Textauszüge. Java Programmierung Praxisbuch 1. Roland Willms 2

Transkript

1 Textauszüge aus dem Java Programmierung Praxisbuch 1 von Roland Willms 2 1 erschienen im Franzis Verlag; weitere Informationen zu ISBN, Seitenumfang und Preis finden Sie auf der Homepage 2 Homepage: -adresse: webmaster@roland-willms.de

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3 Bevor es losgeht... Java zählt zu den Programmiersprachen, die von der Industrie am erfolgreichsten eingeführt wurden. Wegen der weltweiten Akzeptanz und Attraktivität des World Wide Web mussten sich Entwickler von interaktiven Dienstleistungen innerhalb weniger Jahre mit dieser Sprache beschäftigen. Zu solchen Diensten gehören neben den großen Systemen wie Online-Banking und Einkaufskörbe auch die kleinen Tools wie Gästebücher und Seitenzähler, die mittlerweile auch bei privaten Homepages sehr beliebt sind. Der JLauncher als visuelle Entwicklungsumgebung Der übliche Zyklus Editieren Kompilieren Ausführen führt bei der Entwicklung von Programmen mit den Tools der Betriebssysteme zu unbeliebten Verzögerungen.

4 II VORWORT Der JLauncher ist eine integrierte Entwicklungsumgebung, die vollständig in Java geschrieben ist. Spezielle Arbeitsblätter, die unter den weltweit verbreiteten Betriebssystemen Windows, Linux, Mac OS und Solaris mit gleichen Ergebnissen ablaufen, erleichtern die Einarbeitung in die objektorientierte Programmierung. Einsteiger in Java können sich zunächst auf den Umgang mit Objekten konzentrieren, bevor sie zur Entwicklung eigener Baupläne für Objekte übergehen. Profis sind in der Lage, schnell mal ein paar Java-Anweisungen auf Knopfdruck auszuführen, ohne ein eigenständiges Programm zum Testen einer bestimmten Funktion des Java API schreiben zu müssen. Sie finden den JLauncher und zahlreiche Beispiele für Arbeitsblätter, die im Laufe dieses Buchs besprochen werden, neben weiteren Tools auf der beiliegenden CD-ROM. Hinweise für Schnelleinsteiger Anhang A beschreibt die Installation des Java 2 SDK (Software Development Kit) von der Firma Sun. Wenn es auf Ihrem Betriebssystem bereits eine Java 2 Plattform gibt, müssen Sie nur noch den JLauncher einrichten, was in Anhang B im Detail beschrieben wird. Die Programme in diesem Buch sind dann in Sekundenschnelle startbereit. Neben kleineren Programmbausteinen befinden sich am Ende vieler Kapitel auch komplett gelöste Projekte. Daher sammeln Sie wertvolle Erfahrungen, die Ihnen bei der Umsetzung umfangreicher Problemstellungen helfen. Die UML (Unified Modeling Language) hat mittlerweile ihren Siegeszug beim Visualisieren und Modellieren von objektorientierten Programmen angetreten. Die wesentlichen Merkmale, die in diesem Buch gebraucht werden, sind in Anhang C zusammengestellt. Damit Sie den Überblick über allgemeine Informationen und konkrete Lösungen behalten, werden alle Beispiele durch das hervorgehobene Etikett Beispiele: eingeleitet und durch ein schwarzes Kästchen beendet. Mögliche Fehlerquellen Die vielen -zuschriften haben es ermöglicht, die eventuell auftretenden Probleme in drei Kategorien einzuteilen. Der Ordner mit den ausführbaren Programmen des Java 2 SDK muss korrekt eingerichtet sein. Denken Sie daran, den Ordner C:\Programme\jdk1.3 auf die linke Seite des Werts der Variablen Path für den Suchpfad zu schreiben (siehe Anhang A). Wenn ein NoClassDefFoundError auftritt oder eine Klasse unbekannt ist, obwohl sie von der CD-ROM kopiert wurde, muss die Variable CLASSPATH angepasst werden. Dies geschieht, indem der gegenwärtige Ordner durch einen Punkt hinzugefügt wird (siehe Anhang A).

