Betreutes Programmieren Vorlesung Informatik II, Blatt 4 Musterlösung

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1 SS 2011 Fakultät für Angewandte Informatik Lehrprofessur für Informatik Prof. Dr. Robert Lorenz Betreutes Programmieren Vorlesung Informatik II, Blatt 4 Musterlösung Programmieraufwand für geübte Programmierer: max. 45 min Programmieraufwand für ungeübte Programmierer: 1 1,5 h Musterlösung: ca. 88 Codezeilen ToDo-Manager Der ToDoManager hilft Ihnen, Aufgaben ihrer Wichtigkeit nach zu sortieren. Sie geben Aufgaben mit ihrer Beschreibung und einer Priorität in das System ein, und der Manager wählt eine geeignete Sortierung für Sie aus, die er Ihnen dann präsentiert. Aufgabenstellung Setzen Sie das UML-Klassendiagramm aus Abbildung 1 in Java-Code um und berücksichtigen Sie dabei die weiteren Beschreibungen und Hinweise nach dem Diagramm. + Aufgabe - beschreibung: String nicht-leer - prioritaet: Integer 0, 5 + Aufgabe(beschreibung: String, prioritaet: Integer) + getbeschreibung(): String + getprioritaet(): Integer + equals(o: Object): Boolean + Object 0..* - aufgaben 1..1 «interface» Iterable<Aufgabe> + iterator(): Iterator<Aufgabe> + Aufgaben - unique: Aufgaben = null - Aufgaben() + instance(): Aufgaben + addaufgabe(aufgabe: Aufgabe) + popaufgabe(): Aufgabe + iterator(): Iterator<Aufgabe> Abbildung 1: UML-Klassendiagramm der Datenkomponenten Überlegen Sie, wie Sie die Einschränkungen der Attribute von Aufgabe umsetzen können. Die Methode equals() soll genau dann true zurückliefern, wenn sowohl die Beschreibung als auch die Priorität von zwei Aufgaben gleich sind. Die Methode addaufgabe() soll eine neue Aufgabe nur dann zum System hinzufügen, wenn nicht bereits eine identische Aufgabe im System vorhanden ist. Nicht gezählt: Leerzeilen, Kommentare, imports. In eigenen Zeilen: und (ca. 30x), jede Anweisung, außer bei Deklarationen gleichen Typs (z. B. int a, b, c = 0,... ) oder bei einer einzelnen Anweisung nach einem if oder einem else. Nicht benutzt:?:-operator. 1

2 Die Methode popaufgabe() gibt die dringlichste Aufgabe, die im System enthalten ist, zurück und löscht sie aus dem Container. Wie Sie sehen, soll die Klasse Aufgaben die Schnittstelle Iterable implementieren. Weiter erkennen Sie das Singleton-Muster, in dem Aufgaben zu erstellen ist. Erstellen Sie eine main()-methode, um Ihre Implementierung zu testen. Hinweise Sollten Sie noch grundlegendere Hinweise als die in diesem Abschnitt gegebenen benötigen, dann werfen Sie einen Blick in den Anhang ab Seite 6. Dort sind weitergehende Erklärungen zusammengestellt. Beginnen Sie mit der Klasse Aufgabe. Eine Möglichkeit die Einschränkungen zu berücksichtigen ist, im Konstruktor die übergebenen Parameter abzufragen und ggf. die Attribute passend zu initialiseren. 1 Wenn Sie in der Methode equals() die beiden Beschreibungen miteinander vergleichen, benutzen Sie die Methode equalsignorecase() der Klasse String. Auf diese Weise wird nicht zwischen Groß- und Kleinschreibung unterschieden. Lösung Die Klasse Aufgabe wird wie für Java üblich in einer eigenen Datei implementiert; sie heißt Aufgabe.java. Im Konstruktor wird der Hinweis aus Fußnote 1 auch auf das Attribut beschreibung ausgedehnt. Die beiden getter-methoden sind Standard; ebenso die equals()-methode. public class Aufgabe private String beschreibung; private int prioritaet; public Aufgabe(String beschreibung, int prioritaet) this.beschreibung = beschreibung; if (beschreibung == null beschreibung.length() == 0) this.beschreibung = "(keine Beschreibung)"; this.prioritaet = prioritaet; if (prioritaet > 5) this.prioritaet = 5; if (prioritaet < 0) this.prioritaet = 0; public String getbeschreibung() return beschreibung; public int getprioritaet() return prioritaet; public boolean equals(object o) if (o instanceof Aufgabe && prioritaet == ((Aufgabe) o).prioritaet && 1 Wird bspw. eine Priorität größer als 5 übergeben, wird das Attribut prioritaet trotzdem auf den Wert 5 gesetzt. 2

