Programmieren in Java

Transkript

1 Einführung in die (imperative) Programmierung (Teil 3)

2 2 Wiederholung (Datentyp) Ein Datentyp beschreibt eine Menge von Werten der gleichen Art Der Datentyp legt zudem fest, welche Operationen auf seinen Werten erlaubt ist Primitive Datentypen: Datentypen deren Werte nicht in andere Datentypen zerlegt werden können Beispiel: Angenommen es gäbe einen Datentyp CallNumber CallNumber(areaCode, number) CallNumber buisness = CallNumber(0251, ); CallNumber besteht aus areacode und number Beides sind ganze Zahlen aus dem Bereich int CallNumber ist also zusammengesetzt aus den primitiven Datentyp int CallNumber {( areacode, number ) areacode int, number int

3 3 Wiederholung (Variablen) Variable sind Bezeichner die zur Laufzeit für den Wert eines bestimmten Datentyps stehen Eine Variable wird mittels des Zuweisungsoperators = definiert: Deklaration: DATENTYP Bezeichner = WERT AUSDRUCK ; Zuweisung: optional Bezeichner = WERT AUSDRUCK DATENTYP ; Java ist case-senstive : Zwei Bezeichner mit gleichem Namen, aber unterschiedlicher Großund Kleinschreibung, beschreiben nicht die gleiche Variable! Vor der ersten Nutzung müssen Variablen einen Wert haben Variablen haben eine Gültigkeitsbereich, genannt Scope In Java wird ein Scope durch Code-Blöcke definiert

4 4 Wiederholung (statische Typisierung) Java ist statisch typisiert Innerhalb eines Scopes kann es keine Deklaration zweier Variablen mit gleichen Namen geben Wenn eine Variable für Werte eines bestimmten Typs deklariert wurde, kann sie innerhalb ihres Scopes keinen Wert eines anderen Typs annehmen { int number = 27; SCOPE I { int secondnumber = number * number ; float number = 37f; // Error! SCOPE II float secondnumber = f; // Ok!

5 5 Wiederholung (Coersion) Automatische Umwandlung einer Variablen eines kleineren Datentyps in einen größeren float number = 37 * 27f ; float number = int * float ; Multiplikationsoperator * erwartet Operanden gleichen Typs Links wird float erwartet also muss rechts ein float-wert stehen Typ int ist Teilmenge des Typs float Java kann den Wert 37 automatisch zum Wert 37.0f umwandeln float number = 37.0f * 27f ; float number = float * float = Die Deklaration/Zuweisung ist also zulässig

6 6 Wiederholung (Cast) Wird links int erwartet, wird die Zuweisung nicht mehr compiliert: int number = 37 * 27f ; Links wird int erwartet, also muss rechts int liefern Der Compiler überprüft nicht die Werte sondern nur die Datentypen float ist größer als int, daher keine automatische Umwandlung möglich Man kann die Compiler zwingen die Umwandlung durchzuführen Cast: ( DATENTYP ) WERT AUSDRUCK BEZEICHNER int number = ( int ) ( 37 * 27.0f ) ;

7 7 Aufgabe 1 Was liefert ein Cast von float zu int? Testwerte: 27.8f, 27.3, f, -10.7f, f Ausgabe: 27, 27, -10, -10, 3 Der Cast schneidet die Nachkomma stellen ab Achtung: Auch float ist begrenzt: float floatnumber = f; System.out.println(floatNumber); double doublenumber = ; System.out.println(doubleNumber); Aufgabe 2: siehe Aufgabe 1

8 8 Wiederholung (boolesche Operatoren) & true false true true false false false false true false true true true false true false ^ true false true false true false true false Und Oder Ausschließendes Oder(xor) int number =?; boolean test1 = number >= 0; boolean test2 = number <= 100; boolean testand = test1 && test2; boolean testor = test1 test2; boolean testxor= test1 ^ test2; int number = 50; int number = -50; testand testor testxor => true => true => false testand testor testxor => false => true => true Die Operatoren und & bieten per Doppelnotation sogenannte Kurzschlusssemantik, die in der Regel bevorzugt werden sollte

9 9 Wiederholung: Bedinge Anweisung Die if-else-anweisung: int number =?; if ( BEDINGUNG ) { if (number > 0) { SATZ; BLOCK System.out.println("Größer 0"); else { SATZ; BLOCK else { System.out.println("Kleiner gleich 0"); BEDINGUNG == WERT VARIABLE AUSDRUCK boolean!-operator Umkehr einer booleschen Aussage! int number =?; true false false true Negation boolean notnull = number < 0 && number > 0; => notnull = number!= 0; => notnull =!(number == 0); => notnull =!(number < 0 number > 0);