5 VORWORT III Bitte beachten Sie, dass Dateien unter Windows das Attribut Schreibgeschützt erhalten, wenn sie von der CD-ROM auf die Festplatte kopiert werden. Entfernen Sie diesen Schreibschutz, um alten Bytecode nach einer erneuten Kompilierung überschreiben und Arbeitsblätter nach Änderungen speichern zu können.... Die Homepage zu diesem Buch Ich hoffe, dass Ihnen das Buch und der JLauncher viel Spaß bereiten werden. Sollten Sie Fehler entdecken oder Fragen zu einigen Themen haben, scheuen Sie sich nicht, mir eine über die Adresse zukommen zu lassen. Für Ihre Kommentare, die herzlich willkommen sind, steht ein Gästebuch im Internet unter zur Verfügung. Klicken Sie hierzu auf die Schaltfläche Gästebuch im Navigationsmenü. Antworten auf häufig gestellte Fragen und Updates zur Software finden Sie ebenfalls auf dieser Homepage, wenn Sie die Menüpunkte FAQ und JLauncher auswählen. Ihr Roland Willms

6 IV VORWORT

7 Inhaltsverzeichnis 1 Grafische Programmierung Objekte und ihre Eigenschaften Was sind Objekte? Eigenschaften in Klassen aufschreiben Den Zustand von Objekten durch Felder beschreiben Werte und Operatoren Primitive Werte Die primitiven Typen kennenlernen Die Wertebereiche der primitiven Typen beachten Flusskontrolle Auswahlanweisungen Geschweifte Klammern fallenlassen A Installation des Java 2 SDK 13

8 VI INHALTSVERZEICHNIS

9 Abbildungsverzeichnis 1.1 Ein niedlicher Teddy UML-Diagramm für eine Katze Der Zustand einer Katze Eine unerwünschte Anweisung wird ausgeführt

10 VIII ABBILDUNGSVERZEICHNIS

11 Tabellenverzeichnis 2.1 Die primitiven Typen Wertebereiche für Ganzzahlen Wertebereiche für positive Fließkommazahlen

12 X TABELLENVERZEICHNIS

13 Kapitel 1 Grafische Programmierung In den Anhängen A und B haben Sie das Java 2 SDK und den JLauncher installiert. Einige kurze Tests dienten zur Überprüfung, ob diese Software funktionsfähig ist. Zum Beispiel erschien die Begrüßung Herzlich Willkommen! auf der grafischen Oberfläche eines Applets. Neben der Ausgabe von Texten gibt es noch eine Fülle von weiteren grafischen Möglichkeiten. Zum Beispiel können wir Rechtecke oder Kreise zeichnen und mit verschiedenen Farben füllen. Ein paar einfache geometrische Figuren genügen bereits, um einen Teddy zu malen. Abbildung 1.1: Ein niedlicher Teddy Bevor wir uns die grafischen Hilfsmittel im Detail ansehen, machen wir einen kurzen Ausflug in die objektorientierte Programmierung. Am Beispiel des Kampfes zwischen

14 2 KAPITEL 1: GRAFISCHE PROGRAMMIERUNG einem Hund und einer Katze erläutern wir die grundlegenden Ideen, die sich hinter der objektorientierten Programmierung verbergen. In diesem Kapitel besprechen wir: was Objekte sind und wie wir mit ihren Eigenschaften, den Feldern und Methoden, umgehen; wie wir Objekte mit Hilfe von Konstruktoren erschaffen; die Bedeutung von Klassen und die Zusammenfassung von Klassen in Paketen; den Umgang mit Farben und Farbwählern; wie wir die Größe und die Hintergrundfarbe eines Applets ändern; was sich hinter der Vererbung verbirgt und wie wir vererbte Eigenschaften an Hand von Stammbäumen erkennen; das Zeichnen von einfachen geometrischen Figuren; die Bereitstellung von Variablen und die Zuweisung von Werten; welche Variationsmöglichkeiten es für die Auswahl von Schriften gibt. 1.1 Objekte und ihre Eigenschaften Java ist eine vollständig objektorientierte Sprache. Was Objekte sind, womit Objekte erschaffen werden und welche Eigenschaften sie haben, besprechen wir im Folgenden Was sind Objekte? Ein Lexikon dient zur Erläuterung von Begriffen. Unter dem Stichwort Katze steht zum Beispiel folgendes: Katzen sind Raubtiere mit starken Reißzähnen und scharfen Krallen, die zum Einfangen von Mäusen dienen. Wegen des Triebs zum Wildern wagen sie sich auch an Vögel heran. Hunde sind bei ihnen nicht so beliebt. Bei Gefahr können sie mit ihren sanften Tatzen gewandt auf Bäume klettern. Im ausgewachsenen Alter haben sie eine Länge von.... Nun haben wir bereits eine klare Vorstellung von einer Katze und können drei wichtige Fragen problemlos beantworten. Was ist eine Katze? (Ein Raubtier) Was hat eine Katze? (Starke Reißzähne, scharfe Krallen, sanfte Tatzen, ein Alter und eine Länge)

