Streams. Programmiermethodik. Eva Zangerle Universität Innsbruck

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1 Streams Programmiermethodik Eva Zangerle Universität Innsbruck

2 Dateien In Java gibt es eine File-Klasse. Liefert Informationen über Dateien und Verzeichnisse. Diese Klasse wurde eingeführt, um Dateioperationen plattformunabhängig durchzuführen. Findet man im Paket java.io. Ein konkretes File-Objekt repräsentiert eine Datei oder ein Verzeichnis im Dateisystem. Der Verweis wird durch einen Pfadnamen spezifiziert. Absoluter Pfadname (von der Wurzel ausgehend) Relativer Pfadname (abhängig vom aktuellen Verzeichnis) Pfadangaben sind plattformabhängig (siehe API): Programmiermethodik - Streams 2

3 File-Klasse Konstruktor stellt die Beziehung zu einer Datei im Verzeichnis her. Beispiele für Konstruktoren File(String parent, String child) File(String pathname) Beispiele String parent = System.getProperty("user.dir") + File.separator + "Test"; File f1 = new File("test1.txt"); File f2 = new File(parent,"test2.txt"); (aktuelles Arbeitsverzeichnis, Separator für Pfade (OS-abhängig) wird aber auch direkt von der jeweiligen JVM abgeändert) Siehe auch FileReaderApplication.java Programmiermethodik - Streams 3

4 File-Klasse (einige Methoden) Allgemeine Methoden (Informationen über Dateien) public boolean canread() public boolean canwrite() public boolean exists() public long lastmodified() public String getabsolutepath() public String getparent() public String [] list() //Verzeichnisinhalt Methoden für die Manipulation public boolean renameto(file dest) public boolean setlastmodified(long time); public boolean delete() public boolean createnewfile() throws IOException public boolean mkdir() Siehe externes Beispiel FileDemo.java Programmiermethodik - Streams 4

5 Datenströme

6 Motivation Die Java Bibliothek enthält eine ganze Reihe von Klassen, um anspruchsvolle Ein- bzw. Ausgabeoperationen zu bewältigen und von verschiedenen Datenquellen zu lesen und zu schreiben. Das Ein- /Ausgabemodell in Java basiert auf sequentiellen Datenströmen. Beim Schreiben erzeugt man einen Ausgabestrom (in eine Datei oder einen Speicher). Beim Lesen kommen die Daten von einem Eingabestrom (von einer Datei oder einem Speicher). Programmiermethodik - Streams 6

7 I/O-Begriffe Stream Die interne Repräsentation einer (externen) Datei oder einer Input/Output-Einheit in einem System. Sequentielle Abarbeitung Input-Stream Lesen der Daten von einer Datei oder einer Eingabeeinheit in einen Stream. Output-Stream Schreiben der Daten von einem Stream in eine Datei oder eine Ausgabeeinheit. Source/Destination Jeder Stream hat eine Quelle (Source) und eine Senke (Sink, Destination). Programmiermethodik - Streams 7

8 Beispiele InputStream JMenuBar mbar = new JMenuBar(); JMenu menu = new JMenu( "Datei" ); JMenuItem item = new JMenuItem( "Öffnen" ); item.setaccelerator( KeyStroke.getKeyStroke(KeyEvent.VK_O, KeyEvent.CTRL_MASK) ); item.addactionlistener( this ); menu.add( item ); InputStream mbar.add( menu ); setjmenubar( mbar ); add( viewcomponent ); setdefaultcloseoperation( JFrame.EXIT_ON_CLOSE ); setsize( 600, 400 ); } public void actionperformed( ActionEvent e ) { JFileChooser d = new JFileChooser(); d.setfilefilter( new FileFilter() } public boolean accept(file f) Programm OutputStream JMenuBar mbar = new JMenuBar(); JMenu menu = new JMenu( "Datei" ); JMenuItem item = new JMenuItem( "Öffnen" ); item.setaccelerator( KeyStroke.getKeyStroke(KeyEvent.VK_O, KeyEvent.CTRL_MASK) ); item.addactionlistener( this ); menu.add( item ); mbar.add( menu ); setjmenubar( mbar ); add( viewcomponent ); setdefaultcloseoperation( JFrame.EXIT_ON_CLOSE ); setsize( 600, 400 ); } OutputStream public void actionperformed( ActionEvent e ) { JFileChooser d = new JFileChooser(); d.setfilefilter( new FileFilter() } public boolean accept(file f) Programm Programmiermethodik - Streams 8

