Kapitel 2. Programmierkurs. Fehlerhafte Programme. 2.1 Was macht ein Java Programm aus?

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1 Kapitel 2 Programmierkurs Birgit Engels, Anna Schulze ZAIK Universität zu Köln WS 07/08 Grundlagen der Java Programmierung Was macht ein Java Programm aus? Sprachbestandteile Ein erstes Programm Hauptbestandteile eines Java-Programms Vom Programmtext zur Ausführung Lesbarkeit des Programmtextes/Programmierstil Einfache Ein- und Ausgabe (Text) Import-Anweisung Ein Programm mit Ein- und Ausgabe 1 / Was macht ein Java Programm aus? Fehlerhafte Programme Ein Java-Programm ist zunächst eine Textdatei, die mit einem Texteditor erstellt und bearbeitet wird und die Endung.java besitzt. Da Java eine Sprache darstellt, unterscheiden wir: Syntax: Formale Regeln bzw. Grammatik, nach denen zwischen zulässigem und ungültigem Programmcode unterschieden wird. Semantik: Inhalt des Programms, d.h. Bedeutung des Programmcodes. Syntaxfehler: Der Compiler kann den Programmcode nicht korrekt übersetzen. Meist gibt der Compiler Hinweise auf den formalen Fehler. Deshalb sind diese Fehler meist einfach zu finden und zu beseitigen. Semantikfehler: Der Compiler übersetzt das Programm korrekt. Das übersetzte Programm arbeitet aber nicht so wie beabsichtigt. Semantikfehler sind i.a. schwieriger zu beseitigen, insbesondere bei großen Programmen. Fehlersuche durch genaue Analyse und Tests des Programms. 3 / 69 4

2 2.2 Sprachbestandteile Reservierte Schlüsselwörter Wie jede höhere Programmiersprache besteht Java aus: Schlüsselwörtern ( Wortschatz ) reservierten Zeichen ( Satzzeichen ) Namen vordefinierter Datenstrukturen, Objekte Namen selbst definierter Datenstrukturen, Objekte und Funktionen/Methoden Kommentaren abstract double interface switch assert else long synchronized boolean extends native this break final new throw byte finally package throws case float private transient catch for protected try char goto public void class if return volatile const implements short while continue import static default instanceof strictfp do int super 5 / 69 6 Reservierte Zeichen Regeln für selbstdefinierte Namen Namen (auch Bezeichner genannt) bestehen aus: // bzw. /* */: Einleitung für Kommentare. { } : Gliederung des Programmtextes. ;: Abschluss einer Anweisung : Arithmetische Operatoren. >= <= ==: Vergleichsoperatoren. && : Logische Operatoren. << >>: Schiebeoperatoren. und weitere... Buchstaben a z, A Z Ziffern (Zahlen) 0 9 Unterstrichen Sie müssen mit einem Buchstaben oder beginnen. Namen, die mit beginnen, sollten vermieden werden. Sie dürfen nicht mit einem Schlüsselwort übereinstimmen. Die Länge ist i.a. nicht beschränkt. Zu lange oder zu kurze Namen sollten aber vermieden werden. Namen dürfen keine Leerzeichen enthalten. Zwischen Gross- und Kleinschreibung wird unterschieden! 7 / 69 8

3 Namensgebung Bedeutung der Namensgebung Beispiele: anzahl, knoten1, vertex,...: Bedeutung ersichtlich, nicht zu kurz nicht zu lang, Konvention: Kleinschreibung. anzknoten, anz knoten, noverts,...: Zusammengesetzt, aber mit Gross-/Kleinschreibung bzw. gut lesbar, spezifiziert Anzahl wegen Eindeutigkeit. anzverts, novertices,... nicht so gut, da Sprachgemisch bzw. länger als nötig. i, j, k, p x, p y : Sehr kurze Bezeichnungen für Laufvariablen, sehr kurzzeitig ( lokal ) benötigte Variablen. Mathematische Schreibweise für mathematische Objekte (Koordinaten des Punktes p). Macht die Struktur des Problems bzw. Algorithmus klarer. Macht Programme gut/intuitiv lesbar/erweiterbar/wartbar. Beides hilft semantische Fehler zu vermeiden/verbessern. 9 / Ein erstes Programm Ziele groben Aufbau eines Programms kennenlernen groben Aufbau einer Methode kennenlernen die Methode public static void main(string[] args) Abschluss eines jeden Befehls mit ; Der Programmtext Hello World! : HelloWorld.java 1. /* Programmierkurs WS * ZAIK, AFS : RS, BE, AS 3. */ 4. public class HelloWorld 5. { 6. public static void main(string[] args) 8. // Ausgabe 9. System.out.println( Hello World! ); 10. } 11. } Hello World! 11 / 69 12

