Programmieren in Java

Transkript

1 Ein Projekt

2 2 Wiederholung: new-operator Werte nicht-primitiver Datentypen müssen mit new erzeugt werden Es gibt keine Möglichkeit primitive Daten mit new zu erzeugen Beispiele int[] myarray = new int[] {0, 1, 1, 2, 3, 5, 8}; String mystring = new String("HELLO WORLD"); Achtung: Arrays und Strings können in Java ohne explizites new erzeugt werden Im Falle von String ist dies sogar vorzuziehen Die Semantik des new-operators: Reserviere Speicherplatz für einen Wert des angegebenen Datentyps

3 3 Wiederholung: Heap Alle mit new-erzeugten Daten landen auf dem Heap-Speicher Dieser ist nicht wie der Stack sequentiell aufgebaut Jede beliebige Speicherzelle kann gelesen werden Jede beliebige freie Speicherzelle kann beschrieben werden Daten, die auf dem Heap abgelegt werden, leben losgelöst von Scopes Speicher auf dem Heap wird zur Laufzeit reserviert Reservierter Speicher bleibt solange belegt bis: er wieder freigegeben wird das Programm beendet wird Natürlich ist auch der Heap-Speicher begrenzt Exception in thread "main" java.lang.outofmemoryerror

4 4 Wiederholung: Heap-Beispiel Der Heap-Speicher war nötig, da sich folgendes Beispiel mit dem Stack nicht realisieren ließe: static int[] createdynamicarray(int size) { int realsize = size * 2; return new int [realsize]; } Die Größe des hier erzeugten Arrays ist dynamisch Pro Eintrag in einem int-array: 32 Bit Es gibt n-einträge n-speicherzellen Eine zusätzlicher Zelle für die Länge des Arrays Die Größe wird während der Ausführung der Methode festgelegt Es gibt keine Möglichkeit vor der Ausführung festzustellen, wie viel Speicher die Array-Rückgabe benötigt Letzteres ist aber Voraussetzung für den Stack

5 (5 * 2) * 32 Bit = 10 Speicherzellen + 1 Zelle (Länge) Programmieren in Java 5 Speicherkunde: Heap-Beispiel static int[] createdynamicarray(int size) { int realsize = size * 2; return new int [realsize]; } int [] myarray = createdynamicarray(5); Stack Heap return new 5 realsize frei besetzt 5 call createdynamicarray myarray

6 6 Wiederholung: Pointer Im vorherigen Beispiel, wird der Variablen myarray die Rückgabe des Aufrufes von createdynamicarray zugewiesen Dieser Wert liegt wie gesehen auf dem Heap Jede Speicherzelle hat eine eindeutige Referenz Auf einem 32-Bit System gibt es max adressierbare Zellen Die Speicherzelle auf dem Heap, an welcher der Array beginnt, wird als Referenz des Arrays bezeichnet Der Wert der Variablen ist nicht der konkrete Array sondern seine Referenz Variablen, die eine Referenz kapseln werden als Pointer/Zeiger bezeichnet Per. wird auf Werte hinter einem Pointer zugegriffen (Dereferenzierung) Beispiele: array.length System.out.println( ); Achtung: Der Umgang mit Referenzen ist in Java immer implizit, es gibt allerdings auch Sprachen in denen explizit mit Referenzen gearbeitet werden kann (Pointer sind also von Referenzen zu unterscheiden)

7 7 Der null-pointer Pointer-Variablen, denen keine Referenz zugewiesen ist, haben den speziellen Wert null (Schlüsselwort) Der Wert kann explizit zugwiesen werden String somestring = null; Wird versucht diese Variable zu Dereferenzieren so kommt es zum Fehler: Exception in thread "main" java.lang.nullpointerexception Insbesondere werden nicht primitive Arrays mit null-werte initialisiert: String[] somearray = new String[2]; System.out.println(someArray[0]); null

8 8 Wiederholung: Call-By-Semantik Bei einem Methodenaufruf wird ein Speicher-Frame auf dem Stack erzeugt Alle Parameterwerte werden an diesen Frame übergeben: Primitive Parameter: Der Aufrufwert wird kopiert und der entsprechenden Methodenvariablen zugewiesen Änderungen haben außerhalb der Methode habe keine Auswirkung Call-By-Value Pointer-Parameter: Die Referenz hinter dem Aufruf-Pointer wird kopiert und der entsprechenden Methodenvariable zugewiesen Dereferenzierung führt zum gleichen Speicherbereich! Änderungen an referenzierten Daten bleiben bestehen! Call-By-Reference

