5 Das Projekt Apfelwein

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1 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 1 5 Das Projekt Apfelwein Bemerkung: In der 10. Jahrgangsstufe (G8) werden die Schüler in die zustandsorientierte Programmierung eingeführt. Dies erfolgt mit Hilfe von if-else-anweisungen und kann dann auf die switch-anweisung erweitert werden. Bei komplexen Automaten halte ich es jedoch sinnvoller, diese mit Hilfe einer Zustandsübergangstabelle einzuführen. Im Kapitel 6 ZOM in BlueJ zeige ich einige Beispiele. Soll bei der Programmierung von Automaten auf Erweiterbarkeit geachtet werden, empfehle ich die Verwendung des STATE-Entwurfsmusters. Ein Bauer und sein Freund kauften ein 8-Liter-Fass, gefüllt mit besten Apfelwein. Sie wollten den Wein gerecht aufteilen, besaßen aber nur einen 5-Liter-Krug und einen 3-Liter- Krug. Wie gelang es ihnen dennoch? Übung 5.1: Finde eine Lösung dieses Problems. Diese bekannte Knobelaufgabe wirst Du nun programmieren. Abbildung 5.1 zeigt eine mögliche Benutzeroberfläche für dieses Spiel. Abbildung 5.1: Grafische Oberfläche des Apfelwein-Problems

2 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite Zustandsdiagramm Zur Lösung des Problems kannst du eine Tabelle verwenden. Diese erleichtert dir das systematische Durchgehen aller Füllstände: 8-Liter-Fass 5-Liter-Fass 3-Liter-Fass 8 Liter 0 Liter 0 Liter 5 Liter 0 Liter 3 Liter Abbildung 5.2: Tabelle der Füllstände der einzelnen Fässer Jede Zeile dieser Tabelle zeigt den entsprechenden Inhalt der drei Fässer an. Um einen Überblick zu erlangen, ist es leichter, diese Zustände in einem Zustandsdiagramm darzustellen. Abbildung 5.3: Darstellung von Zuständen und Zustandsübergängen Wie in Abbildung 5.3 dargestellt ist, wird jeder Zustand als Kreis abgebildet und die Zustandsübergänge mit Pfeilen symbolisiert. Jedes Ereignis, z.b. das Umfüllen, führt zu einem neuen Zustand. Übung 5.2: Erstelle mit Hilfe deiner Lösung aus Übung 5.1 das Zustandsdiagramm. 5.2 Zustandstabelle Zustände kannst du auch in einer Tabelle darstellen. Hierzu gibst du jedem Zustand einen Namen, bei diesem Projekt eignet sich hierfür eine Zahl.

3 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 3 Zustand Fass8 Fass5 Fass Abbildung 5.4: Zustandstabelle In einer solchen Zustandstabelle wird dargestellt, welche Zustände die drei Fässer annehmen. Es wird jedoch nichts über die Reihenfolge der Zustände ausgesagt. Wahrscheinlich wirst du intuitiv die Zustände in der richtigen Reihenfolge in deiner Tabelle eingetragen haben. Dies ist allerdings nicht notwendig, wie du bei späteren Beispielen kennen lernen wirst. Für die Implementierung des Projekts Apfelwein ist nun eine Kombination aus Zustandstabelle und Zustandsdiagramm ideal. Du ergänzt die Zustandstabelle um eine weitere Spalte. Diese gibt den jeweiligen Folgezustand bei Betätigen des Buttons umfuellen an. Zustand Fass8 Fass5 Fass3 Folgezustand Übung 5.3: Abbildung 5.5: Kombination aus Zustandstabelle und Zustandsübergangstabelle Vervollständige die Kombination aus Zustandstabelle und Zustandsübergangstabelle. Nun hast du dich mit dem Apfelwein so weit beschäftigt, dass du diese programmieren kannst. 5.3 Die Klasse Bauer Als Erstes suchst du alle Zustände zusammen:

4 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 4 Abbildung 5.6: Hier sind die Zustände insgesamt 9 Als Nächstes gibst du jedem Zustand eine Bezeichnung. In diesem Beispiel eignet sich eine Nummerierung von 0 bis 8 wie in der Zustandstabelle dargestellt. Als Letztes definierst du noch drei Datenfelder fass8, fass5 und fass3 für die Fässer und ein Datenfeld zustand, das den aktuellen Zustand hält. public class Bauer private Fass fass8, fass5, fass3; private int zustand; //aktueller Zustand Abbildung 5.7: Datenfelder der Klasse Bauer Übung 5.4: Erstelle ein Projekt Apfelwein01a und die Klasse Bauer mit ihren Datenfeldern. Nun musst du dich um die Zustandsübergänge kümmern. Wie in Abbildung 5.3 dargestellt, benutzt du die Methode umfuellen() als Ereignis für einen Zustandsübergang. public void umfuellen() if (zustand == 0) fass8.setzeaktuelleninhalt(8); fass5.setzeaktuelleninhalt(0); fass3.setzeaktuelleninhalt(0); zustand = 1; weitere Anweisungen Abbildung 5.8: Die Methode umfüllen() in der Klasse Bauer In der Methode umfuellen() wird jeder mögliche Zustand mit einer Bedingungsanweisung überprüft und gemäß dem jeweiligen Zustand wird für

