Imperative Programmierung in Java

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1 Kapitel 3 Imperative Programmierung in Java Im vorigen Kapitel haben wir generelle Eigenschaften der imperativen wie der objektorientierten Programmierung kennengelernt. Auch Teile der Syntax der objektorientierten Anteile von Java wurden vorgestellt. Dieses Kapitel wird sich nun mit der Syntax und Semantik der imperativen Anteile von Java beschäftigen, d.h. im wesentlichen mit den Rümpfen von Methoden. Weder Syntax noch Semantik werden allerdings formal eingeführt, wie wir es in Kapitel 1 kennengelernt haben, sondern im wesentlichen anhand von Beispielen. Zunächst wird die Semantik von Mini-Java erläutert, dessen Syntax wir bereits in Kapitel 1 definiert haben. Danach werden die wichtigsten der noch fehlenden Java-Konstrukte vorgestellt. Eine komplette Syntaxbeschreibung von Java findet sich auf der folgenden SUN-Webseite: edition/html/syntax.doc.html 3.1 Mini-Java Ein Mini-Java Programm besteht aus genau einer Klasse. In dieser Klasse gibt es genau eine main-methode. Folgende Konstrukte sind Anweisungen (statements gemäß Mini-Java-Syntax, vgl. Beispiel 1.2.2): 1. Die Deklaration einer Variablen vom Typ int mit sofortiger Initialisierung: int ident = expression; Jeder Bezeichner (ident) darf in höchstens einer Variablendeklaration vorkommen. Diese kontextsensitive Bedingung lässt sich nicht in der EBNF- Definition formulieren. 2. Die Zuweisung eines Wertes an eine Variable: 29

2 ident = expression; Diese Variable muss vorher deklariert worden sein und den gleichen Typ wie der Ausdruck haben. Diese Nebenbedingung ist ebenfalls nicht in der EBNF-Definition ausgedrückt. 3. Eine bedingte Anweisung (if-then Anweisung): if(condition) statement Der Bool sche Ausdruck (condition) wird ausgewertet; ist er true, so wird die Anweisung (statement) ausgeführt. Ist er false, so wird die Anweisung nicht ausgeführt und die Programmausführung mit der nächsten Anweisung hinter der if-then Anweisung fortgesetzt. 4. Eine abweisende Schleife (while-schleife): while(condition) statement Der Bool sche Ausdruck wird ausgewertet; ist er true, so wird die Anweisung so lange ausgeführt, bis der Bool sche Ausdruck false wird. 5. Ein Block. { statement1 ; statement2 ;... Die Statements in der geschweiften Klammer werden von links nach rechts nacheinander abgearbeitet. 6. Eine Anweisung zum Schreiben auf der Standardausgabe: System.out.println(...); System ist eine Klasse, die klassenbezogene Methoden zur Darstellung des Zustandes des Systems bereitstellt. out ist eine Klassenvariable der Klasse System, ihr Inhalt ist der Standardausgabestrom. Die Methode println wird also auf das klassenbezogene Datenfeld out angewendet es wird ein String mit abschließendem Zeilenvorschub auf dem Standardausgabestrom ausgegeben. 7. Die leere Anweisung. ; Es geschieht nichts. 8. Die Deklaration eines eindimensionalen Feldes (Arrays) mit sofortiger Initialisierung: int[] array = new int[3]; deklariert ein Feld namens array, erzeugt ein Feld mit drei int-komponenten und weist dieses der Feldvariablen array zu. Beachte, dass die Dimension 30

3 (3) einer Feldvariablen nicht bei der Deklaration (int[] array) angegeben wird, sondern nur bei der Erzeugung (new int[3]). Die erste Komponente eines Feldes hat den Index 0. Die Länge des Feldes kann aus dessen Datenfeld length ausgelesen werden (array.length). 9. Die Zuweisung eines Wertes an die i-te Komponente eines Feldes, wobei 0 i array.length 1: array[i] = expression; Alle weiteren Konstrukte haben eine offensichtliche Bedeutung, bis auf Integer.parseInt(argsIdent[expression]) Betrachten wir hierfür noch einmal die main-methode: Sie hat als Parameter ein Feld von Zeichenketten. Diese Zeichenketten sind die Programmargumente und werden normalerweise vom Anwender beim Programmaufruf eingegeben. class Echo { public static void main(string[] args) { int i = 0; while(i < args.length) { System.out.println(args[i]); i = i+1; > java Echo > Um eine Zeichenkette in eine ganze Zahl zu konvertieren, wird die Klassenmethode parseint der Klasse Integer mit dieser Zeichenkette als Argument aufgerufen. Sie liefert die entsprechende ganze Zahl als Ergebnis zurück bzw. meldet einen Fehler, falls die Zeichenkette keine ganze Zahl dargestellt hat. class BadAddOne { public static void main(string[] args) { int i = 0; while(i < args.length) { int wert = args[i]; wert = wert+1; System.out.println(wert); 31