15 1.1: OBJEKTE UND IHRE EIGENSCHAFTEN 3 Was macht eine Katze? (Mäuse einfangen, sich an Vögel heranwagen, mit Hunden kämpfen, auf Bäume klettern) Objekte sind dadurch gekennzeichnet, dass diese drei Fragen beantwortet werden können Eigenschaften in Klassen aufschreiben Um dem Computer zu erklären, was eine Katze ist, schreiben wir die Erläuterung im Lexikon in seiner Sprache auf. Dazu ist eine Programmiersprache nötig. In diesem Buch wurde Java als Programmiersprache gewählt. In Java stehen die Antworten auf die drei Fragen in einer Klasse. Eine Klasse ist also nichts anderes als eine allgemeine Beschreibung von Objekten mit bestimmten Eigenschaften, die häufig auch als Bauplan für Objekte bezeichnet wird. In Texten geht der Überblick über Details schnell verloren. Daher stellen wir die Antworten auf die drei Fragen zunächst in einem Diagramm dar. Noch vor wenigen Jahren wurden diese Diagramme von den Programmierern nach eigenen Wünschen und Vorstellungen gestaltet. Mittlerweile hat sich ein weltweiter Standard entwickelt, sodass wir im gesamten Buch die UML (Unified Modeling Language) verwenden. Abbildung 1.2: UML-Diagramm für eine Katze Ein UML-Diagramm für eine Klasse besteht aus drei Zellen. Die obere Zelle zeigt den Klassennamen in fetter Schrift. In der mittleren Zelle stehen die Antworten auf die Frage Was hat die Katze?. In der unteren Zelle befinden sich die Antworten auf die Frage Was macht die Katze?.

16 4 KAPITEL 1: GRAFISCHE PROGRAMMIERUNG Um die Antwort auf die Frage Was ist eine Katze darzustellen, wird ein durchgezogener Pfeil mit einem ungefüllten Dreieck als Spitze gezeichnet. An diesen Pfeil können wir in Gedanken ist ein schreiben. Eine Katze ist also ein Raubtier. Als verkürzte Darstellung für die Klasse des Raubtiers dient eine einzige Zelle. Der Name ist kursiv gedruckt, weil ein Raubtier etwas abstraktes ist. Die weiteren Details im obigen UML-Diagramm besprechen wir in Kürze Den Zustand von Objekten durch Felder beschreiben Zum Zustand einer Katze gehören zunächst reine Äußerlichkeiten, zum Beispiel die Anzahl der Tatzen. Abbildung 1.3: Der Zustand einer Katze Es gibt aber auch Dinge, die wir nicht so einfach von außen sehen können, zum Beispiel das Alter. Es kann zwar geschätzt werden, aber nur die Katze selbst weiß, wie alt sie ist. In UML-Diagrammen unterscheiden wir öffentliche und private Eigenschaften. Vor zähne, krallen, tatzen und länge steht ein Plus-Zeichen, weil diese Eigenschaften zu den öffentlichen Teilen des Zustands gehören. Vor die Eigenschaft alter kommt ein Minus-Zeichen, weil es sich um einen privaten Teil des Zustands handelt....

