Folienpaket 6 Themenschwerpunkte: Klassen in OOP, Referenztypen: Objekte /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

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1 Folienpaket 6 Themenschwerpunkte: Klassen in OOP, Referenztypen: Objekte /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

2 Felder in Java Zur Erinnerung: Felder sind Ketten von Variablen gleichen Typs: a a[0] a[1] a[2] a[3] a[4] a[n-1] Deklaration int[] a; legt die Referenz auf das Feld an, Zuweisung a = new int[10]; legt die Feldelemente an, Zugriff auf Einzelelement a[4] = -42 geschieht über den Index in eckigen Klammern /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

3 Operationen mit Feldern Typische Operationen mit Feldern sind Kopieren, Einfügen und Löschen von Elementen: int[] kopie; kopie = new int[feld.length]; for (int k = 0; k < feld.length; k = k + 1) { kopie[k] = feld[k]; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

4 Operationen mit Feldern Typische Operationen mit Feldern sind Kopieren, Einfügen und Löschen von Elementen: int[] kopie; kopie = new int[feld.length + 1]; for (int k = 0; k < feld.length; k = k + 1) { kopie[k] = feld[k]; kopie[feld.length] = NeuerWert ; feld = kopie; // Altes Feld wird hier gelöscht /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

5 Operationen mit Feldern Typische Operationen mit Feldern sind Kopieren, Einfügen und Löschen von Elementen: int pos = 4; // Index des zu löschenden Elements int[] kopie; kopie = new int[feld.length - 1]; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

6 Operationen mit Feldern Typische Operationen mit Feldern sind Kopieren, Einfügen und Löschen von Elementen: int pos = 4; // Index des zu löschenden Elements int[] kopie; kopie = new int[feld.length - 1]; for (int k = 0; k < pos; k = k + 1) { kopie[k] = feld[k]; for (int k = pos+1; k < feld.length; k = k + 1) { kopie[k-1] = feld[k]; feld = kopie; // Altes Feld wird hier gelöscht /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

7 Klassische Programmierung In der klassischen (nicht objektorientierten) Programmierung hat man zusammengesetzte Daten aufgetrennt. Beispiel: Wir wollen Daten über Studenten abspeichern: ein Student hat einen Namen (String), ein Geschlecht (char), eine Matrikelnummer (int), einen Studiengang (short) (Kennzahl)...usw Code: String[] namen; char[] geschlecht; int[] nummer; usw. Beim Anlegen eines Studenten werden alle Felder jeweils erweitert /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

8 Klassische Programmierung Der Ansatz über separate Felder ist effizient (nur wirklich notwendiger Speicher belegt) aber unflexibel gegenüber strukturellen Änderungen. Ein paar typische Beispiele: In einigen (aber nicht allen) Studiengängen gibt es ein Nebenfach, Lehramtler müssen zwei Hauptfächer (z.b. Mathe&&Physik) wählen. Seltene Zusatzinfos wie Studiengang im 3. Semester gewechselt. Dann soll es noch den Datentyp MasterStudent geben: Enthält gleiche Informationen wie Student aber zusätzlich die Bachelornote /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

9 Klassische Programmierung Klassisch hat man Sonderfälle so gelöst: durch Kennzahlen in den Feldern, z.b. ist bachelornote für alle Studenten angelegt, aber bei noch unfertigen Studenten auf -1 gesetzt, durch Wahrheitswerte die weitere Informationen freischalten, z.b. boolean hatbachelor, durch Tricks im Programmcode. Probleme dieses Ansatzes: Daten anfällig für Inkonsistenz oder Fehler, Änderung der Bestandteile oder Einführung eines Spezialfalls erfordert Neuprogrammierung der ganzen Struktur. Code und Daten sind getrennt, Änderung der Datenstruktur erfordert Neuschreiben des Codes /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

10 Objektorientierte Programmierung Dahinter steckt das Grundproblem, dass ein Student ein in sich geschlossenes Objekt mit individuellen Eigenschaften und Fähigkeiten ist. Das klassische Datenkonzept bildet die Realität nicht gut ab. Bei der Objektorientierten Programmierung OOP werden die Eigenschaften und der Verwaltungscode in Objekten zusammengefasst. Grundlegende Eigenschafte der OOP: Flexibler, erweiterbarer, lesbarer und realitätsnaher Code, dafür nicht so effizient (langsamer und kostet mehr Speicherplatz). Programmierung zunächst aufwendiger als im klassischen Stil. Mehr Denkarbeit (Objekte sind zu designen bevor man programmiert) /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

11 Studenten klassisch Die klassiche Abspeicherung der Studentendaten sieht so aus: name nummer geschlecht bachelornote Schmidt, Peter m 2.3 Müller, Hans m -1 Meier, Sonja w Jede Spalte entspricht einem Feld, aber jede Zeile einem konkreten Objekt in der Tabelle. Diese Technik bildet die Objekte nicht in der ursprünglichen Form ab. Der Programmcode muss die künstliche Note -1 berücksichtigen, die ganz anders zu interpretieren ist als beispielsweise eine /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