4 i = i+1; > javac BadAddOne.java BadAddOne.java:6: Incompatible type for declaration. Can t convert java.lang.string to int. int wert = args[i]; > Stattdessen muss eine explizite Typkonvertierung stattfinden: class AddOne { public static void main(string[] args) { int i = 0; while(i < args.length) { int wert = Integer.parseInt(args[i]); wert = wert+1; System.out.println(wert); i = i+1; > java AddOne > 3.2 Von Mini-Java zu Java Jedes Mini-Java Programm ist ein Java Programm. In diesem Abschnitt werden die Datentypen und imperativen Konstrukte von Java erläutert, die nicht bereits in Mini-Java vorhanden sind Elementare Datentypen Unicode: Java, als Sprache für das World Wide Web, benutzt einen 16-Bit Zeichensatz, genannt Unicode. Die ersten 256 Zeichen von Unicode sind identisch mit dem 8-Bit Zeichensatz Latin-1, wobei wiederum die ersten 128 Zeichen von Latin-1 mit dem 7-Bit ASCII Zeichensatz übereinstimmen. 32

5 Elementare Datentypen und deren Literale: Typ boolean true und false Typ int 29 (Dezimalzahl) oder 035 (Oktaldarstellung wegen führender 0) oder 0x1D (Hexadezimaldarstellung wegen führendem 0x) oder 0X1d (Hexadezimaldarstellung wegen führendem 0X) Typ long 29L (wegen angehängtem l oder L) Typ short short i = 29; (Zuweisung, es gibt kein short-literal) Typ byte byte i = 29; (Zuweisung, es gibt kein byte-literal) Typ double 18.0 oder 18. oder 1.8e1 oder.18e2 Typ float 18.0f (wegen angehängtem f oder F) Typ char Q, \u0022, \u0b87 Typ String "Hallo" (String ist kein elementarer Datentyp; s. Kapitel 4) Initialbelegungen: Während ihrer Deklaration kann eine Variable wie in Mini- Java initialisiert werden. final double PI = ; float radius = 1.0f; Sind für Datenfelder einer Klasse keine Anfangswerte angegeben, so belegt Java sie mit voreingestellten Anfangswerten. Der Anfangswert hängt vom Typ des Datenfeldes ab: Feld-Typ Anfangswert boolean false char \u0000 Ganzzahl (byte, short, int, long) 0 Gleitkommazahl +0.0f oder +0.0d andere Referenzen null Lokale Variablen in einer Methode (oder einem Konstruktor oder einem klassenbezogenen Initialisierungsblock) werden von Java nicht mit einem Anfangswert initialisiert. Vor ihrer ersten Benutzung muss einer lokalen Variablen ein Wert zugewiesen werden (ein fehlender Anfangswert ist ein Fehler) Kommentare // Kommentar bis zum Ende der Zeile /* Kommentar zwischen */ 33

6 Achtung: /* */ können nicht geschachtelt werden! /* falsch /* geschachtelter Kommentar */ */ Bool sche Operatoren && logisches und logisches oder! logisches nicht Die Auswertung eines Bool schen Ausdrucks erfolgt von links nach rechts, bis der Wert eindeutig feststeht. Folgender Ausdruck ist deshalb robust: if(index>=0 && index<array.length && array[index]!=0) Bitoperatoren Die Bitoperatoren & (und) und (oder) sind definiert durch: & int-zahlen werden durch diese Operatoren bitweise behandelt. Beispiel Es seien x und y folgendermaßen gewählt: x = 60 (in Binärdarstellung ) und y = 15 (binär: ). In diesem Fall ist x&y = 12 und x y = 63: x & y (60) & (15) (12) x y (60) (15) (63) Wenn man 0 als false und 1 als true interpretiert, so entspricht & dem logischen und (&&) und dem logischen oder ( ) Inkrement und Dekrement Man kann den Wert einer Variablen x (nicht den eines Ausdrucks) durch den Operator ++ um 1 erhöhen bzw. durch - um 1 erniedrigen. Es gibt Präfix- und Postfixschreibweisen, die unterschiedliche Wirkungen haben: Bei der Präfixschreibweise wird der Wert zuerst modifiziert und danach der veränderte Wert zurückgeliefert. Bei der Postfixschreibweise wird zuerst der Wert der Variablen zurückgeliefert, dann wird sie modifiziert. 34

