Grundlagen der Programmierung Teil1 Einheit IV Okt. 2009

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1 Grundlagen der Programmierung Teil1 Einheit IV Okt GDP DDr. Karl D. Fritscher basierend auf der Vorlesung Grundlagen der Programmierung von DI Dr. Bernhard Pfeifer

2 Methoden Methoden sind Programmteile, die bestimmte Teilaufgaben lösen (und sollten diesen Aufgaben entsprechend benannt werden). Vorteile durch Methoden: Komplexe Programme werden in kleine Teilprogramme zerlegt, damit die Komplexität des Programms heruntergebrochen wird. Damit ist der Kontrollfluss leichter zu erkennen. Wiederkehrende Programmteile sollen nicht immer wieder programmiert, sondern an einer Stelle angeboten werden. Änderungen an der Funktionalität lassen sich dann leichter durchführen,wenn der Code lokal zusammengefasst ist. Eine Methode besteht aus zwei Teilen: Dem Methodenkopf der Angaben über Sichtbarkeit, Rückgabetyp, Name der Methode und Parameter macht. dem Methodenrumpf, in dem die Deklarationen der lokalen Variablen und die eigentlichen Anweisungen stehen.

3 Zugriff/Sichtbarkeit (mehr dazu später) Methodendeklaration Methodenname Signatur public double setx(double xvalue) Bezeichner des Parameters Typ des Rückgabewerts Methodenkopf Typ des Parameters Soll eine Methode einen Wert zurückliefern kann dies mittels der return Anweisung geschehen. Mittels return kann immer nur ein einzelner Wert zurückgegeben werden Methoden die keinen Wert zurückliefern haben den Rückgabetyp void Die Menge aller öffentlichen Signaturen definiert die Schnittstelle einer Klasse

4 Beispiel zu Methode class Point { public double x, y; } //Methodendeklaration: public double distance(point pkt) { double xdiff = x - pkt.x; double ydiff = y - pkt.y; return Math.sqrt(xdiff*xdiff + ydiff*ydiff); } Methodenrumpf //Methodenaufruf: Class PointTester { public static void main(string[] args) { Point lowerleft = new Point(); Point upperrigth = new Point(); double d = lowerleft.distance(upperright); } }

5 Methoden & Rekursion Methoden können auch rekursiv programmiert werden Rekursive Methoden rufen sich solange selbst auf, bis eine Abbruchbedingung erreicht ist Der Vorteil des rekursiven Vorgehens ist, dass es elegant und einfach niedergeschrieben als auch implementiert werden kann. Im folgenden Beispiel wolle wir eine Methode writebin erstellen, die eine Zahl in Binärdarstellung ausgibt: Schnell wird man auf das Problem stoßen, dass die Binärziffern in der falschen Reihenfolge ausgegeben werden. Dieses Problem kann mittels Rekursion gelöst werden! 135

6 Methoden & Rekursion Hier wird die Darstellung der ersten Ziffern solange an den rekursiven Aufruf writebinrek (n/2) deligiert, bis die Abbruchbedingung (n<2) erreicht ist und die erste Stelle der Binärzahl ausgegeben wird. Die Zahlen werden daher im Vergleich zur 1. Lösung in umgekehrter Reihenfolge ausgegeben. 136

7 Überladen von Methoden Wir wollen wir das Maximum zweier Zahlen vom Typ int berechnen und definieren deshalb die Methode max: Im Verlauf unserer Programmiertätigkeit stellen wir jedoch fest, dass wir neben der Maximumsberechnung für int Werte auch eine für Daten vom Typ double benötigen. Daher formulieren wir wie folgt: Dürfen zwei Methoden überhaupt denselben Namen in derselben Klasse haben? Ja, das ist erlaubt -> dieses Konzept nennt sich überladen. Es darf mehrere Methoden mit demselben Namen geben sofern sich ihre Parameterlisten unterscheiden. 140

