Vorlesung Programmieren

Transkript

1 Vorlesung Programmieren 1. Objekte und Klassen Prof. Dr. Ralf H. Reussner Version 1.0 LEHRSTUHL FÜR SOFTWARE-DESIGN UND QUALITÄT (SDQ) INSTITUT FÜR PROGRAMMSTRUKTUREN UND DATENORGANISATION (IPD), FAKULTÄT FÜR INFORMATIK sdq.ipd.kit.edu KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Organisatorisches Die Anmeldung zu den Tutorien ist bereits geöffnet und endet am Donnerstag, den , um 18 Uhr: Erstes Tutorium: bringen Sie Ihren Laptop mit, falls vorhanden Die Tutorien ab Mittwoch (den ) Einverständniserklärung bitte diese Woche per Programmieren- Briefkasten abgeben, wenn noch nicht geschehen Parallel zur Vorlesung im Audimax gibt es Live-Streams in die Hörsäle: -101, Gebäude 50.34, 1. UG -102, Gebäude 50.34, 1. UG 2

3 Semesterplan - Überblick Objekte und Klassen Typen und Variablen Kontrollstrukturen Konstruktoren und Methoden Arrays Konvertierung, Datenkapselung, Sichtbarkeit Listen und Abstrakte Datentype Vererbung Interfaces und Generics Rekursion Exceptions Testen und Assertions Parsen, Suchen, Sortieren Java API, Objektorientierte Design-Prinzipien Vom Programm zur Maschine, Best Practices Vorlesung Programmieren: Objekte und Klassen

4 Literaturhinweis - Weiterlesen Dietmar Ratz, Jens Scheffler, Detlef Seese und Jan Wiesenberger Grundkurs Programmieren in Java, 7. Auflage, 2014 (mit Java 8), Hansa-Verlag Abschnitt 2.2. Was heißt Programmieren? Abschnitt 3.1. Mein erstes Programm Vorlesung Programmieren: Objekte und Klassen

5 Was ist Programmierung? Aufgabe: Aufstellung der Personen der Größe nach Verfügbare Instruktionen: 1. nach links oder rechts weitergeben 2. nach links oder rechts weitergeben 3. Personen, die oder halten, wechseln den Platz Beispielablauf: 1. nach rechts 2. Platz wechseln 3. nach links 4. Platz wechseln 5

6 War das nun Programmieren? Zum Teil ja: Präzise festgelegter Prozess Eindeutige Instruktionen Es fehlt: Ein allgemeiner Plan, der angibt, welcher Schritt als nächstes zu tun ist Allgemein: für beliebige Anzahl von Personen Möglichst abstrakt, d.h. (z.b.) nicht nur auf Personen bezogen Dies wäre dann ein Programm! Vorlesung Programmieren: Objekte und Klassen

7 Bubblesort Implementierung public class BubbleSort { public static void sort(long[] a) { for (int pass = 1; pass < a.length; pass++) { for (int i = 0; i < a.length - pass; i++) { if (a[i] > a[i+1]) { long tmp = a[i]; a[i] = a[i+1]; a[i+1] = tmp; Vorlesung Programmieren: Objekte und Klassen

8 System.out.println("Hello World!"); 8

9 System.out.println("Hello World!"); Wie starte ich mein Java-Programm? 9

10 Praxis: Übersetzen von Java-Klassen Der Prozessor versteht kein Programm in einer höheren Programmiersprache, wie z.b. Java! è Er verarbeitet nur Binärcode! Java-Programme müssen daher übersetzt ( compiliert ) werden javac Jede Klasse in einer eigenen Datei: class SimpleProgram Datei SimpleProgram.java Dateiname muss dem Klassennamen entsprechen Klassendeklaration in Java SimpleProgram. java Java-Compiler javac Ausführbare Version der Klasse ( Bytecode ) SimpleProgram. class 10

11 System.out.println("Hello World!");...$javac SimpleProgram.java Wie starte ich mein Java-Programm? Kompilieren 11

12 Praxis: Ausführen von Java-Programmen Mit javac übersetze Programme (Klassen) werden mit dem Java-Interpreter java ausgeführt. Im Beispiel: java SimpleProgram Dabei wird in der angegebenen Klasse die Methode main gesucht und diese gestartet. main muss deklariert sein als public static void main(string args[]) {... Ausgaben können mittels System.out.print() und System.out.println() vorgenommen werden; letzteres gibt einen Zeilenvorschub mit aus 12

13 System.out.println("Hello World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ Wie starte ich mein Java-Programm? Kompilieren Ausführen 13