10 10 Aufgabe 3 Schreiben Sie ein Programm das zwei beliebige Zahle dividiert, aber zuvor überprüft, dass der Divisor nicht gleich 0 ist und in diesem Fall "Division durch 0" ausgibt float divident =?; float divisor =?; if (divisor == 0) { System.out.println("Division durch 0"); else { System.out.println(divident/divisor );

11 11 Fallunterscheidung Mit der if-else Konstruktion lässt sich der Programmverlauf in Abhängigkeit einer Bedingung in zwei Richtungen verzweigen Was wenn die Bedingung nicht auf true oder false reduzierbar ist? char color =? falls color == 'R' falls color == 'O' falls color == 'G' System.out.println("bremsen"); System.out.println("fahren"); System.out.println("gas"); Möglichkeit Reduktion : Die Bedingungen auf einzelne Aussagen reduzieren Geschachtelte if-else Blöcke

12 12 Fallunterscheidung (if-else) char color =?; if (color == 'R') { System.out.println("bremsen"); else { if (color == 'O') { System.out.println("gas"); else { if (color == 'G') { System.out.println("fahren"); Nachteile: Verschachtelungstiefe des Codes steigt mit jeder neuen Bedingung Jede Bedingung muss überprüft werden

13 13 Fallunterscheidung (switch-case) Das switch-case Konstrukt dient zur Verzweigung des Programmcodes in Abhängigkeit von n-verschiedenen Bedingungen switch ( AUSDRUCK ) { char color =?; case LITERAL 1 : { SATZ; BLOCK break case : case LITERAL n : { SATZ; BLOCK switch (color) { case 'R': { System.out.println("bremsen"); break; case 'O': { System.out.println("gas"); break; AUSDRUCK break boolean String enum case 'G': { System.out.println("fahren"); break;

14 14 Switch-Case Die switch-zeile erwartet einen geklammerten Ausdruck Dieser Ausdruck muss einen konstanten Wert liefern Pro möglichen Wert kann ein case-block definiert werden Der Wert wird als Konstante nach case angegeben Nach dem Doppelpunkt wird ein Code-Block definiert, der den Programmverlauf für diesen Wert enthält Enthält dieser Code-Block nur einen Satz kann die Klammerung weggelassen werden Der Codeblock wird mit einem break abgeschlossen Was passiert: Der Ausdruck muss entweder vom Typ int, String oder enum sein Er wird ausgewertet und das Ergebnis mit allen case-werten vergleichen Existiert eine Übereinstimmung so wird zu diesem Block gesprungen

15 15 Switch-Case (Besonderheiten) Ist der Programmverlauf für verschiedene Fälle identisch, so können die case-blöcke zusammengefasst werden case LITERAL 1 : case LITERAL m : case LITERAL n : Die break-anweisung ist optional Achtung: Ohne break werden alle nachfolgenden Blöcke auch ausgeführt, egal ob deren Bedingung eintrat oder nicht! Im Beispiel wird switch über einen Wert vom Typ char ausgeführt Der Datentyp char enthält mehr als nur die drei definierten Fälle Mit default anstelle von case kann Default-Verhalten festgelegt werden default : Ohne default bzw. Treffer bewirkt die switch-anweisung einfach nichts

16 16 Switch vs. if Da bei switch alle case-werte konstant sind, ist bereits vor der Laufzeit klar wo in welchem Fall hingesprungen werden muss Dynamische Probleme sind mit switch nicht lösbar: int number =? falls number < 0 falls number == 0 falls color > 0 System.out.println("klein"); System.out.println("groß"); System.out.println("null"); Die Bedingung kleiner bzw. größer als sind nicht konstant und daher nicht mit als case-fall abbildbar

17 17 Schleifen Schreiben Sie ein Programm, dass die ersten n positiven Quadratzahlen ab 1 ausgibt. int n =?; System.out.println(1); System.out.println(4); System.out.println(n * n); n Mit dem bisher bekannten müssten n-zeilen Code geschrieben werden Die Anzahl n ist allerdings unbekannt bzw. dynamisch Es bedarf eines Konstruktes, dass Code oder Codeblöcke in Abhängigkeit von einer Bedingung solange hintereinander ausführt, bis die Bedingung erfüllt ist Dieses Konstrukt wird Schleife genannt Die meisten Programmiersprachen bieten mehrere Konstrukte zu Definition von Schleifen

18 18 Schleifen (while und do-while) BEDINGUNG == WERT VARIABLE AUSDRUCK boolean int n =?; while ( BEDINGUNG ) { SATZ; BLOCK int iteration = 1; while (iteration <= n) { System.out.println(iteration * iteration ); iteration = iteration + 1; int n =?; do { int iteration = 1; do { while SATZ; BLOCK ( BEDINGUNG ) ; System.out.println(iteration * iteration ); iteration = iteration + 1; while (iteration <= n);

