Abstrakte Datentypen und Java

Transkript

1 Abstrakte Datentypen und Java ƒ hehueolfn ƒ 5HDOLVLHUXQJYRQ$'7 NRQNUHWH'DWHQW\SHQ %HLVSLHO5DWLRQDOH=DKO ƒ 3DUDPHWULVLHUWH'DWHQW\SHQ %HLVSLHO)HOG6RUWLHUWHV)HOG ƒ 6FKQLWWVWHOOHQNRQ]HSW ƒ :LFKWLJH'DWHQW\SHQLQ-DYD Algorithmen & Datenstrukturen 1 Motivation ƒ ADT in Programmiersprachen Konzept der Kapselung Verbergen der internen Repräsentation gleiche Verwendung trotz unterschiedlicher Implementierung ƒ Vorteile Stabilität gegenüber Änderungen Auswahl einer geeigneten Implementierungsvariante Algorithmen & Datenstrukturen 2 1

2 Umsetzung ƒ ADT in Java Typen Klassen, Schnittstellen Funktionen Methoden ƒ Klassen als konkrete Implementierung Sammlungen von Daten und Methoden, die auf Daten operieren beschreiben Eigenschaften von Objekten ƒ Schnittstellen Sammlung von Konstanten und abstrakten Methoden ohne Implementierung Algorithmen & Datenstrukturen 3 Vererbung ƒ Klasse erbt von Klasse: classa extends classb erben der Daten und Methodenimplementierungen ƒ Schnittstelle erbt von Schnittstelle: interfa extends interfa erben der Konstanten und Methodensignaturen ƒ Klasse implementiert Schnittstelle: classa implements interfa erben der Methodensignaturen + Bereitstellung einer Implementierung Algorithmen & Datenstrukturen 4 2

3 Beispiel: Rationale Zahlen in Java ƒ Implementierung des ATD als Klasse public class RatZahl { private int zaehler = 0; private int nenner = 1;... ƒ Konstruktoren public RatZahl () { public RatZahl (int z, int n) { zaehler = z; nenner = n; kuerzen (); ƒ Selektoren public int zaehler () { return this.zaehler; public int nenner () { return this.nenner; Algorithmen & Datenstrukturen 5 Beispiel: Rationale Zahlen ƒ Implementierung der Funktion add: RatZahl RatZahl RatZahl ƒ Varianten static RatZahl add (RatZahl z1, RatZahl z2) void add (RatZahl z) RatZahl add (RatZahl z) ƒ üblicherweise public RatZahl addiere (RatZahl n) { int nnenn = kgv (this.nenner, n.nenner()); int nzaeh1 = nnenn / this.nenner * zaehler; int nzaeh2 = nnenn / n.nenner() * n.zaehler(); return new RatZahl (nzaeh1 + nzaeh2, nnenn); Algorithmen & Datenstrukturen 6 3

4 Rationale Zahlen: Nutzung ƒ Erzeugen RatZahl r1 = new RatZahl (1, 3); RatZahl r2 = new RatZahl (3, 4); ƒ Rechnen RatZahl res = r1.add (r2); ƒ Ausgeben System.out.println ("Ergebnis = " + res); Algorithmen & Datenstrukturen 7 Parametrisierte Datentypen in Java ƒ Kollektionen Klassen zur Verwaltung einer Mehrzahl gleich strukturierter Objekte Ausprägungen: Felder, Listen, Stacks, Sets,... ƒ Beispiel: Realisierung als Feldtypen int feld[] ƒ Probleme: Nutzung mit verschiedenen Elementtypen: Feld von int- Werten, von Strings, von rationalen Zahlen... umständliche Handhabung: Anfügen, Einfügen an Position 0,... fehlende Semantik Algorithmen & Datenstrukturen 8 4

5 Realisierungsvarianten ƒ Programmiersprachen mit gemeinsamer Wurzelklasse Object: Elementtyp = Wurzelklasse universell verwendbar Problem: Typunsicherheit Beispiel: Java, Smalltalk ƒ Programmiersprachen ohne gemeinsame Wurzelklasse Schablonen oder Templates Instantiierung mit konkreten Elementtyp typsicher Generierung spezifischen Codes durch Compiler Beispiel: C++ Algorithmen & Datenstrukturen 9 Beispiel: Feld von Objekten ƒ Implementierung auf Basis des Java-Array-Typs public class ObjFeld { private Object daten[] = null; public ObjFeld () { public int laenge () { return (daten == null? 0 : daten.length); public Object element (int idx) { if (daten == null idx < 0 idx >= laenge ()) throw new ArrayIndexOutOfBoundsException (); else return daten[idx];... Algorithmen & Datenstrukturen 10 5

