Dietrich Boles Cornelia Boles. Objektorientierte Programmierung spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell

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1 Dietrich Boles Cornelia Boles Objektorientierte Programmierung spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell

2 Dietrich Boles Cornelia Boles Objektorientierte Programmierung spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell 2., überarbeitete und erweiterte Auflage STUDIUM

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dr.-Ing. Dietrich Boles Geboren 1963 in Altena (Westf.). Studium der Informatik von 1988 bis 1994 an der Universität Oldenburg. Seit 1994 wissenschaftlicher Mitarbeiter des Departments für Informatik an der Universität Oldenburg dort Promotion. Seit 1996 zuständig für die Programmierausbildung von Informatik- Studierenden an der Universität Oldenburg. Arbeitsschwerpunkte: Objektorientierte Softwareentwicklung, elearning und Werkzeuge für die Programmierausbildung Dr. Cornelia Boles Geboren 1970 in München. Studium der Informatik von 1989 bis 1995 an der TU München. Von 1995 bis 1997 wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Fakultät für Informatik der TU München. Von 1997 bis 2002 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachbereich Informatik der Universität Oldenburg dort Promotion. Seit 2002 als Seniorberaterin bei der OSC Information Management AG und der BTC Business Technology Consulting AG tätig Arbeitsschwerpunkte: Objektorientierte Softwareentwicklung und Internet-Technologien 1. Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 Lektorat: Ulrich Sandten Kerstin Hoffmann Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Vorwort Muss das Erlernen der Programmierung eine langweilige Angelegenheit sein? Müssen Sie sich mit trockenen Aufgaben auseinandersetzen, um zu lernen, Probleme mit Hilfe eines Computers lösen zu können? Nein! Mit Hilfe des Hamster-Modells können Sie spielend programmieren lernen und dabei Spaß haben. Sie entwickeln Programme, in denen Sie virtuelle Hamster durch eine virtuelle Landschaft steuern und bestimmte Aufgaben lösen lassen. Die Hamster suchen in Labyrinthen nach Körnern, die Hamster erklimmen Berge und die Hamster spielen sogar Schach und ähnliche Spiele und dabei lernen Sie, liebe Leserinnen 1 und Leser, die wichtigsten Konzepte der Programmierung kennen. Vor sich haben Sie den zweiten Band der so genannten Java-Hamster-Bücher. Im ersten Band mit dem Titel Programmieren spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell [Bol08b], in dem die Konzepte der imperativen Programmierung vermittelt werden, gibt es nur einen einzelnen Hamster. Sein Alleinsein hat aber nun ein Ende. Dafür können Sie sorgen, denn in dem vorliegenden Buch werden Sie lernen, weitere Hamster zu erzeugen. Die Hamster können gemeinsam das Territorium, in dem sie leben, erforschen, Körner sammeln und um Mauern herum laufen. Die Hamster können Nachwuchs produzieren und ihre Fähigkeiten an ihre Nachkommen vererben. Sie können sich Knechte halten, die für sie die Arbeit erledigen. Sie lernen lesen und schreiben und vieles, vieles mehr. Genutzt werden dazu Konzepte der objektorientierten Programmierung, der heutzutage sowohl im Ausbildungsbereich als auch im industriellen Umfeld eine hohe Bedeutung zukommt. Jedes Kapitel dieses Buches führt aufbauend auf den vorangehenden ein neues Konzept ein und erweitert damit die Fähigkeiten der Hamster. Viele Beispielprogramme demonstrieren Ihnen dabei den korrekten Einsatz der Konzepte und anhand von selbstständig zu lösenden Aufgaben können Sie feststellen, ob Sie die Konzepte nicht nur verstanden haben, sondern beim Lösen von Problemen auch richtig einsetzen können. Hamster-Programme werden in der so genannten Hamster-Sprache formuliert. Auch in diesem zweiten Band der Java-Hamster-Bücher wird die Programmiersprache Java als die der Hamster- Sprache zugrunde liegende Programmiersprache verwendet. Während in der Vergangenheit viele Programmiersprachen bereits nach ein paar Jahren durch andere verdrängt wurden, hat sich Java inzwischen auch im industriellen Umfeld etablieren können. Die Hamster-Sprache weicht an einer einzigen Stelle aus didaktischen Gründen von der Sprache Java ab. Aber keine Angst, im letzten Kapitel des Buches wird Ihnen gezeigt, wo dies der Fall ist und wie richtige Java-Programme aussehen. Im ersten Band der Java-Hamster-Bücher haben Sie erfahren, dass Java eine imperative objektorientierte Programmiersprache ist. Das bedeutet, dass die objektorientierten Konzepte der Sprache auf imperativen Sprachkonzepten basieren. Genau aus diesem Grund wurden im ersten Band der Java-Hamster-Bücher die Konzepte der imperativen Programmierung erläutert und darauf aufbauend werden in diesem zweiten Band objektorientierte Programmierkonzepte vorgestellt. Diesbezüglich streiten sich Lehrende der Informatik immer mal wieder: Sollen Programmieranfängern erst die 1 Lediglich aufgrund der besseren Lesbarkeit wird in diesem Buch ab nun ausschließlich die maskuline Form verwendet.