9 Strom (Modell) Ein Datenstrom wird durch eine Klasse repräsentiert. Datenstrom hat private Objektvariablen (Name, Position etc.). Datenstrom hat bestimmte Methoden. Beispiele read() Liest ein Element aus dem Strom. write() Schreibt ein Element in den Strom. Vorteil Systemabhängigkeit wird in wenigen Klassen isoliert. Rest des Programms bleibt systemneutral. Programmiermethodik - Streams 9

10 Standard I/O Einfachster I/O - Mechanismus Texteingabe von der Tastatur Textausgabe auf den Bildschirm ("Konsole") Auf praktisch jedem System verfügbar! Minimale Systemanforderungen Standard - I/O über vordefinierte Objekte System.in System.out System.err Standard-Eingabe ( Tastatur) Standard-Ausgabe ( Bildschirm) Fehlerausgabe ( Bildschirm) in, out, error Statische, öffentliche Datenelemente der Klasse System Programmiermethodik - Streams 10

11 Stream-Klassen Es gibt zwei Arten von Streams: Byteströme (z.b. pdf, Bilder, etc.) Zeichenströme Für Byteströme und Zeichenströme gibt es je 2 Arten: Datenströme Sind mit bestimmten Datenquellen oder Datensenken verbunden. Lesen von Datenquellen bzw. Schreiben in Datensenken! Filterströme Sind nicht mit einer Quelle oder Senke verknüpft. Sind mit einem Datenstrom verbunden. Agieren wie ein Filter vor diesem Datenstrom. Vorverarbeiten/Nachbearbeiten von Daten! Programmiermethodik - Streams 11

12 Stream-Abarbeitung Lesen Öffnen, lesen, schließen Für Byteströme: InputStream Für Zeichenströme: Reader Schreiben Öffnen, schreiben, schließen Für Byteströme: OutputStream Für Zeichenströme: Writer Programmiermethodik - Streams 12

13 Zeichenströme Zeichenströme enthalten Texte in ASCII - oder Unicode. Operationen Einzelne Zeichen lesen/schreiben Strings lesen/schreiben char-arrays lesen/schreiben Zeichenströme werden abgeleitet von Reader oder Writer Reader/Writer sind abstrakte Klassen. Konvertierung von Encodings etc. wird automatisch durchgeführt (z.b. UTF-16) Beispiel siehe Eclipse Programmiermethodik - Streams 13

14 Anwendung von Strömen I/O Typ Datenstrom (Beispiele) Speicher (Memory) Pipe File Konkatenation (mehrerer InputStreams) Objekt - Serialisierung Datenkonvertierung (Standardtypen in rechnerunabhängiges Binärformat) Zählstreams (für Zeilennummern) Vorausschauend (peeking ahead) Ausgabe (Printing) Pufferung Filterströme (Filtering) Konvertierung zwischen Byte- und Datenströmen CharArrayReader, CharArrayWriter, ByteArrayInputStream, ByteArrayOutputStream, StringReader, StringWriter, StringBufferInputStream PipedReader, PipedWriter, PipedInputStream, PipedOutputStream FileReader, FileWriter, FileInputStream, FileOutputStream SequenceInputStream ObjectInputStream, ObjectOutputStream DataInputStream, DataOutputStream LineNumberReader, LineNumberInputStream PushbackReader, PushbackInputStream PrintWriter, PrintStream BufferedReader, BufferedWriter, BufferedInputStream, BufferedOutputStream FilterReader, FilterWriter, FilterInputStream, FilterOutputStream InputStreamReader (byte in char), OutputStreamWriter (char in byte) Programmiermethodik - Streams 14

15 Ströme: 2 wichtige Konzepte Zur I/O-Leistungssteigerung gibt es zwei wichtige Konzepte Datenpufferung Konkatenation Datenpufferung Zur Zwischenspeicherung Wenn I/O langsamer als die CPU ist. Einzelne Lese- und Schreiboperationen sollten nicht direkt vom darunterliegenden Betriebssystem einzeln behandelt werden. Konkatenation Ströme können miteinander verbunden werden. Der Output eines Stroms ist der Input eines anderen Stroms. Ein Strom wird im Konstruktor eines anderen Stroms als Argument übergeben. Verbinden von Filterströmen und Datenströmen. Programmiermethodik - Streams 15

