Programmieren in Java

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1 Einführung in die (imperative) Programmierung

2 2 Wiederholung: Allgemein Hohe Programmiersprache Compiler Interpreter Maschinensprache Zielsystem

3 3 Wiederholung: Java Java Compiler Bytecode JRE Just-In-Time Interpreter Maschinensprache

4 4 Wiederholung (Satzbau) Programmiersprachen gehorchen einer Grammatik Nur grammatikalisch richtige Sätze können compiliert werden Jeder Satz kann in sogenannte Tokens eingeteilt werden Bezeichner Literale Schlüsselwörter Operatoren Separatoren Codeblöcke: Prolog + beliebige Anzahl Sätze umschlössen von { } Bilden semantische Einheit, definiert durch den Prolog Syntax des Prologs ist abhängig von der gewünschten Semantik

5 5 Wiederholung (Code-Rahmen) Java-Code: class Program { public static void main(string[] args){ } } Programmfluss Der class-block muss vorerst hingenommen werden Der Name der Klasse ist allerdings frei-wählbar Ebenso hinzunehmen: Der-main-Block Progammierung findet (vorerst) in dem blauen Bereich statt Der Code muss sich in einer Datei befinden, die den Namen der Klasse hat

6 6 Datentypen Programme basieren immer auf der Manipulation von bestimmten Daten Daten werden beschrieben durch konkrete Werte 27: Eine natürliche ganze Zahl größer Null 'A': Ein Buchstabe Je nach Wert ändert sich die Semantik eines Satzes/Ausdruckes: ==? 'A' + 'B' ==? Programmiersprachen erwarten das Werte kategorisierbar sind Ein Datentyp beschreibt eine Menge von Werten der gleichen Art Der Datentyp legt fest, was als Operation auf seinen Werten erlaubt ist Nur so kann festgestellt werden, ob ein Satz syntaktisch korrekt ist

7 7 Datentypen (Beispiel in Java) Im Ausdruck sind 999 und 1 Werte des Datentyps int Für int-werte ist der +Operator die natürliche Addition == 1000 In 'A' + 'B' sind A und B Werte des Datentyps char System.out.println('A' + 'B'); 131 char beschreib alle Unicode-Zeichen Jedem Zeichen ist ein eindeutiger Code zwischen zugeteilt 'A' == 65 'B' == == 131 Für char-werte ist der +Operator demnach die Addition in [ ]

8 8 Primitive Datentypen Als primitiv wird ein Datentyp bezeichnet, dessen Werte nicht weiter zerlegt werden können Datentypen zur Beschreibung numerischer Werte: byte: { } (8 Bit) int: { } (32 Bit) float: {-1,4E ,4E+38} (32 Bit) Häufig auch: Logischer Datentyp: boolean {true, false} Datentyp für Zeichen: char [ ] Datentyp für Zeichenketten: String

9 9 Primitive Datentypen (2) Achtung: 1. Nicht all diese Typen tauchen zwangsläufig in jeder Sprache auf boolean wird häufig einfach als {0, 1} betrachtet Zeichen kann wie gesehen als numerischer Wert dargestellt werden 2. Nicht all diese Typen müssen zwangsläufig primitiv sein Ein Wert des Datentyps String kann auch als Kette von Werten des Datentyps char verstanden werden 3. In vielen Sprachen können Teilmengen von int als neue primitive Datentypen definiert werden (sogenannte: Enums)

10 10 Primitive Datentypen (Java) byte: { } (8 Bit) short: { } (16 Bit) int: { } (32 Bit) long: { } (64 Bit) float: {-1,4E ,4E+38} (32 Bit) double: {-4,9E ,7E+308} (64 Bit} boolean: {true, false} char: Unicode-Zeichen (16 Bit) byte, short und int Literale können nicht explizit von einander unterschieden werden Werte aus dem Bereich long werden mit einem L notiert: 999L Werte aus dem Bereich float werden mit einem f notiert: 0.5f Java kennt den Datentyp String, dieser ist allerdings nicht primitiv Java kennt enums, allerdings sind auch diese nicht primitiv

11 11 Variablen Wiederholung: Zuweisungs-Operator = Schlüsselwort Bezeichner Bezeichner = WERT AUSDRUCK ; Nicht zu verwechseln mit ==, dem Vergleichsoperator! erwartet auf der linken Seite einen Bezeichner, rechtes einen Wert Schlüsselwort Bezeicher kann nun genauer definiert werden: DATENTYP Bezeichner = WERT AUSDRUCK ; Der Wert rechts muss vom Datentyp links sein Bezeichner mynumber wird als Variable des Datentyps int bezeichnet

12 12 Typsystem (statisch) Wenn eine Variable für Werte eines bestimmten Typs deklariert wurde, kann sie im weiteren Programmverlauf keinen Wert eines anderen Typs annehmen Beispiel: int n1 = 27; n1 = 1000; n1 = "Hello World"; // Ok! // Fehler! Nur die Deklaration definiert den Typ Jede weitere Zuweisung überschreibt den alten Wert Das Literal 1000 ist vom Typ int, die zweite Zuweisung ist demnach ok "Hello World" ist vom Typ String, die Zuweisung schlägt also fehl Ein so geformtes Programm ist in statisch typisierten Programmiersprachen nicht compilierbar