5 VI imperativen oder erst die objektorientierten Programmierkonzepte beigebracht werden? Meine Meinung hierzu, die auf meinen Erfahrungen bei der Durchführung von inzwischen 13 Programmierkursen für Informatik-Erstsemester an der Universität Oldenburg basiert, ist eindeutig imperativ vor objektorientiert, wie auch der Aufbau der beiden Bände der Java-Hamster-Bücher zeigt. Vielleicht gehören Sie zu denjenigen Lesern, die nicht den ersten Band der Java-Hamster-Bücher durchgearbeitet haben, und Sie stellen sich nun die Frage: Muss ich diesen jetzt zunächst noch erwerben? Die Antwort lautet: nicht unbedingt, wenn Sie zum Beispiel in der Schule schon imperative Programmiersprachen, wie Pascal oder Modula-2 kennen gelernt haben. In diesem Fall sollten Sie besonders gründlich Kapitel 2 dieses Buches lesen, das eine Zusammenfassung des ersten Bandes enthält. Wenn Sie aber ein völliger Programmieranfänger sind, reicht eine solche Zusammenfassung nicht aus. In diesem Fall empfehle ich Ihnen, sich vor diesem Buch zunächst intensiv mit dem ersten Band der Java-Hamster-Bücher zu beschäftigen. Dieser zweite Band des Java-Hamster-Buches ist übrigens nicht der letzte. Im Jahr 2008 ist im Vieweg+Teubner-Verlag ein dritter Band erschienen, der in die parallele Programmierung einführt und dabei das Thread-Konzept von Java nutzt. Der Titel lautet Parallele Programmierung spielend gelernt mit dem Java-Hamster-Modell Programmierung mit Java-Threads [Bol08a]. Im letzten Kapitel werden Sie einen kurzen Eiblick in den dritten Band erhalten. Das Java-Hamster-Modell im WWW Zum Java-Hamster-Modell existiert im World Wide Web auch unter folgendem URL eine spezielle Website: Auf dieser Site finden Sie ergänzende Materialien, Korrekturen, weitere Beispielprogramme, Aufgaben, ein Diskussionsforum und vieles mehr. Weiterhin sind die Java-Hamster-Bücher auch im BookIP-System präsent ( BookIP ist eine Web-2.0-Plattform zur Verbesserung der Kommunikation zwischen Verlagen, Autoren und Lesern. Der Hamster-Simulator Beim Hamster-Modell steht nicht so sehr das Learning-by-Listening bzw. Learning-by-Reading im Vordergrund, sondern vielmehr das Learning-by-Doing, also das Üben. Aus diesem Grund enthalten die einzelnen Kapitel der Bücher jeweils viele Beispielprogramme und Übungsaufgaben, die Sie intensiv bearbeiten sollten. Um die Beispielprogramme nachvollziehen zu können und die Aufgaben nicht nur mit Stift und Papier lösen zu müssen, haben wir ein spezielles Java-Programm, den so genannten Hamster- Simulator, entwickelt. Dieser stellt er eine Reihe von Werkzeugen zum Erstellen und Ausführen von Hamster-Programmen zur Verfügung: einen Editor zum Eingeben und Verwalten von Hamster- Programmen, einen Compiler zum Übersetzen von Hamster-Programmen, einen Territoriumsgestalter zum Gestalten und Verwalten von Hamster-Territorien, einen Interpreter zum Ausführen von Hamster-Programmen und einen Debugger zum Testen von Hamster-Programmen. Der Hamster- Simulator ist einfach zu bedienen, wurde aber funktional und bedienungsmäßig bewusst an professionelle Entwicklungsumgebungen für Java (z.b. Eclipse) angelehnt, um einen späteren Umstieg auf diese zu erleichtern.