4 Der Programmtext Hello World! : HelloWorld.java 1. /* Programmierkurs WS * ZAIK, AFS : RS, BE, AS 3. */ 4. public class HelloWorld 5. { Kommentare: 6. public static void main(string[] Mehrzeilig (lang/global), args) Einzeilig (kurz/lokal). 8. // Ausgabe 9. System.out.println( Hello World! ); 10. } 11. } Hello World! Der Programmtext Hello World! : HelloWorld.java 1. /* Programmierkurs WS * ZAIK, AFS : RS, BE, AS 3. */ 4. public class HelloWorld 5. { 6. Einleitung der Klassendefinition + öffnende args) und. public static void main(string[] schließende Klammer 8. // Ausgabe 9. System.out.println( Hello World! ); 10. } 11. } Hello World! 13 / Der Programmtext Hello World! : HelloWorld.java 1. /* Programmierkurs WS * ZAIK, AFS : RS, BE, AS 3. */ 4. public class HelloWorld 5. { 6. public static void main(string[] args) 8. // Ausgabe 9. System.out.println( Hello World! ); 10. } 11. } Hello World! Methode main gibt es in jedem Java Programm genau einmal (wieder mit öffnender und schließender Klammer). Der Programmtext Hello World! : HelloWorld.java 1. /* Programmierkurs WS * ZAIK, AFS : RS, BE, AS 3. */ 4. public class HelloWorld 5. { Einziger richtiger Befehl: Veranlasstargs) Ausgabe. 6. public static void main(string[] 8. // Ausgabe 9. System.out.println( Hello World! ); 10. } 11. } Hello World! Befehle enden mit Semikolon ;. 15 / 69 16

5 Der Programmtext Hello World! : HelloWorld.java 1. /* Programmierkurs WS * ZAIK, AFS : RS, BE, AS 3. */ 4. public class HelloWorld 5. { 6. public static void main(string[] args) 8. // Ausgabe 9. System.out.println( Hello World! ); 10. } 11. } Output auf dem Bildschirm Zeilennummern und Output Zeilennummern dienen lediglich der Orientierung auf den Folien werden im Editor nicht mit eingegeben Output dient lediglich der Erläuterung des Programms auf den Folien wird im Editor nicht mit eingegeben Hello World! 17 / Klassendefinition Hauptmethode public class HelloWorld {...} Objektorientierung: Ein Objekt ist für uns zunächst konkret eine Klasse. (Feinheiten später!) Daher muss jedes Programm von einer Klasse, hier class HelloWorld umgeben sein, d.h. der Programmtext steht zwischen den geschweiften Klammern der Klassendefinition. Schlüsselwort public (öffentlich) bedeutet, dass diese Klasse von beliebigen anderen benutzt werden darf. Eine (öffentliche) Klasse sollte in einer gleichnamigen Datei, hier HelloWorld.java gespeichert sein. Ein Klassenname sollte mit einem Grossbuchstaben beginnen. public static void main(string[] args){} Eine Klasse kann viele Methoden umfassen, deren Aufbau prinzipiell immer gleich ist, jedoch nur eine Hauptmethode mit dem Methodennamen main. Hinter dem Methodennamen folgt in Klammern eine Argumentliste. Hinter der Argumentliste folgt ein Paar geschweifte Klammern, die Anweisungen umschließen. Besonderheit von main : Soll die JVM ein Programm in Form einer Klasse X ausführen, so wird genau die Hauptmethode der Klasse gesucht und abgearbeitet. 19 / 69 20

