Einführung in die Programmierung Generische Programmierung. Thomas R. Gross. Department Informatik ETH Zürich

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1 Einführung in die Programmierung 10.0 Generische Programmierung Thomas R. Gross Department Informatik ETH Zürich Copyright (c) Pearson 2013 and Thomas Gross 2016 All rights reserved.

2 Uebersicht 10.0 Einleitung 10.1 ArrayList<T> ArrayList<Person> Wrapper Typen 10.2 Vergleichen von Objekten 10.3 Mengen 10.4 Abbildungen 2

3 ArrayList Type in ArrayList<Type> muss ein Referenztyp sein Type kann nicht ein Basistyp sein Wrapper Types: int: Integer, double:double, boolean:boolean,. Referenztypen die einen Wert des entsprechenden Basistyps enthalten

4 // creates a list of ints ArrayList<Integer> score = new ArrayList<Integer>(); // creates a list of doubles ArrayList<Double> grade = new ArrayList<Double>(); Eine so konstruierte Liste kann dann wie gewöhnlich verwendet werden 4

5 Wrapper Klassen Das Umwandeln eines Basistyps in den entsprechenden Wrapper Typ wird als boxing bezeichnet Integer bigi = 5; int j = 7; bigi = j; System.println( bigi = " + bigi); Der Zugriff auf den Basistypwert wird als unboxing bezeichnet int k = bigi; System.println("k = " + k); 5

6 Integer Parameter Was gibt dieses Programm(segment) aus? Integer bi = new Integer(777); test(bi); System.out.println(bi); public static void test(integer bigi) { System.out.println(bigI); Integer somei; somei = 333; System.out.println(someI); bigi = new Integer(666); System.out.println(bigI); 6

7 Integer Parameter Was gibt dieses Programm(segment) aus? Integer bi = new Integer(777); test(bi); System.out.println(bi); public static void test(integer bigi) { System.out.println(bigI); Integer somei; somei = 333; System.out.println(someI); bigi = new Integer(666); System.out.println(bigI);

8 Wrapper Klassen Eine mit Wrappern konstruierte Liste kann dann wie gewöhnlich verwendet werden ArrayList<Double> noten = new ArrayList<Double>(); noten.add(5.75); noten.add(3.5);... double mygrade = noten.get(0); 8

9 Legale und Illegale Indize Der Index für einen Zugriff auf ein Element der Liste muss zwischen 0 und der Grösse der Liste - 1 liegen (einschliesslich) 0 <= index <= list.size() - 1. Ein Zugriff auf ein Element ausserhalb dieses Bereichs hat eine IndexOutOfBoundsException zur Folge.

10 index value Bob Pete Vicki Sue ArrayList<String> names = new ArrayList<String>(); names.add( Bob"); names.add( Pete"); names.add( Vicki"); names.add( Sue"); System.out.println(names.get(0)); System.out.println(names.get(3)); System.out.println(names.get(-1)); names.add(9, "Aimee"); // okay // okay // exception // exception 10

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12 ArrayList Rätsel" ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>(); for (int i = 1; i <= 10; i++) { list.add(10 * i); // [10, 20, 30, 40,..., 100] Was gibt dieses Programmsegment aus? for (int i = 0; i < list.size(); i++) { list.remove(i); System.out.println(list);

13 ArrayList Rätsel" ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>(); for (int i = 1; i <= 10; i++) { list.add(10 * i); // [10, 20, 30, 40,..., 100] Was gibt dieses Programmsegment aus? for (int i = 0; i < list.size(); i++) { list.remove(i); System.out.println(list); Answer: [20, 40, 60, 80, 100]

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16 ArrayList Rätsel" 2 ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>(); for (int i = 1; i <= 5; i++) { list.add(2 * i); // [2, 4, 6, 8, 10] Was gibt dieses Programmsegment aus? int size = list.size(); for (int i = 0; i < size; i++) { list.add(i, 42); // add 42 at index i System.out.println(list);

17 ArrayList Rätsel" 2 ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>(); for (int i = 1; i <= 5; i++) { list.add(2 * i); // [2, 4, 6, 8, 10] Was gibt dieses Programmsegment aus? int size = list.size(); for (int i = 0; i < size; i++) { list.add(i, 42); // add 42 at index i System.out.println(list); Answer: [42, 42, 42, 42, 42, 2, 4, 6, 8, 10]