13 13 Typsystem (dynamisch) Jede Variable kann für Werte eines beliebigen Typs eingesetzt werden. Der Typ der Variablen ergibt sich zur Laufzeit aus seiner letzten Zuweisung. Beispiel: var n1 = 27; n1 = 1000; n1 = "Hello World"; // Ok! // Ok! Häufig wird eine Deklaration durch ein Schlüsselwort eingeleitet (var) Der Zuweisungsoperator benötigt keine Angabe eines Typs Beispielsprachen: JavaScript, PHP, Phyton Nachteil solcher Sprachen ist häufig das später Erkennen von Typfehlern: var myvariable = 27; // Variablen-Deklaration myvariable = "Test"; // Wert und Typeüberschreibung! var nonsense = myvariable * ; // Was soll Test * 27 sein? (meist: Fehler)

14 14 Wichtig Java ist statisch typisiert

15 15 Variablen/Deklaration (Java) Deklaration einer Variablen: Ohne Initialisierung: DATENTYP Bezeichner ; Mit Initialisierung DATENTYP Bezeichner = WERT AUSDRUCK DATENTYP ; Zuweisung Bezeichner = WERT AUSDRUCK DATENTYP ; Beispiel: int result; int number1 = 27; int number2 = 37; result = number1 * number2 + 1; System.out.println(result); // 1000 number = 10; int number = "Test"; int number1; int number2 = number1 * ; Vor der ersten Nutzung der Variablen muss sie einen Wert haben!

16 16 Operatorüberladung Der Typ des Resultates eines Operators ergibt sich entweder aus seiner Definition int intnumber1 = 27; int intnumber2 = 37; bolean areequal = intnumber1 == intnumber2; // == liefert unabhängig von den Operanden boolean (also: true oder false) oder aus seinen Operanden int intresult; int intnumber1 = 27; int intnumber2 = 37; intresult = intnumber1 * intnumber2; // * liefert int, da beide Operanden vom Typ int float floatresult; float floatnumber1 = 27.0f; float floatnumber2 = 37.0f; floatresult = number1 * number2; * liefert float, da vom Typ float In letzterem Fall spricht man von Operatorüberladung Nicht alle Operatoren können auf allen Datentypen angewandt werden boolean nonsensebooleanvalue = false + true; Error: bad operand types for binary operator '+' // Was soll das auch sein?

17 17 Operator-Überladung II Mit den Zuweisungen der vorherigen Seite liefert System.out.println(intResult == floatresult) true Die Werte von intresult und floatresult sind also gleich Aber folgende Zuweisung lässt sich nicht compilieren: intresult = floatresult; Warum? Syntax-Regel bei Zuweisung sagt: Der Wert rechts muss vom Typ der Deklaration sein Der Compiler sagt: Error: possible loss of precision Was passiert wenn die Typen der Operanden ebenfalls verschieden sind?? number = int * float ;? number = 37 * 27f ;

18 18 Coercion (Java) Trotz des statischen Typsystems verbietet Java nicht alles: int ivalue = 37; long lvalue = ivalue; float fvalue = 37f; double dvalue = fvalue; long lvalue = 37L; double dvalue = lvalue; Der Compiler merkt selbständig, dass die zweite Zuweisung möglich ist, da der Wert der rechten Seite zu einem Typ auswertet, der Teilmenge des Typs der linken Seite ist Diese Umwandlung wird implizite Typanpassung bzw. Coercion genannt Typ (Wert) byte short char int long float Mögliche implizite Umwandlung (Variablentyp) short, int, long, float, double int, long, float, double int, long, float, double long, float, double float, double double

19 19 Cast (Java) Wie gesehen ist die Rückrichtung in Java (und allgemein meist) nicht erlaubt Ein Compiler will nicht freiwillig von float zu int umwandeln, denn: Die Umwandlung könnte mit einem Genauigkeitsverlust verbunden sein Was ist f im int-wertebereich? Man kann selbst die Verantwortung übernehmen und den Compiler zwingen ( DATENTYP ) WERT AUSDRUCK BEZEICHNER long lvalue = 37L; int ivalue = (int) lvalue; Diese Art der expliziten Umwandlung wird Cast genannt Auch durch einen Cast kann ein Wert seinen Datentyp nicht verlassen! Ein Cast ist nur anwendbar, wenn die beteiligen Typen kompatible sind! int ivalue = (boolean)true;

20 20 Cast/Coersion/Überladung Was ist hier nun die Lösung?? number = int * float ;? number = 37 * 27f ; Bei verschieden Typen wird immer der größeren Wertebereich angenommen 37 * 27f == 999f float Wird keine explizite Umwandlung durchgeführt, compiliert also nur float number = * 27.0f ; Möchte man int, muss ein Cast erfolgen int number = ( int ) ( 37 * 27.0f ) ; 37*27.0f muss geklammert sein, ansonsten würde der Cast nur 37 angewandt werden!