3 beschreibung.equalsignorecase(((aufgabe) o).beschreibung)) return true; return false; Kompiliert wird die Klasse mit dem Befehl javac Aufgabe.java. Bei der Klasse Aufgaben schreiben Sie zunächst das Singleton-Muster, das Sie bereits aus der Vorlesung kennen. Lösung Die Klasse Aufgaben wird in einer zweiten Datei Aufgaben.java implementiert. Zunächst wird nur der Rumpf geschrieben, der das Singleton-Muster implementiert, und Iterator importiert, da die Schnittstelle Iterable implementiert werden soll. Da nur Objekte des gleichen Typs verwaltet werden, wird die Schnittstelle noch parametrisiert und es wird sogar Iterable<Aufgabe> implementiert. Da noch unklar ist, welche weiteren Klassen oder Schnittstellen benötigt werden, wird auf jeden Fall mal Platz für zusätzliche Importe vorgemerkt. import java.util.iterator; zusätzliche Importe public class Aufgaben implements Iterable<Aufgabe> private static Aufgaben unique = null; private Aufgaben() Rumpf des privaten Konstruktors Aufgaben() public static Aufgaben instance() if (unique == null) unique = new Aufgaben(); return unique; Attribut aufgaben Methode addaufgabe() Methode popaufgabe() Methode iterator() Die Methoden addaufgabe(), popaufgabe() und iterator() werden später vorgestellt; ebenso die Wahl für das Attribut aufgaben. Da noch unklar ist, ob der Konstruktor etwas zu tun hat oder nicht, wird seine Füllung ebenfalls verschoben. 3

4 Überlegen Sie nun, welchen Container von Java Sie benutzen könnten, um die einzelnen Aufgaben zu verwalten. Recherchieren Sie in der Dokumentation nach Klassen, die eine Liste oder ein Warteschlange repräsentieren, und benutzen Sie weitestgehend deren Methoden. Lösung Java bietet eine Klasse namens PriorityQueue an, die sich schon selbst darum kümmert, ihre Elemente in der richtigen Reihenfolge vorzuhalten. Es wird also ein weiterer Import benötigt. import java.util.priorityqueue; Nun kann auch das fehlende Attribut deklariert werden, wobei gleich die passende Parametrisierung vorgenommen wird. PriorityQueue<Aufgabe> aufgaben; Die Dokumentation von PriorityQueue spricht davon, dass nur Elemente verwaltet werden können, die miteinander vergleichbar sind. Dazu wird eine eigene Klasse herangezogen, deren einzige Aufgabe es ist, zwei Aufgaben zu vergleichen. Sie wird in einer eigenen Datei namens AufgComp.java implementiert und verwirklicht die Schnittstelle Comparator, wie in der Dokumentation gefordert; auch hier wieder mit der passenden Parametrisierung. import java.util.comparator; public class AufgComp implements Comparator<Aufgabe> public int compare(aufgabe a1, Aufgabe a2) if (a1.getprioritaet() == a2.getprioritaet()) return a1.getbeschreibung().comparetoignorecase(a2.getbeschreibung()); return a2.getprioritaet() - a1.getprioritaet(); Mit dieser zusätzlichen Klasse (kompiliert durch den Aufruf javac AufgComp.java), kann nun im Rumpf des Konstruktors das Attribut aufgaben initialisert werden. Da nur ein Konstruktor existiert, der neben einem Vergleichsobjekt auch eine anfängliche Größe erwartet, wird einfach 10 als Anfangswert mit übergeben mehr Aufgaben will man ja auch nicht erledigen müssen. Der Konstruktorrumpf besteht also nur aus einer Zeile. aufgaben = new PriorityQueue<Aufgabe>(10, new AufgComp()); Die Methode addaufgabe() kann nun wie folgt geschrieben werden, wobei der Aufruf von contains() auf der korrekten Implementierung der equals()-methode fußt sowie die passende Einsortierung auf der korrekten Implementierung der compare()-methode. public void addaufgabe(aufgabe aufgabe) if (!aufgaben.contains(aufgabe)) aufgaben.offer(aufgabe); Die Methode popaufgabe() kann ebenfalls sehr einfach gestaltet werden. public Aufgabe popaufgabe() return aufgaben.poll(); 4