19 19 Schleifen (while und do-while) II Beide Beispielprogramme iterieren über die Hilfevariable iteration Solange die Bedingung nicht zu false auswertet, wird iteriert Die Hilfsvariable wird in jedem Iterationsschritt um 1 erhöht Nach n + 1 Schritten ist der Wert der Variablen größer als n Die Bedingung wird zu false und die Schleife beendet Achtung: Der Unterscheid zwischen beiden Schleife ist der Zeitpunkt zu dem die Bedingung ausgewertet wird int iteration = -1; while (iteration > 0) { System.out.println(iteration); iteration = iteration + 1; int iteration = -1; do { System.out.println(iteration); iteration = iteration + 1; while (iteration > 0); -1

20 20 Die Schleife genauer Die Laufzeit einer Schleife hängt direkt von der Bedingung ab Wird während der Iteration der Zustand des Programmes hinsichtlich der Bedingung niemals geändert, läuft diese unendlich lange Unendliche Schleifen sind selten gewollt In der Regel kann man den Code-Block einer Schleife wie folgt aufteilen int n =?; while ( BEDINGUNG ) { SATZ; BLOCK int iteration = 1; while (iteration <= n) { System.out.println(iteration * iteration ); UPDATE iteration = iteration + 1; Im UPDATE-Bereich wird der Programmzustand so geändert, dass dieser zur Bedingung konvergiert Das UPDATE kann auch vor dem eigentlichen Code-Block geschehen

21 21 Schleifen (for) Neben while und do-while gibt es noch die for-schleife for ( ZUWEISUNG ; BEDINGUNG ; UPDATE ) { SATZ; BLOCK Die Iteration über eine Zählvariable wie in den vorherigen Beispielen ist ein klassischer Einsatz für die for-schleife int n =?; for(int iteration = 1; iteration <= n; iteration = iteration + 1) { System.out.println(iteration * iteration ); int iteration = 1; ) while (iteration <= n { System.out.println(iteration * iteration ); iteration = iteration + 1;

22 22 Die for-schleife im Detail Die ZUWEISUNG findet nur vor der ersten Iteration statt Wird innerhalb der ZUWEISUNG eine neue Variable deklariert, so ist ihr Gültigkeitsbereich die for-schleife selbst Die BEDINUNG wird vor jeder Iteration überprüft und solange iteriert, wie diese zu true auswertet UPDATE ist ein Satz der Sprache dient zur Aktualisieren der Bedingung UPDATE wird nach jeder Iteration ausgeführt Alle drei ZUWEISUNG, BEDINUNG und UPDATE sind optional Die Operatoren +=, ++, -=, -- falls? == 1 iteration = iteration +?; iteration +=?; iteration ++; iteration = iteration -?; Iteration -=?; iteration --; for(int iteration = 1; iteration <= n; iteration ++) {

23 23 Schleifen mit break und continue steuern Mit break kann die Iteration direkt und damit unabhängig von der eigentlichen Bedingung abgebrochen werden int n =?; int max =?; int square; for (int i = 1; i <= n; i++) { square = i * i; System.out.println(square); if (square > max) break; Mit continue kann ein Iterationsschritt abgebrochen werden int n =?; int rangemin =?; int rangemax =?; int square; for (int i = 1; i <= n; i++) { square = i * i; if (square >= rangemin && square <= rangemax) continue; System.out.println(square);

24 24 Don t repeat yourself Annahme: Java habe keinen Multiplikationsoperator (für positive Zahlen) Die Multiplikation ist die wiederholte Anwendung der Addition a* b b b... b a Diese mathematische Vorschrift lässt sich durch eine Schleife realisieren: int a =?; int b =?; int result = 0; for (int i = 1; i <= a; i++) { result += b; a i 1 b Ohne Multiplikation müsste überall dort wo bisher der *-Operator genutzt wurde obiger Code stehen (ohne die Initialisierung von a und b) Der Code sähe allerdings immer gleich aus In der Programmierung herrscht das DRY-Prinzip: Don t repeat yourself

25 25 Don t repeat yourself Mit den aktuellen Mitteln führt allerdings nichts an DRY vorbei Es wird ein Konstrukt benötigt, mit dem immer wiederkehrender Code ausgelagert werden kann In der imperativen Programmierung: Funktion bzw. Methode bzw. Prozedur In Java: Methode MODIFIKATOREN optional RÜCKGABETYP BEZEICHNER ( DATENTYP PARAM-, ) BEZEICHNER optional { SATZ; BLOCK return AUSDRUCK ; MODIFIKATOREN SICHTBARKEIT SICHTBARKEIT static final public protected private AUSDRUCK RÜCKGABETYP