14 Compiler vs. Übersetzer Ein Programm ist ein Algorithmus, der in einer Programmiersprache geschrieben wurde. Die Programmierer sprechen also mit dem Rechner. Zum Sprechen kann in einer Sprache erfolgen, die der Rechner direkt versteht. è Binärcode Eine Notation mit Nullen und Einsen Für Menschen schwer verständlich Idee: Maschinennahe Sprachen, auch Assemblersprache genannt. Assemblersprache besteht aus Buchstaben und Ziffern, z.b.: MOV RG1 RG5 ADD RG2 RG4 14

15 Compiler vs. Übersetzer Assemblercode kann direkt vom Prozessor ausgeführt werden. Abhängig vom Prozessortyp. Verwenden eines benutzernahen Sprache è Höhere Programmiersprachen è Übersetzer notwendig Übersetzer ist eine spezielle Software, die den Code einer höheren Programmiersprache übersetzt in die Maschinensprache oder eine Zwischensprachen 15

16 Compiler vs. Übersetzer Compiler Compiler transformieren die Programme in einer höheren Sprache in maschinennahe Programme. Compiler übersetzen die Programme nicht vollständig Die Programme wird später ausgeführt. Interpreter Interpreter werden benutzt, wenn die Programme Anweisung für Anweisung übersetzt werden. Die Programme werden unmittelbar ausgeführt. 16

17 Compiler vs. Übersetzer Traditionelle höhere Programmiersprachen benötigen für jeden Prozessortyp einen Compiler. Der Quellcode wird in das Zielprogramm übersetzt. è Das Programm muss für jeden Prozessortyp übersetzt werden. 17

18 Compiler vs. Übersetzer Java hingegen ist plattformunabhängig. è Nur ein Compiler wird für alle Plattformen benötigt. Compiler übersetzt den Quellcode in Java-Bytecode. Java-Bytecode ist unabhängig von einem bestimmten Prozessor. Java-Bytecode kann nicht unmittelbar ausgeführt werden. è Java-Bytecode ist portabel. è Java-Bytecode wird für einen virtuellen Prozessor gefertigt. Der virtuelle Prozessor wird die virtuelle Maschine (VM) genannt. Java-Interpreter analysiert den Java-Bytecode und führt ihn aus. 18

19 Compiler vs. Übersetzer Java-Quellcode Vector2D.java Java-Compiler javac Java-Bytecode Vector2D.class java Java VM für Windows Java VM für Linux Java VM für MacOS Ausführbares Windows-Programm Ausführbares Linux- Programm Ausführbares MacOS-Programm 19

20 Just In Time Compilation Ein leichtgewichtiger Compiler Findet während der Ausführung des Codes statt Ziel: Optimierung des Codes zum Verbessern der Performance è Optimierung des häufig auszuführenden Codes, wie z.b. Schleifen Beispiele für die Code-Optimierung: Entfernen von redundanten Aufrufen (z.b. durch Ersetzen mit einer lokalen Variable) Copy Propagation (Beispiel: Ersetzen von z=x+y und y=f durch z=x+f) Entfernen vom toten Code (Code, der nie aufgerufen wird oder dessen Ergebnis nie benutzt wird) Vorlesung Programmieren: Objekte und Klassen

21 System.out.println("Hello World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ Wie ändere ich die Ausgabe? 21

22 System.out.println("Hello World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ Wie ändere ich die Ausgabe? 22

23 System.out.println("Hello!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ Wie ändere ich die Ausgabe? 23

24 System.out.println("Hello!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ Wie ändere ich die Ausgabe? Muss ich das Programm wieder kompilieren? 24

25 System.out.println("Hello!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ Wie ändere ich die Ausgabe? Muss ich das Programm wieder kompilieren? Ja 25

26 System.out.println("Hello!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello! Wie ändere ich die Ausgabe? Muss ich das Programm wieder kompilieren? Ja 26

27 System.out.println("Hello"); System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello! Welche Ausgabe erwarte ich? 27

28 System.out.println("Hello"); System.out.println("World!");...$ Welche Ausgabe erwarte ich? 28

29 System.out.println("Hello"); System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java Welche Ausgabe erwarte ich? 29

30 System.out.println("Hello"); System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World! Welche Ausgabe erwarte ich? 30

31 System.out.println("1+1");...$ Welche Ausgabe erwarte ich? 31

32 System.out.println("1+1");...$javac SimpleProgram.java Welche Ausgabe erwarte ich? 32

33 System.out.println("1+1");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram 1+1 Welche Ausgabe erwarte ich? 33

34 Ein Beispiel für eine Klasse Klassenname Methodenname System.out.println("Hello"); System.out.println("World!"); main-methode...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ Woraus besteht das einfache Beispiel? 34

35 int firstnumber = 1; int secondnumber = 2; System.out.println(firstNumber+secondNumber);...$ Welche Ausgabe erwarte ich? 35