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19 ArrayList Rätsel" 3 ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>(); for (int i = 1; i <= 5; i++) { list.add(2 * i); // [2, 4, 6, 8, 10] Was gibt dieses Programmsegment aus? for (int i = 0; i < list.size(); i++) { list.add(i, 777); // add 777 at index i System.out.println(list);

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21 Uebung Schreiben Sie ein Programm das eine Datei mit ganzen Zahlen liest und dann die Zahlen als Liste druckt: Dann drucken Sie den Durchschnitt der Zahlen. Geben Sie die grösste und die kleinste Zahl aus. Filtern (d.h. entfernen) Sie alle geraden Zahlen (Zahlen die durch 2 ohne Rest teilbar sind).

22 ArrayList Methoden add(value) add(index, value) clear() indexof(value) get(index) remove(index) set(index, value) size() tostring() appends value at end of list inserts given value just before the given index, shifting subsequent values to the right removes all elements of the list returns first index where given value is found in list (-1 if not found) returns the value at given index removes/returns value at given index, shifting subsequent values to the left replaces value at given index with given value returns the number of elements in list returns a string representation of the list such as "[3, 42, -7, 15]"

23 Lösung (Auszug) ArrayList<Integer> numbers = new ArrayList<Integer>(); Scanner input = new Scanner(new File("numbers.txt")); while (input.hasnextint()) { int n = input.nextint(); numbers.add(n); System.out.println(numbers); filterevens(numbers); // Remove even numbers System.out.println(numbers);...

24 Lösung (Auszug) ArrayList<Integer> numbers = new ArrayList<Integer>(); Scanner input = new Scanner(new File("numbers.txt")); while (input.hasnextint()) { int n = input.nextint(); numbers.add(n); System.out.println(numbers); filterevens(numbers); System.out.println(numbers);...

25 Lösung (Auszug) // Removes all elements w/ even values from the list. public static void filterevens(arraylist<integer> list) { for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) { int n = list.get(i); if (n % 2 == 0) { list.remove(i); 25

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27 Uebung Schreiben Sie eine Methode addstars die eine ArrayList von Strings als Parameter hat und einen * nach jedem Element einfügt. Beispiel : Wenn die ArrayList list am Anfang enthält: [die, schnelle, graue, Schlange] Dann ist der Effekt des Aufrufs addstars(list) diese Liste: [die, *, schnelle, *, graue, *, Schlange, *]

28 Schreiben Sie eine Methode removestars die eine ArrayList von Strings als Parameter hat in der jedes zweite Element ein * ist, und entfernen Sie diese Sterne (machen also den Effekt der Methode addstars rückgängig). 28

29 Lösungen public static void addstars(arraylist<string> list) { for (int i = 0; i < list.size(); i += 2) { list.add(i+1, "*"); public static void removestars(arraylist<string> list) { for (int i = 1; i < list.size(); i++) { list.remove(i);

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31 Uebung SchreibenSie eine Methode intersect die zwei ArrayListen mit ganzen Zahlen als Parameter akzeptiert und eine neue ArrayList zurückgibt, die nur die Elemente enthält, die in beiden Listen vorhanden sind. Beispiel: Wenn list1 und list2 ursprünglich enthalten: [1, 4, 8, 9, 11, 15, 17, 28, 41, 59] [4, 7, 11, 17, 19, 20, 23, 28, 37, 59, 81] dann ergibt der Aufruf von intersect(list1, list2) die Liste: [4, 11, 17, 28, 59]

32 Lösung (Teil 1) ArrayList<Integer> list1 = new ArrayList<Integer>(); Scanner input = new Scanner(new File("list1.txt")); while (input.hasnext()) { int i = input.nextint(); list1.add(i); ArrayList<Integer> list2 = new ArrayList<Integer>(); input = new Scanner(new File("list2.txt")); while (input.hasnext()) { int i = input.nextint(); list2.add(i); 32

33 Lösung (Teil 2) ArrayList<Integer> list3 = new ArrayList<Integer>(); list3.addall(list1); list3.retainall(list2); System.out.println(list3); 33

34 Andere Uebungen Schreiben Sie eine Methode reverse die die Reihenfolge der Elemente einer ArrayList fürstrings umkehrt. Schreiben Sie eine Methode capitalizeadverbs die als Parameter eine ArrayList von String Objekten entgegen nimmt und jedes Wort eines englischen Textes, das mit ly" endet, mit Grossbuchstaben schreibt.

