CS1005 Objektorientierte Programmierung

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1 CS005 Objektorientierte Programmierung Bachelor of Science (Informatik) Felder / Arrays Seite Th Letschert

2 Datentypen und Datenstrukturen Datentyp Format / Operationen für ein Datum c z.b. ganze Zahl im 32 Bit 2er Komplement Format, Zeichen in einem Byte in ASCII-Codierung char c = 'a'; Datenstruktur Kollektion von Speicherbereichen zur Speicherung komplexer (strukturierter) Daten Sprachelemente zur strukturierten Speicherung von Daten Vorgegebene Strukturen (Beispiele) Feld Liste Abbildung Daten unter einem Index gespeichert Daten als Folge von Werten gespeichert Daten unter einem Schlüssel abgelegt Selbst definierte Strukturen erfordern spezielle Sprachmittel (z.b. Klassen und Objekte) Seite 2 2 3

3 Felder (Arrays) Felder (Arrays) Daten unter einem Index speichern älteste Datenstruktur in Programmiersprachen Vorbild: Vektoren und Matrizen in der Mathematik Wird von allen klassischen Programmiersprachen unterstützt (C, C++, C#, Java,...) Felder bestehen aus Feldelementen, die über einen Index angesprochen werden können Beispiel: Feld mit 0 Elementen int[] x = new int[0]; for (int i=0; i < 0; i++) { x[i] = i; x wird als ein Feld mit 0 Komponenten angelegt und mit 0,,.. 9 gefüllt. Java / C# Integer[] x = new Integer[0]; for (int i=0; i < 0; i++) { x[i] = i; Java Seite 3 int x[0]; for (int i=0; i < 0; i++) { x[i] = i; C / C++

4 Felder (Arrays) Felder (Arrays) Geordnet: ein Element nach dem anderen, jedes Element hat einen Index Homogen: alle Elemente haben den gleichen Typ Strukturiert: Variable + Speicher für Elemente (Folge von Speicherplätzen) Speicher Feld-Variable enthält Zeiger (Adresse) auf den Speicherbereich für die Elemente Speicherplatz für die Feldelemente Seite 4

5 Felder (Arrays) Felder (Arrays) definieren Variante / Erzeugung eines Felds int [] a = new int[0]; Typ der Feldelemente Feld-Variable Feld-Größe a Speicher. Eine Feld-Variable a wird angelegt. 2. Zusammenhängender Speicherplatz für die Feldelemente wird angelegt und mit 0-en gefüllt. 3. Die Feld-Variable wird mit der Adresse des Speicherplatzes gefüllt. Seite 5

6 Felder (Arrays) Felder (Arrays) definieren Variante 2 / Erzeugung eines Felds int [] a = {,2,3,4,5,7,8,9,0; Feldelement-Typ Feld-Variable Feld-Elemente a Speicher. Eine Feld-Variable a wird angelegt. 2. Zusammenhängender Speicherplatz für die Feldelemente wird angelegt und mit den Werten gefüllt. 3. Die Feld-Variable wird mit der Adresse des Speicherplatzes gefüllt. Seite 6

7 Felder (Arrays) : Beispiele For-Schleife: Felder (Arrays) durchlaufen Feld durchlaufen mit klassische Schleife for ( int i = 0; i < feld.length; i++ )... verarbeite feld[i]... Für jeden Index i zwischen 0 und der Feldlänge feld.length mache Folgendes Feld durchlaufen mit for-each Schleife for ( Typ elem: feld )... verarbeite elem... Für jedes elem in feld mache Folgendes Nur lesender Zugriff möglich Seite 7

8 Felder (Arrays) : Beispiele Beispiel: Quadratzahlen von 0 bis 9 int[] quadzahl = new int[20]; Feld mit 20 Elementen, Index 0.. Index 9 for (int i=0; i < quadzahl.length; i++) { quadzahl[i] = i*i; Zähl-Schleife: for (int v : quadzahl) { System.out.print(v + ". "); System.out.println(); For-each -Schleife über den Inhalt des Feldes Seite 8

9 Felder (Arrays) : Beispiele Beispiel: Fakultäten f[i] = i! berechnen und ausgeben () Funktion: nimmt Feld an und verändert es static void compfak(int[] a) { a[0] = ; for (int i = ; i<a.length; i++) { a[i] = a[i-]*i; public static void main(string args[]) { int[] f = new int[0]; compfak(f); for (int v : f) { System.out.print(v + " "); System.out.println(); Seite 9