36 int firstnumber = 1; int secondnumber = 2; System.out.println(firstNumber+secondNumber);...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram 3 Welche Ausgabe erwarte ich? 36

37 int firstnumber = 1; int secondnumber = 2; System.out.println(firstNumber+secondNumber);...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram 3 Woraus besteht das modifizierte Beispiel? 37

38 Veriablendeklaration int firstnumber = 1; int secondnumber = 2; System.out.println(firstNumber+secondNumber);...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram 3 Woraus besteht das modifizierte Beispiel? 38

39 Veriablendeklaration Wert int firstnumber = 1; int secondnumber = 2; System.out.println(firstNumber+secondNumber);...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram 3 Woraus besteht das modifizierte Beispiel? 39

40 Variablenname Veriablendeklaration Wert int firstnumber = 1; int secondnumber = 2; System.out.println(firstNumber+secondNumber);...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram 3 Woraus besteht das modifizierte Beispiel? 40

41 Variablentyp Variablenname Veriablendeklaration Wert int firstnumber = 1; int secondnumber = 2; System.out.println(firstNumber+secondNumber);...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram 3 Woraus besteht das modifizierte Beispiel? 41

42 Variablentyp Variablenname Veriablendeklaration Wert int firstnumber = 1; int secondnumber = 2; System.out.println(firstNumber+secondNumber); Initialisierung...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram 3 Woraus besteht das modifizierte Beispiel? 42

43 System.out.println("Hello"); System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ In welcher Reihenfolge wird mein Programm ausgeführt? 43

44 System.out.println("Hello"); System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ In welcher Reihenfolge wird mein Programm ausgeführt? Die Ausführung beginnt mit der main-methode 44

45 System.out.println("Hello"); System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ In welcher Reihenfolge wird mein Programm ausgeführt? Die Ausführung beginnt mit der main-methode Die Ausführung beginnt mit der ersten Zeile der main-methode 45

46 System.out.println("Hello"); System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World!...$ In welcher Reihenfolge wird mein Programm ausgeführt? Die Ausführung beginnt mit der main-methode Die Ausführung beginnt mit der ersten Zeile der main-methode Die Ausführung endet mit der letzten Zeile der main-methode 46

47 System.out.println("Hello"); static void printworld(){ System.out.println("World!");...$ Welche Ausgabe erwarten wir? 47

48 System.out.println("Hello"); static void printworld(){ System.out.println("World!");...$ Welche Ausgabe erwarten wir? Wird die Methode printworld ausgeführt? 48

49 System.out.println("Hello"); static void printworld(){ System.out.println("World!");...$ Welche Ausgabe erwarten wir? Wird die Methode printworld ausgeführt? Nein 49

50 System.out.println("Hello"); static void printworld(){ System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello Welche Ausgabe erwarten wir? Wird die Methode printworld ausgeführt? Nein 50

51 System.out.println("Hello"); static void printworld(){ System.out.println("World!");...$ Wie kann ich die Methode printworld ausführen? 51

52 System.out.println("Hello"); printworld(); static void printworld(){ System.out.println("World!");...$ Wie kann ich die Methode printworld ausführen? 52

53 System.out.println("Hello"); printworld(); static void printworld(){ System.out.println("World!");...$javac SimpleProgram.java...$java SimpleProgram Hello World Wie kann ich die Methode printworld ausführen? 53

54 Billard-Spiel Programmieren ist nicht nur die Definition von Befehlen und deren Ausführungsreihenfolge. è Datenmodellierung y (vx,vy) (px,py) x 54

55 Billard-Spiel Angenommen, wir wollen ein Billard-Spiel programmieren Erster Schritt: Simulation der Bewegung der Kugeln Tisch Größe Kugeln: jede Kugel hat (zu jedem Zeitpunkt): Eine Position auf dem Tisch Eine Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit Evtl. Effet (Drall, Spin) Kugeln können aneinanderstoßen und ändern dann die Bewegungsrichtung y (px,py) (vx,vy) x 55

56 Objektorientierte Programmierung (OOP) Grundidee der Objektorientierten Programmierung: Jedes Objekt der Realität hat ein virtuelles Gegenstück Objekte kooperieren durch Datenaustausch Im Zentrum: Modellierungsfrage Wer macht was? (Im Gegensatz zu: Wie wird s gemacht? ) Gebräuchliche Benennungen für Datenaustausch: Objekt A sendet Nachricht an Objekt B Objekt A ruft eine Methode von Objekt B auf y (px,py) (vx,vy) x 56

57 OOP am Beispiel Billard-Spiel Reale Welt Objektname Programmwelt Objekte Attribute Modellierung Table t length 254 cm width 127 cm name Toronto Deluxe getlength() getwidth() getname() addball(...) Methoden 57 Ball blueball Ball redball diameter Ball whiteball 57,2 mm diameter 57,2 mm weight diameter 170 g 57,2 mm weight 170 g color weight 170 g RED color RED xpos color 30 cm RED xpos 30 cm ypos xpos 50 cm 30 cm ypos 50 cm ypos 50 cm simulationstep(...) simulationstep(...) simulationstep(...)