35 Collections als Attribut von Objekten Ein Objekt kann einen Array, eine ArrayList, oder jede beliebige Sammlung als Attribut haben. public class Course { private String[] locations; private ArrayList<String> studentnames; private ArrayList<Double> studentgrades; public Course() { locations = new String[5]; studentnames = new ArrayList<String>();... Jedes Exemplar enthält jetzt zwei Collection Objekte.

36 Die compareto Methode Um das Vergleichen von Exemplaren zu ermöglichen sollte eine Java Klasse eine Methode compareto definieren, die auf der Menge der Exemplare eine (totale) Ordnungsrelation definiert Diese erlaubt es dann zwei Exemplare zu vergleichen. A B oder B A A B und B A: A = B Beispiel: in der String Klasse gibt es die Methode public int compareto(string other)

37 compareto für String Beispiel: in der String Klasse gibt es die Methode public int compareto(string other) Ein Aufruf A.compareTo(B) liefert: einen Wert < 0 wenn A vor" B in der Ordnungsrelation ist, einen Wert > 0 wenn A nach" B in der Ordnungsrelation ist, oder 0 wenn A und B in der Ordnungsrelation gleich" sind 37

38 Gebrauch von compareto compareto kann im Test einer if Anweisung gebraucht werden. String a = "alice"; String b = "bob"; if (a.compareto(b) < 0) { // true...

39 Gebrauch von compareto Primitives Objects if (a < b) {... if (a.compareto(b) < 0) {... if (a <= b) {... if (a.compareto(b) <= 0) {... if (a == b) {... if (a.compareto(b) == 0) {... if (a!= b) {... if (a.compareto(b)!= 0) {... if (a >= b) {... if (a.compareto(b) >= 0) {... if (a > b) {... if (a.compareto(b) > 0) {... 39

40 compareto und Collections Die Methode für binäre Suche funktioniert für Arrays und ArrayLists da diese Methode (intern) die compareto Methode aufruft. String[] a = {"al", "bob", "cari", "dan", "mike"; int index = Arrays.binarySearch(a, "dan"); // 3 Auch sortieren ist deswegen möglich String [] s = {"my", "dog", "has", "fleas"; Arrays.sort(s); System.out.println(Arrays.toString(a)); Output: [dog, fleas, has, my]

41 Wie können wir mit einer ArrayList arbeiten? Wie die Klasse Arrays gibt es auch eine Klasse Collections die nützliche Methoden für Collections enthält zum Beispiel sort 41

42 Wie können wir mit einer ArrayList arbeiten? Wie die Klasse Arrays gibt es auch eine Klasse Collections die nützliche Methoden für Collections enthält Fall 1: Die Objekte der ArrayList stellen compareto zur Verfügung ArrayList<String> list1 = new ArrayList<String>(); for (int i = 0; i < s.length; i++) list1.add(new String(s[i])); Collections.sort(list1); Output: [dog, fleas, has, my] 42

43 Wie können wir mit einer ArrayList mit beliebigen Objekten arbeiten? Fall 2: Selbstdefinierte Klassen Beispiel: Wir halten zu jedem Wort die Position des ersten Auftretens in einem Text fest public class Word { String item; int position; int count; Word(String n) { item = n; 43

44 public class Word { String item; int position; Word(String n) { item = n; 44

45 Wie können wir mit einer ArrayList mit beliebigen Objekten arbeiten? Fall 2: Selbstdefinierte Klassen String [] s = {"my", "dog", "has", "fleas"; ArrayList<Word> list1 = new ArrayList<Word>(); for (int i=0; i<s.length; i++) { list1.add(new Word(s[i])); Collections.sort(list1); 45

46 Sieht gut aus, aber wird nicht übersetzt //javac Example7aa.java Example7aa.java:15: cannot find symbol symbol : method sort(java.util.arraylist<word>) location: class java.util.collections Collections.sort(list1); ^ 1 error 46

47 Selbstdefinierte Typen ordnen Wir können eine beliebige ArrayList nicht sortieren da Java nicht weiss, wie die Elemente zu ordnen sind. Unsere Klasse (Word) muss klar machen, wie die Elemente geordnet sind Dafür gibt es eininterface das compareto enthält