17 Kapitel 2 Werte und Operatoren Programme führen ihre Aktionen aus, indem sie Werte abfragen und manipulieren. Weil Java als architekturneutrale Programmiersprache konzipiert ist, können wir die Ergebnisse bei Operationen exakt vorhersagen. Es gibt auch Programmiersprachen, deren Compiler unterschiedliche Konventionen haben. Solche Programme liefern bei der Ausführung auf verschiedenen Systemen nicht dieselben Ergebnisse. Datenverarbeitung ist ein sehr wichtiges Thema bei der Beschreibung von Programmiersprachen. Im Folgenden diskutieren wir hauptsächlich die Manipulation von primitiven Werten mit Operatoren. In diesem Kapitel besprechen wir welche primitiven Typen es gibt und welchen Wertebereich diese Typen haben, wie Werte der primitiven Typen durch Literale erzeugt werden, die Ausgabe von Werten auf der Standardausgabe, was mehrdimensionale Datenstrukturen sind, was Deklaration, Allozierung, Zuweisung und Initialisierung bedeutet, welche Anfangswerte neu eingerichteten Variablen zugeordnet sind, wie wir Ganzzahlen durch Bitmuster darstellen, die Bedeutung des Unicode für Java, welche Operatoren zur Verfügung stehen und welchen Sinn diese Operatoren haben, die implizite und explizite Umwandlung bei primitiven Typen, was erweiterte Zuweisungen sind,

18 6 KAPITEL 2: WERTE UND OPERATOREN das Rundungsverhalten und die Bedeutung spezieller Werte, die Rangliste der Operatoren, wie wir Ausdrücke mit mehreren Operatoren auswerten und wie wir mathematische Funktionen aufrufen. 2.1 Primitive Werte Irgendwie müssen wir dem Rechner unsere Werte verständlich machen. Dazu verwenden wir Literale, die aus Buchstaben und Ziffern bestehen. Zum Beispiel kennzeichnet das Literal a den Buchstaben a und 0.1F eine Fließkommazahl einfacher Genauigkeit, die möglichst nahe an der Dezimalzahl 0.1 liegt. Der Prozessor ist nicht in der Lage, unsere Literale direkt zu verstehen, und braucht noch jemanden, der sie in Bitmuster umwandelt. Diese Muster werden in einer Kette aus Speicherzellen abgelegt und bestehen aus Nullen und Einsen. Eigentlich müssen wir uns nicht mit Bitmustern beschäftigen. In manchen Bereichen, wie zum Beispiel in der Bildverarbeitung, sind aber einige grundlegende Kenntnisse sehr nützlich Die primitiven Typen kennenlernen In Java gibt es acht primitive Typen. Schlüsselwort boolean byte short int long char float double Speicherbedarf und Beschreibung 8 Bit = 1 Byte, ein Wahrheitswert 8 Bit = 1 Byte, eine Ganzzahl der Länge 8 Bit 16 Bit = 2 Byte, eine Ganzzahl der Länge 16 Bit 32 Bit = 4 Byte, eine Ganzzahl der Länge 32 Bit 64 Bit = 8 Byte, eine Ganzzahl der Länge 64 Bit 16 Bit = 2 Byte, ein Zeichen des Unicode als positive Ganzzahl 32 Bit = 4 Byte, eine Fließkommazahl einfacher Genauigkeit 64 Bit = 8 Byte, eine Fließkommazahl doppelter Genauigkeit Tabelle 2.1: Die primitiven Typen Werte belegen im Speicher eine festgelegte Anzahl von Zellen. Je größer der Speicherbedarf ist, umso umfangreicher ist der Wertebereich eines Typs.