7 int i = 10; int i = 10; int j = i++; int j = ++i; System.out.println(j); System.out.println(j); > > Der Ausdruck i++ ist gleichbedeutend mit i = i+1, jedoch wird i nur einmal ausgewertet! Beispiel (A) (B) arr[where()]++; Die Methode where() wird einmal aufgerufen. arr[where()] = arr[where()]+1; Hierbei wird die Methode where() jedoch zweimal aufgerufen. Seiteneffekte können hier sogar das Ergebnis beeinflussen: In dem Kontext arr[0] = 0; arr[1] = 1; arr[2] = 2; und private static int zaehler = 0; private static int where() { zaehler = zaehler+1; return zaehler; liefert (A) arr[1] = 2 bzw. (B) arr[1] = Zuweisungsoperatoren i += 2; ist gleichbedeutend mit i = i+2; außer, dass der Ausdruck auf der linken Seite von i += 2; nur einmal ausgewertet wird (vgl. Inkrement und Dekrement). Entsprechend sind -=, &= und = definiert Die nichtabweisende Schleife Zusätzlich zur abweisenden Schleife gibt es eine nichtabweisende Schleife in Java: do statement while(condition); Die condition wird erst nach der Ausführung von statement ausgewertet. Solange sie true ist, wird statement wiederholt. 35

8 3.2.8 for-schleife for(init-statement; condition; increment-statement) statement ist gleichbedeutend mit (mit Ausnahme vom Verhalten bei continue): { init-statement while(condition) { statement increment-statement Übliche Verwendung der for-schleife: for(int i=0; i<=10; i++) { System.out.println(i); Der Gültigkeitsbereich der (Lauf-)Variablen i beschränkt sich auf die for-schleife! int i = 0; for(int i=0; i<=10; i++) { System.out.println(i); ist jedoch nicht möglich, da die Variable i vorher schon deklariert wurde. Die Initialisierungs- bzw. Inkrementanweisung einer for-schleife kann eine durch Kommata getrennte Liste von Ausdrücken sein. Diese werden von links nach rechts ausgewertet. Beispiel (Arnold & Gosling [1], S. 144) public static int zehnerpotenz(int wert) { int exp, v; for(exp=0,v=wert; v>0; exp++, v=v/10) ; // leere Anweisung return exp; Alle Ausdrücke dürfen auch leer sein; dies ergibt eine Endlosschleife: for(;;) { System.out.println("Hallo"); 36

9 3.2.9 if-then-else Anweisung if(condition) statement1 else statement2 Die condition wird ausgewertet; ist sie true, so wird statement1 ausgeführt. Ist sie false, so wird statement2 ausgeführt. Der else-zweig darf entfallen; dies ergibt dann die if-then Anweisung aus Mini-Java. Ein else bezieht sich immer auf das letzte if, das ohne zugehöriges else im Programm vorkam. Was passiert, wenn mehr als ein if ohne ein else vorangeht? Das folgende Beispiel zeigt eine falsche (d.h. nicht intendierte) und eine richtige Verwendung (Schachtelung) von if-then-else Anweisungen. Beispiel (Arnold & Gosling [1], S. 139) public double positivesumme(double[] werte) { double sum = 0.0; if(werte.length > 1) for(int i=0; i<werte.length; i++) if(werte[i] > 0) sum += werte[i]; else // hoppla! sum = werte[0]; return sum; Der else-teil sieht so aus, als ob er an die Feldlängenprüfung gebunden wäre, aber das ist eine durch die Einrückung erweckte Illusion, und Java ignoriert Einrückungen. Statt dessen ist ein else-teil an das letzte if gebunden, das keinen else-teil hat. So ist der vorangehende Block äquivalent zu: public double positivesumme(double[] werte) { double sum = 0.0; if(werte.length > 1) for(int i=0; i<werte.length; i++) if(werte[i] > 0) sum += werte[i]; else // hoppla! sum = werte[0]; return sum; 37

10 Das war vielleicht nicht beabsichtigt. Um den else-teil an das erste if zu binden, müssen Klammern zur Erzeugung eines Blocks verwendet werden: public double positivesumme(double[] werte) { double sum = 0.0; if(werte.length > 1) { for(int i=0; i<werte.length; i++) if(werte[i] > 0) sum += werte[i]; else { sum = werte[0]; return sum; Mehrdimensionale Felder Mehrdimensionale Felder werden in Java durch Felder von Feldern realisiert. Beispiel (Jobst [4], S. 37) public class Array2Dim { public static void main(string[] args) { int[][] feld = new int[3][3]; //Weise feld[i][j] den Wert (i+1)*10+j zu for(int i=0; i<feld.length; i++) { for(int j=0; j<feld[i].length; j++) { feld[i][j] = (i+1)*10+j; System.out.print(feld[i][j]+" "); System.out.println(); > java Array2Dim