6 Schlüsselworte Befehl/Anweisung Die genaue Bedeutung und Verwendung einiger Schlüsselworte wird später behandelt, daher werden sie hier nur kurz erwähnt. Schlüsselwort public (öffentlich) bedeutet, dass diese Methode von beliebigen anderen Klassen benutzt werden darf. Schlüsselwort void (leer) bedeutet, dass die Methode keinen Rückgabewert hat. Schlüsselwort static (statisch) bedeutet, dass dies eine Klassenmethode ist. System.out.println( Hello World! ); Ist hier der Aufruf einer Methode println mit dem Argument Hello World!. Veranlasst die Ausgabe von Hello World! in einer Zeile gefolgt von einem Zeilenumbruch auf die Konsole (Standardausgabe). println besteht wieder aus einer Menge von Anweisungen, die wir nicht sehen, da es eine vordefinierte Methode ist. 21 / Zugriffsoperator Ein weiteres (besonderes) reserviertes Zeichen in Java ist der Punkt. als sogenannter Zugriffsoperator. Beispiel System.out.println( Hello World! );: Die Methode println muss wie jede Methode innerhalb einer Klasse definiert sein. Diese Klasse ist die Klasse out (verantwortlich für Ausgabe): out[.=etwas aus der Klasse]println(). Die Klasse out ist innerhalb der Klasse System (Systemaufgaben) definiert: System.(= besitzt die Methode/Klasse)out.(= besitzt die Methode/Klasse)println(). System.out.println() ist voll qualifizierter Name der Methode println(). Um Methoden der eigene Klasse aufzurufen, reicht der einfache Methodenname. 2.5 Vom Programmtext zur Ausführung Wir nutzen zur Eingabe des Programmtextes einen Editor (Nutzung klar :) und zum Kompilieren/Ausführung des Programms eine zeileneingabe: 1. Bearbeiten und Speichern des Programms unter <Klassenname>.java. 2. Übersetzen (Kompilieren) des Programms (einfachste Möglichkeit) mit javac <Klassenname>.java. Es entsteht eine (unleserliche) Datei <Klassenname>.class. 3. Ausführen des Programms mit java <Klassenname>. 23 / 69 24

7 Arbeiten auf der Konsole unter Linux Nützliche Befehle I Kompilieren/Ausführung des Programms durch zeileneingabe: Öffnen einer Konsole. entspricht: Eingabeaufforderung, Terminal,... spezieller: Shell, noch spezieller Bash,... Eingabe eines Befehls (ggf. mit Optionen, Parametern). Abschluss mit Return. ls cd path cd \path cd.. cd $HOME Listet alle Dateien in diesem Verzeichnis auf. Wechselt in den mit path angegebenen Ordner. Der Pfad wird immer vom aktuellen Verzeichnis aus interpretiert. Wechselt in den mit path angegebenen Ordner. Der Pfad wird jetzt von der Verzeichniswurzel ausgehend interpretiert. Wechselt in den Elternordner des aktuellen Ordners. Wechselt in das Home(-Verzeichnis) des Benutzers. 25 / Nützliche Befehle II Nützliche Befehle III mkdir name cp file path cp file file1 cp -r/r path path1 cp -r/r path. Legt im aktuellen Verzeichnis einen neuen Ordner namens name an. Kopiert die Datei file an die Stelle path. Legt eine Kopie der Datei file unter dem Namen file1 an. Kopiert das ganze Verzeichnis path samt Inhalt nach path1. Kopiert das ganze Verzeichnis path nach hier, d.h. in das akltuelle Verzeichnis. rm file rm -r/r name rmdir name mv file file1 mv file path mv name name1 Die Datei file wird gelöscht. Das Verzeichnis name wird mit allen Unterverzeichnissen und Dateien gelöscht. Das leere (!) Verzeichnis name wird gelöscht. Benennt die Datei file in file1 um. (Die Endung wird nicht automatisch beibehalten Verschiebt die Datei die Datei file an die Stelle path. Benennt das Verzeichnis name in name1 um. 27 / 69 28