16 Datenpufferung Inputpuffer Speichert schon gelesene aber nicht verarbeitete Daten. Nicht Zeichen für Zeichen lesen und an das Programm übergeben. Folgen von Zeichen in Puffer kopieren und bei einer Leseoperation an das Programm übergeben. Outputpuffer Speichert temporäre Daten, die geschrieben werden. Schreiben, wenn der Puffer voll wird (oder flush() aufgerufen wird). Viele I/O - Geräte unterstützen Operationen auf Blöcke. Der Datentransfer zwischen Puffer und Objekten ist normalerweise schnell. Die Pufferung verbessert die Laufzeit von Programmen. Programmiermethodik - Streams 16

17 Konkatenation Beispieldeklaration BufferedReader instream = new BufferedReader(new FileReader("in.txt")); Verbindet einen BufferedReader mit einem FileReader. Das Programm kann dann instream.readline() aufrufen, um die Eingabedatei Zeile für Zeile zu lesen. Datenfluss Textdatei FileReader BufferedReader Speicher Programmiermethodik - Streams 17

18 ab Java 7: try with Resources Die Verwaltung (vor allem das Schließen) von Ressourcen ist eine fehlerträchtige und komplizierte Angelegenheit. z.b. kann beim Schließen in der finally-klausel der close-aufruf zu einer neuen Ausnahme führen. In Java 7 wird genau diese Verwaltung vereinfacht. Bei einem try-block werden die verwendeten Streams direkt am Anfang angegeben (mit dem try-block verbunden). Am Ende des try-blocks werden die Streams automatisch geschlossen. Dafür gibt es ein neues Interface AutoClosable Enthält eine Methode close(). Alle Streams implementieren dieses Interface. Eigene Ressourcen-Klassen können (sollten) dieses Interface auch implementieren. Programmiermethodik - Streams 18

19 ab Java 7: try with Resources (Beispiel) final String home = System.getProperty("user.dir") + File.separator + "Test"; try( FileInputStream in = new FileInputStream(home + File.separator + "test1.txt"); FileOutputStream out = new FileOutputStream(home + File.separator + "test2.txt"); ) { int c; while ((c = in.read())!= -1) { out.write(c); } } catch (IOException e) { } Programmiermethodik - Streams 19

20 Spezielle Themen

21 Scanning und Formatting Programme müssen mit dem Benutzer entsprechend interagieren. Benutzereingaben Benutzer möchte Daten auf lesbare Art eingeben. Programm zerlegt dann Eingabedaten für die Weiterverarbeitung. Bildschirmausgabe Programm stellt lesbare Ausgabe zusammen. Java I/O bietet dazu zwei APIs an. Scanner-API zum Einlesen Formatting-API für die Ausgabe Programmiermethodik - Streams 21

22 Scanner (Wiederholung) Scanner wird für das Zerlegen des Inputs verwendet. Input wird in Tokens zerlegt. Tokens werden dann entsprechend weiterverarbeitet. Seit Java 1.5 (früher StringTokenizer-Klasse für Strings) Methoden hasnext, hasnextinteger, hasnextdouble Überprüfen ob noch ein Token (String), ein Integer-Wert, ein Double-Wert etc. im Strom vorhanden ist. next, nextinteger, nextdouble. Auslesen des nächsten Tokens (String), Integer-Werts, Double-Werts etc. Programmiermethodik - Streams 22

23 Beispiel import java.io.file; import java.io.ioexception; import java.util.locale; import java.util.scanner; public final class StreamTest3 { } public static void main(final String[] args) { final String home = System.getProperty("user.dir") + File.separator + "Test"; try (Scanner s = new Scanner(new File(home + File.separator + "usnumbers.txt"));) { s.uselocale(locale.us); double sum = 0; while (s.hasnext()) { if (s.hasnextdouble()) { sum += s.nextdouble(); } else { s.next(); } } System.out.println(sum); } catch (IOException e) { System.out.println(e); } } Programmiermethodik - Streams 23