6 VII Auf eine dem Buch beigelegte CD-ROM mit dem Hamster-Simulator haben wir verzichtet, um das Buch möglichst kostengünstig anbieten und immer aktuelle Versionen des Simulators zur Verfügung stellen zu können. Stattdessen steht der Hamster-Simulator auf der oben angegebenen Website zum kostenlosen Download bereit. Ich kann Ihnen nur dringend empfehlen, sich den Hamster-Simulator aus dem World Wide Web zu laden und auf Ihrem Computer zu installieren. Es macht nicht nur Spaß, die Hamster durch ihr Territorium flitzen zu sehen und sie bei ihrer Arbeit zu beobachten. Vielmehr ist es zum Erlernen der Programmierung dringend erforderlich, sich selbstständig mit Aufgaben auseinanderzusetzen und Lösungsprogramme zu entwickeln und zu testen. Allein durch Lesen lernt man nicht Programmieren! Dank Wie oben bereits erwähnt, setze ich das Java-Hamster-Modell seit vielen Jahren in meinen Vorlesungen an der Universität Oldenburg ein. Ich möchte mich hiermit bei den Studierenden ganz herzlich für die zahlreichen Anregungen, Tipps und Verbesserungsvorschläge bedanken. Auch außerhalb der Universität Oldenburg ist die Fan-Gemeinde des Java-Hamsters in den vergangenen Jahren ständig gewachsen. An dieser Stelle möchte ich ein großes Dankeschön für die vielen freundlichen s aussprechen. Neben den lobenden Worten in den s zeigen mir auch die vielen positiven Buchbewertungen, bspw. bei dass das Hamster-Modell nicht nur gut ankommt, sondern auch seinen Zweck erfüllt, Programmieranfängern die Konzepte der Programmierung beizubringen. Einen speziellen Fan des Java-Hamsters möchte ich an dieser Stelle besonders herausstellen: meine Frau Cornelia. Sie hat mich nicht nur immer wieder motiviert, das Hamster-Modell weiter zu entwickeln, sondern hat selber aktiv daran mitgearbeitet. Daher ist sie bei diesem zweiten Band Co-Autorin. Ein Dankeschön geht auch an Daniel Jasper. Er hat die Ursprungsversion des Hamster-Simulators entwickelt. Die Konzeption war dabei so gut, dass der Simulator in der Zwischenzeit von mir und einigen Studierenden ohne große Probleme um viele weitere Feature erweitert werden konnte. Weiterhin gebührt Anja Hasler ein besonderer Dank. Sie hat in diesem zweiten Band die Aufgabe übernommen, Hamster-Bildchen zu malen und das Buch damit optisch etwas aufzupeppen. Ich denke, das ist ihr bravourös gelungen! Ein weiterer Dank geht an Frau Kerstin Hoffmann und Herrn Ulrich Sandten vom Vieweg+Teubner-Verlag für die tolle Zusammenarbeit. Anmerkungen zur zweiten Auflage Die erste Auflage dieses Buches ist im Jahr 2004 erschienen. Seitdem hat sich (natürlich) in der Java- Welt einiges getan. Insbesondere mit der Java-Version 5 sind einige neue Programmierkonzepte in die Sprache aufgenommen worden. Diese wurden in die vor Ihnen liegende zweite Auflage integriert. Hierbei handelt es sich um Enums (Kapitel 6.9), die for-each-schleife (Kapitel ), das Autoboxing und Unboxing (Kapitel 11.9), den statischen Import (Kapitel ) und die Generics (Kapitel 15). Weiterhin wird nun der Java-Klassenbibliothek mit Kapitel 16 ein eigenes Kapitel