8 Hilfsoptionen Tipps Hilfsoptionen zu einzelnen Befehlen (nicht bei allen verfügbar): man command command -h/-help/- -help Zeigt Manual Page (Handbuch) des Befehls command an. Zeigt Optionen/Benutzung des Befehls command an. Durch Drücken der Tab-Taste werden unvollständig eingegebene Befahle ergänzt, falls eindeutig möglich. (Sonst werden mehrere Möglichkeiten oder gar nichts angezeigt.) Pfeiltasten (, ) können vorherige/ spätere s wieder ausgewählt werden. Soll das gleiche für viele Dateien mit ähnliche Namen ausgeführt werden, können sogenannte wild cards Platzhalter, z.b. * benutzt werden, um die unterschiedlichen Namensteile zu ersetzen. Der Befehl, wird dann für alle Dateien ausgeführt, die in das Namensmuster passen. Beispiel: cp java/*.java. Kopiert alle Dateien mit Endung.java nach hier. 29 / Java-s Das SSH- javac file.java java file Kompiliert file.java. Erzeugt Datei file.class. Führt die kompilierte Datei file.class aus. Das Secure Shell (ssh) dient dem Einloggen auf Rechnern über das Netzwerk. Wird zur Zeit im Pool selbst verwendet, um sich vom eigenen Arbeitsplatzrechner auf einen Server einzuloggen. Kann auch von eigenem Rechner mit entsprechendem Netzzugang genutzt werden, um auf den Server zu gelangen. : ssh username@servername Erzeugt (nach Passworteingabe für username) eine Konsole auf dem Server servername. 31 / 69 32

9 SSH von zu Hause/Server Das SCP- Unter Linux ist meist ssh standardmässig installiert, d.h. auf der heimischen Konsole kann man sich mit ssh- auf den Uni-Server einloggen. Unter Windows installiert man meist einen SSH-Client extra (siehe Website). Servernamen: sunfire.rrz.uni-koeln.de dialog.rrz.uni-koeln.de Das SCP (scp) ist das Netzwerk-Pendant zum einfachen Kopier- (cp). Kann auf einer heimischen Linuxkonsole (standard mässig) direkt zum kopieren von Dateien in sein Uni-Home auf dem Uni-Server verwendet werden. Wird unter Windows meistens von graphischen Oberflchen benutzt/unterstützt (siehe SSH-Client, Website). 33 / Verwendung von scp Hinweis zu scp scp username@servername : path/file. scp file username@servername : path. Lädt die Datei file vom Server auf den eigenen Rechner. Lädt die Datei file vom eigenen Rechner auf den Server. Liegt die Datei file direkt im Uni-Home entfällt path. Der Pfad path wird ansonsten relativ zum Home-Verzeichnis angegeben Beispiel: xxx.java liegt im Homeverzeichnis, Unterverzeichnis JavaKram. Folgender Befehl kopiert die Datei auf den eigenen Rechner: scp username@servername : JavaKram/xxx.java. Bei Benutzung von ssh im PC-Pool müssen Dateien nicht hin und her kopiert werden!!! Auf dem Server stehen die gleichen Dateien (Home-Verzeichnis) zur Verfügung wie am Arbeitsplatzrechner!!! 35 / 69 36