8 Überladen von Methoden Java unterscheidet gleichnamige Methoden: anhand der Zahl der Parameter anhand des Typs der Parameter anhand der Position der Parameter Es wird jedoch nicht anhand des Rückgabetyps unterschieden! public static int max(double a, double b) { } wird nicht von public static double max(double a, double b) { } unterschieden! 141

9 Variable Argument Anzahl (Java 5) Lästig ist, wenn man eine Methode mehrfach implementieren muss, obwohl sich die Parameter lediglich in der Anzahl, nicht jedoch im Typ unterscheiden. Will man eine Methode sum erstellen, welche für 2, 3 4, 5, 10, 20,... Parameter funktionieren soll, so muss man einige Methoden implementieren, oder nach einer anderen Lösung suchen. Ab Java 5 ist es gestattet, in der Signatur der Methoden den jeweils letzten Parameter variabel zuhalten.dies geht wie folgt: 142

10 Klassen Klassen Unter einer Klasse versteht man einen selbst definierten Datentyp, der dazu verwendet werden kann, neue Strukturen zu modellieren. Grundsätzlich kann man Klassen als eine Sammlung von Variablen verschiedener Typen verstehen. Eine Klassendefinition in Java wird durch das Schlüsselwort class eingeleitet. Anschließend folgt innerhalb von geschweiften Klammern eine beliebige Anzahl an Variablen- und Methodendefinitionen 119

11 Klassen Schlüsselwort 118

12 Klassen Will man eine Variable namens adr erzeugen, die vom Typ Adress ist, so geht man wie dargestellt vor: adr adr 120

13 Variablenzugriff Innerhalb einer Methode können die eigenen Variablen und Methoden der Klasse direkt (d.h. ohne Angabe des Instanznamens) aufgerufen werden. public double distance(point pkt) { double xdiff = x - pkt.x; double ydiff = y - pkt.y; return Math.sqrt(xdiff*xdiff +ydiff*ydiff); }

14 Die Klasse als Referenzdatentyp Wie Felder werden auch Instanzen einer Klasse nicht direkt an einen Variablennamen gebunden. Die Objekt-Variable speichert lediglich eine Referenz auf das Objekt. Es wird in diesem Beispiel ein Adressobjekt und dessen Komponente vorname & nachname auf Max Mustermann gesetzt.mit der Variablen adr erhalten wir lediglich einen Verweis auf einen Speicherbereich Mit der Anweisung adr1 = adr wird lediglich ein weiterer Verweis auf ein und dasselbe Objekt erzeugt. Der Zuweisungsoperator kopiert also auch hier nur die Referenzen, nicht aber die tatsächlichen Objekte. 121

15 this - Referenz this ist eine Referenz zum aktuellen Objekt, oder anders ausgedrückt: this ist eine Referenz auf die aktuelle Instanz der Klasse in der man sich gerade befindet. Über this kann auf alle Instanzvariablen und Methoden der Instanz zugegriffen werden.

16 this - Referenz class Point { double x,y; void setx(double x) { this.x = x; //Instanzvariable x wird gesetzt } } Innerhalb einer Methode überschreiben bei Namenskonflikten (=gleicher Bezeichnung) die Parameternamen die Variablennamen der Klasse. Lösung: Verwendung von this oder Wählen eines anderen Parameterbezeichners, z.b. newname.

17 Statische Elemente Variablen und Methoden, die nicht zu einer bestimmten Instanz sondern zur Klasse gehören werden als Klassenvariablen bzw Klassenmethoden bezeichnet. Statische Variablen/Methoden sind auch dann verfügbar, wenn noch keine Instanz der Klasse erzeugt wurde. Statische Variablen/Methoden können über den Klassennamen aufgerufen werden. Deklaration durch das Schlüsselwort: static Bsp: class Point { double x, y; static int count; } Point.count kann dann zum Beispiel benutzt werden um die Anzahl der Instanzen von Punkt zu speichern. Auf diese Variable kann von jeder Instanz der Klasse Point aus zugegriffen werden.