5 Die Methode iterator() verkommt ebenfalls zu einem Einzeiler. Allerdings geht aus der Dokumentation hervor, dass der Iterator die Liste in keiner speziellen Ordnung durchläuft. Die Aufgabe, auf die der Iterator als erstes zeigt, ist also nicht zwangsläufig die Aufgabe, die man über popaufgabe() erhalten würde. Da jedoch in den Anforderungen nicht genau spezifiziert ist, welche Reihenfolge hier maßgebend sein soll, wurde die einfache Variante gewählt und die Reihenfolge nicht berücksichtigt bzw. die Nicht-Reihenfolge von PriorityQueue durchgereicht. public Iterator<Aufgabe> iterator() return aufgaben.iterator(); Nun wird diese Klasse analog mittels javac Aufgaben.java kompiliert. Sollte Ihnen die Implementierung der eigentlichen Verwaltungsoperationen nicht in der angegebenen Zeit gelingen, ist das kein Beinbruch und nicht das Kriterium für die Vergabe des Punktes! Das wesentliche Augenmerk sollten Sie auf die Umsetzung des UML-Diagramms in Code legen, wozu allerdings das Singleton-Muster, die Einschränkungen sowie die Schnittstelle zählen. Lassen Sie in diesem Fall die Methoden addaufgabe() und popaufgabe() leer. Schreiben Sie abschließend eine eigene Klasse, die die main()-methode enthält und in der Sie verschiedene Aufgaben erzeugen und in den Container einfügen. Testen Sie, ob die Reihenfolge richtig ist, ob Aufgaben nicht doppelt eingefügt werden und ähnliches. Lösung Das vorgeschlagene Vorgehen wird in der Datei Main.java umgesetzt. public class Main public static void main(string[] args) Aufgaben.instance().addAufgabe(new Aufgabe("", 2)); System.out.println(Aufgaben.instance().popAufgabe().getBeschreibung()); Aufgaben.instance().addAufgabe(new Aufgabe("", 5)); Aufgaben.instance().addAufgabe(new Aufgabe("", 7)); System.out.println(Aufgaben.instance().popAufgabe().getBeschreibung()); if (Aufgaben.instance().popAufgabe()!= null) System.out.println("Mist!"); Aufgaben.instance().addAufgabe(new Aufgabe("Einkaufen", 4)); Aufgaben.instance().addAufgabe(new Aufgabe("Essen", 2)); Aufgaben.instance().addAufgabe(new Aufgabe("Kochen", 3)); Aufgaben.instance().addAufgabe(new Aufgabe("Einkaufen", 3)); for (Aufgabe a: Aufgaben.instance()) System.out.println(a.getBeschreibung() + " " + a.getprioritaet()); for (Aufgabe a = Aufgaben.instance().popAufgabe(); a!= null; a = Aufgaben.instance().popAufgabe()) System.out.println(a.getBeschreibung() + " " + a.getprioritaet()); Zuletzt wird auch diese Klasse kompiliert (javac Main.java) und anschließend das Programm mit dem Aufruf java Main getestet. 5

6 Weitergehende Erklärungen B.1 Konstruktoren B.2 Singleton-Muster B.3 Vererbung B.3.1 Die Methode equals() B.3.2 Polymorphismus B.4 Schnittstellen B.1 Konstruktoren Eine Erklärung zu Konstruktoren findet sich bereits auf dem letzten Blatt zum Betreuten Programmieren. Das Blatt finden Sie auf der Lehrstuhlseite zum Download. B.2 Singleton-Muster Grundsätzlich handelt es sich bei Mustern um allgemeine Lösungen zu wiederkehrenden Problemen. Diese Lösungen sind meistens in Form von Objekten, deren Methoden und Beziehungen zwischen den Objekten gegeben, falls es sich um mehrere handelt. Das Singleton-Muster löst das Problem, wenn