : üge den Vorgänger vom zuletzt zur Route hinzugefügten Knoten zur Route hinzu. 8: end while 9: return Route 2: end function Sie können davon ausgehen, dass es nie zu einem Zustand kommt, in dem die bstände zweier Knoten gleich sind. bbildung wendet den lgorithmus auf ein eispiel an. 2 E 2 E +=8 2 E +2= == 8 2 E += += 8 2 E +=< -> 8 2 E +=<-> bbildung : eispielhafte nwendung des ijkstra-lgorithmus auf einen Routen-raphen mit istanzen in Kilometer. und sind jeweils der Start- und Zielknoten. er lgorithmus bricht ab, sobald der Zielknoten als besucht markiert wurde. Somit ist der kürzeste Weg zwischen und : E Seite von 8

5 Programmieren Wintersemester 2/.2.2 :.2 er optimale Pfad zwischen zwei Knoten Zur erechnung des optimalen Pfades werden zunächst alle Pfade zwischen zwei Knoten ermittelt. enutzen Sie hierzu den Tiefensuche-lgorithmus. Ändern Sie den lgorithmus für Ihre Implementierung so um, dass Sie alle Pfade zwischen einem Start- und einem Zielknoten herausfinden. enken Sie bei Ihren Änderungen daran, dass sich der lgorithmus zur erechnung des Weges beim esuchen eines Knotens den Vorgängerknoten merken muss. er Tiefensuche-lgorithmus ist im olgenden beschrieben: Tiefensuche startet bei einem übergebenen Startknoten eines raphen und besucht zunächst diesen Knoten. lle noch unbesuchten Knoten, die von diesem Knoten erreichbar sind, werden in einer beliebigen Reihenfolge in einer Stapel-atenstruktur (engl. Stack) gespeichert. anach wird die Tiefensuche rekursiv auf den nächsten Knoten, der im Stapel gespeichert wurde, angewendet. ieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis der lgorithmus entweder bei einem Knoten ohne unbesuchten benachbarten Knoten angekommen ist oder bis der Zielknoten gefunden wurde. Im nächsten Schritt wird die Route identifiziert, bei dem x 2 +t 2 das minimal ist. Wobei t die Zeit in Minuten, die für die Route benötigt wird und x die istanz der Route in Kilometer darstellen. Sie können davon ausgehen, dass es immer nur eine optimale Route gibt. Kommandozeilenargumente Ihr Programm nimmt als erstes und einziges Kommandozeilenargument einen Pfad auf eine Textdatei entgegen. iese atei beschreibt einen Routen-raphen und ist nach dem in bschnitt. eingeführten ormat aufgebaut. Zum Einlesen der atei dürfen Sie die bereitgestellte Klasse ileinputhelper 2 nutzen. Im egensatz zur Terminal-Klasse darf und muss die ileinputhelper-klasse in den Praktomaten hochgeladen werden, falls sie eingesetzt wird. Tritt beim Verarbeiten des Kommandozeilenarguments ein ehler auf, so wird eine ehlermeldung ausgegeben und das Programm beendet sich mittels System.exit(). Tritt bei der Serialisierung ein ehler auf, so wird das Programm mittels System.exit() beendet. E Interaktive enutzerschnittstelle Nach dem Start nimmt Ihr Programm über die Konsole mittels Terminal.readLine() acht efehle entgegen. Nach barbeitung eines efehls wartet das Programm auf weitere efehle, bis das Programm irgendwann durch quit beendet wird. ie nachfolgenden efehle operieren auf dem aktuellen Routen-raphen = (V, E). ies bedeutet insbesondere, dass sich die usführung vorangehender efehle, welche den raphen verändern, auf die usgabe nachfolgender efehle auswirkt. ei der usgabe Ihres Programms ist roß- und Kleinschreibung nicht relevant. usgabe einer Route: ei allen efehlen, bei denen eine Route erwartet