18 Statische Elemente Ein Beispiel für eine statische Methode ist die bereits bekannte main-methode Der main-methode werden die Eigenschaften public und static zugewiesen. static bedeutet, wie wir wissen, dass keine Instanz der Klasse angelegt werden muss. Und zu Beginn einer Applikation existieren ja auch noch keine Instanzen. public static void main(string[] args) { Point lowerleft = new Point(); Point upperrigth = new Point(); double d = lowerleft.distance(upperright); }

19 Konstruktoren Jede Klasse benötigt einen (oder mehrere) Konstruktoren Konstruktoren: weisen den Instanzvariablen initiale Werte zu, haben denselben Namen wie die Klasse, werden wie normale Methoden deklariert, aber ohne Rückgabewert: KlassenName(Parameter){..}. Zu einer Klasse können mehrere Konstruktoren mit verschiedenen Parametern deklariert werden. Wenn kein Konstruktor erstellt wurde, wird von Java defaultmäßig ein Konstruktor (ohne Parameter) zur Verfügung gestellt. Student s = new Student();

20 Beispielklasse Student class Student { Konstruktoren private String matrnr; private String name; private int semester; Student(String name, String matrnr) { this.name = name; this.matrnr = matrnr; } }

21 Konstruktoren - Anwendung Jedes Objekt der Klasse Student kann nun durch den Konstruktor mit zwei Werten initialisiert werden: Einer Zeichenkette,umden Namen zu initialisieren. Einer Zahl um die Matrikelnummer zu setzen. Student mystudent = new Student("Else Maier", " "); Eine Klasse kann auch mehrere Konstruktoren mit unterschiedlichen Parameterlisten enthalten

22 Beispielklasse Student class Student { } private String name, matrnr; private int semester; Konstruktoren Student(String studname, String studmatrnr) //Konstruktor 1 { name = studname; matrnr = studmatrnr; } Student(String name, String matrnr, int semester) // Konstruktor 2 { } this(name, matrnr); //Aufruf Konstruktor 1 this.semester=semester;

23 Pakete Bevor man große objektorientierte Softwaresysteme designen kann, sollte man mit dem Konzept der Pakete vertraut sein. Java ermöglicht es, Klassen zu Paketen zusammenzufassen. Das bietet sich an, wenn mehrere Klassen inhaltlich miteinander in Zusammenhang stehen. Die Standardbibliothek von Java fasst z.b. alle Klassen zur Ein/Ausgabesteuerung im Paket java.io zusammen. Um auch komplexe Zusammenhänge vernünftig abbilden zu können, können Pakete in hierarchischen Strukturen angeordnet werden. Daher kann ein Paket beliebig viele Unterpakete besitzen, die ebenfalls wieder beliebig viele Unterpakete besitzen können. Als Beispiel sei hier wieder die Standardbibliothek von Java erwähnt. Diese ist im Paket namens java zusammengefasst. Darunter befinden sich dann wiederum Pakete, wie beispielsweise java.lang, java.awt, java.io. Theoretisch kann diese Struktur beliebig tief sein.

24 Pakete Somit stellt sich die Frage, wie Pakete bzw. Klassen in Paketen bei ihrem Namen gerufen werden können. Nehmen wir z.b. die Klasse String. Sie ist Bestandteil des, Paketes lang, das wiederum Bestandteil von Java ist. Um nun die Klasse String zu qualifizieren, also beim Namen zu nennen, muss die gesamte Paketstruktur in absteigender Reihenfolge und durch Punkte getrennt angegeben werden: java.lang.string mystring = "Hallo Welt"; Bisher wurde aber auch schon mit Stringobjekten gearbeitet und lediglich String mystring = "Hallo Welt"; geschrieben. Die immer wiederkehrende Angabe alle Ebenen einer Paket-Hierarchie ist recht unbequem und verschlechtert die Lesbarkeit des Codes dramatisch. Das Paket java.lang wird automatisch in jede Quellcodedatei importiert Darum gibt es die Anweisung import. Mit ihrer Hilfe können statt vollqualifizierter Klassennamen mit Paketangaben einfach nur die Klassennamen angegeben werden. import Paketname.{Paketname.}Klassenname

25 Pakete Eine weitere Form der Anweisung leistet dies gleich für alle Klassen eines Paketes: import java.io.* Info: Die Bezeichnung import ist für diesen Befehl etwas irreführend. Klassen werden durch diesen Befehl nicht wirklich importiert oder dem Programm verfügbar gemacht. Java stellt einen dynamischen Mechanismus zur Verfügung, durch den alle Pakete und ihre Klassen jederzeit auch ohne diese Anweisung verfügbar sind. Import definiert lediglich Kurznamen für diese Klassen, um die Programmierung komfortabler zu gestalten.