7 VIII gewidmet, in dem die standardmäßig von Java zur Verfügung gestellten Klassen überblicksartig vorgestellt werden. Ein Glossar mit kurzen präzisen Erläuterungen der objektorientierten Konzepte bzw. Begriffe, das von einigen Lesern gewünscht wurde, finden Sie nun im Anhang. Weiterhin wurden einige kleine Fehler, die sich in die erste Auflage des Buches eingeschlichen hatten, beseitigt und an einigen Stellen kleine Ergänzungen vorgenommen. Die Rechtschreibung wurde an die seit dem 1.August 2006 gültigen Regeln angepasst. Der Sourcecode der Hamster- Programme entspricht nun den Java-Code-Conventions, an die sich mittlerweile quasi alle Java- Programmierer halten. Hierbei handelt es sich um allgemeine Richtlinien, was die Gestaltung von Programmen und die Wahl von Bezeichnern angeht. Auf Wunsch vieler Leser wurden darüber hinaus Verbesserungen am Erscheinungsbild des Buches vorgenommen. In der zweiten Auflage nicht mehr wiederfinden werden Sie das alte Kapitel 15 (Spielende Hamster), in dem keine neue Konzepte mehr eingeführt, sondern alle objektorientierten Sprachkonzepte noch einmal an einem größeren Beispiel demonstriert wurden. In dem Kapitel ging es konkret darum, wie man den Hamstern das Spielen von Zwei-Spieler-Strategiespielen, wie Schach, Reversi oder 4- Gewinnt, beibringen kann bzw. allgemein, wie man Programme schreibt, die derartige Spiele spielen können. Wir haben uns zum Entfernen dieses Kapitels entschlossen, damit das Buch nicht zu dick und damit zu teuer wird. Sie finden das Kapitel, wie auch noch ein weiteres Kapitel, das sich mit der Typänderung des Standard-Hamsters beschäftigt, jedoch online auf der Website zum Java-Hamster- Modell Kontakt Meinungen, Lob, Kritiken, Fragen und Verbesserungsvorschläge zum Buch sind übrigens erwünscht. Meine Anschrift lautet: Dr.-Ing. Dietrich Boles, Universität Oldenburg, Department für Informatik, Escherweg 2, D Oldenburg; Bevor Sie sich jetzt endlich ins Vergnügen stürzen und die Hamster zum Leben erwecken, möchte ich Ihnen das folgende süße Gedicht nicht vorenthalten, das ich von einem mir leider unbekannten Hamster-Fan erhalten habe und das das Leben der Hamster sehr schön widerspiegelt: Wer irrt so spät im Kachelwald, es ist der Hamster und ihm ist kalt. Ob rechts ob links er hat die Wahl, das Korn zu suchen ist seine Qual. So läuft er ziellos durch die Gänge, im Nacken stets die Java-Zwänge. Und bis er hat das Korn gefunden, dauert es oft viele Stunden. Dann das Ergebnis all der Müh und Not: Das Feld ist voll, der Hamster tot!!! Nun wünschen wir allen Leserinnen und Lesern viel Spaß beim Hamstern und viel Erfolg beim Erlernen der objektorientierten Programmierung mit Java. Oldenburg, im Juli 2009 Dietrich und Cornelia Boles