24 Formatierung Klassen, die Formatierung berücksichtigen PrintWriter PrintStream System.out und System.err sind PrintStream-Instanzen. Zwei Stufen der Formatierung werden unterstützt. print und println formatieren individuelle Werte in der Standardform. format formatiert jeden Wert an Hand eines Formatierungsstrings. Für Formatstrings im printf-stil Es gibt daher auch eine printf-methode (äquivalent zu format). Etwas strikter als in C! z.b. Exception, wenn Formatstring Fehler enthält! Programmiermethodik - Streams 24

25 format-methode (1) Formatiert Argumente mit einem Formatierungsstring. Formatstring enthält Formatspezifizierer. Formatierungsangaben folgen einem %-Zeichen und folgendem Syntax: %[argument_index$][flags][width][.precision]conversion [argument_index] bezieht sich auf die Position in der Argumentenliste (erstes Arg mit 1$, zweites Arg mit 2$..). [flags] ist eine Menge von Zeichen zur Modifikation der Ausgabe (0, +). [width] ist die minimale Anzahl der Zeichen, die ausgegeben werden. [precision] ist die maximale Anzahl der Zeichen oder Genauigkeit bei Gleitkommazahlen. conversion ist ein Zeichen, das die Formatierung des Arguments bestimmt - erlaubte Formatierungen hängen vom jeweiligen Datentyp ab. 1 oder 2 Buchstaben, die die entsprechende Konvertierung beschreiben. Genaue Beschreibung siehe API. Beispiele %d, %f, %x, Ist als einziger Teil nicht optional. Programmiermethodik - Streams 25

26 Beispiel import java.util.date; public class Formatter { public static void main(final String[] args) { final int i = 2; final double r = Math.sqrt(i); System.out.format("The square root of %d is %f.%n", i, r); System.out.format("%f, %1$ f %n", Math.PI); System.out.format("%4$s %3$s %2$s %1$s %4$s %3$s %2$s", "a", "b", "c", "d"); Date today = new Date(); System.out.format("%tD%n", today); System.out.format("%tB-%td%n", today, today); System.out.format("%1$tB-%1$td", today, today); } } Ausgabe: The square root of 2 is 1, ,141593, , d c b a d c b05/14/14 Mai-14 Mai-14 Programmiermethodik - Streams 26

27 format-methode (2) Unterschiedliche Kategorien der Konvertierung General - allgemein anwendbar Character - anwendbar auf alle Typen die Unicode-Zeichen repräsentieren char, Character, byte, Byte, short und Short Numeric Integral - anwendbar auf byte, Byte, short, Short, int, Integer, long, Long, BigInteger Floating Point - anwendbar auf float, Float, double, Double und BigDecimal Date/Time - anwendbar auf long, Long, Calendar und Date Percent - für '%' ('\u0025') Line Separator - für plattformspezifisches \n Programmiermethodik - Streams 27

28 Serialisierung

29 Serialisierung von Objekten (1) Der Zustand eines Objekts wird so abgespeichert, dass er wieder rekonstruiert (ausgelesen) werden kann. Serialisierung Objekt wird als Folge von Bytes in einen Strom geschrieben. Deserialisierung Objekt wird als Folge von Bytes aus einem Strom gelesen. Objekt existiert über die Ausführung eines Programms hinaus Speicherung und Austausch. Bessere Performance als Schreiben der Inhalte der Objekte in Datei Einlesen der Datei (Re)Erzeugung der Objekte Objekt wird mit all seinen Komponenten in den Strom geschrieben, d.h. Referenzen werden auch serialisiert. Programmiermethodik - Streams 29

30 Serialisierung von Objekten (2) Serialisierung ObjectOutputStream Ein Objekt, das serialisiert werden soll, muss als Argument der writeobject-methode übergeben werden. Deserialisierung ObjectInputStream Mit der readobject-methode kann ein Objekt eingelesen werden. Dabei wird nur der Zustand des Objekts eingelesen. Es werden keine Konstruktoren aufgerufen! Beispiel siehe ListSerializerApplication.java Programmiermethodik - Streams 30

31 Serialisierung (Voraussetzung) Ein Objekt kann nur serialisiert werden, wenn die entsprechende Klasse das Interface Serializable implementiert. Sonst: java.io.notserializableexception Ist ein Marker-Interface (leeres Interface)! Beispiel public class Person implements Serializable {... } Damit kann jede Instanz der Klasse serialisiert werden. Bei der Serialisierung werden geschrieben Klasse Klassensignatur Werte der nicht statischen und nicht transienten Elemente (auch Referenzen). Programmiermethodik - Streams 31