5 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 5 das richtige Verhalten gesorgt. Falls notwendig muss ein Übergang in einen anderen Zustand erfolgen. Übung 5.5: Implementiere und vervollständige die Methode umfuellen() in der Klasse Bauer. Du erzeugst nun also innerhalb der Klasse Bauer eine Variable zustand, die die Zustandswerte hält. In den Methoden, die die Zustandsübergänge durchführen, schreibst du Bedingungsanweisungen, um gemäß den entsprechenden Zuständen handeln zu können. Bemerkung: Die Klasse Bauer kann noch nicht kompiliert werden, da diese Objekte einer Klasse Fass benötigt. 5.4 Die Klasse Fass Nun wirst du das Fass modellieren. Dazu musst du überlegen, welchen Eigenschaften ein Fass besitzt und welche Fähigkeiten es hat. Abbildung 5.9: Modellierung der Klasse Fass Ein Fass muss sein Gesamtvolumen und seinen aktuellen Inhalt kennen. Diese werden in die Datenfelder volumen und inhalt gespeichert. Beim Umfüllen wird der aktuelle Inhalt festgesetzt. Also benötigt die Klasse Fass die Methode setzeaktuelleninhalt(). Mit der Methode gibaktuelleninhalt() kann das Fass seinen aktuellen Inhalt anderen mitteilen. public class Bauer private Fass fass8, fass5, fass3;

6 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 6 private int zustand; //aktueller Zustand //Konstruktor und weitere Methoden fehlen noch Übung 5.6: Implementiere im Projekt Apfelwein01a die Klasse Fass. Implementiere einen geeigneten Konstruktor. Nun benötigst du noch die sondierende Methode gibaktuelleninhalt() und die verändernde Methode setzeaktuelleninhalt(). public void setzeaktuelleninhalt(int menge) inhalt = menge; public int gibaktuelleninhalt() return inhalt; Abbildung 5.10: Die Methoden setzeaktuelleninhalt() und gibaktuelleninhalt() in der Klasse Fass Übung 5.7: Implementiere in der Klasse Fass die Methoden setzeaktuelleninhalt() und gibaktuelleninhalt(). Überprüfe diese mit Hilfe des Inspektors. Da der Bauer die Fässer umfüllen muss, benötigt er einen Konstruktor, der ihm die Fässer übergibt. public Bauer(Fass fass8h, Fass fass5h, Fass fass3h) fass8 = fass8h; fass5 = fass5h; fass3 = fass3h; zustand = 0; //Anfangszustand Abbildung 5.11: Konstruktor der Klasse Bauer Übung 5.8:

7 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 7 Implementiere in der Klasse Bauer nun den geeigneten Konstruktor aus Abbildung Abbildung 5.12: Klassendiagramm mit dem Aufruf der Methode umfuellen() Übung 5.9: Teste dein Projekt Apfelwein01a ausführlich. Erzeuge das volle 8-Liter-Fass und ein jeweils leeres 5- bzw. 3-Liter-Fass. Anschließend erzeuge einen Bauern, der den Wein zwischen diesen drei Fässern umschütten kann. Spiele das eingangs erwähnte Apfelwein-Problem durch. Übung 5.10: (Für Experten) Bisher musst du die drei Fässer direkt erzeugen. Entwerfe einen Konstruktor in der Klasse Bauer, der diese Aufgabe automatisch durchführt. 5.5 Grafische Benutzeroberfläche Bemerkung: Das Erstellen einer grafischen Oberfläche soll in diesem Kapitel nicht im Vordergrund stehen, es würde zu sehr vom eigentlichen Ziel der zustandsorientierten Programmierung wegführen. Deswegen habe ich bereits alle notwendigen Anweisungen in der Klasse ApfelweinGUI implementiert, einige davon musst du allerdings noch auskommentieren. Die grafische Benutzeroberfläche ist weit gehend bereits vorbereitet. Ich habe diese in zwei größere Panels eingeteilt: das Steuerungspanel steuerungp, das die