9 9 Wiederholung: Garbage Collection In vielen älteren Programmiersprachen war es Aufgabe des static int[] createdynamicarray(int size) { int realsize = size * 2; return new int [realsize]; } int [] myarray = createdynamicarray(5); myarray = new int [2]; Garbage-Collector frei besetzt

10 10 Wiederholung: Garbage Collection In vielen älteren Programmiersprachen war es Aufgabe des Programmierers, den Heap-Speicher zu verwalten Jedes mit new erzeugte Datum muss durch einen entsprechenden inversen Befehl (destroy, release, o.ä) wieder zerstört werden In Java gibt keinen Befehl zum Freigaben von Speicher Das JRE überprüft zyklisch und eigenständig den Heap auf Daten, die nicht mehr benötigt werden Wird ein solcher Datensatz gefunden, wird er entfernt Dieses Verfahren wird als Garbage Collection bezeichnet

11 11 Strings String ist in Java ein zusammengesetzter Datentyp Variablen vom Typ String sind demnach Pointer D.h. String-Werte müssen per new erzeugt werden: String Bezeichner = new String ( " STRING " ) ; String mystring = new String("Hello World"); Analog zu Arrays gibt es eine new-lose implizite Erzeugung: String Bezeichner = " STRING " ; String mystring = "Hello World"; String ist in Java der einzige nicht numerische und nicht primitive Datentyp für den der Operator + definiert ist: String hello = "Hello"; String world = "World"; System.out.println(hello + " " + world); Hello World Sobald ein Operand von Typ String ist, werden alle automatisch umgewandelt

12 12 String-Vergleich Zwei Strings vergleichen (equals) String string1 = "Hello World"; String string2 = "hello world"; System.out.println(string1.equals(string2)); false Warum equals und nicht den bekannten ==-Operator? Der ==-Operator vergleicht die Referenz, auf die der Pointer zeigt und nicht den Wert, der an der referenzierten Speicherstelle liegt! String string1, string2 = string1 = new String("Hello World"); String string3, string4 = string3 = "Hello World"; System.out.println(string1.equals(string2)); System.out.println(string3 == string4); System.out.println(string3.equals(string4)); System.out.println(string1 == string2); true true true false Mit new erzeugt, wird auf jeden Fall neuer Speicherplatz angefordert Implizit erzeugt, wird nur Speicherplatz angefordert, wenn der String zuvor noch nie in genau gleicher Schreibweise benutzt wurde Die implizite Variante ist in jedem Fall vorzuziehen!

13 13 Aufgabe Legen Sie sich mit Netbeans ein neues Projekt namens Vorlesung_5 an Fügen Sie dem Projekt ein Klasse mit Namen Vorlesung_5 an Implementieren Sie die folgende Methodensignatur static int parseint(string string) Die Methode soll zu einem numerischen String den int-wert zurückliefern parseint("1000") => 1000 parseint("-11225") => Enthält der String nicht ausschließlich Zahlen (mit Ausnahme eines Zeichen als ersten Buchstaben) so soll ERROR: _ZAHL_ ist keine Zahl ausgegeben werden (_ZAHL_ steht für den übergebenen String) und -1 zurückgeliefert werden parseint("hello World") ERROR: Hello World ist keine Zahl => -1 Nutzen Sie die Code-Completion um geeignete String-Methoden zu finden

14 14 Projekt: Heap Ziel ist eine interaktive Anwendung, die auf der Konsole Eingaben entgegen nimmt und diese als Operationen auf einem künstlichen Heap interpretiert Die Umsetzung soll in zwei Teilprojekten erfolgen

15 15 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik Ansatz: Jede Zelle eines Heaps ist eindeutig über eine Referenz zugreifbar Jedes Element in einem Array ist eindeutig über einen Index zugreifbar Ein Array dient als Basis für den künstlichen Heap Als Basistyp für den Array soll String benutzt werden. Folgende Hilfsmethoden sollten implementiert werden: Setzt jedes Element im Array, dass nicht == null ist auf defvalue static String[] initarray(string defvalue, String[] array); Ausgabe eines Arrays der Form: [ELEM_1, ELEM_2, ELEM_N] static void printlnarray(string[] array);