26 26 Statische Methode Methoden sind Teil von Javas OOP-Ansatz Die MODIFIKATOREN legen folgendes fest: Sichtbarkeit: Von wo darf die Methode aufgerufen werden Zugehörigkeit: Gehört die Methode zum Objekt oder zur Klasse Überschreibbarkeit: Kann die Methode überschrieben werden Für den imperativen Ansatz sind diese Festlegungen mit Ausnahme der Zugehörigkeit irrelevant Aktuell sind Objekte noch unbekannt Klassen wurden zumindest schon gesichtet Der Modifikator static steht für zur Klasse gehörig Daher vorerst: static RÜCKGABETYP BEZEICHNER ( DATENTYP PARAM- BEZEICHNER, ) optional {

27 27 Die Multiplikations-Methode Die Multiplikationsvorschrift als Methode: static int mult(int a, int b) { int result = 0; for (int i = 1; i <= a; i++) { result += b; return result; Mit dem BEZEICHNER wird der Name der Methode festgelegt Methoden werden aufgerufen Der Aufruf erfolgt über ihren Namen Optional kann eine Methode eine beliebige Anzahl an Parametern definieren Pro Parameter muss beim Aufruf ein Wert angegeben werden Dieser Wert muss vom Typ der Parameterdefinition sein Innerhalb der Methode sind Parameter Variablen mit den beim Aufruf übergebenen Werten als Initalwert

28 28 Aufruf einer Methode Ein Aufruf der Methode: mult(27, 37); Die Parameter a und b wurden als Variablen vom Typ int definiert Die Werte 27 und 37 sind vom Typ int Es gelten die Typumwandlungsregeln von Operatoren Werte eines kleineren Typs werden automatisch umgewandelt Werte eines größeren Typs müssen per Cast umgewandelt werden Typfremde Werte führen zu Compilerfehlern mult(27.0f, 37); mult((int) 27.0f, 37); mult(27, false); Die Werte werden in der Reihenfolge der Parameterdefinition zugwiesen a = 27 b = 37

29 29 Rückgabe einer Methode Eine Methode muss ein Ergebnis liefern Dieses Ergebnis muss vom angegebenen RÜCKGABETYP sein Der letzte ausführbare Satz einer Methode muss das Ergebnis liefern Dieser Lieferung erfolgt über das Schlüsselwort return static int mult(int a, int b) { int result = 0; for (int i = 1; i <= a; i++) { result += b; return result; Die Multiplikation soll int liefern Die Variable result hält das Zwischenergebnis der n-ten Addition Sie ist vom Typ int Am Ende wird der zuletzt in result gespeicherte Werte zurückgegeben Methodenaufrufe können daher analog zu Operatoren in Ausdrücken und insbesondere Zuweisungen genutzt werden int somevalue = mult(27, 37) + 1; // somevalue == 1000

30 30 Wohin mit der Methode Im Default-Rahmen tauchte bereits eine Methode auf: die main-methode Methoden können nicht innerhalb von Methoden geschachtelt werden Methoden müssen innerhalb von Klassen definiert werden class Program { Methoden public static void main(string[] args){ Programmfluss class Program { static int mult(int a, int b) { int result = 0; for (int i = 1; i <= a; i++) { result += b; return result; public static void main(string[] args){ int somevalue = mult(27, 37) + 1; System.out.println(someValue);

31 31 Der spezielle Rückgabetyp void Die main-methode hat einige besondere Auffälligkeiten: Ihr Rückgabetyp ist der bisher unbekannte Datentyp void Sie liefert kein Rückgabewert Der Datentyp void steht für Nichts Ist der Rückgabetyp einer Methode void, so kann sie kein Ergebnis liefern (oder liefert, wenn man so will, ein automatisch ein leeres Ergebnis) Es kann keine Variablen vom Typ void geben! Methoden mit void dienen zumeist zum Ausführen von Nebeneffekten Die bereits benutzte Methode println ist so eine Methode System.out.println("Hello World"); Sie liefert kein Ergebnis und veranlasst sozusagen nebenläufig, dass ein Wert auf der Console ausgegeben wird

32 32 Aufgaben Aufgabe 1 Schreiben Sie eine Methode mult zur Multiplikation zwei ganzzahliger Zahlen (int) ohne den mult-operator Achtung: In der Vorlesung wurde die Multiplikation nur für positive ganze Zahlen umgesetzt! Aufgabe 2: Schreiben Sie eine Methode modulo, die den ganzzahligen Rest einer Division auf positiven, ganzen Zahlen größer 0 (int) liefert Die Eingaben sollten auf Positivität überprüft werden und bei einer fehlerhaften Eingabe -1 zurückliefern modulo(27, 37) 27 // falls a < b a modulo(37, 27) 10 modulo(10, 5) 0 modulo(10, 3) 1