12 Studenten objektorientiert Die objektorientierte Abspeicherung der Studentendaten sieht so aus: Ein Feld aus Studenten, die Eigenschaften innerhalb der Objekte können sich unterscheiden /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

13 Was ist ein Objekt Formell ist ein Objekt in Java ein Speicherbereich der verschiedene Variablen enthält, plus Programmcode, der mit diesen Variablen arbeitet, und über eine Referenzvariable angesprochen wird. Ein Objekt soll einen Gegenstand aus der Wirklichkeit abbilden: Ein Gegenstand hat gewisse Eigenschaften Objekt enthält Variablen verschiedener Typen Ein Gegenstand wird für einen Zweck eingesetzt Objekt bietet Programmcode an Ein Gegenstand kann verändert werden Variablen werden durch Code verändert /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

14 Objekte in Java Im Speicher legen wir das Objekt und eine Referenz an: student int nummer; char geschlecht; String name; byte alter; void neuenummer(int n) { nummer = n; void setzenamen(string s) { name = s; void geburtstag() { alter++; Wie sagen wir Java, welche Variablen wir brauchen? Wie kommt der Programmcode in den Speicher? Was ist eigentlich der Datentyp eines Objekts? /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

15 Klassen in Java Bisher haben wir nur elementare Datentypen verwendet: Eigenschaften und Operationen sind von Java vorgegeben der Datentyp ist ein festes Schlüsselwort wie int Wollen wir ein Objekt anlegen, so müssen wir den Datentyp selbst beschreiben, das tut man in Java mit einer Klasse: Eine Klasse ist eine eigene Datei mit der Endung.java, in dieser Datei werden die Variablen aufgelistet und der Programmcode geschrieben, danach kann man mit dem Namen der Klasse wie mit einem gewöhnlichen Datentyp arbeiten /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

16 Klassen in Java Wir müssen also zwei verschiedene Konzepte lernen: Klassen entwerfen Deklaration der Variablen Deklaration der Methoden Modifikatoren Klassen verwenden Erstellung von Objekten im Speicher Verwendung der Variablen Aufruf der Methoden /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

17 Ein Beispiel vorab Student.java class Student { int nummer; char geschlecht; String name; byte alter; void neuenummer(int n) { nummer = n; void setzenamen(string s) { name = s; void geburtstag() { alter++; MeinProgramm.java class MeinProgramm { public static void main(string[] args) { Student s = new Student(); s.setzenamen("daniel Haase"); s.geburtstag(); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

18 Eine Klasse entwerfen Eine Klasse enthält folgende Information: Name der Klasse (für öffentliche Klassen gleich Dateiname) Deklaration der Attribute (Datentyp plus Variablenname) Deklaration der Methoden (Signatur plus Programmcode) Modifikatoren Ein Objekt oder ein Exemplar oder eine Instanz (aus dem Englischen instance) ist der Wert, den eine Klasse haben kann. Objekte werden mit new erzeugt. Styleguide: Klassen groß schreiben, Objekte/Attribute/Methoden klein /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

19 Eine Klasse entwerfen Zuerst wählt man einen Namen für die Klasse: Die Klasse muss in der Datei Name.java gespeichert werden. Die Datei hat diese Form: class Name {. Deklarationen. javac übersetzt die Datei zu Name.class. Diese Klassendatei enthält den Bytecode für die Klasse.... genau wie bei Ihren bisherigen Programmen, nur gibt es keine Hauptmethode main Diese Klassendatei ist kein Programm, man kann sie nicht ausführen. Die Klasse wird nur von anderen Programmen verwendet /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

20 Eine Klasse entwerfen Dann deklariert man in der Datei die Attribute. Das sind die Variablen, die im Speicherbereich des Objekts stehen: Attribute werden mit Datentyp plus Namen deklariert nach jeder Deklaration kommt ein Semikolon: class Name { Datentyp Name ;. Alle bekannten Datentypen sind erlaubt: Elementare Datentypen: int, boolean, double,... Referenzen auf Felder: int[], boolean[],... Referenzen auf Objekte: Klassenname Vor den Datentypen können Modifikatoren stehen /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

21 Eine Klasse entwerfen Hier ein Beispiel für eine Klasse, die einen Punkt in der Ebene darstellt: Punkt.java class Punkt { double x; // Erste Koordinate double y; // Zweite Koordinate MeinProgramm.java class MeinProgramm { public static void main(string[] args) { Punkt p = new Punkt(); p.x = 10; p.y = -4; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

22 Eine Klasse entwerfen Felder und Objekte werden beide über Referenzvariablen verwaltet, es gibt aber folgende Unterschiede: Ein Feld wird erzeugt mit new Datentyp [Anzahl ], enthält nur Variablen gleichen Datentyps, die Werte im Feld werden mit einem Index in eckigen Klammern angesprochen: a[5] = 3; Ein Objekt (erstellt aus einer Klasse) wird mit new Klassenname () erzeugt mit runden Klammern, enthält verschiedene Variablen mit eigenen Namen, die Variablen im Objekt werden mit dem Referenzpunkt und dem Namen angesprochen: p.x = 5; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