6 Beispiel: Feld von Objekten (2) ƒ Einfügen von Elementen public void einfuegen (int pos, Object o) { int i, num = laenge (); if (pos == -1) pos = num; Object ndaten[] = new Object[num + 1]; for (i = 0; i < pos; i++) ndaten[i] = daten[i]; ndaten[i++] = o; for (; i < num + 1; i++) ndaten[i] = daten[i - 1]; daten = ndaten; Algorithmen & Datenstrukturen 11 Feld von rationalen Zahlen ƒ Einfügen von Objekten der Klasse RatZahl ObjFeld feld = new ObjFeld (); feld.einfuegen (-1, new RatZahl (1, 3)); feld.einfuegen (-1, new RatZahl (2, 3)); ƒ Zugriff auf Elemente erfordert explizite Typkonvertierung (type cast) RatZahl rz = (RatZahl) feld.element (0); ƒ Test auf Zugehörigkeit zu einer Klasse Object o = feld.element (0); if (o instanceof RatZahl) { RatZahl rz = (RatZahl) o;... Algorithmen & Datenstrukturen 12 6

7 Erweiterung: Sortiertes Feld ƒ SortFeld: Erweiterung von ObjFeld um Sortierung Zugriff über Index in geordneter Reihenfolge (0: kleinstes Element, laenge-1: größtes Element) ƒ Sicherstellung der Reihenfolge Einfügen eines neuen Elementes an der richtigen Position Anhängen des Elementes und anschließendes Sortieren Algorithmen & Datenstrukturen 13 Problem: Vergleichbare Objekte ƒ notwendig: Ordnung über Elementtypen Vergleichsoperator < ƒ Problem: nicht definiert für java.lang.object ƒ Realisierungsmöglichkeiten: neue Basisklasse ComparableObject mit definiertem Vergleichsoperator y Problem: fehlende Mehrfachvererbung in Java Verwendung von Schnittstellen Algorithmen & Datenstrukturen 14 7

8 Schnittstellenkonzept ƒ Schnittstelle (interface) interface Speicherbar { void speichern (OutputStream out); void laden (InputStream in); Sammlung abstrakter Methoden keine Methodenimplementierung werden von Klassen bereitgestellt keine Instantiierung möglich aber: Objektreferenzen können vom Typ einer Schnittstelle sein Algorithmen & Datenstrukturen 15 Sortierung rationaler Zahlen ƒ java.lang.comparable: vordefinierte Schnittstelle für vergleichbare Objekte interface Comparable { int compareto (Object o); ƒ liefert -1 für kleiner, 0 für gleich, 1 für größer ƒ u.a. implementiert von String,... Algorithmen & Datenstrukturen 16 8

9 Vergleich rationaler Zahlen ƒ Klasse RatZahl implementiert Schnittstelle java.lang.comparable public class RatZahl implements Comparable {... public int compareto (Object o) { RatZahl z = (RatZahl) o; double r1 = rational (), r2 = z.rational (); if (r1 < r2) return -1; else if (r1 > r2) return 1; else return 0; Algorithmen & Datenstrukturen 17 Implementierung von SortFeld ƒ interne Repräsentation Comparable daten[] ƒ Verwaltung vergleichbarer Objekte: Feld mit Referenzen auf Objekte, die Schnittstelle Comparable implementieren Zugriff auf Vergleichsoperator compareto Algorithmen & Datenstrukturen 18 9

10 Implementierung von SortFeld ƒ Einfügeoperation public void einfuegen (Comparable o) { int i = 0, num = laenge (); Comparable ndaten[] = new Comparable[num + 1]; while (i < num && daten[i].compareto(o) < 0) { ndaten[i] = daten[i]; i++; ndaten[i++] = o; while (i < num + 1) { ndaten[i] = daten[i - 1]; i++; daten = ndaten; Algorithmen & Datenstrukturen 19 Navigation über Kollektionen ƒ Navigation = Durchwandern einer Kollektion ƒ abhängig von der Implementierung Beispiel: Feld for (int i = 0; i < feld.laenge (); i++) Object o = feld.element (i); für verkettete Listen: anderes Verfahren notwendig ƒ Iterator: Objekt zum Iterieren über Kollektionen unabhängig von interner Realisierung einheitliche Behandlung Algorithmen & Datenstrukturen 20 10