10 Felder (Arrays) : Beispiele Beispiel: Fakultäten f[i] = i! berechnen und ausgeben (2) static int[] compfak() { int[] a = new int[0]; a[0] = ; for (int i = ; i<a.length; i++) { a[i] = a[i-]*i; return a; Funktion: erzeugt Feld und gibt es zurück public static void main(string args[]) { int[] f = compfak(); for (int v : f) { System.out.print(v + " "); System.out.println(); Seite 0

11 Felder (Arrays) : Beispiele Beispiel: Suche nach dem Maximum in einem Feld static int max(int[] a) { int max = a[0]; for (int i = ; i<a.length; i++) { // max = Maximum(a[0...i-]) if (a[i] > max) { max = a[i]; return max; public static void main(string args[]) { int[] f = new int[]{4,3,0,,2,3,7,4,5,2,4,7; System.out.println(max(f)); 7 Seite

12 Felder (Arrays) : Zuweisung und Vergleich Felder zuweisen = kopiert bei Feldern nicht den Inhalt sondern nur die Zeiger int [] a = {, 2, 3 ; int [] a2 = { 9, 8, 7 ; a2 = a; a a2 9 8 a2 = a; 2 3 Zuweisung a 2 3 a Seite 2 vorher 7 nachher

13 Felder (Arrays) : Zuweisung und Vergleich Felder vergleichen == testet bei Feldern nicht auf gleichen Inhalt sondern auf Identität int [] a = {, 2, 3 ; int [] a2 = {, 2, 3 ; a==a2 ist falsch! int [] a = {, 2, 3 ; int [] a2 = a; a==a2 ist wahr! a 2 3 a2 2 3 a 2 3 a2 Seite 3 unterschiedliche Zeiger in a und a2 gleiche Zeiger in a und a2

14 Felder (Arrays) und Funktionen Felder als Funktionsargumente Zahlwerte als Argumente werden in die Parameter-Variablen der Funktion kopiert Felder als Argumente werden nicht kopiert. Lediglich der Verweis auf den Elementspeicher wird zu Funktion kopiert. static void f(int[] a, int v) { for (int i = ; i<a.length; i++) { a[i] = a[i]+v; f(a,x); int int [] f(a,x); v a Aufruf der Funktion 5 ParameterVariablen der Funktion 5 Übertragung der Argumente x = 5; a = new int[0]; a x Seite 4 5 Variablen in main

15 Felder (Arrays) voller Felder Mehrdimensionale Felder Felder können Felder enthalten Dies kann zur Modellierung mehrdimensionaler Felder genutzt werden. int[][] matrix = { { 0, 20, 30, { 2, 22, 23, matrix { 3, 32, 33 ; for (int[] zeile : matrix) { for (int elem : zeile) { System.out.print(elem + " "); System.out.println(); Seite 5

16 Felder (Arrays) voller Felder Mehrdimensionale Felder Beispiel Matrix-Multiplikation () /** * Matrixmultiplikation. matrix MxK Matrix matrix2 KxN Matrix MxN Matrix als Produkt von matrix und matrix2; * null falls die Dimensionen der Matrizen nicht passen */ static double[][] matmult(double[][] matrix, double[][] matrix2) { int M = matrix.length; // Zeilen matrix int K = matrix2.length; // Zeilen matrix2 int N = matrix2[0].length; // Spalten matrix2 if (K!= matrix[0].length) { // Spalten matrix!= Zeilen matrix2 return null; double[][] resultat = new double [N][M]; for(int i = 0; i < N; i++) { for(int j = 0; j < M; j++) { double s = 0.0; for(int k = 0; k < K; k++) { s = s+ matrix[i][k] * matrix2[k][j]; resultat[i][j] = s; return resultat; Seite 6

17 Felder (Arrays) voller Felder Mehrdimensionale Felder Beispiel Matrix-Multiplikation / (2) Aufruf der Funktion public static void main(string args[]) { double[][] matrix = {{, 2, 3, { 4, 5, 6 ; double[][] matrix2 = {{, 3, { 2, 2, { 3, ; double[][] matrix3 = matmult(matrix, matrix2); for (double[] zeile : matrix3) { for (double elem : zeile) System.out.print(elem + " "); System.out.println(); Seite 7

