Generische Datenstrukturen

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1 Generische Datenstrukturen Prof. Dr. rer. nat. habil. Uwe Aßmann Lehrstuhl Softwaretechnologie Fakultät für Informatik TU Dresden Softwaretechnologie, Prof. Uwe Aßmann 1

2 2 Trends in der Softwareentwicklung Rapid Application Development (RAD) Schneller viel Code schreiben Typisierung weglassen Bei den Assoziationen Beim Programmieren gegen Schnittstellen Mächtige Operationen, die schnell zu schreiben sind Safe Application Development (SAD) Guten Code schreiben Typisierung, damit der Übersetzer viele Fehler entdeckt (statische Typisierung) Mehr ntwurfswissen aus dem ntwurf in die Implementierung übertragen Typisierung der Assoziationen Aus der Definition einer Datenstruktur können Bedingungen für ihre Anwendung abgeleitet werden Zeit pike Java Java 1.5 Zuverlässigkeit Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 2

3 lemente einer Hierarchie Formular Bestellung Lieferschein Rechnung Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 3

4 Problem 1 ungetypter Schnittstellen: Laufzeitfehler Bei der Konstruktion von Collections werden oft Fehler programmiert, die bei der Dekonstruktion zu Laufzeitfehlern führen Kann in Java < 1.4 nicht durch den Übersetzer entdeckt werden List listofrechnung = new ArrayList(); Rechnung rechnung = new Rechnung(); listofrechnung.add(rechnung); Bestellung best = new Bestellung(); listofrechnung.add(best); Programmierfehler! for (int i = 0; i < listofrechnung.size(); i++) { ((Rechnung)rechnung) = listofrechnung.get(i); Laufzeitfehler!! Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 4

5 Problem 2 ungetypter Schnittstellen: Unnötige Casts Bei der Dekonstruktion von Collections müssen unnötig Casts spezifiziert werden List listofrechnung = new ArrayList(); Rechnung rechnung = new Rechnung(); listofrechnung.add(rechnung); Rechnung rechnung2 = new Rechnung(); listofrechnung.add(rechnung2); Diesmal ok for (int i = 0; i < listofrechnung.size(); i++) { ((Rechnung)rechnung) = listofrechnung.get(i); Cast nötig, obwohl alles Rechnungen Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 5

6 Abhilfe: Generische Klassen ine generische Klasse ist eine Klassenschablone, die mit einem Typparameter P versehen ist. In UML In Java Sprachregelung: Array of T P Container class Container<P> { P content[]; content P Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 6

7 Generische Datentypen in der Collection-Hierarchie Die neue, generische Hierarchie (seit Java 1.5) Collection List Set Queue Map K,V SortedSet Blocking Queue SortedMap K,V Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 7

8 Instanz der Generischen Hierarchie Collection List Set Queue Map K,V Collection <Formular> <<instantiates> > SortedSet Blocking Queue SortedMap K,V List <Formular> Set <Formular> Queue <Formular> Map <Nr,Formular> Darf man Rechnungen, Bestellungen und Lieferscheine in diese Collections stecken? Ja. SortedSet <Formular> Blocking Queue <Formular> SortedMap <Nr,Formular> Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 8

9 Probleme gelöst Bei der Konstruktion von Collections werden jetzt Äpfel werden von Birnen unterschieden Casts sind nicht nötig, der Übersetzer kennt den feineren Typ List<Rechnung> listofrechnung = new ArrayList<Rechnung>(); Rechnung rechnung = new Rechnung(); listofrechnung.add(rechnung); Bestellung best = new Bestellung(); listofrechnung.add(best); Compilerfehler for (int i = 0; i < listofrechnung.size(); i++) { rechnung = listofrechnung.get(i); Kein Cast mehr nötig Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 9