man sicherstellen möchte, dass von einer Klasse höchstens ein Objekt erzeugt werden kann. Aus der Vorlesung wissen Sie, dass dies bei Containerklassen sinnvoll ist. Ein Container kann z. B. ein Lager repräsentieren und zur Verwaltung von Geräten eingesetzt werden. Möchte man nun sichergehen, dass nur ein Lager im System existiert, erstellt man Lager im Singleton-Muster. public class Lager private static Lager unique = null; public static Lager instance() if (unique == null) unique = new Lager(); return unique; private Lager() Rumpf des privaten Konstruktors sonstige Attribute und Methoden für Lager + Geraet - geraete 0..* + Lager unique: Lager = null - Lager() + instance(): Lager Abbildung 2: Singleton in UML Das statische Attribut unique nimmt das einzige Objekt der Klasse auf. Von außerhalb der Klasse kann kein Objekt erzeugt werden, da der Konstruktor private ist. Da die Methode instance() ebenfalls statisch ist, kann Sie ohne ein Objekt, einfach über Lager.instance(), aufgerufen werden. Auf diese Weise bekommt man Zugriff auf das einzige Objekt der Klasse. Alle weiteren Attribute und Methoden werden wie gehabt in die Klasse eingefügt. In UML erkennt man das Singleton-Muster, neben den beiden statischen Komponenten und dem privaten Konstruktor, vor allem an der Multiplizität 1..1, die angibt, dass ein Objekt genau einmal existiert. Dies kann man in Abbildung 2 sehen. Dort ist zusätzlich zu sehen, dass Lager ein Container ist, der beliebig viele Objekte von Geraet verwaltet. Die genauen Verwaltungsoperationen wurden hier der Einfachheit halber weggelassen. 6

7 B.3 Vererbung Dabei handelt es sich um einen integralen Bestandteil der objektorientierten Programmierung (OOP). Die Idee dahinter ist, dass man bereits bestehende Klassen erweitern kann. Aus diesem Grund wird Vererbung in Java mit dem Schlüsselwort extends eingeleitet. Eine abgeleitete Klasse oder Kindklasse übernimmt alle Attribute und Methoden der ursprünglichen Klasse der Elternklasse kann sie aber erweitern und ergänzen. Eine Vererbung drückt eine ist-ein-beziehung aus. Wenn es mehrere gleichartige Klassen gibt, die alle eine gemeinsame Basis besitzen, so ist dies ein guter Kandidat für eine Vererbungshierarchie. Bspw. sind Batman und Superman beides Superhelden. Ein Superheld hat einen Tarnnamen, unter dem er ein normales Leben führt und den er nicht einfach preisgibt, und einen Heldennamen, unter dem er in der Öffentlichkeit auftritt. In Abbildung 3 ist die gemeinsame Basisklasse in UML dargestellt. public class Superheld private String heldenname; private String tarnname; protected String specialgimmick; public Superheld(String tarnname, String heldenname) this.tarnname = tarnname; this.heldenname = heldenname; + Superheld public String getheldenname() return heldenname; protected String gettarnname() return tarnname; - heldenname: String - tarnname: String # specialgimmick: String + Superheld(heldenname: String, tarnname: String) + getheldenname(): String # gettarnname(): String Abbildung 3: UML Superheld Der Code ist die direkte Entsprechung des Diagramms in Java. Wie nach dem Geheimnisprinzip üblich, sind die Namen als private Attribute angelegt. Den Heldennamen darf jeder erfahren, weswegen der entsprechende Getter öffentlich zugänglich ist. Der Getter für den Tarnnamen ist mit dem Schlüsselwort protected versehen (in UML mit #), was bedeutet, dass er nur von Kindklassen aus aufrufbar ist. Wenn Batman also ein Superheld ist, dann hat er über den Getter Zugriff auf seinen Tarnnamen, aber sonst niemand. Er sollte sich dann eine Methode zulegen, die über eine Art Zugriffskontrolle seinen Tarnnamen an Eingeweihte herausrückt, um seine Identität nicht auffliegen zu lassen. Da die Namen der Parameter im Konstruktor den Namen der Attribute gleichen, sind die Attribute im Konstruktor verdeckt. Sie müssen über das Schlüsselwort this angesprochen werden, das eine Referenz auf das aktuelle Objekt darstellt. 7