18 Feld / Array Felder im Speicher Zwei Arten von Typen Primitive Typen z.b.: Zahlen Boolesche Werte (Wahrheitswerte) Klassentypen alle anderen, auch Felder Referenz- und Wert-Semantik Variablen mit primitivem Typ enthalten ihren Wert immer direkt Variablen mit Klassentyp enthalten immer Referenzen auf Objekte int x = 0; int [] a = new int[0]; x 0 a Seite 8

19 Feld / Array Parameterübergaben und Felder Wertübergabe und Referenzübergabe Werte mit primitivem Typ werden direkt an Funktionen übergeben und zurück geliefert Werte mit Klassentyp werden in Form von Referenzen an Funktionen übergeben und von diesen zurück geliefert static void g(int[] f, int v) { for (int i = ; i<a.length; i++) { f[i] = f[i]+v; f(a, x); int x = 0; int [] a = new int[0]; 0, x 0 a Seite 9 v f 0

20 Stack und Heap Stack und Heap Stack: lokale Variablen aller gerade aktiven Methoden. (Leben nur für die Dauer der Aktivität der Methode) Heap: alle mit (new angelegten) Objekte. (Leben so lange wie sie gebraucht werden.) static void g(int[] f, int v) { for (int i = ; i<a.length; i++) { f[i] = f[i]+v; public static void main(string[] args) { int x = ; int[] a = {,2,3, 4; f(a, x); Gleich fahre ich wieder im Heap rund und sammle allen Abfall Methodenaufrufe Erzeugen und Vernichten g v f a main x Grarbage Collector Heap Stack Seite 20 Situation zu Beginn der Ausführung von f Th Letschert

21 Felder anlegen und verwenden Definition / Initialisierung Typ [] Typ [] Typ [] null Variable; Variable = new Typ[size]; Variable = { wert, wert2,...; int[] a; 0 Elementtyp 9 primitiv: Wert im Feld Klassen-Typ: Referenz im Feld a Größe feststellen mit length int[] a = new int[0]; feldvariable.length Vergleich mit == Vergleicht Inhalt der Referenz-Variablen Ho a == b a Ah a!= b String a[] = { Ah, Ha, Ho ; a b Ha Ah Ha Ho Seite 2

22 Felder anlegen und verwenden Ausgabe? public static void main(string[] args) { int[] a = {,2,3; int[] b = {,2,3; int[] c = a; for ( int i=0; i<c.length; i++) c[i] = c[i]*0; if ( a==b ) System.out.println("a==b"); if ( a==c ) System.out.println("a==c"); for( int x : a) System.out.println(x); Seite 22

23 Felder anlegen und verwenden Ausgabe? public static void main(string[] args) { int[] a = {,2,3; int[] b = {,2,3; int[] c = a; for ( int i=0; i<c.length; i++) c[i] = c[i]*0; if ( a==b ) System.out.println("a==b"); if ( a==c ) System.out.println("a==c"); for( int x : a) System.out.println(x); Seite 23 Ausgabe: a==c

24 Felder anlegen und verwenden Aufgabe: Suche nach dem kleinsten Element in einem Feld /** * Suche nach dem kleinsten Element eines Feldes. a ein Feld Wert des kleinsten Elements a!= null und a.length >= */ public static int findsmallest(int[] a) { int smallest = a[0]; for (int i = ; i < a.length; i++) { // INV: smallest <= a[0]..a[i-]? Ergänze so dass die Invariante erfüllt ist? return smallest; Aufgabe: Fehlenden Code ergänzen! Seite 24

25 Felder anlegen und verwenden / Sortieren Feld sortieren /** * Sortiert ein Feld. a Feld das zu sortieren ist a!= null, a.length >= a ist aufsteigend sortiert */ public static void sort(int[] a) { /* Implementieren! */ Seite 25. Spezifikation / Schnittstelle

26 Felder anlegen und verwenden / Sortieren Feld public void testsort() { int[] a = {0; int[] a2 = {0, ; int[] a3 = {3,, 0; int[] a4 = {4, 3, 2, ; int[] a5 = {0,, -3, -4, ; Sort.sort(a); assertarrayequals(a, new int[]{0); Sort.sort(a2); assertarrayequals(a2, new int[]{0, ); Sort.sort(a3); assertarrayequals(a3, new int[]{0,, 3); Sort.sort(a4); assertarrayequals(a4, new int[]{, 2, 3, 4); Sort.sort(a5); assertarrayequals(a5, new int[]{-4, -3, 0,, ); Seite Test