26 Pakete Es bleibt zu klären, wie eine Klasse einem Paket zugeordnet wird. Dies geschieht auf zwei Ebenen: Auf logischer Ebene wir eine Klasse mit Hilfe der package-anweisung einem Paket zugewiesen Auf physischer Ebene werden die Klassen eines Pakets in Unterverzeichnissen abgespeichert, die den Paketnamen entsprechen Wenn eine Klasse zu einem Paket gehören soll, muss die package Anweisung die erste sein, die der Quelltext enthält.die allgemeine Syntax dazu lautet: package Paketname{.Paketname}; Die Klassen eines Paketes werden nun in Unterverzeichnissen abgespeichert. Der Pfad entspricht genau dem Paketnamen.

27 Objektorientierung Wie bereits erwähnt, ist die Objektorientierung (OOP = Objektorientierte Programmierung) eine wesentliche Eigenschaft von Java. Bevor man mit der Java-Programmierung so richtig beginnt, sollte man sich der Fragestellung widmen, was OOP eigentlich genau ist, und welche Prinzipien dahinter stehen. Häufig hört man vom PARADIGMA DER OBJEKTORIENTIERUNG. Hier deutet sich bereits an, dass der Schritt weg von der prozeduralen und hin zur objektorientierten Programmierung recht bedeutsam gewesen sein muss. Die Entwicklung von komplexen Softwaresystemen ohne Verwendung objektorientierter Ansätze und Verfahrensweisen ist heutzutage nicht mehr denkbar.

28 Prozedurale Programmierung Seit den Anfängen der Programmierung ist man gewohnt, prozedural zu denken. Programme werden in Prozeduren, die Eingabedaten in Ausgabedaten transformieren, zerlegt. Um die Fläche einer geometrischen Figur f zu berechnen, schreiben wir a = Area (f); Die Prozedur AREA steht dabei im Mittelpunkt, die Daten a und f eher im Hintergrund. Diese Sichtweise ist durchaus vernünftig und führt in vielen Fällen zu guten Programmen. Probleme können sich aber ergeben, wenn man in einem Programm mehrere Arten von Figuren (Rechteck, Kreis,...) hat, auf die man die Operation AREA anwenden will. Ohne OOP braucht man für jede Figurenart eine eigene Methode (RECTANGLE ARE A, TRI ANGLEARE A, CI RCLEARE A,...).

29 Prozedurale Programmierung Noch schlimmer ist, dass man überall, wo man die Fläche einer Figur berechnen will, zwischen den drei Figurenarten unterscheiden muss und dafür zu sorgen hat, dass die richtige Prozedur aufgerufen wird. Im Pseudocode ausgedrückt: if (f is rectangle) a = RectangleArea (f) else if (f is triangle) a = TriangleArea (f) else if (f is circle) a = CircleArea (f) Die vielen Fallunterscheidungen blähen den Code auf und bewirken, dass die Figurenarten fest in das Programm eingebrannt sind. Will man später auch Ellipsen behandeln, so muss man eine neue Fallunterscheidung einbauen. else if (f is ellipse) a = EllipseArea (f) Das Problem dabei: Dies muss an allen Stellen bewerkstelligt werden, wo mit den Figuren gearbeitet wird!

