Die Java - Collections API

Transkript

1 Die Java - API HAW - Hamburg 16. April 2011

2 Inhaltsüberblick 1 Intention Schlüsselworte Klassenübersicht von und Maps HashCode Binärbäume Interface: Comparable 2 Collection Map 3 List und Queues Sets Maps 4 Hilfsklasse 5 Iteratoren und Enumeratoren 6

3 Inhaltsüberblick 1 Intention Schlüsselworte Klassenübersicht von und Maps HashCode Binärbäume Interface: Comparable 2 Collection Map 3 List und Queues Sets Maps 4 Hilfsklasse 5 Iteratoren und Enumeratoren 6

4 Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Abschnitt Begriffe, Grundstruktur und Intention

5 Was ist die - API? Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Vorgefertigte Klassen zum effizienten Verwalten von Daten. Bequemer Zugriff über definierte Methoden. Generische Programmierung erlaubt breite Anwendbarkeit Für viele Zwecke ist bereits alles Werkzeug vorhanden.

6 Klassenübersicht Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum

7 Intention dieses Vortrages Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Gewinnen eines Überblicks Generelle Funktionsweise verstehen Grundlegende Methoden kennenlernen Nicht: Jede Methode besprechen. Was geht, was geht nicht? Schlüsselworte. Welche Klassengruppe passt zu welchem Konzept.

8 Klassenbaum von Collection Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum

9 Klassenbaum von Maps Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum

10 Schlüsselworte Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Tree Beschreibt, dass die betreffende Klasse Daten in einem Binärbaum speichert. Array Klassen mit diesem Schlüsselwort legen Referenzen in Arrays ab. Hash Zur Verwaltung der Daten wird HashCode eingesetzt. Linked Daten werden in einer verketteten Liste abgelegt. Priority Es ist eine Prioritätsverwaltung integriert. Blocking Funktioniert eine Aktion nicht, wird der zugehörige Thread gesperrt (Datenaustausch bei Multithreading).

11 Was ist HashCode? Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Das englische Wort Hash heißt etwa zerhacken, verstreuen. Es können aus größeren Datenmengen immer gleich große Werte errechnet werden, die nahezu eindeutig diese Datenmenge identifizieren. Das Verfahren wird genutzt, um bei größeren Datenbeständen, den Vergleich zu vereinfachen und zu beschleunigen. Statt der Daten selber wird der HashCode verglichen. Beispiel (Unix - Befehle): echo "HAW - Hamburg - WP Java Programmierung" sha1sum liefert e6d3edc031b b80a091c852cac456189c7.

12 Das Interface Comparable Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Enthält nur die auf die eigene Klasse anzupassende Methode int compareto(type objectname) Funktionsweise: Sollte immer dann implementiert werden, wenn Elemente verglichen werden müssen. Aufrufendes Element größer als das verglichene: Rückgabe positiv. Aufrufendes Element kleiner als verglichene: Rückgabe negativ. Sind beide Elemente gleich: Rückgabe Null.

13 Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Was versteht man unter binären Bäumen? Binärbäume bieten systematisches Sortieren während der Speicherung. Finden einzelner Elemente wird wesentlich beschleunigt. Regeln für Binärbäume Bestehen aus Knoten. Ein Knoten kann entweder ein Element enthalten oder leer sein. Knoten mit Element haben immer zwei Nachfolgeknoten (deshalb Binärbaum). Leere Knoten haben keine Nachfolger.

14 Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Wie sortiert man in Binärbäume ein? Es wird von oben nach unten vorgegangen. Neue Elemente werden schematisch mit vorhandenen verglichen. An einem gefüllten Knoten gilt: Neues Element größer als das des Knotens: Weiter auf rechtem Zweig Neues Element kleiner als das des Knotens: Weiter auf linkem Zweig Auf so erreichtem, leeren Knoten ablegen. Mit weiteren Elementen ebenso verfahren.