8 Jeder Superheld hat auch ein besonderes Gimmick. In diesem Fall wird das Geheimnisprinzip umgangen, da ein Superheld nicht erst jedesmal seine Eltern bitten kann, wenn er sein Gimmick einsetzen will. Das würde einfach zu lange dauern. Das Attribut wird deswegen mit protected versehen. public class Batman extends Superheld zusätzlicher Batkram public Batman() super("bruce Wayne", "Batman"); aktiviere batmäßige Coolness und anderen Batkram + Superheld + Batman + Batman() coole Bataktionen Abbildung 4: UML Batman Abbildung 4 kann man entnehmen, dass Vererbung in UML durch eine durchgezogene Linie mit einer leeren Pfeilspitze dargestellt wird. In UML spricht man von Generalisierung und nicht von Vererbung, da man die gegenteilige Richtung betrachtet. Vererbung ist gewissermaßen eine Spezialisierung. Wenn eine Kindklasse eine Methode der Elternklasse überschreibt, indem sie eine Methode gleichen Namens und gleicher Signatur bei Konstruktoren ist hier nur die Parameterliste von Bedeutung anlegt, dann kann man in Java von innerhalb dieser Methode die Methode der Elternklasse über das Schlüsselwort super aufrufen. Innerhalb eines Konstruktors kann jeder Konstruktor der Elternklasse mit der passenden Parameterliste aufgerufen werden. Auf diese Weise kann bestehende Funktionalität erweitert werden. Batman hat mehrere Gimmicks und überschreibt deshalb das Attribut specialgimmick aus der Superheld- Klasse und macht es zu einem Feld. private String[] specialgimmick; Das Attribut der Elternklasse ist nun verdeckt kann aber über super angesprochen werden, sodass die batmäßige Coolness im Konstruktor auf diese Weise gesetzt werden kann. super.specialgimmick = "batmäßige Coolness"; Die anderen Gimmicks werden direkt über das Feld angesprochen. Mehr als zehn Gimmicks schafft der Batgürtel allerdings auch nicht. specialgimmick = new String[10]; Eine Kindklasse kann also auch Attribute einer Elternklasse überschreiben und deren Typ verändern. Beide Attribute stehen danach zur Verfügung. In Java gibt es keine Mehrfachvererbung. Jede Klasse hat also genau eine Elternklasse. Für diese Regel gibt es eine Ausnahme: Object ist szsg. die Adamklasse und wurde direkt in der Sonne geboren. Alle Klassen sind direkt oder indirekt über eine Vererbungshierarchie Kinder von Object. Schreibt man sich also in Java eine neue Klasse und lässt die extends-klausel weg, dann wird sie automatisch durch extends Object aufgefüllt. 8

9 B.3.1 Die Methode equals() Diese Methode wird in Java eingesetzt, um herauszufinden, ob zwei Objekte eigentlich das gleiche Objekt sind. Die Methode besitzen alle Objekte in Java, da jede Klasse automatisch von der Klasse Object erbt und equals() dort definiert ist. Zunächst verwundert der Parameter vom Typ Object. Auf diese Weise wird die Universalität der Methode sichergestellt. Da jedes Objekt in Java auch einen Anteil vom Typ Object besitzt, können so Äpfel mit Birnen verglichen werden. Um auf Attribute und Methoden zuzugreifen, die eine bestimmte Klasse besitzt, muss man den Parameter geeignet casten. Dies ist allerdings nur zulässig, falls das Objekt tatsächlich auch vom Zieltyp ist. Um herauszufinden, welcher Typ wirklich hinter einem Parameter steckt, gibt es den instanceof-operator. Er wird zusammen mit einem Objekt und einem