23 Aufgabe Schreiben Sie zwei Dateien: Die erste Datei Raumvektor.java enthält eine Klasse, die einen dreidimensionalen Vektor darstellt. Er besteht aus drei Koordinaten x, y und z (jeweils double) Die zweite Datei Programm.java enthält eine Klasse nur mit der Hauptmethode main. Dort soll ein Raumvektor v deklariert und im Speicher angelegt werden. Beschreiben Sie die Komponenten von v jeweils mit Null /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

24 Lösung Raumvektor.java class Raumvektor { double x, y, z; // Koordinaten Programm.java class Programm { public static void main(string[] args) { Raumvektor v = new Raumvektor(); v.x = 0; v.y = 0; v.z = 0; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

25 Speicherbilder Nochmal zur Gegenüberstellung: Das Feld int[] A; A = new int[4]; A[3] = -4; Elemente werden über einen Index in eckigen Klammern angesprochen: Das dritte Element von A /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

26 Speicherbilder Nochmal zur Gegenüberstellung: Das Objekt Raumvektor v = new Raumvektor(); v.x = -3; v.y = 2; v.z = 4; Attribute werden über einen Namen mit dem Referenzpunkt angesprochen: Das Attribut x vom Objekt v /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

27 Objekte in Objekten Objekte können (und sollen) Objekte als Bestandteile enthalten, auch dadurch wird die Realität abgebildet: Gegenstände im Alltag sind aus Bestandteilen aufgebaut, diese bringen gewisse Fähigkeiten mit, die das Objekt einsetzen kann, sie können erzeugt, ausgetauscht oder erweitert werden. Eines der Grundprinzipien der OOP: Suche schon vorhandene (schon programmierte) Bestandteile, baue neue Klassen damit auf, programmiere nur die Teile neu die nicht schon in den Bestandteilen enthalten sind. Weiteres Grundprinzip: Jedes Objekt ist für die Verwaltung und Verarbeitung seiner Daten selbst zuständig. Verarbeitungsschritte von übergeordneten Klassen werden an Bestandteile delegiert /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

28 Beispiel Dozent.java class Dozent { String name; void print() { System.out.println(name); Kurs.java class Kurs { Student[] teilnehmer; Dozent dozent; String raum; void print() { System.out.println(raum); dozent.print(); for (int n = 0; n < teilnehmer.length; n = n + 1) teilnehmer[n].print(); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

29 Beispiel OO-Programme sind flexibel, wird beispielsweise die Dozentenklassen später geändert zu Dozent.java class Dozent { String name; String anrede; void print() { System.out.println(anrede + name); so braucht die Kurs-Klasse nicht angepasst zu werden, da sie die Aufgabe Namen ausgeben an ihre Bestandteile delegiert hat /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

30 Beispiel Eine typische Anwendung ist das Ablegen von Objekten in Feldern: Student[] feld = new Student[100]; for (int k = 0; k < feld.length; k = k + 1) { feld[k] = new Student(); feld[k].nummer = k; feld[23].name = "Müller, Hans"; Wichtig: Nicht die Objekte selbst stehen im Feld, sondern die Referenzen. Der letzte Befehl liest sich wie folgt: Gehe ins Feld auf das die Referenz feld zeigt, nehme 23. Eintrag. Dieser zeigt auf ein Objekt, nehme davon das Attribut name /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

31 Beispiel Ein Objektfeld kann wie folgt um ein Element erweitert werden: Student neu = new Student(); Student[] kopie = new Student[feld.length+1]; for (int k = 0; k < feld.length; k = k + 1) { kopie[k] = feld[k]; // Nur Referenz wird kopiert! kopie[feld.length] = neu; feld = kopie; // Altes Feld wird hier gelöscht /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

32 Aufgabe Schreiben Sie ein Codestück, das den Studenten an der Position pos aus dem Feld entfernt: /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

33 Aufgabe Schreiben Sie ein Codestück, das den Studenten an der Position pos aus dem Feld entfernt: Student[] kopie = new Student[feld.length-1]; for (int k = 0; k < pos; k = k + 1) { kopie[k] = feld[k]; for (int k = pos+1; k < feld.length; k = k + 1) { kopie[k-1] = feld[k]; feld = kopie; // Altes Feld wird hier gelöscht /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4

34 Zusammenfassung Um Objekte zu verwenden, muss man den Datentyp festlegen indem man eine Klasse schreibt, Referenzvariablen deklarieren, Objekte mit new im Speicher erzeugen und zuweisen, deren Attribute/Methoden mit dem Referenzpunkt verwenden. Bearbeitung der Blätter: Laden Sie sich die Übungsblätter und das Folienpaket aus ILIAS, lesen Sie die Korrektur der Hausaufgabe (ILIAS-Abgabeseite) zu Hause durch, Die Aufgaben von Blatt 6 sollten alle im gleichen Java-Projekt bearbeitet werden, damit die Klassen gegenseitig sichtbar sind. Besonders wichtig in OOP: Melden Sie sich sofort, wenn Sie nicht weiter wissen! /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4