wird, wird diese Strecke auf einer Zeile beginnend mit Startknoten, gefolgt von weiteren Knoten auf der identifizierten Strecke und genau in der richtigen Reihenfolge zum Erreichen des Zielknotens und abschließend mit dem Zielknoten ausgegeben. lle Knoten werden mit genau einer Leerzeichen separiert. Nach dem letzten Zeichen kommen keine weiteren Zeichen vor. eben Sie im olgenden nur die verlangte usgabe aus. Vermeiden Sie weiteren usgaben. Ignorieren Sie beim Speichern und Vergleich der Städtennamen roß- und Kleinschreibung. 2 Seite von 8

6 Programmieren Wintersemester 2/.2.2 : E. search-efehl er search-efehl gibt die istanz der gesuchten Route zwischen zwei Städten auf die Konsole aus. search <Startstadt>;<Zielstadt>;<criterion> <Startstadt> und <Zielstadt> sind jeweils durch ihren Namen repräsentiert wie in bschnitt beschrieben. <criterion> gibt an, nach welchem Kriterium nach einer Route gesucht werden soll. abei gibt es nur Kriterien: time gibt an, dass nach der Strecke mit der kürzesten Zeit gesucht werden soll (Vergleiche bschnitt.). route gibt an, dass nach der kürzesten Strecke in Kilometer gesucht wird (Vergleiche bschnitt.). optimal gibt an, dass nach der optimalen Strecke gesucht wird (vergleiche bschnitt.2). usgabeformat alls <Startstadt> und <Zielstadt> gültige Knoten sind, wird die istanz der Stecke in Kilometer (x), in Minuten (t) oder in x 2 + t 2 - je nach Kriterium - ausgegeben. Somit ist die usgabe nur eine Integer -Zahl. eben Sie keine weiteren Zeichen aus. Im ehlerfall wird eine aussagekräftige ehlermeldung ausgegeben. E.2 route-efehl er route-efehl gibt auf die Konsole aus, welche Route von einer bestimmten Startstadt zu einer bestimmten Zielstadt nach vorgegebenem Kriterium verläuft. enutzen Sie hierzu den Hinweis aus bschnitt.2. route <StartStadt>;<Zielstadt>;<criterion> <StartStadt> und <Zielstadt> sind jeweils durch ihren Namen repräsentiert wie in bschnitt beschrieben. <criterion> gibt an, nach welchem Kriterium eine Route gesucht werden soll. abei gibt es nur Kriterien: time gibt an, dass nach der Strecke mit der kürzesten Zeit gesucht werden soll (Vergleiche bschnitt.). route gibt an, dass nach der kürzesten Strecke in Kilometer gesucht wird (Vergleiche bschnitt.). optimal gibt an, dass nach der optimalen Strecke gesucht wird (vergleiche bschnitt.2). all gibt alle Strecken zwischen den beiden Städten an. usgabeformat alls <Startstadt> und <Zielstadt> gültige Knoten sind, wird die berechnete Route ausgegeben. eim all -efehl wird pro Zeile eine Route ausgegeben. eben Sie keine weiteren Zeichen aus. eachten Sie hierzu den Hinweis unter E zur usgabe von Routen. Im ehlerfall wird eine aussagekräftige ehlermeldung ausgegeben. E. remove-efehl er remove-efehl entfernt eine direkte Verbindung (Kante) zwischen zwei Städten. remove <Stadt >;<Stadt 2 > <Stadt > und <Stadt 2 > sind jeweils durch ihren Namen repräsentiert wie in bschnitt beschrieben. Seite von 8