8 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 8 Buttons zum Umfüllen und zum Beenden enthält, und das Darstellungspanel darstellungp, das die Bühne für die drei Fässer enthält. Abbildung 5.13: Die vorbereitete grafische Oberfläche von ApfelweinGUI Das Projekt ApfelweinGUI enthält bereits die Klassen Ansicht und Buehne. Die Klasse Ansicht erzeugt die in Abbildung 5.13 dargestellte Benutzeroberfläche. Sie enthält a) die Zeichenfläche, in der die drei Fässer dargestellt werden sollen, b) ein TextArea, Buttons und die dafür notwendigen Methoden, von denen zum jetzigen Zeitpunkt viele noch auskommentiert sind. Die Klasse Buehne dient zur bildlichen Darstellung der Fässer. Sie enthält zum jetzigen Zeitpunkt bereits die Methode paintcomponent(), die das oben abgebildete Koordinatensystem mit der Beschriftung zeichnet. Die Fässer und deren Inhalt soll von jedem Fass selbst gezeichnet werden. Übung 5.11: Hole vom Schulserver das Projekt ApfelweinGUI. Speichere dieses unter dem Namen Apfelwein01b. Versuche im Quelltext der Klassen Ansicht und Buehne die in Abbildung 5.13 dargestellten Panels, Buttons und Textaeas wiederzufinden. Du wirst nicht jeden Zusammenhang verstehen, aber versuche es wenigstens. Übung 5.12 Füge mit Hilfe von Edit > Add Class from File die Klassen Bauer und Fass in das Projekt Apfelwein01b hinzu. Entferne in den Klassen Ansicht und Buehne die entsprechenden Kommentierungen. Wie bereits oben erwähnt, sollen die Fässer sich selbst zeichnen. Das bedeutet, du musst in der Klasse Fass die Methoden zeichne() und zeichnefass()

9 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 9 implementieren, die die Größe der entsprechenden Rechtecke berechnet und anschließend diese Rechtecke auf die Zeichenfläche buehne setzt. Abbildung 5.14: Zeichnen der Fässer Wie in Abbildung 5.14 dargestellt, stehen die Fässer auf einer gemeinsamen Bodenlinie. Mit Hilfe des Vergrößerungsfaktors wird das Volumen und der Füllstand für die Zeichnung ermittelt. Anschließend werden die Daten xpos, ypos, hoehe und fuellstand verwendet, um die korrekten grauen und roten Rechtecke zu zeichnen. Hierbei hilft die Methode zeichnefass(). Zum Schluss wird als Feature der aktuelle Fassinhalt angegeben. public void zeichne(graphics g, int xposh) int boden = 180; //Bodenlinie aller Faesser int faktor = 20; //Vergroesserungsfaktor int xpos, ypos, hoehe, fuellstand; xpos = xposh; ypos = boden - volumen * faktor; //somit steht das Fass auf Bodenlinie hoehe = volumen * faktor; //Hoehe des Fasses fuellstand = inhalt * faktor; //momentaner Fuellanzeige des Fasses zeichnefass(g, xpos, ypos, hoehe, fuellstand); g.setcolor(color.blue); g.drawstring("inhalt: " + inhalt, xpos, 200); //schreibt momentanen Inhalt Abbildung 5.15: Quelltext der Methode zeichne() in der Klasse Fass private void zeichnefass(graphics g, int xpos, int ypos, int hoehe, int fuellstand)

10 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 10 int breite = 40; //Breite aller Faesser g.setcolor(color.lightgray); g.fillrect(xpos, ypos, breite, hoehe - fuellstand); g.setcolor(color.red); g.fillrect(xpos, ypos + (hoehe - fuellstand), breite, fuellstand); Abbildung 5.16: Quelltext der Methode zeichnefass() in der Klasse Fass Übung 5.13 Implementiere die beiden Methoden zeichne() und zeichnefass() in der Klasse Fass. Wenn du alles korrekt übernommen hast, sollte dein Projekt Apfelwein01b wie in Abbildung 5.17 aussehen und auch funktionieren. Abbildung 5.17: Das fertige Projekt Apfelwein 5.6 Ausblick Du hast die Zustände in diesem Projekt Apfelwein zyklisch angeordnet. Der Benutzer hat somit keine Auswahl, er wird sozusagen automatisch von Zustand zu Zustand geführt. Auf eine analoge Weise könntest Du nun beispielsweise auch eine Ampelanlage modellieren. Dies sollte dir nun nicht mehr schwer fallen. Das Apfelwein-Problem lässt sich allerdings auch als Spiel programmieren.

11 Kapitel 5 Zustandsorientierte Modellierung (Teil 1) Seite 11 Abbildung 5.18: Anregung zum Projekt Apfelwein02 Hier kann der Benutzer auf der Registerkarte manuell selbstständig die Umfüllaktionen wählen und durch Ausprobieren zum Ziel gelangen. Übung 5.14 (Für Experten) Erstelle das Projekt Apfelwein02 ähnlich wie in Abbildung 5.18 dargestellt.