15 Wie liest man aus? Beteiligte Klassen Schlüsselworte HashCode Comparable Binärbaum Beispiel: InOrder - Auslesen Reihenfolge: Links - Wurzel - Rechts Wechselt man bei einer Wurzel die Seite (von linker auf rechte Seite), muss im neuen Ast wieder links unten begonnen werden. Beispiel JavaScript Applet zu binären Bäumen.

16 Das Interface Collection Das Interface Map Abschnitt Struktur, Eigenarten und Nutzungsmöglichkeiten

17 Das Interface Collection Das Interface Map Methoden der Schnittstelle Collection I

18 Das Interface Collection Das Interface Map Methoden der Schnittstelle Collection II addall( Collection <?> c ) : boolean Versucht die Collection c einzufügen. Rückgabe bei Erfolg True. contains( Object o ) : boolean Rückgabe True, falls der Container o enthält. containsall( Collection <?> c ) : boolean Rückgabe True, falls alle Elemente von c in der aufrufenden Collection gefunden. isempty( ) : boolean Rückgabe True falls keine Elemente enthalten sind. retainall( Collection <?> c ) : boolean Rückgabe True, wenn alle Elemente die nicht in c enthalten sind, entfernt werden konnten. size( ) : int Gibt die Anzahl der Elemente zurück.

19 Das Interface Collection Das Interface Map Methoden der Schnittstelle Collection III toarray( ) : Object[ ] Gibt ein Array mit allen Elementen vom Typ Object (sic!) zurück. toarray( T[] a ) : <T> T[] Gibt ebenfalls ein Array aller Elemente zurück. Allerdings wird versucht das als Parameter übergebene Feld zu nutzen. Ist dies zu klein, wird ein größeres des selben Typs erstellt und zurückgegeben. equals( Object o) : boolean Rückgabe True, wenn a) o das gleiche Element ist, wie jenes mit dem aufgerufen wird; b) o eine gleichende Collection ist; c) ggf. die Ordnung der Elemente innerhalb der Collection auch gleich ist. hashcode() : int Liefert den Hash - Wert des gesamten Containers. Achtung: Der Wert ist ungültig, wenn Veränderungen am Container vorgenommen werden.

20 Das Interface Collection Das Interface Map Methoden der Schnittstelle Collection IIII Optionale Methoden remove( Object o ) : boolean Rückgabe True, falls o entfernt werden konnte. removeall( Collection <? > c ) : boolean Rückgabe True, wenn alle Elemente von c entfernt werden konnten. add( Element e ) : boolean Rückgabe True, wenn e eingefügt werden kann. clear( ) Löscht alle Elemente.

21 Map: Unterschiede zu Collection Das Interface Collection Das Interface Map Deutsche Bezeichnung: Assoziativer Speicher. Es werden immer Datenpaare abgelegt (Schlüssel und Wert). Es können keine doppelten Schlüssel auftreten. Stammt nicht von Iterator ab (es gibt also keine Iteratoren für Maps). Elemente haben keine Position innerhalb der Map. Neue Datenpaare werden nicht mit add() hinzugefügt, sondern mit put (Schlüssel, Wert)

22 Methoden des Interface Map Das Interface Collection Das Interface Map Ähnlich den Methoden von Collection, aber immer Schlüssel - Wert Paare. Methoden um Wert bzw. Schlüssel gesondert zu finden.

23 Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Abschnitt Beispielhafte Nutzung konkreter Klassen

24 Ziel dieses Kapitels Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Dieser Abschnitt soll helfen, für einen bestimmten Zweck eine geeignete Klasse zu suchen, die sich instanziieren lässt. Es ist dabei als Leitfaden zu verstehen. Die letztendliche Entscheidung für eine bestimmte Geschmacksrichtung sollte z.b. anhand der Java - Hilfe erfolgen. Für die einzelnen Unterarten sind beispielhaft instanziierbare Klassen herausgegriffen. Es geht dabei eher um Stärken und Schwächen der einzelnen Arten, als um die Vorstellung aller Unterklassen.