7 Programmieren Wintersemester 2/.2.2 : usgabeformat alls <Stadt > und <Stadt 2 > gültige Knoten und direkt miteinander verbunden sind, wird die direkte Verbindung zwischen den beiden Städten entfernt. In diesem all wird OK ausgegeben. eben Sie keine weiteren Zeichen aus. Werden alle Kanten zu einem Knoten entfernt, wird der Knoten ebenfalls entfernt. chten Sie darauf, dass die darauf folgenden efehle auf den aktuellen raphen ausgeführt werden. Im ehlerfall wird eine aussagekräftige ehlermeldung ausgegeben. Existiert keine direkte Verbindung zwischen den Städten, wird ebenfalls eine ehlermeldung ausgegeben. Ist der raph durch usführung eines remove -efehls nicht mehr zusammenhängend, wird eine aussagekräftige ehlermeldung ausgegeben und die entsprechende Kante nicht entfernt. E. insert-efehl er insert-efehl fügt eine direkte Verbindung (Kante) zwischen zwei Städten ein. insert <Stadt >;<Stadt 2 >;<EntfernungInKilometer>;<EntfernungInMinuten> <Stadt > und <Stadt 2 > sind jeweils durch ihren Namen repräsentiert wie in bschnitt beschrieben. <EntfernungInKilometer> und <EntfernungInMinuten> sind jeweils die istanz in der beiden Städten in Kilometer und Minuten. usgabeformat Hier ist es ausreichend, wenn eine der beiden Städten (<Stadt > und <Stadt 2 >) ein gültiger Knoten ist. Existiert einer der Knoten nicht, wird er zum raphen hinzugefügt. Schließlich werden die Knoten miteinander direkt durch eine Kante verbunden. In diesem all wird OK ausgegeben. eben Sie keine weiteren Zeichen aus. chten Sie darauf, dass die darauf folgenden efehle auf den aktuellen raphen ausgeführt werden. Im ehlerfall, z.. wenn beide Städte nicht existieren oder wenn bereits eine Kante zwischen den beiden Städten existiert, wird eine aussagekräftige ehlermeldung ausgegeben. Existieren beide Städte nicht, wird ebenfalls eine ehlermeldung ausgegeben. Im ehlerfall wird keine neue Kante zum raphen hinzugefügt. E. info-efehl ieser efehl serialisiert den aktuellen raphen, wie in bschnitt. beschrieben, und gibt sie aus. abei ist die Reihenfolge der Zeilen nicht relevant. ußerdem darf jede Kante nur einmal in der usgabe vorkommen. Ist der raph leer, wird eine leere Zeile ausgegeben. eben Sie keine weiteren Zeichen aus. E. nodes-efehl ieser efehl gibt alle Nachbarknoten zu einem bestimmten Knoten aus. nodes <Stadt> <Stadt> repräsentiert den Knoten, dessen Nachbarknoten ermittelt werden müssen und ist durch ihren Namen repräsentiert wie in bschnitt beschrieben. usgabeformat alls <Stadt> ein gültiger Knoten ist, werden alle seinen Nachbarknoten jeweils in einer Zeile ausgegeben, d.h. pro Zeile wird genau ein Knoten ausgegeben. ie Reihenfolge der Zeilen ist irrelevant. eben Sie keine weiteren Zeichen aus. Im ehlerfall, z.. wenn der Knoten nicht existiert, wird eine aussagekräftige ehlermeldung ausgegeben. E. vertices-efehl ieser efehl gibt alle Knoten in einem raphen aus. vertices Seite von 8

8 Programmieren Wintersemester 2/.2.2 : usgabeformat lle Knoten im raphen werden jeweils in einer Zeile ausgegeben, d.h. pro Zeile wird genau ein Knoten ausgegeben. ie Reihenfolge der Zeilen ist irrelevant. Ist der graph leer, wird eine leere Zeile ausgegeben. eben Sie keine weiteren Zeichen aus. E.8 quit-efehl ieser efehl beendet das Programm. abei findet keine Konsolenausgabe statt. E.9 eispielinteraktion eachten Sie im olgenden, dass Eingabezeilen mit dem > -Zeichen eingeleitet werden, gefolgt von einem Leerzeichen. iese beiden Zeichen sind ausdrücklich kein estandteil des eingegebenen efehls, sondern dienen nur der Unterscheidung zwischen Ein- und usgabe. eispielinteraktion für den Routen-raphen für die Eingabedatei in bschnitt. > search b;d;route > route b;d;route b a d > route b;d;all b a d b a d b a d b d > nodes b a > quit Seite 8 von 8