27 Felder anlegen und verwenden / Sortieren Feld sortieren public static void sort(int[] a) { for (int i = 0; i < a.length; i++ ) { // a[0..i-] ist sortiert // sorge dafuer dass gilt: a[0..i] ist sortiert 3. Implementierungs-Konzept: sortiere Feld von links nach rechts in einer Schleife Seite 27

28 Felder anlegen und verwenden / Sortieren Feld sortieren Vorgehen: Schrittweise Verfeinerung Definiere Unteraufgaben, delegiere sie an Hilfsfunktionen oder Code-Stücke! /** */ public static void sort(int[] a) { for (int i = 0; i < a.length; i++) { // a[0..i-] ist sortiert int si = findsmallest(a, i); // vertausche a[i] und a[si] private static int findsmallest(int[] a, int i) { // TODO Auto-generated method stub return 0; 4. Schrittweise Verfeinerung Konzept eines Sortier-Schritts: nimm das kleinste aus dem unsortierten Bereich und vergrößere damit den sortierten Bereich Seite 28

29 Felder anlegen und verwenden / Sortieren Feld sortieren 5. Implementierung fertig stellen: Verfeinerungen ausführen /** * Sortierfunktion. a Feld das zu sortieren ist a!= null, a.length >= a ist aufsteigend sortiert */ public static void sort(int[] a) { for (int i = 0; i < a.length; i++) { // a[0..i-] ist sortiert int si = findsmallest(a, i); int t = a[i]; a[i] = a[si]; a[si] = t; // Liefere Index des Kleinsten im Feld-Bereich a[i ] private static int findsmallest(int[] a, int i) { int res = i; for (int j = i + ; j < a.length; j++) { if (a[j] < a[res]) { res = j; return res; Seite 29

30 Felder anlegen und verwenden / Mehrdimensionale Felder Feldelemente können selbst wieder Felder sein int[][] matrix = { { 0, 20, 30, { 2, 2, 23, matrix { 3, 32, 33 ; for (int[] zeile : matrix) { for (int elem : zeile) { System.out.print(elem + " "); System.out.println(); Seite 30

31 Felder anlegen und verwenden / Mehrdimensionale Felder Die Zeilen einer Matrix können unterschiedlich lang sein. Beispiel Pascalsches Dreieck: public static void main(string[] args) { final int N = 0; int[][] pascal = new int[n][]; for ( int i = 0; i<n; i++ ) { pascal[i] = new int[i+]; pascal[i][0] = ; pascal[i][i] = ; for ( int i = ; i<n; i++ ) { for ( int j = ; j<i; j++ ){ pascal[i][j] = pascal[i-][j-] + pascal[i-][j];... Seite 3

32 Felder anlegen und verwenden / Mehrdimensionale Felder Ausgabe des Feldes mit Format-Angabe int k = N; for ( int[] zeile: pascal) { String indent = ""; erzeugte Ausgabe for ( int i = 0; i < k; i++) indent = indent + " "; System.out.print(indent); k = k-; for ( int x : zeile ){ System.out.printf(" %$3d",x); System.out.println(); % Format Code $: erstes Argument 3d: Dezimal-(int-) Zahl der Weite 3 Seite 32

33 Felder anlegen und verwenden : Varargs public static void printsorted(int... a) { sort(a); for (int v : a) { System.out.print(v + " "); System.out.println(); Varags: variable Argumentliste Übergabe als Feld public static void main(string[] args) { printsorted(5, 5, 4, 2, 2, 4, 3); printsorted(22, 23, 2); Seite 33

34 Felder anlegen und verwenden : Feld ausgeben Arrays: Klasse aus dem Paket java.util enthält statische Methoden helfen bei der Arbeit mit Feldern Beispiel, Sortieren, in String umwandeln,... import java.util.arrays; int[] p0 = {0,, 2; a = new String[]{"a", "b", "c"; System.out.println(Arrays.toString(p3)); System.out.println(Arrays.toString(a)); Seite 34 java.util Class Arrays

35 Felder / Arrays Felder sind in vielen Fällen zu low-level für die Anwendungsentwicklung => verwende normalerweise Listen oder andere höhere Datenstrukturen! Vorteile der Felder einfach effizient Nachteile der Felder feste Größe Änderung der Größe nicht direkt möglich muss bei Bedarf simuliert werden (Neues Feld anlegen, Elemente umkopieren) Einfügen und Entfernen von Elementen nicht direkt möglich muss bei Bedarf simuliert werden (umkopieren und verschieben) Seite 35