30 Prozedurales Beispiel Es soll ein Programm für eine Bibliothek einer Uni entwickelt werden. Grob formuliert werden folgendeanforderungen an das System gestellt. der Bücherbestand der Bibliothek soll verwaltet werden; es sollen die Ausleihzeiten überwacht werden (bei Überschreitung soll eine entsprechende Meldung angezeigt werden) es soll zu jedem Zeitpunkt feststellbar sein, wo sich die einzelnen Bücher befinden (Regalplatz oder aktueller Ausleiher); Die erste Vorgehensweise in prä-objektorientierten Zeiten wäre die Entwicklung einer geeigneten Datenstruktur. In C würde das wie folgt aussehen: struct buch { char titel[50], author[50], isbn[4], ausleiher[40], ausleihdatum[11]; long regalplatz; } Hinweis: da Java rein objektorientiert ist, gibt es Strukturen im urspünglichen Sinne nicht mehr,daher kann hier auch nicht Java zum Einsatz kommen.

31 Prozedurales Beispiel Wir gehen davon aus, dass lediglich 5000 Bücher im System abgebildet werden. Daher erstellen wir ein Array, mit dem wir diese Menge abbilden können: struct buch buecher[5000]; In einer echten Applikation würde man so natürlich nie vorgehen, da maximal 5000 Bücher gespeichert werden können. Man würde z.b. collections verwenden. Jetzt fehlen uns noch die Methoden (Prozeduren), die auf die in BUECHER gespeicherten Daten zugreifen können (etc.): void bucheingeben (int index); void buchloeschen (int index); void buchausleihen (int index, char* ausleiher); void buchzuruecknehmen (int index); Jeder Methode muss mindestens eine Information übergeben werden, bevor sie ihre Aufgabe erledigen kann.der Index spielt dabei eine entscheidende Rolle. Nur über diesen kann eine Beziehung zwischen den nicht fest miteinander verbundenen Daten und Funktionen hergestellt werden.

32 Prozedurales Beispiel Das beschriebene Vorgehen macht deutlich, dass die prozedurale Programmierung zwischen Daten auf der einen und Funktionen/Methoden auf der anderen Seite unterscheidet: Zunächst wird die Sicht auf die Daten umgesetzt. Es entsteht ein Datenmodell, welches die Informationsstruktur beschreibt. Wenn das Datenmodell fertiggestellt ist, werden Funktionen/Methoden definiert und erstellt, die diese Datenstrukturen mit Informationen füllen, den Inhalt manipulieren etc. Die strikte Trennung von Daten und Funktionen erscheint auf den ersten Blick nicht unbedingt als nachteilig. Das Problem entsteht aber, wenn man nachträglich Änderungen machen will. Der Aufwand wächst dramatisch.

33 Objektorientiertes Beispiel Die objektorientierte Denkweise stellt die Daten in den Mittelpunkt der Betrachtung. Die Daten und die zu ihnen gehörenden Operationen bilden Objekte, die man auffordern kann, gewisse Aufträge auszuführen und als Ergebnis wieder Daten zu liefern (Datenkapselung: Die Daten und Methoden sind zusammen in einer Kapsel ) Das Besondere daran ist, dass man sich nicht darum kümmern muss, von welcher Art das Objekt ist, dem man einen Auftrag erteilt. Jede Objektart interpretiert den Auftrag auf ihre eigene Weise und führt von selbst die richtigen Operation aus. Rechtecke interpretieren AREA, indem sie die Fläche des Rechtecks berechnen, Kreise, indem sie die Fläche des Kreises berechnen.

34 Objektorientiertes Beispiel Um diese Sicht auszudrücken bedient man sich der uns bereits bekannten Schreibweise:a = f.area (); Dies bedeutet,dass man der Figur f den Auftrag Area erteilt. Man sagt auch, man schickt f die Meldung Area. Dabei ist es gleichgültig ob f ein Rechteck, ein Kreis, eine Ellipse,... ist. Auch wenn später einmal ein neues Objekt hinzukommt, kann a = f.area () zur Berechnung der Fläche verwendet werden - sofern die Meldung Area vom Objekt verstanden wird. Objektorientierte Programme müssen sich weniger mit Fallunterscheidungen herumschlagen und sind leichter erweiterbar als prozedurale Programme.