19 2.1: PRIMITIVE WERTE Die Wertebereiche der primitiven Typen beachten Mit Wahrheitswerten unterscheiden wir wahre und falsche Aussagen. Zum Beispiel ist die Aussage Wir können in Java eigene primitive Typen einführen falsch und die Aussage Eine Fließkommazahl belegt in Java entweder 4 Byte oder 8 Byte wahr. Daher gibt es auch nur die Werte falsch und wahr für den Typ boolean. Wir rechnen mit Ganzzahlen, wenn die Nachkommastellen keine Rolle spielen. Den Wertebereich der Typen byte, short, int und long ermitteln wir direkt aus dem Speicherbedarf. Er beginnt bei der negativen Ganzzahl 2 n 1 und endet bei der positiven Ganzzahl 2 n 1 1. Zeichen sind Ganzzahlen mit positivem Vorzeichen, die Positionen im Unicode kennzeichnen. Ihr Wertebereich beginnt bei der positiven Ganzzahl 0 und endet bei der positiven Ganzzahl 2 n 1. Für n setzen wir die Anzahl der Bits des Speicherbedarfs ein. Datentyp Wertebereich byte von -128 bis 127 short von bis int von bis long von bis char von 0 bis Tabelle 2.2: Wertebereiche für Ganzzahlen Bei Fließkommazahlen handelt es sich um Zahlen mit Nachkommastellen. Wie der Prozessor mit diesen Zahlen rechnet, ist in der IEEE 754 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) festgelegt. Im allgemeinen entstehen keine mathematisch exakten Ergebnisse, weil die Anzahl der Fließkommazahlen begrenzt und eine beliebige Genauigkeit daher nicht möglich ist. Um den Wertebereich von Fließkommazahlen größenmäßig einschätzen zu können, wird häufig nur die kleinste positive und die größte positive Fließkommazahl angegeben. Typ float double Wertebereich von 1, E-45 bis 3, E+38 von 4, E-324 bis 1, E+308 Tabelle 2.3: Wertebereiche für positive Fließkommazahlen...

20 8 KAPITEL 2: WERTE UND OPERATOREN

21 Kapitel 3 Flusskontrolle Auswahlanweisungen Auswahlanweisungen erlauben es, über einige Anweisungen zu springen oder zwischen mehreren Blöcken von Anweisungen auszuwählen. Die Auswahl hängt von einem Kriterium ab, das ein Ergebnis des Typs boolean in if und if-else Anweisungen liefert oder auf einem primitiven Wert in switch Anweisungen basiert. Die if-else Anweisung kann durch else if Blöcke erweitert werden, aber in einigen Fällen ist es bequemer, eine switch Anweisung als Ersatz zu nehmen Geschweifte Klammern fallenlassen Die geschweiften Klammern des Blocks hinter einer if oder else Klausel dürfen fallengelassen werden, wenn nur eine Anweisung in diesen Blöcken steht. Das gilt auch für eine for und while Klausel, die wir später noch diskutieren. Beispiel: Legen Sie im JLauncher ein neues Arbeitsblatt für eine Applikation an und führen Sie die Anweisungen int x = 0; int y = 0; if (x == 0) x = 1; else x = 2; System.out.print(x + " " + y);

22 10 KAPITEL 3: FLUSSKONTROLLE aus. Hier werden zwei Variablen x und y des Typs int deklariert, die beide den Wert 0 erhalten. Dann wird eine if-else Anweisung ausgeführt, sodass die Variable x den Wert 1 erhält, wenn ihr Wert gleich 0 ist. Andernfalls weisen wir x den Wert 2 zu. Es ist klar, dass die Werte 1 und 0 bei der Ausführung des Arbeitsblatts im unteren Textbereich erscheinen. Weil es nur eine Anweisung hinter der if und der else Klausel gibt, dürfen wir die geschweiften Klammern der Blöcke fallenlassen. Als Nächstes führen wir eine zusätzliche Anweisung hinter der if Klausel ein. int x = 0; int y = 0; if (x == 0) x = 1; y = 1; else x = 2; System.out.print(x + " " + y); Geschweifte Klammern sind jetzt nötig, weil es zwei Anweisungen im if Körper gibt. Diese Tatsache wird vom Compiler erkannt, der sich über eine else Klausel beschwert, der keine if Klausel vorausgeht. Fehler beim Kompilieren: Zeile 006: else without if else ^ 1 Fehler Das liegt daran, dass der Compiler die dritte bis fünfte Zeile auf dieselbe Weise wie die Anweisungen if (x == 0) { x = 1; } y = 1; versteht. Aber es entsteht keine Fehlermeldung, wenn ein Programmierer die else Klausel erweitert und die geschweiften Klammern vergisst. int x = 0; int y = 0; if (x == 0) x = 1; else x = 2; y = 2;