48 Comparable public interface Comparable<E> { public int compareto(e other); Eine Klasse kann das Interface Comparable implementieren und so eine natürliche Ordnung für ihre Exemplare definieren. Natürliche Ordnung: es gibt nur eine Ordnungsrelation Wenn wir mehrererelationen zulassen wollen dannwird es komplizierter

49 Comparable Ein Aufruf A.compareTo(B) liefert: einen Wert < 0 einen Wert > 0 wenn A vor" B in der Ordnungsrelation ist, wenn A nach" B in der Ordnungsrelation ist, oder 0 wenn A und B in der Ordnungsrelation gleich" sind 49

50 Comparable Muster public class name implements Comparable<name> {... public int compareto(name other) {...

51 Comparable Beispiel class Word implements Comparable<Word> { String item; int position; int count; //constructor public int compareto(word otherword) { String compareitem = otherword.item; return (item.compareto(compareitem)); 51

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53 Comparable Beispiel Was wenn wir jetzt die Exemplare auch nach der Position oder der Häufigkeit ordnen wollen? Dann hätten wir drei mögliche Ordnungsrelationen 1. Lexikographisch auf Grund des Namens 2. Nach Häufigkeit 3. Nach der Position des 1. Auftretens Geht auch aber dazu müssen wir ein besonderes Objekt konstruieren, einen Comparator<T> Später 53

54 compareto und Collections Auch andere Collections nutzen diese Methode. Java's TreeSet/Map braucht intern compareto um eine Ordnung zu definieren Set<String> set = new TreeSet<String>(); for (String s : a) { set.add(s); System.out.println(s); // [al, bob, cari, dan, mike]

55 Aufgabe Sie erinnern sich an die Klasse Point 55

56 Klasse Point public class Point { private int x; private int y; // Constructs a Point at the given x/y location. public Point(int initialx, int initialy) { x = initialx; y = initialy; // Methods...

57 Aufgabe Sie erinnern sich an die Klasse Point Wir wollen die Point Exemplare sortieren können Das X Attribut entscheidet, ob ein Point vor einem anderen ist, und wenn die X Attribute gleich sind, dann entscheidet das Y Attribut 57

58 Aufgabe Sie erinnern sich an die Klasse Point Wir wollen die Point Exemplare sortieren point1 "vor" point2 wenn point1.x < point2.x oder point1.x == point2.x und point1.y < point2.y point1 "nach" point2 wenn point1.x > point2.x oder point1.x == point2.x und point1.y > point2.y sonst point1 "gleich" point2 58

59 compareto für Point Ein Aufruf A.compareTo(B) liefert: einen Wert < 0 wenn A vor" B in der Ordnungsrelation ist, einen Wert > 0 wenn A nach" B in der Ordnungsrelation ist, oder 0 wenn A und B in der Ordnungsrelation gleich" sind 59

60 Comparable Beispiel public class Point implements Comparable<Point> { private int x; private int y;

61 Comparable Beispiel public class Point implements Comparable<Point> { private int x; private int y;

62 // sort by x and break ties by y public int compareto(point other) { if (x < other.x) { return -1; else if (x > other.x) { return 1; else if (y < other.y) { return -1; // same x, smaller y else if (y > other.y) { return 1; // same x, larger y else { return 0; // same x and same y Comparable für Point

63 compareto Diskussion Subtraktion Manchmal kann man durch Subtraktion entsprechender Werte den für compareto gewünschten Rückgabewert erhalten: // sort by x and break ties by y public int compareto(point other) { if (x!= other.x) { return x - other.x; // different x else { return y - other.y; // same x; compare y

64 compareto Diskussion Subtraktion Manchmal kann man durch Subtraktion entsprechender Werte den für compareto gewünschten Rückgabewert erhalten: Die Idee: if x > other.x, then x - other.x > 0 if x < other.x, then x - other.x < 0 if x == other.x, then x - other.x == 0 Achtung: Dieser Weg funktioniert nicht für reelle Zahlen (doubles) aber siehe Math.signum(double)