Klassennamen aufgerufen und gibt ein boolesches Ergebnis 2 zurück. So wird eine equals()-methode fast immer nach dem gleichen Schema ablaufen. Zuerst wird auf Klassenzugehörigkeit getestet, dann wird ggf. ein Typecast auf die entsprechende Klasse vorgenommen und this mit dem gecasteten Objekt verglichen. Der Vergleich wird üblicherweise auf den Attributen der beiden Objekte durchgeführt. public boolean equals(object o) if (o instanceof Klasse) Klasse tmp = (Klasse) o; Vergleiche Attribute von this und tmp return false; B.3.2 Polymorphismus Hierbei handelt es sich um einen weiteren integralen Bestandteil von OOP, der mit der Vererbung zusammenhängt und eine große Stärke dieses Programmierparadigmas darstellt. Polymorphismus beschreibt die Vielgestaltigkeit von Objektreferenzen. Da ein Objekt einer Kinderklasse immer auch ein Objekt einer seiner Elternklassen ist, kann es auch einer Variablen solchen Typs zugewiesen werden. Klasse klasse = new Klasse(); Object o = klasse; Ein weiteres Objekt wird im Folgenden benötigt. Klasse anderes = new Klasse(); Nun kommt die Magie. Der folgende Aufrauf ruft ganz klar die Methode equals() der Klasse Klasse auf. klasse.equals(anderes); Aber welche Methode wird in dieser Zeile aufgerufen? o.equals(anderes); 2 Also true oder false. 9

10 Dieselbe Methode wie im vorherigen Aufruf, denn das Objekt, das hinter der Referenz steckt, weiß, dass es ein Objekt der Klasse Klasse ist. Solche Methoden werden virtuelle Methoden genannt, da es nur vom Objekt selbst und nicht der Trägervariablen abhängt, welche Methode also wo in der Vererbungshierarchie aufgerufen wird. In Java sind Methoden immer virtuell. Das bedeutet, dass in Java grundsätzlich immer die jüngste Methode ausgeführt wird, die existiert. B.4 Schnittstellen Eine Schnittstelle wird in UML durch «interface», wie in Abbildung 5 gezeigt, gekennzeichnet. Eine Schnittstelle entspricht dem Konzept der Vorgabe von Methoden. Wenn eine Klasse eine bestimmte Schnittstelle implementiert, dann muss sie ganz bestimmte Methoden zur Verfügung stellen; eben diejenigen, die die Schnittstelle vorgibt. In Java ähnelt eine Schnittstelle einer Klasse. Dabei wird nur das Schlüsselwort class gegen das Schlüsselwort interface ausgetauscht. Weiter dürfen keine Attribute mehr enthalten sein und die Methoden werden nur noch deklariert, enthalten also keine Rümpfe. public interface Geraet public void einschalten(); public void ausschalten(); public boolean istbereit(); «interface» Geraet + einschalten() + ausschalten() + istbereit(): Boolean Abbildung 5: Schnittstelle in UML Nun können verschiedene Klassen diese Schnittstelle implementieren. Auf diese Weise entsteht eine Sammlung von Klassen, die alle eine bestimmte Funktionalität zur Verfügung stellen: Alle Geräte kann man ein- und ausschalten und darauf überprüfen, ob sie benutzt werden können. public class Kuehlschrank implements Geraet eigene Attribute und Methoden public void einschalten() eigene Implementierung dieser Methode public void ausschalten() eigene Implementierung dieser Methode public boolean istbereit() eigene Implementierung dieser Methode «interface» Geraet + einschalten() + ausschalten() + istbereit(): Boolean + Kuehlschrank + einschalten() + ausschalten() + istbereit(): Boolean Abbildung 6: Implementierte Schnittstelle in UML Bspw. verhält sich ein Kühlschrank wie ein Gerät oder kann wie ein Gerät benutzt werden. Er implementiert also die Schnittstelle Geraet, was in Java durch das Schlüsselwort implements und in UML durch eine gestrichelte Linie mit einer leeren Pfeilspitze, wie in Abbildung 6 zu sehen, ausgedrückt wird. 10