23 3.2: AUSWAHLANWEISUNGEN 11 System.out.print(x + " " + y); Nach der Ausführung erscheinen die Werte 1 und 2 im unteren Textbereich. Abbildung 3.9: Eine unerwünschte Anweisung wird ausgeführt Weil keine Klammern hinter der else Klausel stehen, wird nur die Zuweisung x = 2 ausgeführt, wenn x nicht gleich 0 ist. Daher sollten wir die beiden Leerzeichen vor der Zuweisung y = 2 zur Klarheit besser weglassen. int x = 0; int y = 0; if (x == 0) x = 1; else x = 2; y = 2; System.out.print(x + " " + y); Es ist ein guter Ratschlag, grundsätzlich keine Klammern fallenzulassen, um keine Verwirrung zu stiften. Daher sollte der obige Quellcode durch int x = 0;

24 12 KAPITEL 3: FLUSSKONTROLLE int y = 0; if (x == 0) { x = 1; } else { x = 2; } y = 2; System.out.print(x + " " + y); ersetzt werden, auch wenn eine zusätzliche Zeile entsteht....

25 Anhang A Installation des Java 2 SDK Am 23. Mai 1995 wurde Java von der Firma Sun offiziell als neues Produkt angekündigt. Bis zum Dezember 1998 gab es das JDK 1.0 (Java Development Kit), um Programme in Java zu entwickeln und zu starten. Anschließend folgte das JDK 1.1. Viele Entwickler kritisierten den Werbeslogan Write Once, Run Anywhere zur Vermarktung von Java, weil grafische Benutzeroberflächen im AWT -Stil (Abstract Window Toolkit) zu sehr von den Eigenschaften der weltweit verbreiteten Betriebssysteme Linux, Mac OS, Solaris und Windows abhingen. Daher wurden die JFC (Java Foundation Classes) auf der JavaOne-Konferenz im März 1997 angekündigt, die später den Spitznamen Swing erhielten. Am 8. Dezember 1998 stellte Sun die neue Java 2 Plattform mit dieser großartigen Erweiterung vor und bot das J2SDK (Java 2 Software Development Kit) mit der Version 1.2 zum Download an. Im Mai 2000 erschien pünktlich zum fünften Geburtstag die Version 1.3 von Java, die erstmalig ein plattformunabhängiges Paket zur Soundverarbeitung enthielt. Neben dem J2SDK wird in der Produktfamilie J2SE (Java 2, Standard Edition) noch eine J2RE (Java 2 Runtime Environment) angeboten. Diese Umgebung enthält nicht die Entwicklertools und dient nur zur Ausführung von Java-Programmen....

26 14 ANHANG A: INSTALLATION DES JAVA 2 SDK

27 Glossar Feld Der Zustand einer Klasse wird durch Felder festgelegt. Instanz Eine Instanz ist ein real existierendes Objekt, dessen Eigenschaften durch eine Klasse beschrieben werden. Zu den Eigenschaften einer Klasse zählen der Zustand und das Verhalten. Klasse Eine Klasse ist ein Bauplan für ein Objekt. Sie enthält Felder und Methoden, die als Mitglieder den Zustand und das Verhalten der Klasse festlegen, und Konstruktoren, die zur Erschaffung von Instanzen der Klasse benötigt werden. Konstruktor Ein Konstruktor dient zur Erschaffung von Instanzen und hat denselben Namen wie die Klasse. Wenn eine Klasse mehrere Konstruktoren mit verschiedenen Argumentlisten enthält, wird der Konstruktor als überladen bezeichnet. Methode Das Verhalten einer Klasse wird durch Methoden beschrieben. Objekt Ein Objekt ist ein real existierendes Softwarepaket mit einem festgelegten Zustand und Verhalten, das in der zugrundeliegenden Klasse definiert ist.

28 XII GLOSSAR

29 Literaturverzeichnis [1] Roland Willms: Java echt einfach, Franzis Verlag, Poing, 2001 [2] Roland Willms: Java Programmierung Praxisbuch, Franzis Verlag, Poing, 2000 [3] Roland Willms: L A TEX echt einfach, Franzis Verlag, Poing, 2001

30 XIV LITERATURVERZEICHNIS

31 Stichwortverzeichnis Bitmuster, 6 Eigenschaft, 4 Fließkommazahl, 7 for, 9 Ganzzahl, 7 IEEE, 7 Klammer geschweifte, 9 Literal, 6 Objekt, 3 Typ primitiver, 6 UML, 3 Wahrheitswert, 7 Wertebereich, 6 while, 9

32 XVI STICHWORTVERZEICHNIS