16 16 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik (II) Kopieren eines Teilbereiches eines Arrays in einen anderen static String[] copyarray(string[] array, int from, int length) String[] testarray = {"eins", "zwei", "drei", "vier", "fünf"}; printlnarray(copyarray(testarray, 2, 3)); [drei, vier, fünf] Einfügen aller Elemente eines Arrays in einen anderen an einer bestimmten Stelle static String[] insertintoarray(string[] source, String[] target, int from) String[] test_1 = {"eins", "zwei", "drei }; String[] test_2 = {null, null, null, "vier", "fünf"}; printlnarray(insertintoarray(testarray, testarray, 0)); [eins, zwei, drei, vier, fünf]

17 17 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik (III) Erweitern eines Arrays durch Neuerzeugung und Kopieren static String[] extendarray(string[] source, int newsize) String[] testarray = {"eins", "zwei", "drei }; printlnarray(extendarray(testarray, 10)); [eins, zwei, drei, null, null, null, null, null, null, null] Entfernen des ersten Array-Elementes durch Neuerzeugung static String[] shiftarray(string[] source) String[] testarray = {"eins", "zwei", "drei }; printlnarray(shiftarray(testarray, testarray, 0)); [zwei, drei]

18 18 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik (IV) Die Heap-Logik Jede Zelle kann als Werte einen String enthalten Eine Zelle gilt als leer wenn sie den leeren String "" enthält Jeder andere Wert bedeutet besetzt Folgende Typen sollen unterstützt werden: String int Array (int, String) Der Typ eines Wertes soll mit in die Zelle gespeichert werden STRING: the real string INT: 1000

19 19 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik (V) Arrays werden gespeichert, in dem an erste Stelle im Heap, der Array- Signalwort + die Größe des Arrays gespeichert werden In den nachfolgenden Zellen (je nach Größe) dann die Werte 0: STRING: the real string 1: INT: : ARRAY: 3 3: EINS 4: ZWEI 5: DREI Die Heap-Operationen: Ausgeben eines Wertes an einer bestimmten Stelle static void read(int reference, String[] heap) Steht an der Stelle reference ein Array, so sollen alle Array-Werte ausgegeben werden Steht an der Stelle kein Eintrag mit Typ, so soll Bad Access ausgegeben werden (im Beispiel oben Zell 3 5)

20 20 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik (VI) Reservieren von Speicher static void alloc(string[] values, String[] heap) Bevor Speicher reserviert wird kann, muss im Heap eine Stelle gefunden werden, nach der genügend Zellen zum Speichern von values vorhanden sind Enthält der Heap nicht genügend Platz soll Out of memory ausgeben werden Enthält der values-array nur ein Element so soll eine Zelle reserviert werden Enthält der values-array mehr als ein Element so sollen n + 1 (Größe + Werte) Zellen reserviert werden Reservieren heißt: Typ + Wert, evtl. + Array-Werte in den Heap- Array eintragen

21 21 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik (VII) Freigeben von Speicher static void free(int reference, String[] heap) Steht an der Stelle reference kein Eintrag oder kein Eintrag mit Typ, so soll Bad Access ausgegeben werden Steht an der Stelle reference ein String oder int, so soll diese Stelle mit dem leeren String überschrieben werden Steht an der Stelle reference ein Array, so soll diese Stelle und alle zum Array gehörenden nachfolgenden freigegeben werden Ausgabe des Heaps static void show(string[] heap) Zu jedem Eintrag im Array soll auch sein Index ausgeben werden

22 22 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik (VIII) Testen Sie Ihre Heap-Logik String[] heap = initarray("", new String[30]); alloc(new String[]{"1000"}, heap); alloc(new String[]{"Hello World"}, heap); alloc(new String[]{"eins", "zwei", "drei"}, heap); alloc(new String[]{"10 x 10"}, heap); show(heap); read(0, heap); read(2, heap); read(10, heap); free(2, heap); show(heap); read(2, heap); alloc(new String[]{"1", "2"}, heap); show(heap);

23 23 Teilprojekt 1: Umsetzung der Heap-Logik (VIII)

24 24 Teilprojekt 2: Interaktion auf der Konsole Nächste Woche