25 ArrayList und LinkedList Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) ArrayList Nahe an den gewohnten Arrays aus Primitiven. Verfügen prinzipiell über einen Index. Reihenfolge kann erhalten bleiben. Doppelt verkettete Liste (LinkedList) Jedes Element ist mit seinem Vorgänger und seinem Nachfolger verknüpft. Elemente können beliebig eingestellt und entfernt werden. Suche nach einem Element langsam. Reihenfolge kann erhalten bleiben.

26 Queue und Deque Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Diese Klassen sind besonders beschränkte Listen. Queues Bei Queues gilt das FIFO Prinzip. Es können nur Daten in den Anfang eingestellt werden. Entnehmen kann man Daten nur am Ende des Queues. Die Reihenfolge kann nicht verändert werden. Methoden vorhanden, die Exceptions auslösen und solche, die das nicht tun. Deque (Double Ended Queue) Ähnlich den Queues. Es können Daten an Anfang und Ende gestellt werden. An Anfang und Ende kann man Daten entnehmen. Die Reihenfolge kann in einer Queue nicht verändert werden.

27 Zusammenfassung: Listen Anwendungsfall Geeignete Collection Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Grund Bekannte Messwerte Menge ArrayList voreingestellter Größe Reihenfolge + Schneller, linearer Zugriff Unbekannte Menge Messwerte LinkedList Reihenfolge + einfach vergrößerbar Kommunikation mit Thread Queue - Typen FIFO - Prinzip + spezielle Zugriffsmodifikatoren (BlockingQueues)

28 Zusammenfassung: Listen Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Gleichheit von Listen Zwei Listen l1 und l2 sind dann (equals -) gleich, wenn ihre Elemente und die Reihenfolge gleich sind. Also: LinkedList<String> l1 = new LinkedList<String>( Arrays.asList( "" ) ); ArrayList<String> l2 = new ArrayList<String>( Arrays.asList( "" ) ); System.out.println( l1.equals( l2 ) ); // true Beispiel Eclipse - Beispiele zu Lists...

29 TreeSet Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Sets sind Mengen im mathematischen Sinne. Gleichheit von Elementen Zwei Elemente e1 und e2 sind dann gleich, wenn die Methode e1.equals(e2) true liefert! Eine Menge kann nur ein Exemplar eines Elementes haben. Durch Nutzung des Binärbaums wird bei Einstellen der Elemente sortiert. Hinzufügen, Löschen, Suchen bestimmter Elemente geht (im Vergleich zu Listen) schneller (höchstens log(n) Schritte).

30 LinkedHashSet Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Beispiel Nutzt doppelt verkettete Listen und eine Hashwert - Tabelle. Einstellungs - Reihenfolge bleibt erhalten (wegen List - Bestandteilen). Vereint die Vorzüge von Hash (Geschwindigkeit) mit der Sortierung verketteter Listen. Typische Listenmethoden wie first() oder getindex(index) fehlen! Erhöhter Gebrauch von Speicher und Rechenzeit. Achtung: Beim Einstellen eines bereits vorhandenen Elementes ändert sich dessen Position nicht. Eclipse - Beispiel zu Sets..

31 TreeMap Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Es werden Schlüssel und Wert zusammen gespeichert. Sofortige Sortierung durch Binärbaum auf Grundlage des Schlüssels. Klasse implementiert NavigableMap und bietet damit recht viele Zugriffsmöglichkeiten.

32 Properties Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Die Klasse Properties ist besonders für Ini - Dateien geeignet. Beispiel Sowohl Schlüssel als auch Wert sind immer vom Typ String. Kann recht direkt in Dateien schreiben. Kann relativ direkt aus Dateien lesen. Geeignet, um Einstellungen eines Programmes zentral zu verwalten, dauerhaft zu speichern und wieder zu lesen. Eclipse - Beispiel zu Properties.

33 Zusammenfassung: Maps Intention Listen (List) und Queues Mengen (Set) Assoziativspeicher (Map) Anwendungsfall Geeignete Collection Grund Waren und deren Preise sortiert abspeichern TreeMap Sortierung z.b. nach Warennummer Ini - Dateien Properties Ausgabe in Text - Dateien, nur Strings

34 Welche gibt es? Wie nutzt man? Abschnitt (Utility - Classes) Nutzen, Gefahren und Zusammenhänge

35 Klassenübersicht von Welche gibt es? Wie nutzt man? Kennzeichen von Utility - Klassen Utility - Klassen können nicht instanziiert werden. Utility - Klassen sind nicht Bestandteil der betroffenen Klassen. Stellen Methoden bereit, die auf (oder Arrays) angewendet werden können. Manche Methoden greifen tief in die betroffenen Container ein.