10 2.5 Vom Programmtext zur Ausführung Wir nutzen zur Eingabe des Programmtextes einen Editor (Nutzung klar :) und zum Kompilieren/Ausführung des Programms eine zeileneingabe: 1. Bearbeiten und Speichern des Programms unter <Klassenname>.java. 2. Übersetzen (Kompilieren) des Programms (einfachste Möglichkeit) mit javac <Klassenname>.java. Es entsteht eine (unleserliche) Datei <Klassenname>.class. 3. Ausführen des Programms mit java <Klassenname>. Erste Hindernisse Falls bei Schritt 2 Fehler auftreten: Command not found oder Ähnliches: Kein Java-Compiler installiert oder javac wird nicht gefunden (liegt nicht im vordefinierten Pfad). Abhilfe: Mit which javac (Linux) bzw. where javac (Windows) den Pfad suchen und mit Pfad aufrufen bzw. Pfad setzen. Falls kein Java-Compiler gefunden: Installation... cannot read: <Klassenname>.java oder Ähnliches: Die zu kompilierende Datei liegt nicht im aktuellen Verzeichnis. Abhilfe: Mit cd <Pfad> in das entsprechende Verzeichnis wechseln oder mit javac -classpath <Pfad> <Klassenname>.java kompilieren. Letztere Möglichkeit wird auch beim Verwenden von Paketen (später) angewendet. 37 / Kompilier-Fehler Laufzeit-Fehler Am häufigsten treten jedoch vom Compiler gemeldete Syntaxfehler auf. Diese sind meist mit Zeilenangabe versehene Kurzbeschreibung zur Fehlersuche im Programmtext. Häufige Fehler sind: Tippfehler Vergessene ; { } Fehlende/Mehrfache Deklaration (später) Falscher Methodenaufruf (später) Auch bei Schritt 3 treten Fehler auf: Class definition not found oder Ähnliches: Pfadprobleme oder Ähnliches (s.o.) Fehler beim Linken/Einbinden von mehreren selbsdefinierten Klassen (mehrere Dateien), Pfadprobleme, Bibliotheken (Später). Semantikfehler: Unerwartetes Ergebnis, Programm stürzt ab. Hinweise zur Benutzung des Compilers (Optionen, Linken, etc.) mit: javac --help 39 / 69 40

11 2.6 Lesbarkeit des Programmcodes Kürzere Formulierung möglich Kommentare erläutern Programm verbessern Lesbarkeit werden vom Compiler ignoriert einzeilige Kommentare werden mit // eingeleitet mehrzeilige Kommentare beginnen mit /* und enden mit */ Wichtig: In eigenen Programmen oft und ausführlich kommentieren! Java-Programme werden durch die Zeilenstruktur und Extra-Leerzeichen nicht beeinflußt. Ausnahme: Mit // eingeleitete Kommentare enden mit dem Zeilenumbruch! Daher: Obige Funktion könnte man kürzer formulieren: public class HelloWorld { public static void main(string args) { System.out.println( Hello World! ); }} Nicht empfehlenswert! 41 / Lesbarkeit Groß- und Kleinschreibung Durch Einfügen von Leerzeilen und durch Einrückung kann die Lesbarkeit stark gesteigert werden. Deshalb sollte man Folgendes beachten: Durch Leerzeilen sinnvoll gliedern Nur ein Befehl je Zeile Jedes { und } in eine eigene Zeile Nach jedem { um 2 Zeichen einrücken Geht ein Befehl über mehrere Zeilen, die folgenden Zeilen einrücken Java ist case-sensitive, unterscheidet also zwischen Großund Kleinbuchstaben! X ist nicht dasselbe wie x, Main() ist nicht dasselbe wie main() 43 / 69 44

12 2.7 Einfache Ein- und Ausgabe Schon bekannt: Ein Ausgabe-Befehl: System.out.println( Ausgabe und Zeilenumbruch ) System: Automatisch in jedem Java-Programm verfügbare Klasse (Standardbibliothek). out: Instanz der Klasse PrintStream, automatisch in System enthalten, Verknüpft mit Standardausgabe (Bildschirm). Abgewandelte Ausgabe-Befehle: Ausgabe - Tipps System.out.println( Die Zeile ist zuuuuuu + lang. ): Die Zeile ist zuuuuuu lang. int var=1; System.out.println( var= +var+ Okay. ): var=1 Okay. System.out.println(): Zeilenumbruch System.out.print( Ausgabe ): Ausgabe System.out.print( \ n ): Zeilenumbruch Ausgaben sind einfache Mittel zur Suche nach logischen Fehlern: Ausgabe einer Variablen: Hat sie den richtigen Wert? Ausgabe in bestimmter Zeile: Wird das Programm bis hierhin abgearbeitet? 45 / Eingabe 2.8 Import-Anweisung Um eine Eingabe von der zeile einzulesen und in unserem Programm zu verarbeiten, benötigen wir weitere vordefinierte Java-Klassen: BufferedReader, InpuStreamReader: 2 Klassen, um Zeichenketten (gepuffert) einzulesen. System.in: Das Objekt in aus der Klasse System. Ein vorbereitendes Programmstück: BufferedReader in = new BufferedReader ( new InputStreamReader(System.in) ); Eigentlicher Einlese-Befehl: String name = in.readline(); Die beschriebene Eingabe-Klassen, gehören nicht zu den automatisch ansprechbaren Klassen. Sie gehören zum Paket java.io Diese Paket muss explizit im Programmtext angegeben werden, um die Eingabe-Klassen zu verwenden. Alle Elemente dieses Paketes werden mit folgender Anweisung (Importanweisungen) eingebunden: import io.*; 47 / 69 48