10 Generizität funktioniert auch geschachtelt // Das Archiv fasst alle Rechnungen aller bisherigen Jahrgänge zusammen List<List<Rechnung>> archiv = new ArrayList<List<Rechnung>>(); // listofrechnung fasst die Rechnungen des aktuellen Jahres zusammen List<Rechnung> listofrechnung = new ArrayList<Rechnung>(); archiv.add(listofrechnung); Rechnung rechnung = new Rechnung(); archiv.getindex(0).add(rechnung); Bestellung best = new Bestellung(); archiv.getindex(0).add(best); funktioniert for (int jahr = 0; jahr < archiv.size(); jahr++) { listofrechnung = archiv.getindex(jahr); for (int i = 0; i < listofrechnung.size(); i++) { rechnung = listofrechnung.getindex(i); Übersetzungs- Fehler Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 10

11 Benutzung von getypten und ungetypten Schnittstellen.. ist in Java 1.5 ohne Probleme nebeneinander möglich // Das Archiv fasst alle Rechnungen aller bisherigen Jahrgänge zusammen List<List<Rechnung>> archiv = new ArrayList<List<Rechnung>>(); // listofrechnung fasst die Rechnungen des aktuellen Jahres zusammen List listofrechnung = new ArrayList(); archiv.add(listofrechnung); Rechnung rechnung = new Rechnung(); archiv.getindex(0).add(rechnung); Bestellung best = new Bestellung(); archiv.getindex(0).add(best); for (int jahr = 0; jahr < archiv.size(); jahr++) { listofrechnung = archiv.getindex(jahr); funktioniert for (int i = 0; i < listofrechnung.size(); i++) { rechnung = (Rechnung)listOfRechnung.getIndex(i); Übersetzt auch, aber Laufzeitfehler beim Cast... Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 11

12 Typschranken generischer Parameter (type bounds) Beispiel: Comparable<> als Return-typ in der Collections-Klasse sichert zu, dass die Methode compareto() existiert class Collections { /** minimum function for a Collection. Return value is typed * with a generic type with a type bound */ public static < extends Comparable<>> min(collection<> ce) { Iterator<> iter = ce.iterator(); curmin = iter.next; if (curmin == null) return curmin; for ( element = curmin; iter.hasnext(), element = iter.next) { if (element.compareto(curmin) < 0) { curmin = element; return curmin; Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 12

13 Generische Methoden als Funktionale Objekte in Funktionalobjekt ist ein Objekt, das eine Funktion darstellt (reifiziert). Funktionalobjekte können Berechnungen kapseln und später ausführen (laziness) s gibt eine Funktion in der Klasse des Funktionalobjektes, dass die Berechnung ausführt Generischer Name, z.b. execute() oder doit() Zur Laufzeit kann man das Funktionalobjekt mit Parametern versehen Herumreichen Und zum Schluss ausführen Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 13

14 Generische Methoden als Funktionale Objekte Anwendung: Akkumulatoren und andere generische Listenoperationen BinOp P // A functional object that adds, once invoked interface BinOp<P> { P execute(p p1, P p2) Collection <P> Functional Accumulate B // an interface for a collection of binary operation on // collections interface Functional<Collection<P>,B extends BinOp<P>> { P compute(collection<p> p); class Accumulate<C,P> implements Functional<C,P> { P cursum; P element; B binaryoperation; public P compute(collection<p> c) { for (int i = 0; i < c.size(); i++) { element = c.getindex(i); binaryoperation.execute(cursum,p); return cursum; Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 14

15 Unterschiede zu C++ In Java: einmalige Übersetzung des generischen Datentyps Verliert etwas ffizienz, da der Übersetzer alle Typinformation im generierten Code vergisst und nicht ausnutzt z.b. sind alle Instanzen mit unboxed objects als boxed objects realisiert C++ bietet Code-Templates (snippets, fragments) an, mit denen man mehr parameterisieren kann, z.b. Methoden In C++ können Templateparameter Variablen umbenennen: template class C <class T> { T attribute<t> Templateparameter können Variablen umbenennen Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 15

16 nd Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 16