11 Da Felder in Java dynamisch sind, kann bei mehrdimensionalen Feldern jedes verschachtelte Feld eine andere Größe aufweisen. Beispiel (Jobst [4], S. 38) public class DemoArray { public static void main(string[] args) { int[][] feld = new int[3][]; for(int i=0; i<feld.length; i++) { feld[i] = new int[i+1]; for(int j=0; j<feld[i].length; j++) { feld[i][j] = (i+1)*10+j; System.out.print(feld[i][j]+" "); System.out.println(); > java DemoArray Felder können bei ihrer Deklaration sofort initialisiert werden: 39

12 Beispiel (Jobst [4] S. 39) public class DemoFeldInitial { public static void main(string[] args) { int[][] feld = {{1,2,3,{4,5,{7,8,9,10; //Ausgabe des Feldes for(int i=0; i<feld.length; i++) { for(int j=0; j<feld[i].length; j++) System.out.print(feld[i][j]+" "); System.out.println(); > java DemoFeldInitial switch-anweisung switch(expression) { case const1: statement1 break; case const2: statement2 break;... default: statement Der Ausdruck (expression) muss ganzzahlig sein. Nach case müssen Konstanten stehen, die bei der Übersetzung des Programms berechnet werden können. Der Ausdruck wird berechnet. Danach wird das Programm an derjenigen case- Anweisung fortgesetzt, deren Konstante dem Wert des Ausdrucks entspricht. Mit break kann man switch verlassen. Nach case darf nur jeweils eine Konstante stehen. Wenn es keine passende Konstante gibt, so wird das Programm bei der default Anweisung fortgesetzt (falls vorhanden). Achtung: Das nächste case erzwingt nicht das Verlassen der switch-anweisung. Es impliziert auch nicht das Ende der Anweisungsausführung. Beispiel (Jobst [4], S. 15) 40

13 public class DemoFuerSwitch { public static void main (String[] args) { for(int i=0; i<=10; i++) switch(i) { case 1: case 2: System.out.println(i+" Fall 1,2"); // Weiter bei Fall 3 case 3: System.out.println(i+" Fall 3"); // Weiter bei Fall 7 case 7: System.out.println(i+" Fall 7"); break; default: System.out.println(i+" sonst"); > java DemoFuerSwitch 0 sonst 1 Fall 1,2 1 Fall 3 1 Fall 7 2 Fall 1,2 2 Fall 3 2 Fall 7 3 Fall 3 3 Fall 7 4 sonst 5 sonst 6 sonst 7 Fall 7 8 sonst 9 sonst 10 sonst > 3.3 Aufgaben Aufgabe Schreiben Sie ein Programm Primes in Mini-Java, das eine Zahl als Argument erhält und überprüft, ob diese Zahl eine Primzahl ist. Wenn sie eine ist, dann soll die Zahl wieder ausgegeben werden; wenn nicht, dann sollen 41

14 die Zahlen, durch die sie teilbar ist, ausgegeben werden. Aufgabe Implementieren Sie eine Klasse Factorial, in der die Fakultät einer Zahl durch die Methoden fwhile und ffor berechnet werden kann. Dabei soll die Methode fwhile die Fakultät einer Zahl mit einer while-schleife berechnen, während ffor dazu eine for-schleife benutzt. Aufgabe Schreiben Sie ein Programm, das das Pascalsche Dreieck bis zu einer Tiefe von zwölf berechnet, dabei jede Reihe des Dreiecks in einem Array mit entsprechender Länge speichert und alle zwölf Arrays in einem Array von int-arrays hält. Entwerfen Sie Ihre Lösung so, dass die Ergebnisse durch eine Methode ausgegeben werden, die die Länge der einzelnen Arrays des Hauptarrays berücksichtigt und nicht von einer konstanten Länge 12 ausgeht. Anschließend sollten Sie Ihren Code bezüglich der Konstante 12 modifizieren können, ohne dabei die Ausgabemethode ändern zu müssen. Aufgabe Schreiben Sie unter Verwendung von if/else bzw. unter Verwendung von switch je eine Methode, die einen Stringparameter erhält und einen String zurückliefert, in dem alle Sonderzeichen des Ursprungsstrings durch ihre Java-Äquivalente ersetzt wurden. Ein String, der beispielsweise ein Anführungszeichen (") enthält, sollte einen String zurückliefern, in dem das " durch \" ersetzt worden ist. Bitte ersetzen Sie alle Zeichen, die in der folgenden Tabelle aufgeführt werden durch ihre Äquivalente: Sonderzeichen Java-Äquivalent " \" \ \ \\ 42