36 Beispiele zur Nutzung - Welche gibt es? Wie nutzt man? sort(list list) Sortiert eine Liste nach natürlicher Ordnung (natural Order). swap(list list, int i, int j) Vertauscht Element i und j einer Liste. max(collection coll) : Object Gibt das, nach natürlicher Ordnung, größte Element einer Collection zurück. copy(list dest, List src) Kopiert alle Elemente von Liste src nach Liste dest. shuffle(list list) Erzeugt eine zufälle Reihenfolge der Elemente einer Liste.

37 Bestandteile eines Iterators Funktionsweise eines Iterators Einsatzgebiete von Iteratoren Abschnitt Iteratoren Zugehöriges Interface, Möglichkeiten und Einschränkungen

38 Prinzipbild eines Iterators Bestandteile eines Iterators Funktionsweise eines Iterators Einsatzgebiete von Iteratoren

39 Bestandteile von Iteratoren Bestandteile eines Iterators Funktionsweise eines Iterators Einsatzgebiete von Iteratoren Folgende Methoden werden implementiert: hasnext( ) : boolean Rückgabe True, wenn es ein Folgeelement gibt. next() : Object Gibt das nächste Element zurück. Falls es keines gibt (nicht per hasnext() geprüft), wird eine UnsupportedOperationException ausgelöst. remove() Entfernt das letzte Element, welches per next() geholt wurde. Wurde next() noch nicht aufgerufen, so wird eine IllegalStateException ausgelöst.

40 Wie funktionieren Iteratoren? Bestandteile eines Iterators Funktionsweise eines Iterators Einsatzgebiete von Iteratoren Man legt eine Referenz auf einen Iterator an und übergibt diesem das Objekt, welches durch den Aufruf der Container - Methode iterator() zurückgeliefert wird. Ein neuer Iterator steht immer vor dem ersten Element. Seine Methode next() gibt dann eine Referenz auf dieses erste Element zurück und rückt den Iterator vor das nächste Element. Mit hasnext() sollte vor Aufruf von next() geprüft werden, ob noch Elemente vorhanden sind.

41 Vor - und Nachteile von Iteratoren Bestandteile eines Iterators Funktionsweise eines Iterators Einsatzgebiete von Iteratoren + Durch die Iterator - for - Schleife ist das Durchlaufen aller Elemente einer Collection sehr einfach. + Kürzt immer gleiche Programmteile teilweise erheblich ab. + Vermeidet Fehler durch falsch gesetzte Iterationsgrenzen in for - Schleifen. - Iteratoren erlauben selber nur Zugriff auf das nächste Element und rücken dann vor. - Löschen per Iterator unbequem und gefährlich.. Beispiel Eclipse - Beispiel zu Iteratoren.

42 Abschnitt Hinweise und

43 Wichtige Punkte equals() Genau überlegen: Was genau soll wie verglichen werden? Solide Implementierung wichtig. compareto() Bei Allem, was sortiert werden soll wichtig. Auch hier: Am besten vorher Gedanken zur beabsichtigten Funktionsweise machen. Typisierte Referenz Für den Anfang am besten Referenzen immer vom gleichen Typ wie instanziierte Collection. Methoden die Elemente vom Typ Object liefern Vorsicht: Hier sollte man klar darauf achten, was man tut. Zugehörige Fehler dürften nämlich nur zur Laufzeit auftreten. T[] toarray(t[] a) statt Object[] toarray() Erstere Methode ist typensicher.

44 Quellen Java ist auch eine Insel von Christian Ullenboom Die Java Referenz von Oracle WW - Anwendungsentwicklung Die vorgestellten Applets

45 Ende Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Fragen?