65 compareto Diskussion tostring - Wenn die tostring Darstellung der Exemplare der Ordnungsrelation entspricht, dann können wir so vergleichen: // sort by date, e.g. "09/19" > "04/01" public int compareto(date other) { return tostring().compareto(other.tostring()); Delegation Wenn die Exemplare Attribute haben, die verglichen werden können (z.b. Strings) dann kann man deren compareto Methode verwenden : // sort by employee name, e.g. "Jim" < "Susan" public int compareto(employee other) { return name.compareto(other.getname());

66 Uebersicht 10.3 Mengen 10.4 Abbildungen 66

67 Java collections framework

68 Uebung Schreiben Sie ein Programm, das zählt wie viele verschiedene Wörter in einem Text auftauchen (z.b., Tolstois Krieg und Frieden [Война и мир] oder Goethes Faust ). Speichern Sie die Wörter in einer (An)Sammlung und geben Sie die Anzahl der aufgetretenen Wörter aus. Sind [das] Gute, gute, gut, guter, guten verschieden? Nach dem Einlesen des Textes sollte es möglich sein, festzustellen ob ein bestimmtes Wort im Text auftritt.

69 Sammlungen Was für eine Collection ist die beste für dieses Problem? Wie kann man diese Frage beantworten? Was müssen wir wissen? 69

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72 List<E> 72

73 LinkedList<E> 73

74 LinkedList Methoden add(value) add(index, value) clear() indexof(value) get(index) remove(index) set(index, value) size() tostring() appends value at end of list inserts given value just before the given index, shifting subsequent values to the right removes all elements of the list returns first index where given value is found in list (-1 if not found) returns the value at given index removes/returns value at given index, shifting subsequent values to the left replaces value at given index with given value returns the number of elements in list returns a string representation of the list such as "[3, 42, -7, 15]"

75 Kommt uns diese Liste bekannt vor? 75

76 Kommt uns diese Liste bekannt vor? Die selben Methoden sind fürarraylist definiert. 76

77 ArrayList Methoden add(value) add(index, value) clear() indexof(value) get(index) remove(index) set(index, value) size() tostring() appends value at end of list inserts given value just before the given index, shifting subsequent values to the right removes all elements of the list returns first index where given value is found in list (-1 if not found) returns the value at given index removes/returns value at given index, shifting subsequent values to the left replaces value at given index with given value returns the number of elements in list returns a string representation of the list such as "[3, 42, -7, 15]"

78 Das Kleingedruckte LinkedList: get(index) braucht O(n) Zeit ArrayList: get(index) braucht O(1) Zeit 78

79 Praktische Analyse Müssen das Laufzeitverhalten für realistischen Input messen Was ist realistischer Input? Zeitmessungen nicht einfach Java System hat viele Komponenten (einige habenwir nochgarnicht kennengelernt) und verschiedene Compiler Einfache Messung gibt uns end-to-end Uebersicht System.currentTimeMillis() Eingebaut 79

80 System.currentTimeMillis() Gibt die Zeit (in ms) seit 00:00, 1. Januar Typ des Rückgabewertes ist long Ein anderer Basistyp Wie int nur mit einer Darstellung die mehr Bits (64) erfordert Kann wiederholt aufgerufen werden um die Ausführungszeit einer (genügend lange laufenden) Methode zu messen 80

81 Empirical analysis Running a program and measuring its performance System.currentTimeMillis() Returns an integer representing the number of milliseconds that have passed since 12:00am, January 1, The result is returned as a value of type long, which is like int but with a larger numeric range (64 bits vs. 32). Can be called twice to see how many milliseconds have elapsed between two points in a program.

82 Beispiel Thomas Mann, Die Buddenbrooks, 1'602'177 Bytes Quelle: Projekt Guttenberg Messungen Klasse Zeit (ms) LinkedList 1761 ArrayList

83 Beispiel Thomas Mann, Die Buddenbrooks, 1'602'177 Bytes Quelle: Projekt Guttenberg Messungen Klasse Zeit (ms) LinkedList 1761 ArrayList 1242 Intel(R) Xeon(TM) CPU 2.80GHz 83

84 Ernsthafte Evaluationen müssen viele Aspekte berücksichtigen Mehrfache Ausführung des selben Programms Durchschnitt (arithmetisch, harmonisch, geometrisch) k-out-of-n Prozessoren sind komplex Speicher Hierarchie Echte Clock Rate (hier MHz) Java Umgebung ist komplex 84