13 Import-Anweisung 2.9 Ein Programm mit Ein- und Ausgabe Sogenannte Importanweisungen stehen immer als erstes (außerhalb der Klassendefinition) im Programmtext. Dort werden Sie vom (Prä)prozessor gefunden und verarbeitet. Ziele Eingabe als komplexere Anweisung anwenden können. Import-Anweisung benutzen, da für Eingabe notwendig. Erste Ausnahme/Exception. Erste Verwendung einer Variable. 49 / Ein Grussprogramm I: Greets.java Ein Grussprogramm I: Greets.java 1. /* Programmierkurs WS0708 AFS RS, BE, AS */ 2. import java.io.*; 3. public class Greets 4. { 5. public static void main(string[] args) 6. throws IOException 8. BufferedReader in = new BufferedReader 9. ( new InputStreamReader(System.in) ); 10. System.out.println( What s your name? ); 1. /* Programmierkurs WS0708 AFS RS, BE, AS */ 2. import java.io.*; 3. public class Greets Import-Anweisung vor Klassendefinition! 4. { 5. public static void main(string[] args) 6. throws IOException 8. BufferedReader in = new BufferedReader 9. ( new InputStreamReader(System.in) ); 10. System.out.println( What s your name? ); 51 / 69 52

14 Ein Grussprogramm I: Greets.java Ein Grussprogramm I: Greets.java 1. /* Programmierkurs WS0708 AFS RS, BE, AS */ 2. import java.io.*; 3. public class Greets 4. { 5. public static void main(string[] args) 6. throws IOException Ausnahme: Fehlerbehandlung Wird 8. BufferedReader in = new BufferedReader bei Verwendung der 9. ( new InputStreamReader(System.in) Eingabe- Klassen ); 10. System.out.println( What s verlangt your(später). name? ); 1. /* Programmierkurs WS0708 AFS RS, BE, AS */ 2. import java.io.*; 3. public class Greets 4. { 5. public static void main(string[] args) 6. throws IOException Lange Befehle: 2-zeilig und eingerückt. 8. BufferedReader in = new BufferedReader 9. ( new InputStreamReader(System.in) ); 10. System.out.println( What s your name? ); 53 / Grussprogramm II Grussprogramm II Einlesen in Variable name vom Typ String. 1. // Tastatureingabe einlesen! 2. String name = in.readline(); 3. System.out.println(); 4. System.out.println( Buon Giorno, + name); 5. } 6. } 1. // Tastatureingabe einlesen! 2. String name = in.readline(); 3. System.out.println(); 4. System.out.println( Buon Giorno, + name); 5. } 6. } 55 / 69 56

15 Grussprogramm II Grussprogramm II 1. // Tastatureingabe einlesen! 2. String name = in.readline(); 3. System.out.println(); 4. System.out.println( Buon Giorno, + name); 5. } 6. } What s your name? 1. // Tastatureingabe einlesen! 2. String name = in.readline(); 3. System.out.println(); 4. System.out.println( Buon Giorno, + name); 5. } 6. } What s your name? Nemo 57 / Grussprogramm II 1. // Tastatureingabe einlesen! 2. String name = in.readline(); 3. System.out.println(); 4. System.out.println( Buon Giorno, + name); 5. } 6. } What s your name? Nemo Buon Giorno, Nemo 59 / 69