11 Iterator-Konzept Iterator Iterator Feld Iterator Liste Algorithmen & Datenstrukturen 21 Iterator-Konzept ƒ Iterator-Schnittstelle java.util.iterator Ende der Kollektion erreicht? boolean hasnext () aktuelles Element liefern und internen Zeiger weitersetzen Object next () aktuelle Element löschen void remove () ƒ Beispiel: Iterator i = feld.iterator (); while (i.hasnext ()) Object o = i.next (); Algorithmen & Datenstrukturen 22 11

12 Iterator für Felder ƒ Definition einer speziellen Klasse FeldIterator class FeldIterator implements java.util.iterator { Feld feld; int pos = 0; FeldIterator (Feld f) { feld = f; public boolean hasnext () { return pos < feld.laenge (); public Object next () { if (! hasnext ()) throw new java.util.nosuchelementexception (); return feld.element(pos++); Algorithmen & Datenstrukturen 23 Iterator für Felder ƒ Erzeugung eines Iterators public class Feld {... Iterator iterator () { return new FeldIterator (this); Algorithmen & Datenstrukturen 24 12

13 Weitere wichtige Schnittstellen ƒ java.lang.serializable Speicherung und Wiederherstellen von Objekten inkl. ihres Zustandes und ihrer Beziehungen Verwendung mit Objekt-Streams keine zusätzlichen Methoden notwendig ƒ java.lang.clonable Kopieren von Objekten: Erzeugung einer neuen Instanz mit gleichen Eigenschaften Methode: Object clone () ƒ java.awt.event.actionlistener EventListener für AWT und Swing Verarbeitung von Ereignissen (z.b. Betätigen eines Buttons) Algorithmen & Datenstrukturen 25 Java-Kollektionen ƒ Java Collection Framework Bereitstellung wichtiger Kollektionen (Listen, Mengen, Verzeichnisse) mit unterschiedlicher Implementierung Navigation mittels Iteratoren Implementierung häufig benutzter Algorithmen (Suchen, Sortieren, kleines/größtes Element,...) Basis java.util.collection y Schnittstelle für alle Kollektionsklassen Algorithmen & Datenstrukturen 26 13

14 Schnittstelle java.util.collection ƒ Größe der Kollektion int size () boolean isempty () ƒ Suchen von Elementen boolean contains (Object o) boolean containsall (Collection c) ƒ Navigation Iterator iterator () ƒ Hinzufügen/Entfernen boolean add (Object o) boolean remove (Object o) boolean addall (Collection c) boolean removeall (Collection c) Algorithmen & Datenstrukturen 27 Ausgewählte Kollektionen ƒ java.util.list Repräsentation von Listen (geordnet nach Einfügereihenfolge, Duplikate zulässig) ƒ java.util.set Repräsentation von Mengen (ungeordnet/geordnet, ohne Duplikate) ƒ java.util.map Verzeichnis (Dictionary) von Objekten (Schlüssel- Wert-Paare) für schnellen Zugriff über Schlüssel Algorithmen & Datenstrukturen 28 14

15 Listen mit java.util.list ƒ java.util.list: Schnittstelle für Listen ƒ Zugriff über Position Object get (int idx) Object set (int idx, Object o) void add (int idx, Object o) Object remove (int idx) ƒ Bestimmen der Position eines Objektes int indexof (Object o) ƒ konkrete Implementierungen verkettete Liste: LinkedList Feld: ArrayList Algorithmen & Datenstrukturen 29 Struktur des Collection Framework AbstractCollection Collection AbstractList AbstractSet List Set ArrayList HashSet SortedSet AbstractSequentialList TreeSet LinkedList Klasse Schnittstelle extends implements Algorithmen & Datenstrukturen 30 15

16 Algorithmen für Kollektionen ƒ Klasse java.util.collections Sortieren von Listen static void sort (List list) Suchen in Listen static void binarysearch (List list, Object key) Umkehren static void reverse (List list) zufällige Ordnung static void shuffle (List list) kleinstes/größtes Element static Object min (Collection col) static Object max (Collection col) Algorithmen & Datenstrukturen 31 Anwendungsbeispiel // Liste erzeugen und Objekte einfügen LinkedList list = new LinkedList (); list.add (new RatZahl (1, 3)); list.add (new RatZahl (1, 4)) list.add (new RatZahl (1, 5)); // Sortieren Collections.sort (list); // Ausgeben Iterator i = list.iterator (); while (i.hasnext ()) System.out.println (i.next ()); Algorithmen & Datenstrukturen 32 16