21 21 Scope Jede Variable hat einen Gültigkeitsbereich, genannt Scope Nur in diesem Bereich ist die Variable nutzbar Ein Scope definiert also die Lebensdauer einer Variablen Erweiterung der Syntaxregel für Deklaration in statisch typisierten Sprachen: Innerhalb eines Scopes kann es keine Deklaration zweier Variablen mit gleichen Namen geben Damit ergibt sich allgemein für statisch typisierte Sprachen Wenn eine Variable für Werte eines bestimmten Typs deklariert wurde, kann sie innerhalb ihres Scopes keinen Wert eines anderen Typs annehmen

22 22 Scope (Java) In Java bilden Codeblöcke Gültigkeitsbereiche PROLOG { SATZ; BLOCK } Zur Erinnerung: Codeblöcke können geschachtelt werden Die Scope einer Variablen ist der Codeblock in dem sie definiert wurde { int number = 27; SCOPE I { } int secondnumber = number * number ; float number = 37f; // Error! SCOPE II } float secondnumber = f; // Ok! number: Scope I inkludiert Scope II und demnach kann number in Scope II nicht überschrieben werden secondnumber: Scope II ist der Gültigkeitsbereich von secondnumber und dieser endet noch vor der Neudefinition von secondnumber als float

23 23 Variablen und jetzt? Wozu Variablen? In der Regel sind die Daten auf denen gearbeitet wird unbekannt Variablen dienen zur Abstraktion von eben diesen unbekannten Mit dem Typ einer Variablen werden allerdings bereits zur Compilezeit Annahmen über die Form der Daten getroffen Damit werden die möglichen Operationen auf den Daten festgelegt Was ist bis hierhin möglich: Variablen deklarieren und Werte zuweisen Berechnungen auf Basis der Java-Operatoren Ausgabe von Daten

24 24 Wichtig Für das Verständnis: Solange noch keine Möglichkeit bekannt ist beliebige Daten zu verarbeiten (bspw. durch Eingabe) stehen konstante Wertzuweisungen als Beispieldaten. int number = 27; Beispieldaten int square = number * number ; System.out.println(square); Programm Obiges ist natürlich relativ sinnfreier Code Das Quadrat muss nicht durch das Programm berechnet werden, wenn die Werte vorher klar sind! Aktuell werden aber noch hardkodierte Werte benötigt, um was zu sehen

25 25 Verzwickte Lage Bisher kennt ein Programm nur eine Richtung Wie würde man folgende Problemstellung programmieren: int number =? falls number gerade falls number ungerade System.out.println("gerade"); System.out.println("gerade"); Es gibt aktuell keine Möglichkeit den Programmverlauf zu verzweigen Ohne Verzweigung lässt sich obiges Problem allerdings nicht lösen Es wird ein Konstrukt benötigt, um den Verlauf von einer Bedingung abhängig zu machen

26 26 Bedinge Anweisung Die if-else-anweisung: int number =?; if ( BEDINGUNG ) { if (number % 2 == 0) { SATZ; BLOCK System.out.println("Gerade"); } else { SATZ; BLOCK } } else { } System.out.println("Ungerade"); BEDINGUNG == WERT VARIABLE AUSDRUCK boolean Syntax: Die Bedingung muss geklammert werden Der else-teil ist optional Beinhaltet der Code-Teil (if oder else) nur einen Satz so können auch die geschweiften Klammern weggelassen werden

27 27 Boolesche Operatoren Im Beispiel wird Vergleichsoperator (==) verwendet: true falls linker und rechter Operant übereinstimmen, ansonsten false Weiter wichtige boolesche Operatoren inkl. Wahrheitstabelle: & true false true false ^ true false! true true false true true true true false true true false false false false false true false false true false false true Und Oder Ausschließendes Oder(xor) Negation Für & bzw. bietet Java die Möglichkeit der Kurzschluss-Semantik an: Wenn der erste Operant für oder true bzw. für und false liefert, muss der zweite nicht mehr ausgewertet werden Kurzschluss-Semantik wird mit doppelten oder/und (&&/ ) notiert if (number % 2 == 0 && number > 100) In der Regel sind die Kurzschluss-Operatoren vorzuziehen

28 28 Aufgaben Was liefert ein Cast von float zu int? float floatnumber =?; int intnumber = (float) floatnumber; System.out.println(floatNumber); Schreiben Sie ein Programm, dass zu einer beliebigen Zahl number vom Typ float die größte ganze Zahl (int) kleiner gleich number ausgibt. float number =?; int intvalue; System.out.println(intValue); Schreiben Sie ein Programm das zwei beliebige Zahle dividiert, aber zuvor überprüft, dass der Divisor nicht gleich 0 ist und in diesem Fall "Division durch 0" ausgibt float dividet =?; float divisor =?;

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