58 Klassen: Der Bauplan von Objekten Objekt Klasse (Java) Ball redball diameter 57,2 mm weight 170 g color RED xpos 30 cm ypos 50 cm simulationstep(...) class Ball { // Attribute float diameter; // in mm Int weight; // in gram... float xpos; // in cm float ypos; // in cm... // Methoden void simulationstep() { Aus einer Klasse können beliebig viele Objekte ( Objekt-Instanzen, Instanzen der Klasse ) dieses Bauplans erzeugt werden. 58

59 Definition: Objekte und Klassen Ein Objekt wird durch drei Aspekte charakterisiert: Identität Objekteigenschaften können sich ändern, die Identität des Objekts bleibt aber gleich Durch Objektnamen sichergestellt Zustand Menge der Eigenschaften des Objekts zu einem Zeitpunkt Durch Attribute realisiert Verhalten Ausführen von Aktionen, die den Zustand ändern können Durch Methoden realisiert Eine Klasse ist ein Bauplan für gleichartige Objekte und legt fest welche Attribute die Objekt-Instanzen der Klasse haben welche Methoden die Objekt-Instanzen der Klasse haben Grady Booch, Object Oriented Analysis and Design 59

60 Ursprung Objektorientierter Programmierung 1960er Jahre: Ole-Johan Dahl ( ) und Kristen Nygaard ( ) entwickeln die Programmiersprache Simula genauer: erst Simula I, danach Simula 67 Simula steht für SIMulation LAnguage, eine Programmiersprache für Simulationen Erste Programmiersprache, die zwischen Klassen und Objekten unterscheidet Viele weitere Konzepte aus Simula finden sich in heutigen Objektorientierten Sprachen wieder Vorlesung Programmieren: Objekte und Klassen

61 Klassen in Java class Ball { // Attribute float diameter; // in mm int weight; // in gram... float xposition; // in cm float yposition; // in cm float xvelocity; // in m/s Float yvelocity; // in m/s // Methoden... Kommentare Zwei Arten von Kommentaren in Java: // Zeilenkommentar /* längerer Kommentar über mehrere Zeilen */ Schema: class Name { Klassenrumpf Klassen-Deklaration 61

62 Ist die Klassendefinition gut so? class Ball { // Attribute float diameter; // in mm int weight; // in gram... float xposition; // in cm float yposition; // in cm float xvelocity; // in m/s Float yvelocity; // in m/s Wir haben zweimal fast dasselbe Konstrukt. Lässt sich das vereinfachen? // Methoden... Ja! Abstraktion der x/y-paare in eine neue Klasse Vector2D. 62

63 Abstraktion: Klasse für Koordinatenpaare class Ball { // Attribute float diameter; // in mm int weight; // in gram... float Vector2D xposition; position; // in cm float Vector2D yposition; velocity; // in cm m/s float xvelocity; // in m/s Float // Methoden yvelocity; // in m/s... // Methoden... class Vector2D { // Attribute: x/y-koordinaten float x; float y; // Methoden... Was haben wir gewonnen? Kürzere, übersichtlichere Klassendeklaration Strukturierung, Kapselung von Daten 63

64 Wie erzeugt man Objekte? Objekte werden mit dem new-operator erzeugt Vector2D position = new Vector2D(); // erzeugt Vektor position Vector2d velocity = new Vector2D(); // erzeugt Vektor velocity Ball ball = new Ball(); // erzeugt Billardkugel 64

65 Jetzt sind Sie gefragt! Wir modellieren die Mensa Bauplan für gleichartige Objekte Welche Klassen benötigen wir? Welche Attribute? Welche Methoden? Eigenschaften eines Objekts (Zustand) Aktionen, welche den Objekt-Zustand ändern können (Verhalten) 65

66 Jetzt sind Sie gefragt! Schreiben Sie eine main-methode für die Klasse Vector2D, die die Koordinaten eines Vektors ausgibt. class Vector2D { // attributes: // x/y-coordinates float x; float y; 66

67 Zusammenfassung Objekte modellieren Gegenstände der realen Welt Klassen sind Baupläne für Objekte Klassen in Java werden deklariert mit class Name { Klassenrumpf Neue Objekte einer Klasse werden mittels new erzeugt Klassen erlauben eine Erweiterung der eingebauten Java-Datentypen 67