32 Anpassen der Serialisierung bei Klassen Serialisierung/Deserialisierung kann angepasst werden. Implementieren der Methoden writeobject Für das Schreiben eines Objekts (Anpassen, zusätzliche Informationen etc.). readobject Für das Lesen eines Objekts (Lesen, Anpassen, Updates etc.). Form der writeobject-methode private void writeobject(objectoutputstream s) throws IOException { // Benutzerspezifische Anpassung.. } Form der readobject-methode private void readobject(objectinputstream s) throws IOException { // Benutzerspezifische Anpassung.. // Zusätzliche Updates } Programmiermethodik - Streams 32

33 transient Oft soll ein Teil eines Objekts nicht serialisiert werden (z.b. bei Passwörtern). Schlüsselwort transient bei der Deklaration von Objektvariablen verwenden. Die entsprechende Objektvariable wird nicht serialisiert. Beim Einlesen wird die entsprechende Objektvariable mit einem Defaultwert initialisiert. Wenn das nicht gewünscht wird überschreiben von readobject mit einer entsprechenden Initialisierung. Programmiermethodik - Streams 33

34 Serialisierung unterbinden Beispiel Klasse B erbt von A. A implementiert das Interface Serializable. B sollte aber nicht serialisierbar sein. Serialisierung unterbinden durch entsprechendes Überschreiben (Werfen einer Exception) der Methoden writeobject und readobject. Beispiel private void writeobject(objectoutputstream s) throws IOException { throw new NotSerializableException(); } Programmiermethodik - Streams 34

35 Serialisierung und Vererbung Ist eine Basisklasse serialisierbar In einem Objekt einer abgeleiteten Klasse werden alle ererbten Objektvariablen der Basisklasse serialisiert. Ist eine Basisklasse nicht serialisierbar Dann werden alle Objektvariablen der Basisklasse serialisiert. Dazu muss in der abgeleiteten Klasse der Zugriff auf einen Default- Konstruktor der Basisklasse möglich sein! Wird für die Initialisierung der Objektvariablen benutzt. Wenn dieser nicht vorhanden ist, wird eine Ausnahme geworfen. Programmiermethodik - Streams 35

36 Versionsverwaltung (1) Verschiedene Versionen einer Klasse können Probleme bereiten. Objekt wird serialisiert. Klasse wird verändert. Objektvariablen löschen Typen ändern Deserialisieren funktioniert dann nicht mehr (invalidclassexception). Erkennung in Java Bei der Serialisierung wird eine eindeutige Kennung geschrieben (UID). Hashcode aus Namen, Objektvariablen, Parametern, Sichtbarkeit usw. Ändert sich eine Klasse, dann ändert sich der Hashcode. Keine Kompatibilität mehr! Programmiermethodik - Streams 36

37 Versionsverwaltung (2) SUID (serialversionuid) Benutzer kann die SUID selbst berechnen. Händisch Aufruf des Hilfsprogramms serialver mit Klassenname. Ausgabe des Programms in das eigene Programm kopieren. Eclipse unterstützt die Generierung. Beispiel private static final long serialversionuid = L; Man kann eine eigene SUID angeben (z.b. 1L). Bestimmte Änderungen (nicht alle) können vorgenommen werden wenn die SUID gleich bleibt. Neue Objektvariablen werden beim Einlesen standardmäßig initialisiert. Fehlende Objektvariablen werden ignoriert. Bei inkompatiblen Änderungen muss die SUID verändert werden. Neu generieren oder eigene hochzählen. Programmiermethodik - Streams 37

38 Config-Files mit Properties

39 Config-Files (Persistentes) Festhalten von allgemeinen Konfigurationsparametern Oftmals Pfade, Limits, etc. Sollten in Datei veränderbar sein Anwendung soll auch Werte verändern können Java Properties-Klasse Liest/speichert in Stream Bietet Schnittstelle ähnlich zu Map (getproperty), nachdem Properties aus File geladen wurden Default-Values können angegeben werden (bei nicht spezifizierten Properties) Beispiel siehe ConfigFileApplication Programmiermethodik - Streams 39