8 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Programmierung Objektorientierte Programmierung Voraussetzungen und Ziele dieses Buches Aufbau dieses Buches Das imperative Hamster-Modell Komponenten des Hamster-Modells Anweisungen und Programme Prozeduren Auswahlanweisungen Wiederholungsanweisungen Boolesche Funktionen Variablen und Ausdrücke int-funktionen Funktionsparameter Rekursion Hamster-Objekte Das objektorientierte Hamster-Modell Hamster-Namen Der Standard-Hamster Aufruf von Hamster-Befehlen Koordinatensystem Erzeugung neuer Hamster Initialisierung erzeugter Hamster Hamster-Befehle Neue Hamster-Befehle Der Datentyp Hamster Beispielprogramme Aufgaben Die Klasse Hamster Motivation Attribute Methoden Implementierung von Methoden this Implementierung der Hamster-Methode maulleer Erzeugung von Hamster-Objekten... 61

9 X Inhaltsverzeichnis 4.8 Initialisierung von Hamster-Objekten Aufgaben Erweiterte Hamster-Klassen (Grundlagen) Definition erweiterter Hamster-Klassen Definition von Attributen Definition von Methoden Zugriff auf Attribute Attribute versus methodenlokale Variablen Erzeugung erweiterter Hamster-Objekte Aufruf von Methoden Komplette Programme mit erweiterten Hamster-Klassen Separate Klassen Beispielprogramme Aufgaben Erweiterte Hamster-Klassen (Fortsetzung) Überladen von Methoden Rekursive Methoden Konstruktoren Klassenattribute Klassenmethoden Die Klasse Territorium Konstanten Subobjekte Enums Beispielprogramme Aufgaben Vererbung Erben der Klasse Hamster Ableiten von erweiterten Hamster-Klassen super Überschreiben von Methoden Gleichnamige Attribute Konstruktoren Klassenattribute final Vorteile der Vererbung Allround-Hamster Beispielprogramme Aufgaben Arrays Motivation Definition und Erzeugung von Arrays Zuweisung Zugriff auf Arrays...171

10 Inhaltsverzeichnis XI 8.5 Laufzeitfehler beim Zugriff auf Arrays Initialisierung von Arrays Referenzdatentypen Ermittlung der Größe eines Arrays Arrays als Parameter von Funktionen und Methoden Arrays als Funktions- bzw. Methodenwerte for-schleife Arrays als Attribute Hamster-Arrays Mehrdimensionale Arrays Beispielprogramme Aufgaben Verallgemeinerung des Klassen/Objekte-Konzeptes Klassen und Objekte Vererbung Beispielprogramme Aufgaben Ein- und Ausgabe Zeichenketten Ausgabe Eingabe Beispielprogramme Aufgaben Polymorphie und dynamisches Binden Polymorphie Einschränkung des Protokolls Polymorphie und Parameter Explizite Typumwandlung Dynamisches Binden von Methoden Erweiterbarkeit Die Klasse Object Wiederverwendbarkeit Autoboxing und Unboxing Weitere Methoden der Klasse Territorium Beispielprogramme Aufgaben Abstrakte Klassen und Interfaces Abstrakte Klassen Interfaces Vergleich von abstrakten Klassen und Interfaces Beispielprogramme Aufgaben Fehlerbehandlung mit Exceptions Überblick...329

11 XII Inhaltsverzeichnis 13.2 Fehlerklassen Erzeugen und Werfen von Fehlerobjekten Fehlertypdeklaration Abfangen von Fehlerobjekten Unchecked-Exceptions Verwendung von Exceptions Beispielprogramme Aufgaben Zugriffsrechte und Pakete Zugriffsrechte Pakete Zusammenspiel von Zugriffsrechten und Paketen Beispielprogramme Aufgaben Generics Hamster und ihre Frauen Generische Klassen Bounds Wildcards Generische Methoden Einschränkungen Beispielprogramme Aufgaben Java-Klassenbibliothek Das Paket java.lang Utilities Graphische Benutzungsoberflächen Ein- und Ausgabe mit Java Netzwerkprogrammierung Aufgaben Ausblick Hamster-Programme versus Java-Programme Objektorientierte Softwareentwicklung Parallele Programmierung A Klassen des Java-Hamster-Modells 499 A.1 Exception-Klassen A.2 Die Klasse Hamster A.3 Die Klasse Territorium Glossar 511 Literaturverzeichnis 515 Sachverzeichnis 517